Л. Б. Архангельский
О БУЛАТАХ И БУЛАТНЫХ КЛИНКАХ

Мифы о булате популярны во многом потому что имеют под собой хотя и
сильно искаженное заблуждениями, но вполне реальное основание.
Действительно, великий русский металлург Д.К.Чернов писал, что "...
самая лучшая сталь, которая когда-либо, где-либо производилась, есть,
без сомнения, булат." Однако не всякий узорчатый металл, называясь
булатом, обладает свойствами сверхстали. Неграмотно изготовленное, плохо
прокованное узорчатое оружие "... не имеет других достоинств, кроме
узора" и, как с досадой выразился один русский офицер в середине
прошлого века, "... крайне редко оправдывает непомерно высокую цену, за
него заплаченную." Согласно проведенной в то время описи, в русской
кавалерии было около 4000 узорчатых сабельных клинков, изготовленных в
разных странах, в разное время и по различным технологиям. Из них только
100 клинков соответствовали строгим требованиям к качеству,
предъявляемых к строевому оружию, и лишь четыре клинка, т. е. 0,1 % от
общего количества, превосходили по своим свойствам стальное,
безузорчатое оружие.
Итак, булат может иметь лучшие по сравнению со сталью свойства, но не
всякий. Для получения "сверхстали" нужно подбирать режимы обработки
металла, предварительно осознав "идею булата". Эта "идея" заключается в
том, что неоднородная, узорчатая сталь при определенной обработке
переходит в иное качество, становясь как бы не просто сталью и даже не
совсем металлом.
УЗОРЧАТАЯ СТАЛЬ. Что такое булат? Называли этот материал в разные
времена и в разных странах поразному. Например, принятое в России слово
"булат" произошло от иранского "пулад" (по-арабски "фулад"), которое
обозначает просто литую сталь (не будем здесь уточнять, что такое
"просто литая" сталь). Само слово "фулад" отражает технологичесую
особенность получения металла и означает "очищенное" - вероятно, имеется
в виду железо, переплавкой которого производили сталь. Другое очень
популярное название - "дамаск", отражает внешний вид поверхности клинков
и произошло от "дамаст" - "волнистый, струйчатый". Употребляются также
названия "вутц", "булатная сталь," "дамасская сталь", "сварочная сталь",
"рафинированная сталь", "дендритная сталь", "узорчатая сталь", а так же
"красное", "белое" и "многосуточное железо". Встречаются термины
"ликвационный булат", "сварочный булат", "микробулат", "порошковый
булат" и, естественно, какой-то "настоящий булат".
Что такое булат как материал для изготовления клинков, ножей? Какой
клинок можно без особых металлографических и лингвистических изысканий
назвать булатным? Чтобы определить, чем отличается любой булат от стали,
следует выявить его главный признак. Определить - значит ограничить,
положить предел. Вот и нам нужно уяснить границы понятий "сталь" и
"булат". Наиболее характерным признаком, отличающим булаты всех сортов
от обычных сталей, является своеобразный узор на отполированной
поверхности булатного изделия. Узор этот различим невооруженным глазом и
выделяется в виде светлых линий на сером или черном фоне после
протравливания изделия какой-либо слабой кислотой, но иногда он
проявляется уже непосредственно после полировки. Эффект появления узора
объясняется структурной неоднородностью металла, в котором участки с
разным содержанием углерода и травятся, и полируются по разному.
С древнейших времен именно по узору различали сорта булата. Аль-Кинди,
арабский знаток оружия, живший в IX в., писал, что глядя на узорчатую
сталь, видишь ее как снаружи, так и внутри. Действительно, знаток по
одному лишь внешнему виду узорчатого клинка может определить структуру
металла, технологию его изготовления, весьма часто место и время его
производства и, в некоторых случаях, мастера - клиночника. Лучший в
Европе знаток булатов П. П. Аносов говорил, что "... опытный азиатец не
ошибется в выборе клинка без пробы и по одному узору определит, вязок
булат или хрупок, тверд или мягок, упруг или слаб". Таким образом,
неизменный спутник классического булата - различимый невооруженным
глазом узор того или иного вида. Булат может быть литой, сварочный,
японский, индийский, плохой, хороший - какой угодно, но узор должен
быть! Чем выше четкость и контрастность узора, тем больше ценился булат.
Этот внешний признак говорит о резкой неоднородности металла.
Исследования микроструктуры некоторых старинных клинков показали, что
белые линии узора на них образованы вытянутыми (волокнистыми)
скоплениями округлых цементитных частиц размером от 1 до 10 мкм,
неравномерно распределенных в матрице, содержащей примерно 0,8% углерода
и имеющей структуру сорбита или троостита. Ясно, что чем белее, чем
четче узор, тем плотнее скопление частиц цементита и выше содержание
углерода в волокне. При среднем содержании углерода в металле 1,5% в
волокне может быть до 4% углерода - столько же, сколько в чугуне. Однако
известно множество узорчатых клинков с совершенно другой структурой,
например таких, в которых узоры образованы переплетением железных и
стальных волокон или пластин. Встречаются также клинки, в которых наряду
с железо-стальными волокнами присутствуют и сверхуглеродистые участки,
как в клинках первого типа.
Разница в узоре клинков объясняется тем, что в течение двух тысячелетий
оружейники применяли множество различных вариантов получения узорчатого
металла, как с использованием кузнечной сварки, так и путем выплавки и
последующей деформации (ковки) стали по особым режимам. Однако все
многообразие получающихся при этом структур металла можно свести к
четырем основным группам. В несколько упрощенном виде сочетание
структурных составляющих в этих группах можно представить следующим
образом.
СТАЛЬ - ЖЕЛЕЗО. В этом случае, при использовании наиболее древних
технологий выплавки стали, слиток состоит из спекшихся железных зерен со
стальной оболочкой переменного по толщине состава. Структуру такого же
типа имеет и железо-стальной композит, получаемый с помощью кузнечной
сварки стальных и железных пластин или прутков. Среднее содержание
углерода в таком материале в большинстве случаев не превышает 0,8%.
ЧУГУН - СТАЛЬ - ЖЕЛЕЗО. Эта структура получается, например, при
сплавлении в тигле чугуна и обрезков железа. При не слишком длительной
выдержке чугун, сплавляясь с железными частицами, науглероживает,
поверхностный слой приобретает свойства и структуру стали, а сердцевина
у них остается железной. Частично отдавший свой углерод чугун после
затвердевания слитка образует сверхуглеродистые прослойки. Кузнечной
сваркой похожую структуру можно получить, посыпая свариваемый пакет
пластин толченым чугуном, который при температуре сварки расплавляется и
науглероживает их поверхность. Среднее содержание углерода в таком
композите может доходить до 1,5%.

ЧУГУН - СТАЛЬ. Это сочетание можно получить сплавлением чугуна со
сталью. Аналогичная структура получается при определенных условиях
кристаллизации однородного высокоуглеродистого расплава, в результате
которой формируется развитая цементитная сетка по границам крупных
дендритов. Содержание углерода в композите этого типа иногда превышает
2%.

ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ - СТАЛЬ. При сплавлении чугуна с железом и при
значительной выдержке углерод из чугуна переходит в железо, превращаясь
при этом в высокоуглеродистую сталь, а железо науглероживается до
стального состояния. Эта структура отличается от предыдущей тем, что
максимальное содержание углерода в прослойках не превышает 2%.

По своей макроструктуре, которая и проявляется в виде узора, булаты
подразделяются на металлы со слоистой и волокнистой структурой.
Волокнистые, в свою очередь, могут быть либо с непрерывными (длинными)
волокнами, либо с дискретными (короткими). Разновидностью волокнистого
металла является "ленточный" Дамаск, у которого ширина поперечного
сечения волокон во много раз больше их толщины.

Булаты издавна принято различать и по способу получения. Здесь известны
две большие группы технологий. Первая группа объединяет технологии
производства узорчатого металла, связанные с расплавлением хотя бы одной
из составляющих композита. Таким образом получают классические литые
булаты - индийский "вутц", арабский "фаранд", китайское "многосуточное
железо" и т. п. Вторую группу составляют способы, основанные на
применении кузнечной (диффузионной) сварки, которыми получают так
называемые "дамаски" Естественно, что в каждой группе имеется множество
разновидностей и, кроме того, существуют такие методы производства
узорчатого металла (например, сварочного булата), которым одновременно
присущи признаки производства как литого, так и сварочного композита.

В старину классификация основывалась в основном на внешних признаках -
величине и форме узора, цвете и четкости его составляющих. Цвет фона
узора, "грунт", мог быть серым различных оттенков, бурым и черным,
причем черный цвет фона считался признаком булата высшего качества. Так,
одним из высших сортов считается "кара табан", то есть "черный
блестящий", узоры которого образованы белыми, блестящими линиями на фоне
глубокого черного цвета. В старину знатоки булата еще одним из
непременных признаков его высокого качества считали характерный отсвет
или отлив на поверхности клинка. Этот отлив мог быть либо золотистого,
либо красноватого цвета и становился виден при падении света на клинок
под острым углом. Иранцы очень ценили "желтые клинки", из чего следует
вывод о предпочтительности именно золотистого отлива. Красноватый отлив,
равно как и светлый "грунт", свидетельствовал о повышенной хрупкости
булата.

Очень распространенным и устойчивым был обычай присваивать сортам
узорчатого металла названия местностей, в которых он производился.
Баркер, английский генеральный консул в Алеппо (XIX в.), приводит
несколько названий, классифицированных, вероятно, в большинстве своем по
месту производства булатов, а именно: три сорта "табанов" - "кермани"
(из Кермана в провинции Хорасан), "диши" и "эркек табан", два сорта
"хорасанов" - "лахори" (из Лахора) и "баяз хорасан", два несомненно
индийских сорта разновидности "гинди" -"сари" и "кум гинди" (волнистый
индийский) - и, наконец, "лахори нейрис", "элиф Стамбул", "шам" (Шам -
турецкое название Сирии) и "эски шам" (старинный шам). Сюда можно
добавить и "бейад Стамбул" -"белый стамбульский", имеющий бледный
волокнистый узор из практически прямых линий. И наконец, прославленный
"аносовский" булат, который именуют также и "златоустовским".

