Булат – знаменитая сталь

Вальтер Скотт в своем романе “Талисман” рассказывает о состязании в ловкости между султаном Саладином и английским королем Ричардом Львиное Сердце. Во время состязания Ричард мечом разрубил на две части копье одного из рыцарей – все видели высокую прочность стали и огромную силу удара короля. В ответ Саладин подбросил в воздух тонкое покрывало и рассек его саблей – прекрасное доказательство остроты клинка и ловкости воина. Клинок султана был булатный. Эта одна из многих легенд, рассказывающая о чудесных свойствах булата.

Булат – знаменитая сталь, о которой слышали многие. Первые сведения о булате до нас дошли от участников похода Александра Македонского в Индию – за 2300 лет до наших дней.

Правители одного из пенджабских княжеств преподнесли Александру Македонскому сто талантов стали (талант – 25,9 килограмма – по тому времени величина изрядная, достойная упоминания в описании похода великого полководца!).

Да, Индия была родиной булата. Отсюда в восточные страны ввозили вутцы – “хлебцы” из стали. Они имели вид плоской лепешки диаметром около 12,5 сантиметра, толщиной 0,25 сантиметра и массой около 900 граммов. Каждый такой “хлебец” разрубали пополам на равные части, чтобы покупатель мог рассмотреть строение металла.

Индийские мастера много веков владели искусством обработки стали. Знаменитый арабский путешественник и географ Эдризи в 1154 году писал, что индийцы в то время славились производством стали и выковкой мечей. За сотню лет до этого Бируни, описывая производство стали и мечей, восклицал: “Никогда не будет народа, который лучше бы разбирался в отдельных видах мечей и в их названиях, чем жители Индии!” И далее он рассказывает, что мечи в Индии делали всяких цветов: зеленые (отполированное железо натирали раскаленным порошком медного купороса), синие, белые, цвета фиринд или фаранд (шелковая узорчатая ткань), то есть с узорчатым рисунком из стали, с красным полем и белыми узорами на нем.

Узоры, рисунки на металле были самой главной внешней отличительной особенностью булатных мечей. На некоторых булатах узоры были видны невооруженным глазом сразу после полировки. На других узоры появлялись только после травления соком растений. Узор мог быть крупным или мелким.

Мастера Востока тщательно хранили секрет производства булата, передавая его только лишь из рода в род. Было несколько известных центров по изготовлению булата. Особенно славился этим сирийский город Дамаск. Там уже 1800 лет назад существовала первая крупная мастерская по изготовлению стали и производству оружия из индийского вутца. Мечи из Дамаска в середине века попадали даже в африканские государства Гану, Мали и другие. Название “дамасская сталь” позже была собирательным понятием булатной стали, изготовлявшейся в разных странах.

Булатные клинки ценились очень высоко во все времена. Бируни, сообщая о различных видах индийских мечей, упоминает один из них – маджли, на котором изображались животные, деревья: “Стоимость такого меча равна цене лучшего слона, если же рисунок будет изображать человека, то ценность и стоимость меча еще выше”.

Знакомство европейцев с булатом началось еще в эпоху римского владычества – около 2 тысяч лет назад. Позднее славу булатного оружия разнесли купцы, приобретавшие его в Дамаске и развозившие по многим странам. С начала III века способ ковки дамасских мечей распространился в Западной Европе. Однако спустя 700 лет секрет производства был снова утерян.

В средние века производство булатов было и на Руси. Имеются документы, подтверждающие, что в Москве существовало производство булатов. Так, в 1616 году оружейный мастер Дмитрий Коновалов выковал зерцало из булата. В ряде документов встречаются записи: “… сабельные полосы, булат синей, московский выков”, “сабля полоса русская с долами на булатное дело”. Однако к концу XVII века это искусство, видимо, пришло в упадок, а потом и вовсе забылось. Здесь уместно будет затронуть вопрос – почему же так легко были утрачены многие секреты древних мастеров?

