.RU

Булатные узоры: Для получения булатного слитка нужны были опыт и терпение; но еще


Для получения булатного слитка нужны были опыт и терпение; но еще больше времени и сил требовалось для того, чтобы правильно его проковать и получить изделия высокого качества. Если ограничиться лишь тем, что из куска стали вырезать клинок, то свойства его будут чрезвычайно низкими. Если же проковать булатную полосу путем его деформации только в одном направлении, то ферритные включения вытянутся и на изделии получится полосчатый прямолинейный узор, характерный для низших сортов булата. В этом случае мягкие ферритные полоски могут оказаться на лезвии клинка.
Встречались ли в древности с таким явлением? Да, встречались! Вот что об этом пишет Аль-Бируни: «К мечам, известным под названием ал-кубурийские, относятся как будто те, которые находят в могилах знатных покойников. И слыша.! я, что если мечи (изготовлены) из металла, который при плавке получил неодинаковое (количество) примесей («зелья»), то на них остаются тонкие нежные канальца (жилки), не впитывающие воду (углерод). Если они попадаются на лезвиях, то (мечи) не способны резать из-за отсутствия твердости. И если их стесать с лезвия, то вреда нет». Недаром турецкие и египетские клинки с «полосатым» узором даже в древности считались булатами самого низкого качества.
А как же следует проковать булат, чтобы получить из него клинок с высокими свойствами? Люди давно заметили, что дерево вдоль волокон колется легко, а поперек — с трудом. Значит, надо проковать слиток так, чтобы волокна структуры булата «обтекали» контуры изделия. Если это клинок, то волокна должны быть направлены вдоль лезвия. Ho и расположение волокон в виде прямых линий не обеспечивает высоких свойств, поэтому необходимо ориентировать волокна в разных направлениях, «перепутать» их, тогда высокие свойства обеспечены.
Сегодня металлурги хорошо знают, что чем больше «сплетать» волокно при ковке, тем более стойкие и прочные изделия можно получить. Достигается это многократной ковкой в разных направлениях, а контролируется современными методами металлографического анализа. В древние же времена только появление на поверхности клинка коленчатого или сетчатого узора указывало мастеру на совершенство приемов ковки. Постичь их было не легко. Опыт и умение приобретались годами, передавались из рода в род и хранились в глубокой тайне.
Из глубины столетий до нас дошел единственный способ ковки, которым в древности получали йеменские мечи с волокнистыми узорами, называемые «фарандом» или «мухаввас» (ткань с переливчатым оттенком). Булат ковали не в длину, а начиная с одного конца, пока не расплющивали на блюдо. Блюдо разрезали по спирали, и полученные округлые полосы выравнивали. Из них ковали мечи.
Возможно, что П. П. Аносов скрывал способы проковки своих клинков. Во всяком случае в работе «О булатах» много внимания уделяется режимам нагрева стали перед горячей деформацией, а ковка описывается предельно кратко: слиток рассекают зубилами на три части, разрубленные части «проковывают в правильные бруски, а по
том в полосы». И это все.
П. П. Аносов, безусловно, знал работы Бреана и Мериме, опубликованные в первой четверти XIX века, в которых своеобразие булатных узоров объяснялось только приемами ковки. «Я на опыте убедился, — сообщал Бреан в 1823 году, что волнистые жилки, которые кузнецы называют коленами, являются результатами приема ковки. Если ограничиваться вытяжкой в длину, то жилки будут продольные, если же тянуть одинаково во всех направлениях, то рисунок имеет кристаллический вид; если же видоизменить вытяжку в двух направлениях, то получатся переходы, как в восточных булатах. He нужно долгих опытов, чтобы достигнуть получения какого угодно узора» [36,37].
Последнее утверждение неверно, и Мериме в более поздней работе совершенно правильно уточняет: «Что касается причудливости узора, то он является результатом работы молота при вытяжке, требующей много времени и искусства, чем и объясняется высокая цена клинков» [38,39].
О своем искусстве получения различных видов булатных узоров П. П. Аносов не рассказывает...
В более поздних исследованиях неоднократно подчеркивалось, что получение булатов с коленчатыми и сетчатыми узорами связано с применением сложных, не известных нам приемов ковки. Так, например, Г. А. Кащенко [40] в 30-х годах нашего столетия писал: «Внешним признаком булатной стали является красивый, видимый простым глазом узор. Этот узор представляет собой макроструктуру стали, называемую коленчатой или булатной. Она получалась, по-видимому, путем энергичной и многосторонней ковки, проводимой в особых условиях. При этом металл претерпевал глубокое обжатие в разных направлениях, в силу чего в металле уничтожается слабость, связанная с односторонней волокнистостью... Попытки воспроизвести булатную сталь, делавшиеся еще 100 лет назад и в более позднее время, приводили к успеху, хотя и неполному, так что процесс ковки булата является до сих пор не вполне выясненным...». Интересно, что на нерешенность этого вопроса даже в 1978 году указывал немецкий металлург М. Захсе [41].
Между тем советскому металлургу Р. А. Лиждвою удалось раскрыть механизм одного из способов формирования булатного узора [40]. Он изобрел и разработал приемы кузнечной вытяжки с направлением подачи слитка (заготовки) под острым или прямым углом к фронту бойков молота. Этот способ, известный под названием «косая ковка», позволяет сочетать вытяжку металла в двух направлениях с его протяжкой вдоль оси заготовки. Р. А. Лиждвой экспериментально показал, что при протяжке металла вначале под прямым, а затем под острым углом к фронту бойков или с произвольным изменением угла подачи заготовки в пределах 45 — 90° формируется текстура, соответствующая узору волнистого булата.
Старший реставратор Владимиро-Суз- дальского музея-заповедника В. И. Басов выплавил тигельным способом высокоуглеродистую сталь с содержанием углерода 1,3 — 1,9% [42]. В результате замедленной кристаллизации слитка этой стали была получена высокая степень дендритной ликвации углерода. Проковкой стали путем нанесения крестообразных ударов под углом 45° к оси проковываемой заготовки, был получен клинок с узором, который в связи с тем, что резкой физической неоднородностью сталь, по-видимому, не обладала, узор на клинке проявился не совсем четко.
Макроструктура полученных нами булат
ных слитков (рис. 18, 19) гарантировала хорошее проявление узора после ковки. Для получения различных узоров (рис.20) мы использовали круглые бойки и фасонные штампы, а также оригинальный метод горячей деформации, о котором будет рассказано позже.
Применяли ли древние кузнецы фасонные штампы? Да, применяли. Археологические находки свидетельствуют, что при изготовлении сложных поковок в IX-X веках должны были обязательно участвовать два инструмента: фигурные подкладки и фасонные штампы.
Наши исследования показали, что наиболее удобными для ковки являются круглые слитки диаметром 100—140 мм и длиной



