Юрий Гуревич - Загадка булатного узора
Высказывалось мнение, что стойкость индийских железных колонн объясняется сухим и чистым воздухом местности, где они установлены. Другие исследователи утверждали, что в атмосфере когда-то было повышенное содержание аммиака, которое в субтропическом климате Индии позволило получить на поверхности колонны защитный слой нитридов железа. Другими словами, колонны якобы азотированы самой природой.
Известны и более оригинальные точки зрения: поскольку колонны считались священными, их обливали благовонными маслами, и поэтому они не ржавели. Есть даже предположение, что на колонны испокон веков залезали голые индийские ребятишки, а позднее о них «терлись» туристы. Поэтому колонны постоянно смазывались кожным жиром!
По-видимому, все гораздо проще. В индийских колоннах найдено немного меди и повышенное содержание фосфора. В железе делийской колонны его 0,114–0,180 % а в дхарской еще больше — 0,280 %. В обычном сварочном железе фосфора бывает не более 0,05 %, в то время как атмосферостойкая фосфористая сталь (читатель уже знает) содержит до 0,15 % фосфора. Уж очень близко содержание фосфора в индийских колоннах к содержанию его в современной атмосферостойкой стали. Не этим ли объясняется тот факт, что на поверхности колонн образовались устойчивые окисные пленки, предохраняющие железо от дальнейшей коррозии?
Есть данные, что верхняя, не доступная человеку часть колонны имела бронзовый оттенок, благодаря чему некоторые наблюдатели принимали даже материал колонны за медный сплав. Другие говорят о синевато-коричневой или синевато-черной пленке окислов, покрывающих верх колонны. Таким образом, и окисные пленки по своему внешнему виду очень напоминают защитную оболочку атмосферостойкой стали "кор-тен".
Из приведенных фактов следует: японский булат — не единственная природно-легированная сталь, изготовлявшаяся в прошлом. Индийские и русские металлурги тоже находили железные руды, из которых получали природно-легированные чугуны и стали. Но отличаются ли механические свойства природно-легированной стали от современных сталей, легирующие элементы которых вносятся во время плавки путем добавки в жидкий металл необходимого количества твердых ферросплавов? Оказывается, отличаются. Свойства природно-легированных сталей гораздо выше.
6 конце XIX столетия в России усиленными темпами начали строить железные дороги. Понадобились рельсы. Рельсы делались из бессемеровской стали, производство которой к этому времени возникло на юге страны и на Урале. Самые крупные конвертеры были установлены на Катав-Ивановском железоделательном заводе, где было организовано мощное рельсопрокатное производство.
Есть сведения, что рельсы Катав-Ивановского завода обладали необыкновенно высоким качеством. Они экспортировались даже за границу, в частности в Англию. Причем завод гарантировал безупречную работу своей продукции в течение нескольких лет. В случае выхода рельсов из строя он давал обязательство безвозмездно заменять их и оплачивать убытки. Неизвестно ни одного случая рекламаций на катав-ивановские изделия. Установлено, что высокие свойства рельсов объясняются тем, что они были сделаны из природно-легированной стали.
Катав-Ивановский чугун выплавлялся на чистых по сере и фосфору высокожелезистых бакальских рудах. К ним добавлялась бедная по железу местная руда, найденная в небольшом количестве недалеко от города. Местная руда, кроме железа, содержала хром и марганец. Поэтому в Катав-Ивановске производили природно-легированный чугун. Продувая этот чугун в конвертере, получали природно-легированную хромомарганцовистую рельсовую сталь. Этим и объясняется ее высокое качество по сравнению с обычными сталями, в тем числе и легированными.
Но почему природно-легированные стали обладают высокими свойствами? Металлы — кристаллические вещества, и свойства сплавов зависят от расположения атомов легирующих элементов в их кристаллической решетке. При плавлении металлов и небольших температурах перегрева жидкого сплава в нем сохраняется так называемый «ближний порядок». Это значит, что атомы в микрообъемах вещества расположены один относительно другого определенным образом.
Современное производство легированных сталей основано на расплавлении металла, удалении из него необходимого количества углерода, освобождении от лишнего кислорода, вредных примесей и легировании путем добавки ферросплавов в жидкую ванну. При выплавке стали «кор-тен», например, в жидкую ванну добавляют феррохром, никель, медь, феррофосфор и другие ферросплавы.