Академик Л.Ф. Верещагин, отвечая на этот вопрос, приводит пример с загадкой дамасской стали. Как удавалось людям средневековья без нынешней техники и без легирующих добавок получать эту изумительную нержавеющую и необыкновенно прочную сталь? Если производство дамасских клинков было уже когда‑то освоено, то почему же люди позабыли его? Академик так ответил на этот вопрос: “То, что случайно найдено путем экспериментов и еще не осмысленно, не понято людьми, принадлежит им только наполовину. Человеку выпала большая удача – он нашел самородок золота. Нашел случайно. Он порадовался увесистой находке,, подержал ее в руках, спрятал под куст в надежде вернуться сюда, а потом сколько ни искал, уже не мог ее найти. Примерно тоже случилось и с дамасской сталью. Случай дал ее в руки человеку, случай и отнял”.

Несмотря на утрату секрета, интерес людей к булатной стали не пропадал. В прошлом веке ученые многих стран пытались разгадать тайну булата. Среди них был и знаменитый английский физик Фарадей, пытавшийся получать булат путем добавки к стали алюминия и платины. Однако тайну булатной стали раскрыл русский металлург Павел Петрович Аносов. После многолетних опытов он в 1833 году изготовил в Златоусте первый булатный клинок. “Полоска булата сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон. Отполированный конец крошил лучшие английские зубила”, – писал Аносов в “Горном журнале”.

Изготовленные на Златоустовской фабрике булатные клинки были золотистого отлива с крупным сетчатым или коленчатым узором, что, по мнению знатоков, было признаком высшего сорта булата. Эти клинки разрубали кости и гвозди, не повреждая лезвия, и вместе с тем легко перерезали в воздухе газовый платок.

Так что же такое булат, над тайной которого так долго и упорно бились многие люди? “Железо и углерод и ничего более, – отвечал Аносов. – Все дело в чистоте исходных материалов, в методе охлаждения, в кристаллизации”.

Да, действительно, булат оказался высокоуглеродистой сталью, полученной в результате естественной кристаллизации. Сущность образования булата заключалась в насыщении сплава большим количеством углерода (около 1,3–1,5%). В условиях медленного охлаждения образовалось и находилось в некотором избытке соединение железа с углеродом – так называемый цементит, который не растворялся, как это бывает в обычной стали, а оставался среди железа во взвешенном состоянии. Прослойки цементита обволакивались медленно остывающим мягким железом. Поэтому при высоком содержании углерода, что придает металлу твердость, булат сохраняет высокую вязкость, упругость. Из‑за наличия прослоек хрупкого цементита отковка булата должна производиться крайне осторожно, ударами легкого молота, с многократным нагревом до температуры красного каления, переход за которую ведет к потере булатом своих основных свойств и характерного рисунка. Процесс изготовления булата был очень трудоемким, длительным и требовал высокого искусства.

Работы Аносова по освоению производства булатной стали оказали большое влияние на дальнейшее развитие металлургии. Ведь в то время мартеновский и конверторный процессы еще не были известны. В Англии, России и других странах литую сталь получали трудоемким длительным и малопроизводительным процессом – путем переплавки цементованных кусков железа в тиглях. Цементация, то есть науглероживание железа, представляла собой еще более длительный процесс, а иногда продолжался несколько дней.

Аносов во время работы над булатом разработал новый способ получения стали, сущность которого “заключается в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках при помощи возвышенной температуры воздушных печей”. Если же сплавляли мягкое железо, т.е. металл с низким содержанием углерода, Аносов соединял процесс плавления с процессом науглероживания железа в газовой среде, при этом операция цементации совмещалась с плавлением. Открытие газовой цементации явилось крупным вкладом в практику металлургии и обеспечивало получение литой стали в сравнительно больших однородных массах.

Наладив на Урале производство тигельной стали, Аносов с законной гордостью писал: “В Златоусте литая сталь, получаемая из стальных обсечков и тагильского железа, может не уступать английской литой стали: в этом меня убеждают многие сравнительные опыты”.