alt="" />



Рис. 20. Булатные узоры, полученные после проковки слитка с ферритными прослойками


150 — 240 мм. Перед деформацией их поверхность счищалась абразивами. Если после удаления верхней корки на поверхности слитка обнаруживали дефекты, они также удалялись. Перед ковкой для повышения пластичности металла при деформации слитки отжигали. Нагрев слитков под ковку осуществляли очень медленно. Так же, как это делал П. П. Аносов, слитки сажали в камерную печь при температуре 200°С и в течение 2 — 3 часов нагревали до 600°С. Последующий прогрев слитков с 600 до 900 —1080° С осуществляли в течение 2 часов. Промежуточный нагрев металла во время ковки производили так, чтобы слитки в продолжение 20 — 30 минут нагревались до необходимой температуры.
Ковку нагретых слитков производили легкими ударами на молоте 750 кг. Слиток первый раз проковывали на полосу сечением 50X50 или круг диаметром 50 — 60 мм. После расковки подприбыльную часть, длиной до 1/3 длины полученной штанги, удаляли. После вторичного нагрева штангу проковывали на полосу сечением 70x20 или круг диаметром 20 мм.
С целью более четкого выявления макроструктуры поковки отжигали по следующему режиму: медленный нагрев до 780 — 800°С, выдержка при этой температуре 5 — 6 часов, охлаждение в печи до 600°С и последующее охлаждение на воздухе.
В первых экспериментах мы обычными методами ковки вытягивали слиток в полосу. На поковках после шлифовки и травления поверхности слабым раствором соляной кислоты появлялся полосатый узор, характерный для низших сортов булата.
Поскольку светлые полосы обычно вытягивались по волокну вдоль лезвия клинка, на лезвие древние мастера старались выводить высокоуглеродистый участок металла. Такое лезвие после закалки на мартен
сит приобретало значительную твердость, но самозатачивающим свойством не обладало. Возможно, что прожилки железа в таком булате обеспечивали клинку только повышенную вязкость.
Для превращения полосатого рисунка в волнистый мы обжимали ребра заготовки круглым прутком, после чего края вырезали. Коленчатый узор получали путем горячего скручивания заготовки и последующего ее обжатия.
Часть заготовок перед горячей деформацией подвергали местному нагреву токами высокой частоты [43]. Пруток диаметром 15 — 20 мм устанавливали в одновитковый кольцевой индуктор диаметром до 50 мм. Концы бруска фиксировали в зажимах. На расстоянии 20 мм от конца заготовку нагревали токами высокой частоты. Нагреву подвергался участок шириной 15 — 20 мм. После достижения температуры 1000 — 1050°С пруток скручивали в направлении по часовой стрелке на угол 90°. Затем заготовку перемещали вдоль ее оси на 20 мм, нагревали соседний участок и скручивали в направлении против часовой стрелки на такой же угол. Таким же образом производили нагрев и деформацию скручиванием во взаимно противоположных направлениях отдельных участков всей заготовки. После этого заготовку либо обжимали фасонными штампами, либо просто проковывали на толщину 5 — 8 мм и вырезали пластины, из которых изготовляли клинки и другие изделия.
Клинок, изготовленный этим способом, имел ярко выраженный узор с гроздевидными фигурами, принимающий форму мотков и прядей, выступающих прозрачной сеткой на более темном фоне рисунка. Это был узор типичного кара-табана (черный блестящий) — лучшего сорта булата.
Усвоив найденные приемы ковки булатных слитков и добившись многократной повторяемости булатных узоров на основе фер- ритных прослоек, мы приступили к изучению узоров, получающихся на булатах с углеродистыми прослойками. Узор на таких булатах (рис.21а) выявлялся более глубоким травлением, получался более выпуклым и тонким, но менее выразительным. Узоры на этих булатах были очень похожи на узоры клинков из коллекции оружейной фабрики Златоустовского завода, которые делал Н.И.Ш- вецов (рис. 216). Эти булаты обладали высокой твердостью (61-63 HRC), значительно худшей пластичностью, их было тяжелее деформировать, и это затрудняло получение коленчатых узоров. Забегая несколько вперед, заметим, что микроструктура именно этих булатов, представляющая собой перли- то-цементитную неоднородность, причем цементит присутствовал в виде зерен, что соответствовало лучшим сортам литого булата[ 18].

а



б
Рис. 21. Булаты XX и XIX в. в.: а-нож из булата с углеродистыми прослойками (Ю.Г. Гуревич, В.И. Чуманов, 1969г.); б-булатный клинок, изготовленный Н.И.Швецовым



ки и низкого отпуска. Закалку производили от 800-810°С, выдержка 10 мин., охлаждение в воде. На мартенситной матрице отчетливо видны строчки карбидов (вторичного цементита), преимущественно мелких, глобулярной формы.