Полковник Бутенев, посетивший в 1841 г. Среднюю Азию, в статье "О ковке
булата в Бухарии" сообщает о том, что в Бухаре высшими сортами считались
"симдани", "газгани", "гунеужевгар" ("новый алмаз"), "наурис" (нейрис) и
"харусани" (хоросан?). К низшим относились "мешеди" (из Мешхеда),
"гиндустани" (новый индийский булат), "собсидар" (зеленый) и "гиндустани
ахак". При этом он указывает, что бухарцы предпочитали узоры округлые и
правильные угловатым, иранские булаты - индийским, а старые сорта -
новым.

Отмечу, что эти записанные европейцами азиатские названия относятся к
литым разновидностям булата, в то время как названия сортов сварочного
узорчатого металла, в изготовлении которого азиаты были немалые мастера,
преданы забвению.

СВАРОЧНАЯ СТАЛЬ. Кузнечную сварку губчатого, кричного металла применяли
еще в самом начале железного века, т.е. 3500 лет назад. Эта
технологическая особенность нашла отражение в самом названии древнего
металла - "сварочное железо". И в более поздние времена кузнечная сварка
была неизменным спутником производства высококачественного металла. Суть
технологии кузнечной сварки заключается в сближении очищенных от
загрязнений и раскаленных поверхностей металла до расстояний, близких к
межатомным. Тогда во время проковки происходит взаимопроникновение
атомов, как бы "сшивающее" контактирующие куски металла.

Самой распространенной и простой является сварка сложенных стопкой
пластин, образующих пакет. Пакет нагревают в горне и посыпают тем или
иным флюсом, который сплавляется с образовавшейся на поверхности пластин
окалиной и очищает от нее свариваемые поверхности. Растворяя окалину,
флюс одновременно образует жидкий шлак, предохраняющий поверхность
металла от дальнейшего окисления. Покрытый жидким шлаком пакет
разогревают до белого каления и проковывают. Сначала выжимают жидкий
шлак, а затем сильными ударами производят собственно сварку. После
первой сварки пакета его расковывают на полосу и разрубают на несколько
частей, которые снова складывают стопкой и производят вторую сварку. Эти
действия повторяют до тех пор, пока не наберут желаемое количество слоев
железа и стали в изделии.
Со времен раннего средневековья и до начала XIX в. в Европе при
получении стали и железа из чугуна его пережигали в специальных печах
для удаления излишнего углерода. К XVIIIв. было разработано около 90
видов этой технологии, получившей название кричного передела. Общим для
этих технологий было получение промежуточного продукта в виде
пропитанной шлаками очень неоднородной крицы. В одном куске сырцового
металла соседствовали участки среднеуглеродистой стали с прожилками
чугуна и высокоуглеродистой стали.

Для производства качественного металла требовалось удалить шлаки и
выровнять состав, что и достигалось неоднократными проковками и сварками
сырцовой стали. Товарная продукция получила в Европе название
рафинированной стали. В статье "Краткое описание Златоустовской
оружейной фабрики", опубликованной в "Горном журнале" в 1846 г. и
принадлежащей, как полагают, перу П.П.Аносова, дано описание
совершенного способа производства узорчатой "сварочной" стали.

Работа по этому способу начинается с очищения чугуна от примесей - в
первую очередь от кремния. Очищенный переплавлением чугун отбеливали
путем резкого охлаждения, а затем пережи-гали в кричном горне для
удаления излишнего углерода. В горн сначала засыпали 15 кг железных
обсечек и, когда они по мере сгорания угля опускались на дно, постепенно
загружали до 100 кг чугуна. После выжигания некоторого количества
углерода крицу сырцовой стали извлекали и проковывали в бруски.

Считалось, что получаемая, еще весьма высокоуглеродистая сырцовая сталь
не годилась для выковки оружия, поскольку "... она местами или слишком
груба, или слишком мягка. Притом же и не довольно чиста во внутренности,
почему она должна быть улучшена." Для улучшения брусковую сталь
проковывали в ленты, затем закаливали и по излому разделяли на четыре
сорта: твердую, среднюю, мягкую и негодную. Из 20 листов первых трех
сортов металла составляли пакеты, которые после первой сварки еще дважды
разрубали пополам и сваривали, после чего расковывали на полосы. Такая
80-слойная сталь называлась "односварочною" и считалась годной не для
оружия, а лишь для напильников и другого грубого инструмента.

Клинковую "двухвыварную" сталь получали сваркой пакета еще раз
отсортированных 20 лент "односварочной" стали с последующим
окончательным удвоением и расковкой в бруски. Таким образом,
златоустовская клинковая "сварочная сталь" состояла из 3200 слоев
сырцовой стали, в свою очередь образованной сплавленной смесью частиц
высоко, -средне- и малоуглеродистой составляющих.

Откованные клинки закаливали в чистой ключевой воде и подвергали отпуску
до синего цвета побежалости. Иностранных специалистов приводила в
изумление проверка готового оружия на упругость, при которой зажатый в
тиски златоустовский клинок 20 раз сгибали в полдуги в обе стороны без
всякого вреда. Достижение совершенства в рафинировании стали составляло
"... одно из главнейших попечений местного начальства, поскольку от
доброты оружия нередко зависит жизнь воина."

Эта зависимость действует повсеместно, поэтому не приходится очень
удивляться, что невероятно прославляемые сегодня японские мечи
изготавливали из сварочного металла, неотличимо схожего со
златоустовским. Оружейники далеких островов до 10 - 15 раз расковывали
вдвое и проваривали заготовку из сырцовой стали "тамахагане", пока
металл не достигал требуемой степени однородности. Так же, как и в
Европе, дальневосточные мастера-оружейники считали, что неоднородная и
сверхвысокоуглеродистая сырцовая сталь непригодна для непосредственного
применения в лезвии меча. В этом есть немалый смысл, поскольку при
превышении уровня в 0,8% углерода твердость стали после закалки почти не
повышается, а хрупкость значительно возрастает. Значит, для получения
стойкого лезвия требуется выровнять состав и удалить из стали излишний
углерод, т. е. подвергнуть сталь "рафинированию". В Японии это
достигалось выжиганием углерода непосредственно из каждой заготовки
клинка при неоднократных сварках и проковках.

При каждой сварке, будь то в Японии, Златоусте или Золингене, из металла
выгорает некоторое количество углерода. Современными исследованиями было
установлено, что при первой сварке рыхлого пакета с большой суммарной
поверхностью частиц выгорает примерно 0,3% углерода. При каждом из
последующих удвоений снижение содержания углерода составляет уже только
0,03%. Многократные сварки прекращались, когда кузнецы снижали
содержание углерода в металле до желаемого уровня. Говорят, что металл
считался готовым, когда отрубленная от пакета проба после закалки
начинала поддаваться очень твердому напильнику. Это свидетельствовало о
снижении содержания углерода до уровня около 0,7%.

Полученная мелкоструктурная сталь существенно отличалась от
цементованной или литой тем, что в ней присутствовало громадное
количество сварочных швов, а условное количество слоев железа и стали,
могло достигать нескольких миллионов. Условное потому, что в результате
диффузии углерода реально их оставалось не более нескольких десятков
тысяч.

Стремление к получению максимально однородной структуры стали - это
магистральный путь мировой металлургии, но не единственный. Многослойная
рафинированная сталь с выровненным составом и очень мелким узором,
безусловно, обладала многими достоинствами, высоко ценимыми в клинковом
оружии - упругостью, остротой, способностью долго сохранять заточку.

Однако оказалось, что в странах Востока, который для нас является скорее
Югом, большим почетом пользовались сварочные клинки, откованные из резко
неоднородного металла с принудительно формируемым крупным узором. Этот
клиночный металл в прошлом веке было принято называть "дамасской
сталью".

Наблюдавший изготовление сварочного Дамаска оружейниками Константинополя
(Стамбула) миланский ученый и путешественник Антон Кривелли в 1821 г.
писал в докладе "Изготовление дамасских сабель", что для создания
"дамасского" клинка недостаточно одной только смеси железа и стали, а
потребно и искусство ее обработки.

Эта обработка могла быть весьма сложной. В немецких архивах сохранился
рукописный документ, в котором говорится, что один араб,
присутствовавший при изготовлении клинков из узорчатой стали в Дамаске,
изготовил образцы этой стали в России. По этому рецепту листы железа,
рафинированной и сырцовой стали должны быть связаны вместе (всего 11
листов) и скручены на шесть оборотов, причем скручивать следует еще до
сварки. Эта связка проковывается воедино, складывается вдвое,
проковывается вновь, и так повторяется шесть раз, после чего болванку
разделяют на пруты, которые скручивают и снова проковывают. Три тонких
прута сваривают воедино, еще раз складывают вдвое "... и уже из этого
изготавливают клинки, лучшие и прекраснейшие на свете."

Производили "дамасскую сталь" и другими методами. Так, например,
Беруальдо Бьянчини, автор вышедшей в 1829 г. книги "О дамасских клинках
турецкого типа", писал, что "... масса, употребляемая сегодня для
создания дамасских клинков, в точности та же самая, какая идет на
изготовление клинков совершенно ординарных, т. е. равномерная смесь
стали и железа в соотношении два к одному. Вытягивание дважды
рафинированных болванок в полосу и последующее выковывание клинка между
двух штампов происходит также, как и при изготовлении обычного клинка.
Единственное различие состоит в том, что штамп для "Дамаска" должен быть
снабжен различными рельефами, которые желательно перенести на клинок.
При ковке молотом сменяющие друг друга листы стали и железа клинка
вдавливаются в углубления штампа, в результате чего возникают углубления
или рельеф, которые, будучи затем спилены, дают желаемый узор."

Показательно, что Бьянчини называет "Дамаском" только тот металл,
который имеет регулярный рисунок, а клинки из рафинированной стали
(кстати, соответствующей "односварочной" златоустовской) называет
обычными. Для того времени это вполне соответствовало действительности,
поскольку вся европейская и, в еще большей степени, азиатская сталь,
кроме цементованной, была в той или иной степени неоднородной.