Завершая свой рассказ о булате, автор уже предвидит вопрос нетерпеливого читателя: какова судьба булата?

В 60‑е годы нашего века производство булатной стали освоили на Златоустовском заводе. Современная техника нашла много способов получения самых разнообразных сплавов с различными свойствами, которыми не обладала булатная сталь. Однако для специалистов и сегодня булат остается примером редкого сочетания двух почти несовместимых свойств – высокой прочности и пластичности. Не угас интерес к восстановлению особенностей технологии производства булатных изделий и выяснения возможности использования ее в современной металлургии.

На основе этих исследований в Советском Союзе была создана кар‑бонитридная строительная сталь. Авторы технологии были удостоены Государственной премии СССР. В разработке участвовали ученые УралНИИчермета, ЦНИИчермета им. Бардина и другие.

Древние создатели булата сумели “загнать” карбиды с границ зерен в глубь кристаллов и таким образом сохранить и прочность, и вязкость достаточно высокими. В наших условиях для обеспечения подобных свойств получают сталь с добавкой 0,15% ванадия, который образует в стали стойкие химические соединения с углеродом и азотом – карбиды и нитриды. Затем сталь подвергают нормализации – нагреву с последующим охлаждением на воздухе. Причем режим подобран таким образом, что одна часть карбонитридов при нагреве растворяется в кристаллической решетке железа и после охлаждения остается там в виде мельчайших частиц. Более крупные карбонитриды при нагреве располагаются по границам зерен, сдерживая их рост, но при охлаждении освобождают границы и также уходят внутрь кристалла. В итоге получается сталь с весьма мелкозернистой структурой, а значит высокой прочностью и вязкостью, как у булата.

Уральская марка

Верхотурский воевода Протасьев 23 января 1697 года доложил в Москву, что в горе у берегов реки Тагил найден железный камень‑магнит, а по берегам реки Нейвы – железные руды. Образец магнитного железняка направили для пробы в Амстердам. Оттуда получили ответ, что “лучше того железа добротою и мягкостью быть невозможно”. Найденные месторождения послужили рудной базой для первых уральских железоделательных заводов.

В 1701 году на Урале были пущены два завода – Каменский и Невьянский. Один из крупнейших заводов Урала появился в Нижнем Тагиле, где в 1725 голу построили плотину и две доменные печи. Позднее появились еще две доменные печи, два молота и плющильная машина. Суточная производительность одной доменной печи в 1727 году составляла 250–400 пудов, а годовая – около 120 тысяч пудов.

Академик С.Г. Струмилин писал позже о Нижнетагильском заводе: “Завод оказался самым крупным и жизнеспособным наследием той эпохи. В преображенном виде и грандиозно возросших масштабах он и ныне является одним из лучших украшений современного Урала”.

Вслед за этим возникли и другие заводы Демидовых, входившие в Нижнетагильский горный округ. Заводы Демидовых были самыми крупными в мире по производству чугуна.

На уральский металл ставили заводское клеймо, на котором был изображен маленький бегущий соболь. Металл с маркой “Старый соболь” выплавлялся из чистых, без вредных примесей уральских руд на древесном угле, не засорявшем металл примесями, и был известен всему миру. Аносов в своем производстве булатной стали использовал тагильское железо, ибо в его процессе успех дела состоял прежде всего в “чистоте исходных материалов”. Уральский металл был таким “добрым” и “мягким”, что его сравнивали с собольим мехом, а потому и. назвали заводское клеймо “Старый соболь”.

В Нижнетагильском краеведческом музее и сейчас можно видеть старинные изделия из уральского металла – образцы проката, свитые в узлы, самовар, железные бутылки – все они свидетельствуют о замечательном качестве железа и высоком искусстве уральских металлургов. Узлы из круглого железа затянуты в холодном состоянии при помощи строгального станка. Самовар сделан из круглых железных дисков в холодном состоянии постепенным загибом с оттягиванием без единого шва, сварки или склепывания. Железные бутылки оттянуты в нагретом состоянии.