Рис. 22. Микроструктура булата с углеродистыми прослойками после закалки от 800-810 0Cи низкого отпуска. Травление 3%-мраствором HNOg в спирте. Х500 (мартенсит- мартенсит со строчечными включениями цементита, твердость 62 HRC)


Когда П. П. Аносов изготовлял булат, он мог исследовать только узор на его поверхности, что современная наука квалифицирует как макроструктуру стали. Как уже отмечалось, более объективными характеристиками свойств стали является ее микроструктура, которая определяет фазовый состав сплава. Н. Т. Беляев изучал микроструктуру закаленного и отпущенного булата. Им приведена единственная в литературе микрофотография структуры аносовского булата, увеличеная в 50 раз. На фоне троостита
Н.              Т. Беляев наблюдал крупинки (зерна) структурно-свободного цементита. В связи с этим изучение микроструктуры и фазового состава полученных нами булатов представляло огромный интерес.
Неоднородность макроструктуры булатного слитка после периодических нагревов и деформации приводит к резко выраженной микронеоднородности сплава. Это вызвано тем, что в результате ковки дробятся и тесно переплетаются слои металла с различным содержанием углерода, который при нагревах диффундирует из слоя в слой. В результате этого малоуглеродистые зоны металла все более и более насыщаются углеродом.
На рис.23-25 показаны характерные микроструктуры булата с ферритными прослойками после отжига и закалки с низким отпуском. Отжиг производили при 850-860°С, выдержка 2 часа, охлаждение с печью (один градус в минуту). Закалку производили от 800- 810 “С, выдержка 10 мин, охлаждение в воде.
В зависимоста от технологии выплавки и количества присаживаемого в жидкий чугун железа получали различные структуры булата. На рис.23 показана микроструктура одного из них. После отжига видно чередование ферритных и перлитных зон (рис.23а), а после закалки и отпуска - чередование ферритных и мартенситных зон (рис.236). Микротвердость мартенситной зоны в 5 раз выше ферритной. Чередование мягких и пластичных ферритных зон с твердыми мартенситными прослойками наблюдается в объеме всего металла.
На рис.24 показана микроструктура булата после отжига, которая содержит три совершенно различные зоны в стали: перлит, феррит и перлит выделениями вторичного цементита. Одна из зон-перлит заэвтектоидной стали с содержанием углерода я 1,5%. В перлите видны сравнительно кругаше включения сфероидальных карбидов (цементита), выделившихся при медленном охлаждении стали. Другая зона- феррит. Третья зона характеризу
ется пластинчатым перлитом со значительно меньшим выделением цементита. Металл этой зоны содержит я 1,2% углерода. После закалки наблюдалось чередование феррито-мартен- ситных зон и мартенсито-карбидных зон с различным содержанием углерода (разное количество вторичного цементита).

а



Рис. 23. Чередование ферритных и перлитных (мартенситных) зон в структуре булата. Травление 3%-м раствором HNO3B спирте, X 500: а- после отжига; б- после закалки и низкого отпуска



б
Рис. 24. Чередование трех зон с различным содержанием углерода. Травление 3%-м раствором HNO3 в спирте. X200: а- после отжига; б- после закалки и низкого отпуска


На рис.25 показана микроструктура булата с карбидной неоднородностью после отжига. Видны две зоны: ферритная и перлитная с включениями цементита, выделившегося на границе с ферритом. Таким образом, замеченное Н.Т. Беляевым [27] выделения структурно-свободного вторичного цементита, наблюдались и в нашем булате.


Рис. 25. Выделение зерен вторичного цементита на границе перлита с ферритом, X 500


Выделение цементита на границе феррита и заэвтектоидной стали объясняется, по- видимому, диффузионным взаимодействием включений железа с высокоуглеродистой матрицей в процессе охлаждения слитка и последующего нагрева стали для пластической деформации. Поэтому наиболее крупные карбиды скапливаются в виде сегрегатов на границе с ферритной зоной. Средний размер карбидов 4 — 5 мкм, занимаемая ими площадь на шлифе — до 45%. На границе с ферритом иногда наблюдались монолитные карбидные участки.
Неоднородность по углероду вызывала появление в булате самых разнообразных структур. Так, например, зоны пластинчатого перлита с выделениями карбидов чередовались не только с ферритными, но и с фер- рито-перлитными, характерными для доэв- тектоидных сталей с содержанием 0,25 — 0,45% углерода.
Булаты с ферритными и углеродистыми прослойками отличались по микронеоднородности только тем, что в последних металл всех зон был более насыщен углеродом и включений феррита практически не было
Включения вторичного цементита в таких булатах выделялись на границе с менее насыщенной углеродом зоной стали, (рис.26)

Рис. 26. Булат с карбидными прослойками после закалки. Карбидная полощатость на границе заэвтектоидной и доэвтектоидной стали, X 500