Таким образом, в старину практиковались два разных метода производства
хорошей сварочной стали, один из которых основывался на максимальном
измельчении слоистой структуры, а другой - на формировании заданного,
регулярного узора в сочетании с резкой неоднородностью металла. Общим
для этих методов производства узорчатого металла является обязательное и
многократное использование кузнечной сварки.

В мелкоструктурной "рафинированной" стали узорам вполне справедливо не
придавали особого значения, потому что прочность ее зависела главным
образом от среднего химического состава металла и от степени измельчения
структуры, достигаемой путем формирования особо тонких слоев. В
значительно более неоднородном Дамаске вид макроструктуры, напротив,
очень сильно влиял на свойства клинка. В Западной Европе были
разработаны десятки сортов сварочной стали, не отстали от них и
оружейники Малайзии, где также существовало до 50 разновидностей узоров
клинков традиционного местного оружия - "крисов". Несмотря на такое
обилие, все эти сорта довольно нетрудно упорядочить, разделив их по
принципу образования на несколько групп, а именно на "дикий",
"штемпельный" и "крученый (турецкий)".

Хотя в коллекционных образцах оружия нередок и так называемый "дикий"
узор Дамаска, образующийся в результате довольно беспорядочного
перемешивания металла в результате ручной ковки, мастера все же
предпочитают ковать клинки из "штемпельного" дамаска с его регулярным
узором, о чем писал еще Б. Бьянчини. "Штемпельным" узор назвали в
Германии по способу его образования путем набивки специальным
штампом-штемпелем строго упорядоченного рельефа на заготовку клинка,
после сошлифовки которого слои искажаются в заданном порядке. Видов этих
узоров немного и большинство из них были известны еще в прошлом веке. К
ним относятся ступенчатый, волнистый, ромбический (сетчатый) и
кольчатый.

Ступенчатый узор характеризуется относительно узкими прядями линий,
расположенными поперек клинка. В зависимости от размеров рельефа,
тщательности отковки и шлифовки клинка узор может представлять собой
либо концентрические овалы, либо разомкнутые, волнистые фигуры,
напоминающие ряд сосулек или сталактитов, свисающих с обуха клинка.

Распространенным видом "штемпельного" узора является ромбический,
имеющий две разновидности. Одну из них получают, насекая поверхность
заготовки зубилом крест – на - крест, отчего узор имеет вид сплетенной
из нитей сетки, наброшенной на клинок из "дикого" Дамаска.
Соответственно, и узор называется "сетчатым". Второй разновидностью
является узор, который в Германии называют "мелкие розы". Он имеет вид
четких концентрических ромбов и набивается имеющим пирамидальные выступы
штампом, похожим на кулинарный молоток для отбивания мяса.

Третий, кольчатый вид "штемпельного" узора в США называют "павлиний
глаз", хотя он больше похож на "павлиний хвост", поскольку на клинке в
четком порядке расположены многочисленные концентрические окружности.
Некоторые современные мастера по разметке засверливают непосредственно
саму заготовку клинка, другие делают то же самое со штампом, которым и
набивают этот узор, когда потребуется. Похожий до неразличимости узор
получается, если на заготовке клинка нарезать, а не насечь,
сетчатообразный рельеф с высокими квадратными выступами. При расковке
эти квадраты вдавливаются и расплываются, образуя регулярный кольчатый
узор.

Естественно, многие мастера в совершенстве овладели и методами
изготовления различных разновидностей столь красивого металла, как
"турецкий" дамаск. Так, в XVII - XVIII вв. его назвали те же германцы,
когда увидели привозимые с Востока сабли из местных разновидностей
сварочного металла. При этом они успели подзабыть, что подобный металл
они сами изготавливали еще во времена поздней Римской империи. Такой
узорчатый металл называли "розовым дамаском". Такое название металл
получил из-за схожести вида узора с цветками розы. На Руси его называли
"харалуг" - как считают, от тюркского выражения "кара-лыг", т.е. "черный
цветок".
Отличительной особенностью разновидностей "турецкого" или "харалужного"
Дамаска являлось то, что клинки отковывались из предварительно туго
закрученных прутков неоднородного металла, подобно как в приведенном
выше старинном сирийском рецепте. Узоры при этом получались крайне
разнообразными и причудливыми, но технологические приемы их получения
можно систематизировать и сгруппировать по мере усложнения изготовление
клинка: из одного слоистого закрученного прутка; из одного ряда прутков,
закрученных в разные стороны; из таких же прутков, но расположенных в
два ряда; таким образом, что разные его части откованы с использованием
крученого Дамаска разного вида.