Однако в связи с тем, что в слабо перегретом жидкой сплаве сохраняются устойчивые связи между существующими атомами, атомы легирующих элементов не могут попасть на те места, которые им предназначены природой. Такая закономерность сохраняется и после кристаллизации стали. Поэтому в стали, выплавляемой по современной технологии, как правило, не реализуется полностью весь комплекс физико-механических свойств которые могли бы обеспечить вводимые в нее легирующие элементы.
Если бы можно было сделать атмосферостойкую сталь без добавок легирующих элементов в период плавки, как это делалось в прошлом, она обладала бы более высокими свойствами. Но как это сделать, где найти материалы для выплавки такой стали? Как тут не вспомнить старых русских металлургов, ведь они находили такие материалы! А в наше время?
Оказывается, и в наше время есть такие руды в Халиловском месторождении, около города Орска. Для работы на этих рудах в городе Новотроицке был построен Орско-Халиловский металлургический комбинат. И получают на комбинате природно-легированный чугун, который содержит никель, хром и фосфор.
Получать-то получают, а переделывать в обычную сталь затрудняются. Дело в том, что в обычных сталях фосфор — вредная примесь, он делает сталь хрупкой, и его надо удалять до сотых долей процента. Удаляют фосфор из расплава путем его окисления и перевода образующихся окислов в шлак. Однако вместе с фосфором окисляется хром, а окислы хрома, переходя в шлак, делают его вязким, неактивным. Это затрудняет плавку стали, удлиняет ее, повышает стоимость стали. А вот атмосферостойкая сталь имеет высокое содержание фосфора, и, следовательно, фосфор из чугуна удалять практически не надо. Значит, при переплаве пригодно-легированного чугуна сохранится и хром, значит, нет опасности получать вязкие хромистые шлаки. Вот и получается, что халиловский чугун самой природой создан для производства природно-легированной атмосферостойкой стали.
Эксперименты на Орско-Халиловском металлургическом комбинате привели к положительным результатам — изобретению новой природно-легированной атмосферостойкой стали. Новая никельхромомедистая высокофосфористая природно-легированная сталь с успехом выдержала все физические и механические испытания и обеспечила комплекс необходимых свойств при температуре — 40 °C.
Интересно, что повышенное содержание фосфора и меди встречается также во многих образцах древних булатов. В Тульском музее оружия хранится кинжал. Длина его клинка 15 см, а ручки с головой быка — всего 10. Найден он на Куликовом поле; считают, что оружие изготовлено около 1380 года. Небольшие размеры дают основание предполагать, что это женское оружие. Внутри ручки есть пружина, с помощью которой клинок смазывается ядом, вытекающим из специальной железной трубки. Железо трубки сильно корродировано, в то время как лезвие клинка совершенно чистое, без каких-либо следов ржавчины. По-видимому, наши предки, сами того не подозревая, получали природно-легированную фосфором и медью сталь, которая хорошо противостояла коррозии.
Что же такое булат?
Нам уже известно, что булат — это прежде всего литая углеродистая сталь, обладающая специфическими узорами.
Первым подробно описал литой индийский булат, или вутц, Павел Петрович Аносов. «Булатом называется, — писал П. П. Аносов, — сталь, имеющая узорчатую поверхность: на некоторых булатах узор виден непосредственно после полировки, на других же — не прежде, как поверхность подвергается действию какой-либо слабой кислоты». Легкость проявления рисунка при травлении являлась характерным признаком литого булата.
Кроме того, рисунок должен принадлежать всей массе булатного клинка и быть результатом естественной структуры металла, а не результатом сварки кусков металла различной твердости, как в дамасской стали. Расположение узоров на булатном клинке отличалось тем, что, повторяясь по форме, каждый из них имел неповторимые штрихи. Поэтому искусственно создать булатный узор практически невозможно. Кроме того, если узор стирался с поверхности изделия, то последующей шлифовкой, полировкой и травлением его можно было очень хорошо выявить вновь. Узор сохранялся даже при перековке сабли в кортик, нож или другое изделие.