Таким образом, микроструктура полученного нами литого булата подтверждает ярко выраженную неоднородность его по углероду, которая сопровождается чередованием практически всех возможных структур, характерных для сплавов с углеродом от 0,03 до 1,5%. Наряду с этим характерной особенностью булата является выделение зерен цементита. Особенно важно, что частицы карбидов, как правило, выделяются на границах с более мягкими и пластичными структурными составляющими. Хорошие режущие свойства булату могут обеспечивать только мелкие карбиды (зерна цементита).
Аналогичные особенности микроструктуры доаносовских булатов описывает современный исследователь И. С. Гаев [18]. Обнаружив неоднородность распределения цементита в закаленной стали, он показал, что зернистость и неравномерное распределение цементита сохраняются и после отжига при
900°С. В микроструктуре отожженной стали он наблюдал, так же как и мы, «круглые зерна эвтектического и вторичного цементита, а также цементита пластинчатого перлита, образованного в процессе отжига». При нагреве и ковке часть зерен цементита дробится и растворяется в аустените, а затем снова укрупняется путем выделения и коалесцен- ции. Крупные зерна могут сохраняться при нагреве. И. С. Гаев получил зерна цементита почти такой же величины, как в булате, в образцах стали, изготовленных спеканием смеси порошков чистого железа и сажистого углерода. Этот эксперимент подтверждает наши предположения о том, что на границе железа и высокоуглеродистого сплава создаются благоприятные условия для образования крупных зерен цементита. Микроструктура наших булатов это потверждает.
Современные исследователи булатной стали И.С. Гаев и И. Н. Богачев считали, что большую неоднородность в распределении углерода можно достичь длительной выдержкой полужидкого металла, не доводя его до расплавления. Другими словами, они поддерживали теорию Д. К. Чернова и
Н.              Т. Беляева о том, что природа булатного узора связана только с дендритной неоднородностью стали по углероду. На основании приведенных выше сведений можно заключить, что ликвация углерода при кристаллизации булатного слитка —действительно важный фактор, хотя она и не является первопричиной образования узора. Медленное охлаждение двухфазного сплава, с одной стороны, помогает достичь его наибольшей неоднородности, с другой — обеспечивает диффузию углерода из жидких или полужидких масс высокоуглеродистой стали в частицы малоуглеродистого железа. Эти явления приводят к «диффузионной сварке» частиц сплава с различным содержанием углерода и в результате к получению монолитного слитка булата.
Если выплавленную булатную сталь охлаждать быстро, то диффузия углерода происходит значительно в меньшей степени.
Возникает вопрос: можно ли считать булатом сталь, обладающую микроструктурой с такими мягкими составляющими, как феррит и перлит? Да, может. Напомним еще раз о том, как П.П.Аносов возражал Бреану:
«Понятие Г. Бреана, — писал он,— о причинах появления узора в стали, основанное на одном излишестве углерода и кристаллизации стали, не может быть признано достаточным. Это подтверждается и тем еще, что явственные узоры могут быть на булате и в таком случае, когда он столь мягок, что по закалке не приобретает приметно большей твердости и хрупкости, а остается мягким, подобно железу».
А может ли булат быть хрупким? Да, может, когда в стали много углерода (булаты с углеродистыми прослойками) и П.П.А- носов это подтверждает:
«По моим замечаниям, соединение собственно углерода с железом можно допустить токмо в булатах, имеющих золотистый отлив, как, например, в табане и хоросане древних, а в тех, которые отливают красноватым цветом, заключается в углероде посторонняя примесь, как, например, в ка- ратабане, наконец, в тех, которые не имеют отлива, углерод приближается к состоянию обыкновенного угля. Такие булаты при значительном количестве угля бывают хрупки, как, например, многие кара-хоросаны». Представленный на рис. 21а нож, сделанный из нашего булата с углеродистыми прослойками имел золотистый отлив (хранится в Златоустовском краеведческом музее).
Из приготовленного нами булата были выкованы клинки разных форм и сечений и
другие изделия. Наступило время решать вопрос о режимах их термической обработки — закалке и отпуске.
П. П. Аносов закаливал булаты в зависимости от назначения в сале или воде, причем самые твердые из них — преимущественно в сале, предварительно нагретом почти до температуры кипения. Сегодня научно доказано, что применение сала, а в наше время — масла в качестве охлаждающей среды при закалке значительно уменьшает возникновение в стали закалочных дефектов, так как эта среда обеспечивает сравнительно небольшую скорость охлаждения в момент превращения аустенита в мартенсит.
Известно, что многие металлурги придавали большое значение режимам закалки булата и даже относили их к основным сек ретам приготовления булатного оружия. В дальнейшем читатель убедится, что для такого мнения есть веские основания. В то же время полученная нами микроструктура булата в отожженном состоянии не давала никаких оснований опасаться того, что булатный узор будет разрушен в результате последующей закалки при любых выбранных режимах нагрева и охлаждения.
Зная микроструктуру отожженной стали и ее химический состав, подобрать оптимальную температуру нагрева под закалку и необходимые скорости охлаждения при современном состоянии науки не так уж трудно. Очевидно, свойства булата будут тем выше, чем тверже и прочнее металл в зонах железоуглеродистого сплава заэвтектоидного состава. Что касается участков железа или углеродистой стали, то они при нагревах и охлаждении под закалку должны сохранять ферритную структуру или структуру мартенсита доэвтектоидной стали, чтобы обеспечивать пластичность и вязкость булата.
Наибольшую твердость после закалки может обеспечить только мартенситная структура заэвтектоидной стали с зернистыми включениями цементита. Поскольку такие включения карбидов железа (вторичного цементита уже получаются в стали после отжига, следует осуществлять нагрев под закалку до таких температур, чтобы они не растворялись полностью в аустените, а только измельчались. С этих позиций нагрев стали надо было бы осуществлять до температур порядка 740 — 750°С. При достаточной выдержке при таких температурах перлит полностью превратится в аустенит, а карбиды раствориться в аустените не успеют.
Однако предварительными экспериментами было установлено, что нагрев до температур 740 — 750°С и последующее быстрое охлаждение булата в масле приводят к образованию смешанной троостито-мартенситной структуры, которая максимальную твердость стали обеспечить не может. Выпадение тро- остита в данном случае объясняется тем, что имеющиеся карбиды являются готовыми центрами кристаллизации для перлита (троости- та) и облегчают его образование даже при высоких скоростях охлаждения стали.
Чтобы увеличить скорость охлаждения, необходимо было поднять температуру нагрева стали. После закалки от температур 850 — 860°С сталь имела мартенситную структуру, появились участки остаточного аустенита и наблюдалось значительное измельчение карбидов. Такая структура также не могла обеспечить необходимую твердость и износостойкость.
Оказалось, что только закалкой от узкого интервала температур 800 —830° С в воду можно получить требуемые структуры и свойства булата.
Примечательно, что после закалки даже в ферритной зоне встречались крупные включения мартенсита, а в мартенситных зонах
наблюдались мелкие зерна остаточного аустенита (рис.27).