Необходимо подчеркнуть, что до сих пор шла речь о методах образования
узоров при изготовлении клинков из разновидностей слоистого металла.
Использование его волокнистых видов даже в самом незатейливом,
"штемпельном" Дамаске очень сильно усложняет узор, делая его более
насыщенным в декоративном плане и прочным в механическом смысле.
Структуру металла со сверхуглеродистыми прослойками можно получить,
применяя при кузнечной сварке композита в качестве флюса дробленый
чугун, что и делали многие кузнецы древности. Углерод чугуна мгновенно
соединяется при температуре сварки с окалиной, отнимая у нее кислород. В
итоге вместо окалины образуется углекислый газ и чистое восстановленное
железо, которое тут же науглероживается от контакта с жидким чугуном.
Чугун в данном случае является более эффективным карбюризатором, чем
древесный уголь, поскольку при температуре сварки чугун расплавляется и
углерод находится в нем в растворенном, более химически активном виде.
Растекаясь по поверхности заготовки, жидкий чугун очищает ее от окалины,
попутно теряя свой углерод и вследствие этого затвердевая. При
последующей проковке часть жидкого чугуна выжимается, но остаются тонкие
прослойки достаточно вязкого, обедненного углеродом чугуна и
сверхуглеродистой стали. Дальнейшую расковку пакета производят при
несколько пониженных температурах, чтобы сверхуглеродистые прослойки не
расплавлялись, поэтому некоторые оружейники говорят, что они не
сваривают пакет или жгут, а "паяют" его чугуном. Науглероживание
поверхности металла расплавленным чугуном называют "чугунением" или
"насталиванием". Цыганские кузнецы, потомки выходцев из Индии, применяли
чугунение поверхности при сварке жгутовых заготовок из малоуглеродистой
проволоки. Получаемая в результате первой сварки структура имела вид
толстых железных волокон с прослойками высокоуглеродистой стали. После
второй и последующих сварок внутри весьма высокоуглеродистой оболочки
каждого волокна располагался волокнистый железо-стальной композит.
Режущие свойства такого Дамаска были самого высокого качества. Необычный
способ повышения твердости Дамаска с чугунными прослойками описывает
кузнец-оружейник В.И. Басов. По этому способу готовый многослойный пакет
с тонкими сверхуглеродистыми прослойками нагревают до 1170-1180 °С и
после небольшой выдержки резко охлаждают в ледяной воде до 800-850 °С.
При сильном нагреве чугунные прослойки частично расплавляются и металл
насыщается растворенным углеродом до высокой концентрации. При резком
охлаждении металл очень сильно сжимается и часть углерода в структуре
прослоек превращается в... алмаз. По словам Басова, после ковки при
невысоких температурах (не более 800 °С) твердость такой "алмазной
стали" может достичь запредельного показателя - 76 HRC (для сравнения:
твердость напильника составляет всего около 62 HRC). Фактически, Басов в
несколько измененной форме повторил опыт французского ученого А.
Муассана, который в прошлом веке в поисках способа получения
искусственных алмазов вылил расплавленный чугун в холодную воду. После
растворения полученного слитка крепкой кислотой, Муассан обнаружил в
осадке мелкие, крайне твердые кристаллики, которые царапали даже корунд.
Хотя последователям ученого получить алмазы этим методом не удалось,
мысль о клинках с алмазной твердостью не оставляет и современных
исследователей. Один из них добился в этом деле несомненных успехов. В
декабре 1991 года в журнале клиночников -профессионалов "Блэйд"
появилась заметка, что крупнейший американский специалист в области
узорчатых сталей Дэрил Мейер получил "алмазный" дамаск. Используя
современные технологии, содержание которых не описывается, он получил
сталь, содержащую 0,8% углерода, в которой 15% ее объема занимали
мельчайшие кристаллики алмазов. Вероятно, он применил один из вариантов
порошковой технологии, основанной, в сущности, на тех же принципах, что
и кузнечная сварка. Итак, применяя простейшие виды кузнечной сварки,
получают в итоге структуру металла, состоящую из переплетенных железных
и стальных слоев или волокон. Соотношение железа и стали, а также
характер сочетания слоев в композите в зависимости от желания мастера
могут быть какими угодно. Само собой разумеется, что Дамаск может и не
иметь в своей структуре железа, а состоять только из слоев-волокон
сталей разных марок, отличающихся друг от друга содержанием как
углерода, так и легирующих элементов, например, никеля или хрома.
"Алмазные" сверхкомпозиты стоят особо ввиду дополнительного усложнения
технологии. Главным достоинством кузнечной сварки является ее
технологическая простота. Горн и молоток, да еще горсть песка в руке
опытного кузнеца - вот и вся технология. Главный же недостаток этой
древнейшей технологии - невозможность сварки большинства легированных,
более прочных сталей. Только железо и малолегированные стали могут
применяться при изготовлении Дамаска с использованием кузнечной сварки.
Окисные пленки, содержащие много хрома, не удаляются обычными флюсами,
поэтому прочного соединения этим методом высокохромистых сталей добиться
не удается. Чтобы обойти этот "запрет" на применение высоколегированных
сталей, для оружейной деятельности приходится использовать некоторые
виды вакуумной технологии. Поскольку окисления предварительно зачищенных
поверхностей при нагреве в вакууме не происходит, то становится
возможной сварка высоколегированных, в том числе нержавеющих, сталей.
Естественно, использование всех видов флюсов при этом становится
излишним. Известен метод диффузионной сварки в вакууме, разработанный
профессором Н.Ф. Казаковым. По этому методу соединяемые пластины
шлифуются, складываются стопкой, нагреваются в вакуумной камере и
сдавливаются прессом. После выдержки раскаленных пластин под давлением в
течение нескольких минут в результате диффузии элементов образуется
прочное соединение. Сваренный таким образом пакет расковывается на
пластины, которые снова шлифуются, свариваются и так до тех пор, пока не
получится нужное количество слоев. Используя этот метод, можно
изготавливать дамаск из нержавеющих, быстрорежущих и иных высокопрочных
сталей. Пожалуй, главный недостаток диффузионной сварки - большие отходы
металла при шлифовке перед сваркой (до четверти пакета превращается в
пыль за один цикл). Высокопроизводительным методом сварки
высоколегированных сталей является прокатка пакета шлифованных или
очищенных другим методом пластин на вакуумном прокатном стане, где
нагрев заготовки и ее прокатка в валках производится в вакууме,
исключающем окисление поверхности заготовки. Величина свариваемого
вакуумной прокаткой пакета может быть весьма значительной. Например,
один из работавших в СССР "вакуумных" станов мог прокатывать нагретый до
1200°С многослойный пакет толщиной 10 см, шириной 80 см и длиной два с
половиной метра! В принципе, на нем можно получить 150 кг хорошего
пятисотслойного Дамаска любого состава за один цикл. Для сварки
металлических волокон и гранул применяют используемое в порошковой
металлургии устройство, называемое газостатом. В похожую на высокую
бочку и наполненную инертным газом камеру газостата помещают
вакуумированную и герметическую капсулу, наполненную проволокой,
металлическим порошком или смесью того и другого. Затем нагревают
капсулу до 1200-1400°С и заполняют камеру газом до тех пор, пока
давление в ней не достигнет примерно 1500 атм. Металл в раскаленной
капсуле спрессовывается так, что в композите не остается ни малейших
зазоров или пор. После завершения цикла сварки спекшуюся с композитом
оболочку удаляют механическим путем и очищенный композит проковывают или
прокатывают обычным порядком. Цикл спекания весьма длительный, но и
композита можно получить за один раз довольно много. Камера газостата,
установленная в одном из московских институтов, имеет высоту 2.5м,
диаметр около 1м. Очевидно, что технологические параметры газостата
позволяют получить любую из известных в истории структур Дамаска.
Приведенные примеры далеко не полностью исчерпывают достижения
исследователей узорчатых металлов в применении новейших технологий. Эти
технологии дают возможность использовать при изготовлении Дамаска любые
высокопрочные легированные стали, что резко повышает функциональные
свойства изготовленного из него клинка.
ЛИТОЙ БУЛАТ. Литой узорчатой сталью следует считать такую, при получении
которой хотя бы одна из составляющих композита расплавляется.
Промежуточную позицию между литым булатом и сварочным Дамаском занимает
композит, при изготовлении которого с помощью кузнечной сварки
применяется расплавленный чугун в качестве флюсовой, науглероживающей
добавки. Одно из названий получаемого таким образом узорчатого металла -
"сварочный булат". Наиболее древние способы производства литой узорчатой
стали основаны на том, что температура плавления чугуна - около 1200°С,
а чистого железа - более 1500°С, т. е. увеличение содержания углерода в
сплаве на 1% снижает температуру его плавления примерно на 80 градусов.
Использующие это явление способы носят общее название двухфазных, т. к.
основаны на недорасплавлении сравнительно малоуглеродистых включении,
взвешенных в высокоуглеродистом расплаве. В печи или тигле образовывался
своего рода металлический "компот" - в жидком, расплавленном чугуне
плавали хоть и размягченные, но твердые куски железа. После
затвердевания и расковки слитка в клинке чередовались участки очень
твердой и хрупкой сверхуглеродистой стали с участками вязкого, но
мягкого металла. Древние виды двухфазного литого булата похожи на
описанную ранее грубоструктурную сырцовую сталь, с тем лишь отличием,
что слитки булата были не крицеобразными и загрязненными шлаками, а
плотными. На грубую структуру древнего литого металла указывал известный
арабский ученый Аль-Бируни, который в X в. писал: "Сталь бывает двух
сортов: первый, когда в тигле одинаковым плавлением сплавляется
"нармохан" (кричное железо) и его "вода" (чугун). Они оба соединяются
так, что не отличимы один от другого. Такая сталь пригодна для
напильников и им подобных. Второй сорт получается, когда в тигле
указанные вещества плавятся неодинаково и между ними не происходит
совершенного смешения. Отдельные частицы их располагаются вперемешку, но
при этом каждая из них видна по особому оттенку. Называется это "фаранд"
и в мечах он высоко ценится. К мечам, известным под названием
"аль-кубурийские", относятся как будто те, которые находят в могилах
знатных покойников. И слышал я, что на них остаются тонкие жилки, не
впитавшие "воду". Когда они попадаются на лезвиях, то мечи не способны
резать из-за отсутствия твердости. Если эти жилки стесать, то вреда
нет." Подобные "аль-кубурийским" грубые "жилки" имел в древности и
китайский вариант булата. Китайские оружейники, еще в VI в.
столкнувшиеся с этим неприятным обстоятельством, занялись поиском более
совершенной технологии производства оружейной стали. Один из позднейших
вариантов производства "китайского железа" описан Сун Инсином в 1637 г.
Он писал: "Метод получения стали состоит в следующем. Ковкая сталь
расплющивается в бруски шириной в палец и длиной примерно 4 сантиметра.
Их заворачивают в листы ковкой стали и сверху плотно укладывают чугунные
чушки. Всю печь замазывают землей или глиной и начинают раздувать меха.
При достаточной температуре чугун плавится и, капая и стекая, проникает
в ковкую сталь. Когда оба металла образуют единое целое, сплав вынимают
и отковывают. Затем его опять плавят и отковывают. Все это повторяется
много раз." Цель многочисленных переплавок и проковок достаточно
очевидна - китайцы старались выровнять состав металла, усреднить его по
всему объему слитка или поковки. При проковке крупные включения
нерасплавленного железа вытягиваются, утоньшаются и постепенно
науглероживаются, а многократная переплавка обеспечивала
последовательное получение все более тонковолокнистого чугунно-стального
композита. Напомню, что европейцы схожий процесс измельчения структуры
называли "рафинированием" стали. Индийские кузнецы применяли другую