Великолепные качества уральского железа высоко ценились за границей. Особенно охотно покупали его в Англии. “Демидовское железо “старый русский соболь”, – писала 16 апреля 1851 года английская газета “Морнинг пост”, – …играет важную роль в истории нашей народной промышленности; оно впервые введено было в Великобритании для передела в сталь в начале XV III столетия, когда стал ед ел а тельное наше производство едва начало развиваться. Демидовское железо много способствовало к основанию знаменитых шеффильдских изделий”.

Марка “Старый соболь” особенно славилась в XVIII веке – золотом веке старой уральской металлургии. Тогда Россия занимала первое место в мире по производству металла, обогнав Англию и Швецию. В России же главной металлургической базой являлся Урал: в середине XVIII века здесь производилось до двух третей всего металла в стране.

Немалую долю в вывозе русского металла в Англию занимало уральское железо. Английская металлургия в то же время переживала застойный период из‑за недостатка топлива, и поэтому Англия развивала свою промышленность в основном за счет русского и шведского железа. В конце XVIII века Нижнетагильский завод вырабатывал ежегодно до 280 тысяч пудов металла, который почти полностью отправляли в Англию.

Уральские заводы XVIII века и в техническом отношении стояли на первом месте в мире. В центральной России имелись еще заводы, получавшие железо устаревшим сыродутным способом. На Урале же получали железо только из чугуна – технически это был более совершенный способ.

Уральской металлургии XVIII века принадлежали мировые рекорды и по выплавке чугуна на одну печь и по экономическим показателям расхода топлива и сырья. Доменные печи Нижнетагильского завода по своей величине и производительности значительно превосходили западноевропейские. Высота их достигала почти 13 аршин, в то время как шведские и французские были не выше 10,5 аршина, а немецкие 9–10 аршин. Средняя выплавка одной уральской печи составляла около 100 тысяч пудов в год, а некоторые печи в конце XVIII столетия давали по 150–300 тысяч пудов. Такой производительностью не отличались крупнейшие коксовые печи Англии того времени.

Однако в XIX веке положение русской металлургии изменилось. В то время как, например, Англия, снабженная русским и шведским железом, проводила технические преобразования своей промышленности, становясь на капиталистический путь развития, Россия отставала от Англии и других стран в социально‑экономическом отношении. В стране до 1861 года сохранялось крепостное право. Оно послужило главным тормозом в развитии уральской металлургии. Техника уральских заводов оставалась на прежнем уровне, в то время как в других капиталистических странах она непрерывно совершенствовалась. Россия лишилась заграничных рынков сбыта железа, а внутренний спрос из‑за экономической отсталости развивался слабо.

О положении в горной промышленности того времени сохранилось примечательное свидетельство современника. Корреспондент П. Крапивин с Урала писал в “Промышленном листке”: “Отовсюду слышатся жалобы на дороговизну, а частию и на негодность продуктов нашей горнозаводской промышленности… Если уж в центрах горной производительности, как например, у нас на Урале, железо по цене своей составляет предмет мало доступный земледельцам и вообще массе мелких потребителей, то можно представить в какой мере доступно оно там, где горных заводов в близости нет. Прорежьте Россию по какому угодно направлению, и вы то и дело встретите из десяти крестьянских лошадей подкованную одну, из ста саней подкованные двое – трое, из десяти скатов колес два – три без шин, на четыре дома три топора, целые деревни без железного гвоздя, огромные села без кузницы”.

Новый рассвет уральской металлургии наступил только при Советской власти. Была осуществлена идея продвижения металлургии на Восток – создание здесь крупного угольно‑металлургического центра страны. Большие запасы уральской железной руды, сочетание их с сибирским углем, благоприятное географическое положение создавали необходимые предпосылки для развития на Урале технически передового крупного комбинированного хозяйства и превращения Урала в крупный металлургический центр.