Рис. 27. Включение мартенсита в ферритной зоне, Х500


После детального изучения свойств закаленного булата сделанные образцы холодного оружия и инструмента было решено подвергнуть следующей термообработке: закалке от 800 — 830° через масло в воду и низкому отпуску при 180 —230°С. Готовые изделия были отполированы, протравлены уксусной кислотой и промыты дистиллированной водой. Часть изделий хромировалась и никелировалась, при этом узор полностью сохранялся.
В отделе оружия Государственного исторического музея хранится авторское свидетельство на изобретение за № 116334 от 18 февраля 1955 года «Способ изготовления слитков булатной стали», а рядом на стенде кортик и полированные плитки с причудливыми узорами. Все это создано Златоустовскими металлургами И. Н. Голиковым,




а



Рис. 28.Булатный меч-а; б-фрагмент меча



П. В. Васильевым, Ю. Г. Гуревичем, Н. Ф. Лонгиновым и Ю. И. Люндовским .
На мечах1 (рис.28), саблях (рис.29), кортиках (рис.30)2, топорах (рис.31), ножах разных форм (рис.32)2 и других изделиях3 хорошо просматривались узоры всех сортов була та. Часть этих изделий экспонировалась на Всесоюзной выставке достижений народного хозяйства СССР в 1956 году. В Златоустовском городском музее демонстрируется также кубок из булатной стали (рис.33), изготовленный в честь 200-летия города Златоуста.
Клинки из нашего булата рубили гвозди и обладали высокими режущими свойствами. Несмотря на большую твердость, они обладали достаточно высокой вязкостью: при ударах значительной силы поломать их не удавалось. Булатные ножи для рубанка работали без заточки в несколько раз дольше, чем ножи из обычной углеродистой стали.



К сожалению, легендарной упругости булатных клинков достичь не удалось. Хорошо известно, что высокую упругость можно обеспечить тщательной шлифовкой и тонкой полировкой изделий. Так, например, Д. К. Чернов показал, что если хорошо отполировать кристалл поваренной соли, то даже он приобретает упругость. Н. Т. Беляев подчеркивал, что «полировка изделий доводилась П. П. Аносовым до такого совершенства, что готовые изделия, в сущности, являлись шлифами». Условиями для подобной отделки образцов булата мы не располагали.
А вот «цветастые» булаты мы приготовляли успешно (рис.34). Для этого обычный булат с ферритными или углеродистыми прослойками оксидировался в обычной нагревательной печи при температуре 200 — 400°С. В связи с тем, что цвет стали при нагревании на воздухе изменяется в зависимости от содержания в ней углерода, нам

удавалось получать на фоне золотистой мат- ков. Участникам совещания в качестве суве- рицы красивые сиреневые узоры.              ниров были подарены пластины и медали из
узорчатой стали.




Рмс. 33. Кубок из булатной стали



Рис. 34. Нож из цветного булата


В июле 1961 года в Златоусте вновь собрались металлурги со всей страны. Здесь состоялось Всесоюзное совещание прокатчи-

Рис. 35. Медаль из булатной стали Тайна индийского вутца


Итак, некоторые секреты образования булатного узора на изделиях из литой стали разгаданы, разработана современная технология выплавки узорчатой стали. Однако, как получали знаменитый индийский вутц, все еще оставалось загадкой.
Прежде всего необходимо было установить, знали ли в древности тигельную плавку, могли ли получать литую сталь? Бируни в трактате «О железе» сообщает несколько способов получения тигельной стали в Средней Азии, Иране и Индии, относящиеся к IX-XI векам [35]. Так ли это? Оказывается он был прав.
На территории Средней Азии в 30 км к северо-востоку от Намангана на правом берегу Сырдарьи было расположено древнее городище Ахсикет- бывший крупный политический и экономический центр региона Северная Фергана. При раскопках города Ax-
сикет были обнаружены предметы и материалы, употреблявшиеся в производстве стали в IX начале XIII веков [44]. Найдены в большом количестве фрагменты тиглей с остатками шлака, невосстановленный агломерат, свалка шлаков, полуобгоревших растений, древесного угля, флюсов (доломит), остатков горна. Все это доказывает, что в древнем Ахсикете умели выплавлять сталь тигельным способом.
Исследование археологических материалов позволило установить детали древнего способа производства стали. Среди обломков находили от 3-5 до 15 фрагментов одного тигля. Это позволило определить, что эти тигли имели цилиндрическую форму и закрывались крышками. Изготовлялись они из специально приготовленной жаростойкой смеси. Химическим и минералогическим анализами установлено, что смесь состояла из одной части песка и девяти частей жаростойкой глины. Теплостойкость такой огнеупорной массы 1650°С.
На внутренних стенках некоторых осколков тиглей были найдены остатки ткани. Можно предположить, что тигли изготовляли с помощью шаблона, представляющего собой матерчатый чулок, заполненный песком. Огнеупорную массу, видимо, размазывали по шаблону деревянным или металлическим инструментом. Доказательством тому служит тот факт, что тигли имеют рифленую поверхность. Встречается как вертикальное, так и косое рифление. Чем толще и массивнее стенки тиглей, тем шире грань.
После формовки тигли сушили, а затем обжигали либо в специальных горнах, либо в тех горнах, в которых плавили металл. Можно предположить, что температура обжига тиглей была не менее 1200 °С. После сушки тиглей песок из шаблона высыпали, а ткань оставалась на внутренних стенках изделий (следы ткани сохранились на многих фрагментах тиглей, которые не были использованы для плавки стали).
Судя по осколкам, металлурги Ахсикета чаще применяли массивные тигли с толстыми стенками и широким (до 2 см) вертикальным или косым рифлением. Днище тигля вогнутое, его диаметр составлял 8 — 9,5 см. Внутренняя поверхность тиглей имела две разновидности: прямолинейные стенки от днища, слегка сужающиеся к венчику сосуда или стенки, расширяющиеся к нижней половине тигля и постепенно сужающиеся к венчику. Толщина стенок 1,8 —1,5 см, у венчика до 0,5 см. Тигли нагревались через полусферические крышки с отверстием посередине диаметром 2-3 см (иногда встречались крышки без отверстий): дырка в крышке делалась для выхода газов во время плавки.
В горнах обнаружены остатки гравия. Это дает основание предполагать, что для равномерного нагрева и исключения приваривания тигель со всех сторон обсыпали гравием. В этих условиях тигель можно было извлечь из горна после окончания процесса плавки. Bcc это свидетельствует о том, что древние металлурги выплавляли сталь при достаточно высокой температуре и длительное время.
Около горнов найдено много древесного угля, который использовали для подогрева тиглей, а также остатки обгоревшего камыша и других растений, дающих значительную температуру при горении.
Найденные во фрагментах верхней части тиглей стекловидные шлаки имели разный цвет (табл. 2) и химический состав (табл. 3).
Часть шлаков (I, 2, 3) содержит значительное количество FeO, поэтому их следует отнести к начальному периоду плавки. Цвет шлаков и содержание в них 50 — 60 % SiO2 и 10 — 15 % Al2O3 характерно для восстановительного кислого тигельного про
цесса. Значительное содержание CaO в некоторых шлаках (16 — 18 %) свидетельствует
о              добавках извести (доломита) в агломерат.
Таблица 2
Цвет шлаков в тиглях