технологию выплавки, также обеспечивающую приемлемую степень
неоднородности металла, но без дополнительной переработки слитка.
Например, известен индийский рецепт прямого получения ценного булата
сорта "акбари" из руды. Согласно этому рецепту, в тигель вместе с
древесным углем и флюсом следовало засыпать смесь изначально мелких
частиц двух руд - бурого и магнитного железняка, а именно три части
магнитного железняка и две части бурого. Содержание железа или, иначе,
пустой породы в этих рудах было разным, поэтому и чистый металл из
частиц этих руд восстанавливался с разной скоростью. В итоге
восстановившийся первым металл за время плавки (около суток) успевал
сильно науглеродиться от контакта с древесным углем и расплавиться, а
выделившийся из более бедной руды оставался менее углеродистым и
твердым. Мастер-плавильщик строго контролировал ход плавки, чтобы не
пропустить момент сплавления зерен металла в монолитную, но неоднородную
массу. При некотором навыке не составляло особого труда вовремя
прекратить плавку и зафиксировать образовавшуюся неоднородную структуру
слитка. Характерно, что П.П. Аносов сотни лет спустя на основании своего
опыта указывал, что искусство мастера в том и состоит, чтобы остановить
плавку в тот момент, когда последний кусочек железа начнет
расплавляться. При длительной плавке металл мог столь сильно насытиться
углеродом, что слиток имел не железо-стальную, а чугунно-стальную
структуру. В пользу этого предположения говорит то обстоятельство, что
для образования плотного слитка, без раковин и шлаковых включений,
требовалась хорошая жидкотекучесть металла, которой чугун или очень
высокоуглеродистая сталь обладали в полной мере. Д-р Скотт, в начале XIX
в. доставивший в Англию из Бомбея подлинные образцы индийского "вутца",
подчеркивал, что "...это вещество не выносит ни малейшего перегрева за
ярко-красный цвет, т. к часть его начинает плавиться и вся масса
разделяется, как будто она состоит из 2-х металлов различной степени
плавкости, Таким образом, наличие в индийском "вутце" сверхуглеродистых,
чугунных (по химическому составу) прослоек неоспоримо. Раньше сплавление
кусков железа и чугуна носило название "иранского способа" получения
булата, а "индийским" именовался метод, заключающийся в сплавлении руды
с древесным углем. Это деление весьма условно, поскольку, как следует из
описаний "Лейденской летописи", древний ирано-арабский "фулад-пулад",
давший название "булату", получали сплавлением смеси кусков железа с
толченым древесным углем. Различия в исходных материалах не столь
существенны, как сам принцип двухфазности плавки. И арабский, и
китайский, и индийский методы выплавки узорчатого металла первоначально
основывались на том, что малоуглеродистая сталь не полностью
расплавлялась в маломощных сыродутных печах, а значительно более
легкоплавкий чугун расплавлялся сравнительно легко и быстро.
Впоследствии оказалось, что при определенных условиях из однородного
расплава также можно получить узорчатый слиток. Достигалось это путем
замедленной кристаллизации высокоуглеродистого расплава, при которой
вырастают крупные зерна-кристаллы, размер которых может достигать
нескольких миллиметров. По границам этих кристаллов-дендритов выделяются
карбиды, образующие цементитную сетку. Если ковать такой крупнозернистый
металл при невысоких температурах, то сплошная цементитная сетка
дробится на мелкие частицы и образуется видимый глазом булатный узор.
Полученный таким образом узорчатый металл исследователи называют сейчас
"дендритная сталь" - по дендритному характеру кристаллизации слитка, или
"ликвационный булат" - по образованию узора вследствие ликвации
углерода. Четкость узоров растет с увеличением содержания углерода в
металле, и в слитке стали с содержанием углерода 2% цементитная,
карбидная сетка занимает до 20% объема слитка. Легирование стали
карбидообразующими элементами - в первую очередь ванадием и хромом,
также способствует повышению четкости узоров. Например,
шарикоподшипниковая сталь с 1% углерода и 1,5% хрома после
соответствующей обработки имеет весьма красивые узоры, а
инструментальная сталь с тем же содержанием углерода, но без хрома,
узоров не имеет. Образованию крупных, четких узоров способствует и такая
примесь, как фосфор. В высокоценимых восточных булатных клинках
XVII-XVIII вв. содержание фосфора доходит до 0,2%, что примерно в десять
раз превосходит его содержание в европейской рафинированной стали того
времени. Не давая подробного объяснения механизма действия фосфора,
ограничимся лишь указанием на то, что при кристаллизации
высокофосфористого расплава происходит выделение объемов чистого железа
в слитках даже высокоуглеродистой, заэвтэктоидной стали, где их быть не
должно. Поскольку и железные, и карбидные включения при травлении клинка
остаются белыми, в то время как стальная матрица темнеет под
воздействием кислоты, то в клинках с содержанием углерода около 1,5%
доля светлой составляющей узора может доходить едва ли не до половины
всей площади. Слитки "ликвационных" булатов, равно как и клинки из них,
расковывают при нагреве до невысоких температур, не превышающих 800-850
°С. Это совершенно обязательное условие, иначе, при более сильном
разогреве, карбидные частицы полностью растворяются и узоры исчезают.
Аносов по этому поводу писал, что "... потеря узоров при ковке булата
составляет вину кузнеца". Другим условием правильной ковки является ее
постепенность. Аносов прямо указывал, что качество булата тем выше, чем
медленнее ведется ковка. Действительно, аккуратная ковка при невысоких
температурах, требующая многочисленных подогревов, приводит к повышению
контрастности узоров. При нагреве мелкие карбиды и острые грани карбидов
крупных растворяются, а при остывании углерод вновь выделяется на
поверхности крупных частиц в высокоуглеродистом, прочном волокне
"ликвационного" булата. При отковке из слитка булатного клинка каждый
его участок нагревают до 6-8 раз и первоначально слегка размытый узор
приобретает резкость и контрастность. Методы выплавки слитков таких
"ликвационных" булатов хорошо известны. Общим для всех них является
условие замедленного, длительного остывания слитков, в результате чего и
происходит образование грубокристаллической структуры. Так, посетивший
Иран (Персию) штабс-капитан Масальский в "Горном журнале" за 1841 год
так описывает виденный им в Персии процесс выплавки булата: "В
огнеупорный тигель мастер закладывает измельченную смесь старого,
бывшего в употреблении железа и зеркального чугуна в соотношении 1 часть
чугуна на 3 части железа. Плавка продолжалась 5-6 часов, после чего
дутье прекращали и дожидались, пока печь "затихнет". Затем тигли
вскрывали, вкладывали в них немного серебра в количестве 4-5 золотников
и снова засыпали печь углем. Все отверстия печи тщательно замазывали и
тигель остывал в тлеющих углях в течение 3-4 дней". П.П.Аносов также
считал медленное охлаждение тигля необходимым условием получения
высококачественного булата. По его указанию сталеплавильные тигли
оставляли остывать в печи, засыпая их до самой крышки горячей золой.
Необходимость длительной выдержки слитков булата в печи навела его на
мысль подвергнуть "булатному" отжигу болванки обычной высокоуглеродистой
стали. Оказалось, что подвергая ее длительному отжигу, возможно получить
булат. Выдержка при высоких температурах способствовала укрупнению зерна
металла, а первоначальные цементитные выделения укрупнялись и
обособлялись. Правда, узоры клинков из отожженой стали были мелкими, а
качество не столь высоким, как у откованных из изначально узорчатого
слитка. Так неутомимый исследователь разработал третий, дополнительный
способ получения литой узорчатой стали. Как видно из описаний
Масальского, иранцы совмещали замедленную кристаллизацию слитка с его
многодневным отжигом при краснокалильном жаре. Более того, они не только
слитки, но и уже откованные клинки подвергали подобному отжигу с целью
повышения четкости и контрастности узоров. Во время отжига печи топили
сушеным навозом, что помимо улучшения узоров одновременно могло
способствовать и насыщению поверхности клинков азотом. По моему мнению,
последовательные искажения перевода первоисточника привели к
распространению мнения, что клинки просто закапывали на неделю в кучу
навоза для азотирования поверхности. Это досадное заблуждение дало повод
одному современному автору пренебрежительно заметить, что после такой
обработки их оттуда можно было и не доставать. Итак, в средневековье
применялись два основных метода производства литой узорчатой стали и
один дополнительный, а именно: неполное расплавление (с остатками
твердой фазы) замедленная дендритная кристаллизация однородного расплава
и длительный отжиг высокоуглеродистой стали. Впрочем, существовали и
комбинированные способы, когда расплав чугуна с мелкими включениями
железа медленно кристаллизовался, а затем дополнительно подвергался
отжигу. В сочетании с грамотной ковкой и закалкой это обеспечивало
получение булатных клинков с великолепными узорами. Выражение "плясать
от печки" имело для восточных кузнецов-оружейников древности едва ли не
буквальный смысл. Применение ими тигельной плавки в низкотемпературных
печах, в которых было возможно расплавить лишь чугун или
высокоуглеродистую сталь, автоматически обеспечивало получение того или
иного типа узорчатой стали. Европейцы выплавляли сталь в конвертерах и
мартенах, в которых получали полностью однородный расплав, а слиток с
резко неоднородной структурой считали одним из видов брака. Готовый
слиток ковали при максимально допустимой температуре, руководствуясь
правилом "куй железо, пока горячо". При такой ковке разрушались и
дендритная структура и цементитная сетка, которые могли бы еще даже при
такой плавке образовать булатные узоры. Не случайно именно в XIX в.
после внедрения высокопроизводительных способов производства стали,
громко заговорили о загадке литого булата и его утерянных секретах.
Таким образом, не утеря технологических приемов, не упадок, а наоборот,
прогресс производства привели к тому, что булатные клинки стали
экзотикой. Однако интерес к ним вновь возродился, на что есть свои,
весьма веские причины.
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕКРЕТОВ ЛИТОГО БУЛАТА. Наиболее полно исследовал методы
производства литых разновидностей узорчатого металла русский металлург,
генерал-майор корпуса горных инженеров Павел Петрович Аносов, который в
30-х годах прошлого столетия выплавил на Златоустовском оружейном заводе
булат самого высокого качества и указал основные способы его
производства. При изготовлении по первому предложенному им способу булат
получается непосредственно при восстановлении железной руды путем
сплавления ее в тигле с графитом. Непременным условием считалась высокая
чистота исходных материалов. Действительно, иранцы не использовали этот
метод потому, что их местные руды были сильно загрязнены серой.
Второй способ Аносова - соединение железа с углеродом и дальнейшее
восстановление его закисью железа. Иными словами, в ранее выплавленный
чугун нужно было добавить железную окалину (руду), плавить руду не с
графитом, как в первом способе, а с чугуном. Часть содержащегося в
чугуне углерода соединяется с кислородом окалины (руды) и чугун
превращается в высокоуглеродистую сталь. Из руды при этом
восстанавливается железо или малоуглеродистая сталь. Поскольку процесс
выравнивания состава в результате диффузии углерода и перемешивания
расплава не происходит мгновенно, то при определенных режимах плавки и
кристаллизации возможно сохранить в слитке такую неоднородную структуру.
Кстати, Аносов указывал на то, что булат должен затвердевать в тигле,
так как "... разливка по изложницам портит металл". Вероятно, "порча"
происходит вследствие интенсивного перемешивания расплава при разливке и
сравнительно быстрого охлаждения изложниц.
Третий опробованный Аносовым способ представляет собой "... сплавление
железа непосредственно с графитом." В тигель загружали обрезки железа,