По этому плану перед Великой Отечественной войной на Урале возникли такие гиганты металлургии, как Нижнетагильский (НТМК) и Магнитогорский (ММК) комбинаты.

В годы войны особенно сказались все преимущества создания этого металлургического центра. Уральские металлурги снабжали фронт металлом и боевыми машинами. В сложных условиях военного времени освоили много новых процессов: впервые в мире начали выплавлять феррохром в доменных печах на металлургическом заводе им. Серова, ферромарганец в больших доменных печах ММК из уральских бедных марганцевых руд. Сталеплавильщики овладели производством высоколегированной стали в больших мартеновских печах, а также освоили выплавку сталей‑заменителей, в которых содержалось незначительное количество дефицитных легирующих элементов.

В послевоенные годы уральская металлургия продолжает свое развитие, с каждым годом увеличивая выпуск металла для мирных целей. Тагильские металлурги обеспечивают прокатом свыше 6 тысяч заводов и строек нашей страны. Металл, раньше известный под маркой “Старый соболь”, теперь с маркой НТМК и других заводов экспортируется во многие государства мира.

Петровский указ

6 апреля 1722 года был издан и сразу же разослан по заводам важный для развития русской металлургии указ Берг‑коллегии “О пробовании железа”. Вот текст этой “прародительницы” современных инструкций ОТК – так называют сейчас на заводах отдел технического контроля.

“Его императорское Величество указал послать из Берг‑коллегии на все железные заводы, где железо делается, чтобы с сего времени железо пробовали сим образом, и отпускали в указанные места и продавали со следующими знаками:

Первая проба: вкопать круглые столбы толщиной в диаметре по шести вершков в землю так далеко, чтобы оное неподвижно было, и выдолбить в них диры величиною против полос, и в тое диру то железо просунуть, и об весть кругом столба трижды потом назад его от столба отвесть, и ежели не переломится, и знаку переломного не будет, то на нем сверх заводского клейма наклеймить № 1.

Вторая проба: взяв железные полосы бить о наковальню трижды, потом другим концом обратя такожды трижды от всей силы ударить, и которое выдержит, и знаку к перелому не будет, то каждое сверх заводского клейма заклеймить его №2.

На последнее, которое тех проб не выдержит, ставить сверх заводских клейм № 3. А без клеймы полосного железа отнюдь чтоб не продавали”.

Это, пожалуй, самый первый документ об испытании металла перед использованием его в деле. Указ говорит также о том, что в эпоху Петра I заботились не только о количестве выпускаемого металла, но уже создавали методы контроля его качества. Причем спрос с бракоделов был строгий. В другом указе писалось:

“Повелеваю хозяина Тульской оружейной мастерской Корнея Белоглаза бить кнутом и сослать в работу в монастырь за то, что он, подлец, дерзнул войску государеву продавать плохие пищали и фузеи. Старшего приемщика Флорку Минаева бить кнутом и сослать в Азов, пусть не ставит клейма на плохо сделанное оружие”.

В давние времена металлические изделия не подвергались испытанию на прочность. Правда, из средневековья дошла до нас такая история о “контроле” продукции. Рассказывают, что в старину, когда оружейнику заказывали стальную рубашку – кольчугу, то примерку готового изделия производили на мастере. Заказчик брал в руку кинжал и наносил по кольчуге несколько ударов.

В связи с развитием машиностроения в XIX веке к металлу предъявили строгие требования во всех областях техники. Появилась необходимость в разработке общепринятых методов испытания металлов на прочность. С конца 50‑х годов прошлого столетия начинают вводить систематические испытания прочности металла на разрыв, твердость, затем испытания на повторную нагрузку, изгиб, удар. В 1852 году для нужд железных дорог Англии и Германии строились специальные испытательные станки и машины. К этому времени уже во многих странах ведутся регулярные испытания прочности железа, проводятся сравнение и анализ результатов, издаются сводки по отдельным производствам – первая из них опубликована десять лет спустя.