Номер
пробы
Цвет шлака (снизу)
Цвет шлака (сверху)
I
Песочный
Темно-коричневый
2
Песочно- зеленоватый
Коричневый
3
Коричневато-зеленоватый
T емно-коричневый
4
Зеленый
Зеленый
5
Серо-синий
Серо-синий
6
Черный
Черный
7
Голубой
Зеленовато-голубой
8
Зеленовато-голубой
Зеленоватый

Очевидно это делалось для удаления серы. В некоторых шлаках достаточно высокое содержание марганца, а в шлаках 6 и 8 обнаружены оксиды ванадия (последний придает кислому шлаку синий или сине-зеленый цвет). Оксидов хрома, молибдена, вольфрама, меди, титана и бора в шлаках не обнаружено. Голубой цвет кислых шлаков подтверждает содержание в них ванадия.
Обращает на себя внимание сравнительно низкое содержание FeO в некоторых шлаках (4,72-5,71%). Это означает, что тигельная сталь достаточно хорошо раскислялась в период плавки. Относительно высокое содержание FeO в шлаках 1-3 можно объяснить тем, что они относятся к начальному периоду плавки. По диаграммам состояния систем: SiO2-Al2O3-CaO; SiO2-Al2O3- FeO и SiO2- MnO- FeO были определены температуры плавления шлаков. Для первых двух систем они оказались выше 1500 °С. Состав и температура плавления шлаков подтверждают предположение о том, что в Ахсикете в IX XII веках знали технологию тигельного процесса и плавили сталь, причем часть ее была легирована ванадием.Как уже упоминалось, в Ахсикете был также найден агломерат, который применялся в качестве исходного материала для выплавки стали. Агломерат представлял собой механическую смесь частиц руды, доломита и древесного угля. Найдены камни, которые, судя по их форме, были предназначены для дробления шихтовых материалов. В табл.4 приводится анализ агломерата, найденного в виде спекшейся массы.
Таблица 3 Химический анализ шлаков

Цвет шлака
Состав, %
SiO2
MnO
CaO
MgO
FeO
Al2O3
V2O5
P
Черный
49 49
19.00
3.50
2.27
13.69
7.18
нет
0,028
Черный
51,50
14,80
3,85
2,52
14,14
14,18
нет
0,028
Черный
38,41
15,30
3,57
2,72
28,64
5,67
нет
0,016
Коричневый
58,64
1903 />5,25
2,34
5,31
13,04
нет
0,020
Коричневый
61,20
15,93
5,78
2,66
4,72
10,58
нет
0,020
Коричневый
50,19
20,13
8,93
2,77
5,41
15,50
нет
0,020
Зеленый
51,85
13,24
16,37
0,41
12,02
9,44
1,08
-
Голубой
59,06
16,31
16,90
1,46
5,03
13,80
1,01
-

Очевидно тигель в начале плавки разрушился, и агломерат был выкинут на свалку.
Таблица 4
Химический состав ахсикетского агломерата

Номер
пробы
Химический состав
SiO2
MnO
CaO
MgO
FeO
Al2Cb
V2O5
углерод
I
12.14
0.13
3.75
1.51
58.20
302
0.50
остальное
2
8,70
0,72
8,08
1,08
61,30
2,01
2,14
остальное

Найденный агломерат был нами использован для получения стали. Образцы агломерата были раздроблены и помещены в алун- довые тигли, которые нагревали до 1530°С в печи сопротивления с графитовым нагревателем. После выдержки (40 мин) тигли охлаждали на воздухе. На дне тигля был обнаружен металл, перемешанный со шлаком. Тигли разбивали, содержимое дробили в мелкий порошок, металлическую часть отделяли магнитной сепарацией. Химический анализ металла приведен в табл. 5. Шлак после восстановления агломерата содержал 19,35 % SO2; 4,91 % CaO; 0,77 % Al2O3; 0,56
% V2O5, остальное FeO. Высокое содержание FeO в шлаке связано с тем, что в верхней части тигля восстановительные процессы проходили не полностью.
Таблица 5
Химический состав металла, получеииого из ахсикетского агломерата