графит, флюс и железную окалину. Плавка длилась до 5.5 часов и в ходе ее
обрезки железа сильно науглероживались и частично расплавлялись, а
окалина восстанавливалась до чистого железа. Четвертый способ, о котором
писал Аносов, нельзя прямо отнести к способам производства литого
булата, поскольку расплавления металла в этом случае не происходит, а
узорчатый металл получался в результате длительного, многодневного
отжига литой высокоуглеродистой стали. Таким образом, Аносов умел
получать все основные виды литого булата, хотя некоторые исследователи
высказывают сомнения в том, что Аносову действительно удалось раскрыть
древние методы выплавки азиатских булатов. Сравнив описанные ранее
традиционные методы с четырьмя способами Аносова, легко заметить, что
это не так. В лаборатории Горного института еще в прошлом веке был
исследован один из лучших клинков из аносовского булата. Химический
анализ показал, что металл содержит 1,3% углерода и 0,5% кремния.
Проведенное позднее микроскопическое исследование другого образца
показало, что узор в нем образован волокнистыми скоплениями цементита в
троостито-сорбитной матрице. Вероятно, этот образец был откован из
булата, выплавленного по третьему способу, плавно перетекшему в пятый,
когда в результате длительной выдержки при высокой температуре
образовался однородный расплав, долго остывающий в тигле вместе с печью.
Во времена Аносова булатом называли любую узорчатую сталь, более прочную
и острую по сравнению с обычной, однородной, поэтому высококачественные
образцы стали сравнивали именно с булатом. Так, например, в 1820 году
Департамент горных дел получил сообщение о том, что на Баташевском
заводе (ныне Выксунский) делают "... булат или подражание дамаскинской
стали." Примечательно, что современный исследователь и теоретик булата,
профессор В. А. Щербаков, родом из Выксы, где один из районов города до
сих пор носит название "Булатня", поскольку раньше в нем жили булатных
дел мастера.
В 1827 г. чиновник мастерской Оружейной палаты Г. И. Реваз, грузинский
дворянин, изготовил на Тульском оружейном заводе несколько образцов
булатной стали и сабельных клинков из нее. Клинки издавали резкий и
высокий звон, подобно восточным булатным, а узор сохранялся даже после
переплавки(!) образцов. Реваз предложил открыть секрет выплавки булата и
обучить мастеров, однако описанный им рецепт изготовления булата из
железа, чугуна и руды вызвал недоверие у металлургов того времени,
считавших, что этот способ "противоречит здравым понятиям первоначальных
правил химии." Решили, что Реваз изготовил свои клинки из подлинного,
старинного индийского вутца. Подробного описания способа не сохранилось,
поэтому сейчас нельзя сделать обоснованный вывод о соответствии
"правилам химии" этой технологии, но набор исходных материалов, равно
как и свидетельство о сохранении узоров после переплавки образцов,
говорит в пользу Реваза. Безусловно, неоспорим факт, что в прошлом веке
наибольших успехов в производстве булата добился начальник
Златоустовских оружейных заводов П. П. Аносов. Он отмечал, что, по его
мнению, булат – это недоваренная сталь с не полностью расплавившимися
железными частицами. В то же
время необходимым условием получения булата он полагал замедленное
охлаждение, способствующее образованию хорошо различимых узоров.
Результаты своей работы и
свое объяснение сути булата он изложил в статье "О булатах", на которую
вот уже 150 лет ссылаются другие исследователи. К сожалению, объяснений
Аносова не поняли даже его современники, которые сочли, что он либо
умышленно не раскрывает сути булата, либо не понимает ее сам. После
смерти Аносова подробности
технологии выплавки булата были постепенно забыты. Ученик Д. К. Чернова,
Н. Т. Беляев, в 1906 г. написал очень интересную работу "О булатах", в
которой образование узоров в литой стали объяснял дендритной
кристаллизацией сплава и развитой ликвацией углерода. На основании
опытов П. П. Аносова он сделал вывод, что с увеличением содержания
углерода характер узора булата меняется от продольного до сетчатого и
коленчатого. Позднее, в 1923 г. он
написал, что старые индусы сначала получают сталь с первичной
структурой, а затем выковывают из нее заготовки таким образом, чтобы
распределение первичных кристаллов имело волнистую форму. При ковке
происходит разрушение длинных игол
цементита и он приобретает округлую форму. Другой ученик Чернова, Н. И.
Беляев, вслед за своим однофамильцем опубликовал
работу, носящую традиционное название "О булате", в которой писал, что
".. будучи далек от мысли воспроизвести лучший коленчатый узор индийских
мастеров, я тем не менее даю образцы того, как, видоизменяя ковку, можно
видоизменить узор, делая его более красивым и совершенным в механическом
смысле. " Беляевы
добросовестно развили идеи своего учителя о причинах возникновения
узоров в литой стали, и, тем самым, внесли фундаментальный вклад в
понятие о дендритном, иначе ликвационном, булате. Справедливости ради
надо отметить, что идею об образовании булатных узоров посредством
фасонной ковки стали с неоднородным распределением углерода высказал еще
в 1822 г. директор парижского монетного двора Бреан.
В 1919г. профессор Днепропетровского горного института А. П. Виноградов
исследовал узорчатый металл, полученный низкотемпературной прокаткой
среднеуглеродистой стали с последующим длительным отжигом при
температуре 850°С.
В результате такой обработки получалась "полосчатая структура" металла,
состоящего из видимых невооруженным глазом полос перлита (0,8% углерода)
и чистого железа. Эта структура неотличимо схожа с классическим
железо-стальным композитом, получаемым с помощью кузнечной сварки.
Интересно отметить схожесть метода с иранским, при котором откованные
едва ли не "в холодную" булатные клинки отжигались в отапливаемой
навозом печи в течение недели. Применяя различные приемы ковки и
скручивания литого композита, Виноградову удалось получить почти все
известные виды булатного узора. Он полагал, что
получил "мягкие" булаты Аносова, которые, даже имея ясно выраженные
узоры, не увеличивали своей твердости после закалки. Но его разработки
остались невостребованными. Современники профессора высказали мнение,
что ему не удалось разгадать древний секрет производства литого булата,
а разработанная им технология является скорее одним из вариантов
получения дамасской стали.
Примерно в то же время Кети Харнекер, сотрудница золингеновской фирмы
"Хенкельс", основываясь на работах Н.Т Беляева, начала свои исследования
литой узорчатой стали. Через несколько лет ей удалось выплавить
узорчатую сталь, имеющую узор в виде паутины, очень напоминающий узор
жгутового, волокнистого Дамаска. Другие виды узора, хотя и не такие
четкие, как в классических образцах, она получала интенсивной проковкой
композита ручным молотом. Пробовала она получать узоры и на
цементованной стали. Очень чистое железо подвергали цементации в
древесном угле при 1100°С в течение 12-14 дней, а затем медленно
охлаждали. Выделение цементита происходило частично в виде сетки,
частично в виде длинных игл, находящихся в железной (ферритной) или
стальной (перлитной) матрице. Пруты расковывали при максимально низкой
температуре, полученные клинки закаливали и отпускали до фиолетового
цвета, т. е. примерно при 250°С. Несмотря на высокое (1,5%) содержание
углерода, клинки обладали
высокой упругостью и были очень острыми. Обращает на себя внимание тот
факт, что и в опытах А. П. Виноградова, и в опытах
К. Харнекер, по-видимому, обязательным условием успеха являлась очень
долгая выдержка металла при температурах красного каления. Вспомним, что
в Иране слитки несколько дней выдерживали в горячих углях. Кроме того,
аносовский "четвертый" способ получения булата прямо предписывал
длительный отжиг высокоуглеродистой стали, в результате которого
происходило увеличение степени неоднородности с выделением скоплений
цементита. В пятидесятых годах в Златоусте Ю. Г. Гуревич с коллегами
выплавил узорчатую сталь, сплавляя в индукционной печи синтетический
чугун и обрезки малоуглеродистой стали. Для получения слитка
златоустовские металлурги загружали в индукционную плавильную печь
чистое железо в количестве около 20 кг, расплавляли и науглероживали
графитом, получая малокремнистый синтетический чугун. После подогрева до
1450°С расплав раскисляли и постепенно, порциями, засыпали в него
мелкодробленую малоуглеродистую стружку, количество которой
составляло до 70% массы чугуна. Степень оплавления стружки определяли,
перемешивая ванну металла стальным прутком. По мере оплавления каждой
порции стружки металл приобретал кашицеобразное состояние, в связи с чем
перед присадкой следующей порции его быстро подогревали, но не
чрезмерно, чтобы
фиксировалась недорасплавленность стружки. Характерно, что в зависимости
от варианта технологии могли получить два вида
композита, в одном из которых высокоуглеродистая (1,5% углерода) матрица
имела железные включения, насыщенные углеродом лишь в тонком
поверхностном слое. В другом виде недоваренного, двухфазного булата
частицы стружки науглероживались
до стального состояния насквозь при том, что матрица оставалась
высокоуглеродистой. Разнообразные узоры исследователи получали
интенсивной проковкой композита в фасонных обжимках, а также
скручиванием заготовок в разных направлениях. Ю. Г. Гуревич подчеркивал,
что железные частицы, вводимые в жидкий чугун, должны быть чистыми, т.
е. не ржавыми и без окалины. Он указывал на то, что сын подручного
Аносова, П. Н. Швецов, при выплавке булата никогда не использовал ржавое
железо. Вероятно, это был один из секретов, усвоенных отцом и переданных
старшему сыну. Интересно, что иранцы поступали точно наоборот и
предпочитали
хорошо проржавевшее, долго лежавшее в земле железо. Причины этого
предпочтения известны и заключаются в сильном загрязнении иранского
железа серой. При выдержке в земле наиболее загрязненные серой участки
ржавели в первую очередь и
таким образом старое, бывшее в употреблении железо очищалось от вредных
примесей. Вспомним, что название "булат - фулад" в переводе и значит
"очищенное (железо)".
В середине семидесятых годов кузнец Вячеслав Иванович Басов, родом из
древнего русского города Серпухова, но долгое время работавший в еще
более древнем Суздале, выплавил тигельным способом несколько сортов
литой узорчатой стали - как дендритного, так и двухфазного типа.
Некоторые из них имели ценимый в древности и упоминаемый Аносовым
золотистый отлив. Несколько странно, что десять лет спустя суздальский
кузнец отрицал само существование этого отлива, объясняя золотистый или
красноватый оттенок поверхности булатного клинка лишь
окрашивающим воздействием специальных реактивов. Мои собственные опыты
показали возможность возникновения характерного отлива на клинках из
наиболее высокоуглеродистого булата дендритной разновидности.
Оружейники, которым я давал
поковки из таких булатов, совершенно самостоятельно добивались
золотистого отлива без использования каких-то необычных реактивов. Свои
исследования "тайн булата" я начал с попыток получения литой узорчатой
стали традиционным и простым способом замедленной кристаллизации.
Высокоуглеродистый расплав разогрели до температуры более 1600°С и
заполнили им
керамическую литейную форму в виде цилиндра диаметром около 100 мм и
высотой 200 мм. Опоку с формой предварительно подогрели в электропечи до
1000°С. После разливки опоку немедленно снова поставили в горячую печь,
которую выключили, и
металл очень медленно остывал в течение 15-18 часов. Полученный таким
образом слиток имел настолько грубокристаллическое строение, что после
протравливания поперечного среза центральная его часть имела ярко
выраженные узоры коленчатого типа с величиной фрагментов 3-4 мм.
Наружный малоценный слой слитка обточили на токарном станке, а
центральную часть расковали на мощном молоте при нагреве до классической
для литого булата температуре - 750°С. После закалки и травления клинка
в растворе азотной кислоты проявился крупный и весьма рельефный булатный