В России до XX века между потребителями металлических изделий и железоделательными заводами не было соглашений относительно сортов поставляемого металла. Каждый завод имел свой сортамент. Еще в 1885 году профессор Н.А. Белелюбский требовал установить единообразные размеры проката, но только в 1894 году Постоянная совещательная контора железозаводчиков приступила к выработке русского сортамента фасонного железа. В результате пятилетней работы комиссии был принят и опубликован “Русский нормальный сортамент фасонного железа: угловое, тавровое, двутавровое, корытное и зетовое железо”.

Постоянное изучение способов испытаний и условий приемки материалов началось в 1884 году. Через три года в Стокгольме образовался Международный союз по испытанию технических материалов, который разработал международные нормы по испытанию металлов, условия технической приемки, способствовал созданию единообразия в испытании материалов. Введение механических испытаний значительно снизило брак производства, так как предварительный контроль устранял негодный металл из последующих технологических процессов.

До мировой войны и в течение нескольких последующих лет основой расчета деталей машин служили показатели статических испытаний: пределы прочности, текучести и модуль упругости. Установление того факта, что ответственные детали подвергаются в большинстве случаев действию различных по величине циклических нагрузок, явилось новым шагом в развитии теории прочности. В 20–30 годах были введены такие понятия, как усталостная прочность, пределы усталости при изгибе, кручении и растяжении‑сжатии, предел усталости при знакопеременной нагрузке, конструкционная прочность, не утратившие своего значения и в настоящее время.

Усложнение методов испытания металлических изделий продолжается. Этого настоятельно требуют заботы о безопасности в использовании технических средств. Ни одна машина, ни один самолет без испытаний статическими и динамическими нагрузками не пойдет в серийное производство. А как испытать на прочность океанский лайнер или железнодорожный мост? Или исполинскую турбину, гигантский пресс?

Современное машиностроение использует детали в 30–40 метров длиной, диаметром 1,5–2 метра и весом сотни тонн. Такие громадины не испытаешь. Их только рассчитывают. Ошибок не должно быть, чтобы не произошла авария. Вот почему инженеры стараются строить машины или сооружения понадежнее – берут запас в 10–12 раз больше расчетной прочности. Это ведет к огромным убыткам. Поэтому для испытания крупных изделий строят испытательные машины. Шведская разрывная машина “Амелер”, созданная еще в первые десятилетия XX века, в новых моделях способна разорвать, как нитку, стальной стержень толщиной 60–80 миллиметров. Но с валом 300 миллиметров толщины ей не справиться. Нужны другие машины.

В Москве в Центральном научно‑исследовательском институте технологии машиностроения построены уникальные установки. На них можно проверять прочность балок толщиной 400 миллиметров, давать этим балкам статические, динамические нагрузки, определять предел усталости.

Самые большие в мире испытательные машины стараются разрушить коленчатые валы мощных двигателей, крупные гребные валы морских судов, детали прессов с усилием в десятки тысяч тонн и другие. Однако ученые пытаются постигнуть точные закономерности масштабного фактора. Вот тогда не понадобится ломать дорогие образцы, чтобы определить их прочность. Ответ дадут малые образцы, модели в 1/10, 1/100 долю натуры.

В наши дни техника контроля обогатилась многими точными приборами, созданными на основе последних достижений науки. На каждом заводе имеется ОТК со штампом специалистов, разбирающихся во всех тонкостях производства. Контролер ОТК – еще одна металлургическая профессия. Задача контролера – проследить за точным выполнением технологической инструкции на всех этапах производства металла, тем самым обеспечить надлежащее качество металла при испытаниях. Контролерами на заводах часто работают женщины. Их аккуратность, прилежность, усидчивость обеспечивают точность контроля.

А в старину все это началось с петровского указа.