Номер
образца
Состав, %
С
Mn
Si
V
S
P
I
1,46
нет
1,00
нет
0,041
0,052
2
0,25-0,70
0,13
0,42
1,14-1,78
0,130
-

Результаты экспериментов убедительно подтверждают возможность получения в Ахсикете легированной стали с относительно небольшим содержанием серы и фосфора, достаточно хорошо раскисленной. Доказано, что выплавляемая в древнем Ахсикете сталь могла содержать до 2 % ванадия. Нет ничего удивительного, что оружие и другие изделия из такой стали имели очень высокое качество.
В Ахсикете найдено огромное «кладбище» разбитых тиглей. Это говорит, с одной стороны, о большом объеме производства стали, а с другой, о том, что сталь, полученная во время плавки, застывала в тигле, и для извлечения слитка тигель разбивали. Об этом же свидетельствуют стекловидные шлаки, найденные в тиглях, застывшие в верхней половине сосуда, а не на дне.
Слитки имели удлиненную (яйцевидную) форму с округленными ребрами. Высота слитка — 18 см, диаметр 7 —8 см, примерная масса 2,0-2,5 кг. Такая масса слитка достаточна для изготовления двух клинков с минимальным количеством отходов при обработке. При раскопках были найдены кузнечные клещи, напильники и крючок для большегрузных весов. Следовательно, есть основание предполагать, что здесь же изготовляли стальные изделия, в частности оружие.
Результаты исследования дают основания предполагать существование в древнем Ахсикете следующей технологии производства тигельной стали.
Огнеупорные тигли после изготовления сушили и обжигали. Руду, доломит и древесный уголь дробили и перемешивали. Полученную агломерационную шихту загружали в тигель. Последний помещали в горн, дно которого посыпали гравием. Сосуд, видимо, сразу не закрывали, а если и закрывали, то неплотно. Тигли обкладывали камышом и кустарниковыми растениями, которые при горении давали высокую температуру и не выделяли вредных для металла газов.
Когда тигли достигали необходимой температуры, начинался процесс восстановления оксидов железа углеродом древесного угля. По мере восстановления руды, появления шлака и металла уголь раскислял жидкий шлак и металлическую ванну, науглероживал сталь. В этот момент тигли плотно закрывали крышками, а газы, образовавшиеся в процессе плавки, удалялись через отверстия в них. В тигле создавалось избыточное давление, поэтому воздух не мог попасть внутрь его. Таким образом, тигельная плавка велась в среде, создаваемой монооксидом углерода (CO) и в сосуде протекали только восстановительные процессы. Фосфор во время плавки не удалялся, нужно было подбирать руды, чистые по фосфору. Для удаления серы могли добавляться в шихту, а также на шлак в период плавки доломит и найденные в Ахсикете запасы кальцинированной соды.
Состав агломерата обеспечивал по мере повышения температуры не только восстановление железа, но и образование жидкоподвижного шлака. Поскольку процесс шлакообразования шел быстрее процесса восстановления железа, жидкий легкоплавкий шлак первоначально опускался на дно
сосуда. Об этом свидетельствует ошлакованная нижняя часть тигля. По мере восстановления и науглероживания железо плавилось и, будучи тяжелее шлака, опускалось вниз, а шлак всплывал.
Взаимодействие шлака с атмосферой в тигле способствовало его восстановлению, а выдержка над жидким металлом — распределению легирующих элементов между металлом и шлаком. В этот период сталь могла насыщаться марганцем, кремнием, а также ванадием, если его оксиды были в руде (агломерате). В этот же период должен был иметь место процесс обессеривания жидкой металлической ванны. Судя по количеству FeO в конечных шлаках, древние металлурги знали, в какой момент следует остановить дутье и закончить плавку. Тигель после окончания плавления оставался в горне до полного остывания. Остывший слиток вытаскивали, разбивая тигель.
В заключение необходимо отметить следующее. До сих пор было известно лишь то, что древние металлурги знали процесс производства в тиглях чугуна. Так, Ф. Фостер и Т. Рид описали тигельный процесс в провинции Шаньси (Китай) в начале XX столетия. Тигли высотой 1,2 м и диаметром см заполнялись рудой и каменным углем. Восстановление железа происходило в атмосфере горения угля, процесс длился три дня. Тигли, связанные с производством чугуна, также были найдены на шайгинском городище (государство Чжурчзженей, XII — начало XIII вв.). Однако фрагментов тиглей было найдено очень мало и реконструировать процесс было невозможно.
С другой стороны, есть данные, что в Китае выплавка чугуна была известна, по крайней мере, с IV века до н. э. [45]. Китайцам были известны способы понижения температуры плавления чугуна: они добавляли в него так называемую «черную землю», в которую входило большое количество железистых фосфатов. Если в шихту ввести таким образом 6% фосфора, то температура его плавления снижается до 950°С. Такую температуру легко достичь в горне, обмазанном огнеупорной глиной, которой в Китае было предостаточно. Тигельное производство чугуна в Китае было настолько развито, что в раскопках, относящихся ко II веку до н. э.-Н веку н. э., были найдены различные чугунные изделия: лемеха для плугов, мотыги, чугунки для приготовления пищи и даже чугунные фигурки разных животных и детские игрушки.
Возможно, что Аристотель, когда он упоминал о тигельной плавке железа, видел тигельную плавку чугуна. Как уже упоминалось, в 1061 году тигельное производство чугуна в Китае было настолько развито, что была построена 13-метровая чугунная пагода, которая сохранилась до наших дней (рис.9). В то же время тигельного производства стали в Китае обнаружено не было.