узор коленчатого типа. Поскольку фон (грунт) узора был густого черного
цвета, а яркий белый рельеф блестел, то я счел, что получил старинный
сорт булата "кара-табан", т.е. "черный блестящий".
В последующих опытах изменение режимов выплавки, размеров и формы
слитков дало возможность получить и другие узоры ликвационного булата -
от линейного строчечного до сетчатого. Как и следовало ожидать, зачастую
разнообразие узоров обеспечивалось подбором режимов ковки. Металл
слитка, осаженного на торец, имел гораздо более замысловатые узоры, чем
металл слитка, раскованного вдоль оси. Интересные результаты дали опыты
по сплавлению в тигле чистой железной окалины с порошком графита, а
также плавка чугуна с добавкой, мелких гвоздей и стружки
легированной инструментальной стали. По разным причинам, ни двухфазные,
ни традиционные ликвационные методы в те времена не вызывали у меня
особого интереса, поэтому я надолго увлекся сварочным металлом и
высокотехнологичными способами производства узорчатого металла. От
самобытных исследователей "тайн булата" вернемся к ученым-металлургам. В
1980 г. сотрудник Стенфордского университета Олег Щерби, потомок
русского эмигранта, при исследовании сверхпластичности
высокоуглеродистой (1,5-2,0%) стали получил металл, зерно которого было
в 200 раз меньше обычного. Когда ему сказали, что он получил булат,
Щерби очень удивился и попросил: "Объясните, ради Бога, что такое
булат?!". Он и понятия не имел о том, что сверхпластичные стали имеют
какое-то отношение к изделиям оружейников средневековья. Разработанный
Олегом Щерби и Джефри Уотсфордом способ заключается в непрерывной
прокатке высокоуглеродистой стали с первоначально развитой цементитной
сеткой в интервале температур от 1120°С до 650°С с последующей выдержкой
при этой температуре в процессе обработки. Первоначальная грубая
цементитная сетка
превращается в результате такой обработки во множество сверхмелких
частиц карбидов, выделяющихся по границам зерен и препятствующих их
росту. Металл с такой структурой не только становится сверхпластичным
при ковке с умеренным нагревом, но и отличается высокой вязкостью при
обычной, комнатной температуре. А. Пендрей и Р. Джоб (США) в 1982 г.
изготовили тигельный булат или, как они сами говорят, "вутц". Теперь
Пендрей более-менее регулярно изготовляет на продажу холодное оружие из
литой узорчатой стали и публикует статьи о "настоящей" дамасской стали.В
конце восьмидесятых годов советские ученые В. П. Борзунов и В. А.
Щербаков изготовили по оригинальной, по их оценке, технологии
высокоуглеродистую (1,8-2,4%) узорчатую сталь самого высокого качества.
Она обладала всеми достоинствами "настоящего" булата - аномальной
прочностью, упругостью, высокой плотностью и, что особенно характерно,
необычайно чистым и долгим звоном. Плоская пластина булата толщиной 6
мм, шириной 50 мм и длиной 300 мм после единственного и несильного удара
звенела полторы минуты! Известно, что в старину звон считался одним из
главных, определяющих параметров
качества булатного клинка. Если по свободно висящему клинку высшего
качества несильно ударить, то раздастся чистый, высокий и необыкновенно
долгий звон. Для сравнения можно сказать, что "просто хороший" клинок
звенит секунд пятнадцать, так же как и железнодорожный рельс или
крестьянская коса. Конкретной технологии, по которой они получали слитки
для производства булата, ученые пока не раскрывают, но в опубликованном
в 1989 г. сообщении пишут, что ".. плоская лепешка индийского вутца была
в те времена единственно правильной формой представления готового
полупродукта, несмотря на столь неоптимальную для ковки форму.
По поводу целесообразности получения слитка в виде лепешки могу
сослаться на опыт Н. И. Беляева, который получал коленчатый узор булата
путем осадки в плоскую лепешку предварительно прокованных слитков стали
с выраженной дендритной
структурой. В результате первичной протяжки металл приобретал
волокнистое строение, а осадкой исследователь добивался спутанности
узора из-за взаимоналожения друг на друга этих волокон. Мне не известно,
читал ли В. И. Басов труды Н. И. Беляева, но его ученики рассказывали,
что он также отковывал свои клинки из предварительно осаженных на торец
слитков булата. В то же время Басов не стремился скопировать древнюю
технологию, поскольку никогда не выплавлял слитки в виде лепешки, а
древний
"вутц" даже считал не литой, а сварочной сталью. Смысл ухищрений
исследователей ясен - расковывать металл не вдоль, а поперек границ
волокно-матрица. На это обязательное условие и указывали В. Борзунов и
В. Щербаков, приводя в пример форму лепешки индийского "вутца". В самом
деле, затвердевание тонкого и плоского слитка булата начинается с
поверхности и зерна-кристаллы неизбежно образуют столбчатую структуру,
которая при расковке диска сминается с формированием сложного узора.
Плоские
лепешковидные слитки булата в некоторых местностях сначала расковывали
"на блюдо", а затем разрубали по спирали, которую в нагретом состоянии
аккуратно распрямляли и окончательно доковывали клинок. Известно, что
кристаллы растут в направлении, обратном отводу тепла. В древности
кузнецы после плавки оставляли остывать тигель в сыродутной печи, где он
снизу
подогревался тлеющими углями, а сверху, со стороны крышки, охлаждался.
Аносов при выплавке булата также оставлял тигли в камере печи, а его
ученики в своей последующей самостоятельной работе засыпали тигли до
самой крышки горячей золой.
Во всех этих случаях фронт кристаллизации перемещался "сверху вниз", от
крышки к днищу. Но, поскольку тепло понемногу отводилось и от стенок
тигля, кристаллы располагались под некоторым углом к его оси. После
проковки слитка, который
часто разрубали на несколько частей, получался сложный узор,
образованный спутанными дендритами-волокнами.
В современных литейных установках для направленной кристаллизации
организовано охлаждение нижней части слитка и подогрев верхней, так что
кристаллы растут "снизу вверх". Структура слитка в итоге представляет
собой "пучок" длинных
кристаллов, расположенных параллельно друг другу. Для придания
кристаллам-волокнам поперечного сечения требуемой формы используется
металлическая затравка, которую перед заливкой расплава кладут на дно
литейной формы. Затравка, как правило, имеет круглую форму и рельефную
поверхность, на которой и начинают расти кристаллы. Для формирования
крупноволокнистой структуры слитка используют не только металлические
затравки, но и искусственно созданный рельеф дна самой литейной формы. В
одном из источников указано, что американские ученые одного из
университетов для демонстрации возможностей метода выплавили
слиток, разрез которого имел узор в виде американского флага.
По мере развития науки стало понятным, что выражение "однородная сталь"
по смыслу несколько напоминает известное выражение "горячий лед". Дело в
том, что все оружейные стали в принципе неоднородны и в исходном
состоянии всегда
представляют собой смесь железа и его карбидов. Начало этому пониманию
положил сам Аносов, когда начал первым в мире исследовать отполированные
шлифы под микроскопом. Он писал, что "... узоры некоторых булатов
настолько мелки, что с трудом различаются под микроскопом. "Нужно
помнить, что четкой, раз и навсегда заданной границы между сталью
обычной и сталью булатной не существует, так как они плавно переходят
друг в друга, так же плавно изменяя свои свойства. Обращает на себя
внимание то обстоятельство, что, как следует из описаний Аль-Бируни,
неоднородность высоко ценимого "фаранда" вполне устраивала восточных
оружейников древности. Несмотря на то, что им была известна полностью
расплавленная сталь "1 сорта", мечи они предпочитали ковать все же из
узорчатого металла, а однородную сталь пускали на напильники. Это
объясняется тем, что клинки из узорчатого металла, полученного литьем
или кузнечной сваркой,
как правило превосходили по своим боевым свойствам клинки, откованные из
такой же по химическому составу, но безузорчатой стали. Причина этого
превосходства заключается главным образом в процессах, происходящих при
ковке металла с резко неоднородной композитной структурой. В наиболее
общем виде прочностные характеристики узорчатого металла определяются по
среднему содержанию углерода. Так же, как и в обычных сталях, прочность
и
твердость булата возрастает с повышением содержания углерода и других
легирующих элементов. В старину качество металла определяли по внешнему
виду узора на его отполированной и протравленной поверхности. В узоре,
помимо цвета и формы,
обращали внимание и на величину его фрагментов - на толщину и длину
линий и завитков, интервал между этими линиями и т. д. По этим признакам
можно довольно точно определить как химический состав композита, так и
соотношение композитов в общем объеме металла. Ясно, что чем больший
объем занимают прочные, высокоуглеродистые волокна или слои, тем прочнее
и тверже весь композит. И наоборот, чем больше железа в составе
композита, тем мягче и эластичнее он будет. Определение химического
состава по узору - это самый простой, понятный даже не знатоку
металлообработки и, скажем так, обычный способ определения качества
металла клинков. Обычный потому, что не учитывает особого влияния вида и
степени неоднородности, т. е. узора, на характер упрочнения булата,
свойства которого далеко не полностью определяются его хим. составом.
Если современной суперстали придать узорчатость и грамотно обработать,
то она превзойдет по прочности... саму себя. При исследовании узорчатых
металлов оказалось, что прочность нескольких соединенных диффузионной
сваркой пластин больше, чем простая сумма значений прочности каждой из
них. Это объясняется тем, что на стыке слоев стали и железа образуется
насыщенная дислокациями пограничная упрочненная зона с сильно искаженной
кристаллической решеткой металла. Возникает и развивается это
дополнительное упрочнение металла в процессе ковки композита, в
результате которой происходит интенсивная пластическая деформация
прочных слоев-волокон и мягких, менее углеродистых, прослоек.
Пластическая деформация происходит в результате перемещения дислокаций,
которые можно представить как микроскопические трещины. В мягком железе
такие
псевдотрещины перемещаются довольно легко, не встречая препятствий. Но
дойдя до границы "сталь-железо", дислокация сталкивается с прочным
слоем, встречая препятствие в виде атомов легирующих элементов,
нерастворенных карбидов, а также
множества ранее застрявших у этого барьера дислокаций. Происходит
торможение и, что особенно ценно, накопление дислокаций в пограничном
слое, который служит своеобразным аккумулятором искажений.
Рентгеноструктурные исследования показали, что в "изуродованной"
кристаллической решетке металла узорчатых клинков отсутствуют целые
группы атомов, а дислокации сворачиваются в плотные клубки. В древности
даже самые знаменитые мастера не имели точных сведений об атомном
строении металла, но опытным путем они безошибочно определяли тесную
связь узоров и прочности. По мнению старых мастеров, обязательным
признаком высших сортов узорчатых сталей являлся сложный, спутанный
узор. Действительно, в низкосортных булатах и дамасках с полосатым
узором дислокации движутся вдоль
слоев или волокон, не пересекая их границ и, следовательно, не
накапливаясь в пограничном слое, не давая упрочнения.
В булатах высших сортов значительная часть прочных волокон располагалась
под углом к оси заготовки клинка. Последующей ковкой при невысоких
температурах большие объемы металла растягивались поперек границ
волокно-матрица, что приводило к быстрому формированию развитого
пограничного слоя и эффективному накоплению дислокаций. Таким образом, в
зонах металла со сложным узором образовывались своеобразные "карманы",
ловушки искажений - участки с практически
полностью разрушенной клубками дислокаций кристаллической структурой.
Видимо, не зря коленчатый тип узора булата носит в науке название
лабиринтной структуры. Понимающие суть дела мастера для формирования
структуры (узора) лабиринтного
типа либо туго закручивают и проковывают (иногда несколько раз) бруски
сварочного Дамаска, либо насекают поверхность заготовки клинка,
перемешивая поверхностные, самые нагруженные слои. В древности это
широко распространенное формирование сложных узоров на сварочном Дамаске
преследовало целью именно
задействование механизмов упрочнения, общих для всех неоднородных
металлов, а вовсе не имитацию ценного булата для обмана покупателя, как
иногда пишут. Наличие дополнительных особо прочных пограничных слоев
хотя и главная, но не
единственная причина высоких свойств узорчатой стали. Резкие границы
слоев являются весьма труднопреодолимыми препятствиями для роста зерна
металла, поэтому размер зерна почти всегда меньше, чем толщина слоя. При
наращивании количества слоев узорчатого металла его зерна как бы
перетираются, дробятся
между жерновами в виде стыков слоев. Размер зерна сначала уменьшается до
самого мелкого, встречающегося в обычной стали, а затем, когда размер
зерна станет соизмеримым с толщиной слоя, зерну становится "тесно" в
границах слоя и оно дробится на субзерна с максимальной величиной около
0,3 мкм. Границы зерен
являются искажениями структуры, поэтому измельчение зерна приводит к
резкому росту плотности дислокаций и, следовательно, к дополнительному
упрочнению металла. Что особенно ценно, упрочнение в результате
измельчения зерна происходит не только без снижения вязкости, но даже с
ее заметным повышением.
На вязкость металла благотворно действует и то, что нагрев заготовки под
ковку нужно производить до цвета "сырого мяса", т. е. до температуры
примерно 800°С, а заканчивать ковку при "вишневом цвете" заготовки,
соответствующем 650°С. При
подогреве частицы цементита растворяются лишь с поверхности и их острые
грани сглаживаются. В остывающем металле цементит вновь осаждается на
оставшихся нерастворенными карбидах, служащих центрами кристаллизации.
После многократных
циклов "подогрев-остывание" частицы цементита укрупняются и приобретают
округлую форму, способствующую повышению вязкости и пластичности
сверхвысокоуглеродистого
волокна и всего булата в целом. При правильной ковке булата
увеличивается химическая неоднородность его
структуры, поскольку скопления дислокаций приводят к разрыхлению атомной
структуры металла и в этих разреженных участках скапливается углерод.
Атомы углерода как бы проваливаются в разрыхления кристаллической
решетки железа,
накапливаясь в них. Приток углерода к сильно разрыхленным пограничным
слоям вызывает специфический эффект, когда диффузия направлена из зон с
меньшей концентрацией углерода в зоны, изначально обогащенные им. В
высокоуглеродистых
волокнах концентрация углерода в виде скоплений цементита после ковки
часто бывает выше, чем в этих же волокнах исходного литого композита.
При этом примыкающая к волокну тонкая зона матрицы обеднялась углеродом
до полного исчезновения изначально присутствующих в ней выделений
избыточных карбидов.
Здесь необходимо сделать некоторое отступление и рассказать о часто
упоминаемом в специальной литературе эксперименте ученых Донецкого
политехнического института, в итоге которого был получен удивительный
металл. Ученые задумали получить сталь непосредственно из руды, а для
этого окатыши чистой руды
проплавляли в установке электрошлакового переплава с графитовым
электродом. Восстанавливаемый металл капля за каплей проходил через
толстый слой жидкого шлака, почти полностью очищался от разнообразных
примесей и сильно науглероживался.
Полученный металл по химическому составу представлял собой особочистый
чугун с содержанием углерода 3,5%. Однако к удивлению ученых, этот сплав
не только поддавался деформации, а отлично ковался и прокатывался! Кроме
того, выяснилось,
что аномальная твердость ножа, изготовленного из нового сплава, не
позволяла заточить его обычными абразивами - пришлось применить алмазный
круг. Мне говорили, что твердость его достигала 80HRC при вязкости сырой
инструментальной
стали. Узоров на металле не было, но сами исследователи сочли, что
получили один из сортов булата. Американцы подобный особо чистый сплав
называют "сорель-металл". Подробные исследования показали, что столь
высокие свойства объясняются необычным состоянием углерода в металле.
Вследствие высокой чистоты сплава
углерод не выделился в виде карбидов или графита, как это должно быть
при подобном химическом составе, а находился в особой, растворенной
форме. Сверхвысокая концентрация растворенного углерода в холодном
металле и позволила добиться сверхтвердости и сверхпрочности без
снижения пластичности. Можно предположить, что в такой же аморфной форме
находится углерод и в разрыхленной пограничной зоне прочных волокон
булата, где происходит взаимосвязывание дислокаций и растворенных атомов
углерода. Степень его концентрации здесь может превышать среднее
содержание не только в композите в целом, но и в самом сверхуглеродистом
волокне. Прямые аналогии с днепропетровским чудо-сплавом позволяют
сделать вывод, что прочные
сверхуглеродистые волокна булата находятся как бы в броне из еще более
прочного и высокоуглеродистого металла, отличающимся особой твердостью и
вязкостью. Сверхконцентрация углерода в наиболее деформированных объемах
приводит к тому,
что в процессе "маятниковой" ковки с частыми подогревами возникает и
частично стабилизируется практически аморфное строение металла. Это
происходит потому,
что при нагреве и охлаждении происходит перестройка кристаллической
решетки гамма-железа в альфа-железо. В момент перестройки металл имеет
некристаллическое, как бы аморфное строение, а сверхконцентрация
углерода и многочисленные дислокационные и иные искажения атомного
строения частично
"замораживают" такое его состояние.В этой связи уместно вспомнить о
"металлическом стекле", получаемом при
охлаждении расплавленного металла с квазисверхвысокими скоростями. При
таких скоростях охлаждения кристаллическая решетка не успевает
сформироваться и фиксируется, "замораживается" хаотичное расположение
атомов, отчего такой
материал и называют "металлическим стеклом" или аморфным металлом. Если
такое "стекло" нагреть, то атомы металла приобретают подвижность и
кристаллическое строение восстанавливается, точнее, возникает вновь.
Причем не мгновенно по всему объему, так что на определенном этапе
структура металла представляет собой смесь сверхмелких кристаллов и
аморфного материала - так же, как и в булате. Интересно то, что
некоторые "металлические стекла" после нагрева и начала распада имеют
крайне высокую твердость, доходящую до 1200 HV, т. е.
превосходящую даже твердость цементита (1000 HV). Таким образом, в
результате правильно проведенной ковки и закалки в булатных клинках
высшего качества формируются перенасыщенные углеродом микрообъемы с
практически аморфной структурой металла, в результате чего достигается
твердость и вязкость,
превосходящая эти свойства не только обычных железоуглеродистых сплавов,
но также и узорчатых металлов, не содержащих в своей исходной структуре
сверхуглеродистых участков. В итоге, после грамотно проведенной ковки,
структура литого булата высшего сорта состоит из мелких округлых частиц
цементита, неравномерно распределенных в матрице, состоящей из
ультрамелких равноосных зерен. Причем и прочное волокно от
матрицы, и сами зерна матрицы отделены друг от друга некристаллическими,
полуаморфными участками с очень высокой плотностью дислокаций, что
делает структуру металла похожей на мокрый, пластичный песок, в котором
твердые округлые песчинки разделены тонким слоем воды. При изгибе клинка
зерна металла как бы скользят, поворачиваются как на шарнирах
относительно друг друга в вязкой среде межзеренного материала, не
искажая
дополнительно его и без того искаженную кристаллическую решетку. Этим во
многом и объясняется очень высокая эластичность булатных клинков,
позволяющая сгибать их дугой. Кроме того, коленчатый узор способствует
тому, что действию нагрузки в
первую очередь поддается вязкая матрица, а упругодеформированное прочное
волокно при снятии нагрузки возвращает клинок в исходное состояние. П.
П. Аносов писал, что "... как оказалось по моим опытам, правильно
откованный
и закаленный шпажный клинок из хорошего булата не может быть ни сломан,
ни согнут до такой степени, чтобы потерял упругость: при обыкновенном
гнутье он выскакивает и сохраняет прежний вид. А при усиленном,
например, наступив на конец ногой и загибая его под прямым углом, он не
сломается, а будучи выправлен, не потеряет прежней упругости; при этом
булатный клинок может быть
тверже всякого клинка, приготовленного из стали."Что же такое
"настоящий" булат? Главным признаком, на мой взгляд, является не
химический состав и тем более не способ производства, а крайняя
энергетическая насыщенность атомной структуры металла. Эта насыщенность
проявляется в сверхвысокой плотности дислокаций, приводящей, в свою
очередь, к сверхмелкозернистости и наличию объемов металла с аморфной
структурой. Известно, что обычный металл может накапливать в своей
структуре до 10% энергии
деформации, остальная часть рассеивается в виде тепла. Можно утверждать,
что в булате доля поглощаемой энергии выше. И выше намного, поэтому
"настоящий" булат - это особое, высокоэнергетическое состояние металла.

 

 

назад в библиотеку