Таким образом, раскопки в Северной Фергане впервые убедительно показали, что в IX — начале XIII вв., еще до похода Тамерлана в Среднюю Азию и вывоза из Дамаска в Самарканд лучших мастеров по железу, существовал тигельный процесс производства стали, тот самый процесс, который Европа узнала только в 1740 году благодаря изобретению знаменитого английского часовщика Б. Гентсмана.
И, наконец, естественным образом возникает вопрос: умели ли делать булатную сталь в древнем Ахсикете? Возможно, умели. И ниже будет приведено убедительное доказательство этому.
Известно, что вплоть до конца XIV столетия в Дамаске изготовляли лучшее в мире оружие и доспехи. Как уже было рассказано в начале XV века Тамерлан покорил Сирию и
взял Дамаск. Оружейные мастера, издавна слывшие лучшими специалистами своего дела, были переселены в Самарканд. В этот и другие города Средней Азии переселялись десятки тысяч ремесленников из Персии, Азербайджана. Герата и других завоеванных стран.
Чтобы подорвать военную мощь Золотой Орды, Тамерлан старался ликвидировать ее транзитную торговлю: он разрушил такие большие города, как Сарай Берке. Астрахань, Азов, также Ургенч. В результате вся среди- земноморско-азиатская торговля направлялась только по караванным путям, проходившим через Иран, Армению, Грузию, Бухару, Самарканд. С этого времени начинается широкое распространение разнообразных способов изготовления изделий и доспехов в Средней Азия (Самарканд, Бухара) и на Кавказе (Грузия, Армения).
Есть сведения, что собранные в Самарканде около тысячи мастеров были размещены в городской цитадели. Круглый год они работали на Тамерлана в специальной государственной мастерской, изготовляя латы, шлемы и различное оружие.
Подбитое красным сукном и изящно отделанное оборонительное оружие выглядело очень эффектно. При одном из въездов Тамерлана в его столицу во время парадного шествия впереди несли до 3000 пар этих лат. Они поражали своей пышностью и красотой. Это шествие видел и описал испанский посол Рюи Гонзалес де Клавихо, который утверждал, что это оружие «не отличалось достаточной прочностью, уступая в этом отношении европейскому». Сегодня, почти 600 лет спустя, можно с уверенностью заключить, что испанский посол ошибался...
He так давно на месте цитадели Тамерлана были произведены раскопки. При раскопках археологи расчистили помещение, в котором найдены более 2000 деталей доспехов, мечей и прочих железных предметов. К сожалению железо было очень сильно окислено, превратилось в окалину и поэтому, на первый взгляд, его качество установить было невозможно.
Химический анализ показал, что найденные предметы состоят в основном из оксидов железа. В небольшом количестве присутствуют оксиды хрома, кремния и кальция (до 2 % каждый). Присутствие в неметаллической фазе оксидов кремния и кальция свидетельствует о том, что сталь особой чистотой по неметаллическим включениям не обладала, поскольку оксиды кремния и кальция могли попасть в железо при его восстановлении из руды. Что касается хрома, который образует карбиды более твердые и износостойкие, чем цементит, то возможно его присутствие в стали не случайно. Древние металлурги могли обнаружить, что если брать руду определенных месторождений, то полученное из нее железо обладает более высоким качеством. Конечно, они не могли знать, что это связано с тем, что руда содержит хром.
В окисленных деталях кольчуги нами были найдены крошки сохранившегося металла, которые оказались достаточными для их металлографического исследования. Приготовленные шлифы с крупинками стали после полировки покрывались темной пленкой, но длительным травлением поверхности шлифа 3 %-м раствором азотной кислоты удалось выявить полосчатую структуру металла. Полосы в основном располагались в одном, по-видимому, продольном направлении. Ширина полос составляла 150 — 200 мкм.
На рис. 36 показана микрофотография крупицы стали, найденной внутри детали «доспеха Тамерлана» [46].
Под микроскопом хорошо видна полоща- тая структура с тремя структурными составляющими: светлая (средняя толщина 75 мкм),
светло серая (средняя толщина 100 мкм), и темно-серая (средняя толщина 150 мкм). Светлая составляющая представляет собой однофазную структуру с микротвердостью 15000 — 14500 МПа. Такая высокая твердость характерна для ледебурита, в состав которого входит первичный цементит. Ледебурит, как известно, является структурой, характерной для белого чугуна.
Светло-серая структура была многофазной, ее микротвердость составляла 8250 — 7200 МПа. Можно предполагать, что это структура закаленной высокоуглеродистой стали (мартенсит), в структуре которой имелись включения цементита.
Темно-серая составляющая с микротвердостью 4200—4000 МПа могла представлять собой структуру эвтектоидной или заэвтек- тоидной стали (перлит). Ледебуритная фаза составляла 23 — 30 % поверхности шлифа, светло-серая-33-40% и темная - 30-37%. Таким образом, «кольчуга Тамерлана» была изготовлена из композиционного материала, являющегося лучшей сталью того времени и названного позже «чистым дамасском» или булатом. Причем, по-видимому, это был лучший литой индийский булат, известный под названием «вутц».
Результаты исследования дают основания предполагать, что индийский вутц отличался от всех других видов литых булатов тем, что в его структуре самой твердой составляющей был ледебурит, содержавший первичный цементит. Такой цементит образует монокристаллы, обладающие самой высокой твердостью и износостойкостью. Можно считать, что вутц представляет собой композиционный материал - железо- белый чугун или железо-15-20% карбида железа (первичного цементита), что соответствует содержанию углерода я 2%.
Необходимо подчеркнуть, что по прочности и сопротивлению удару древняя «коль-




б
Рис. 36. Доспехи, найденные в цитадели Тамерлана: а -фрагменты доспехов; б- микроструктура крупинки металла из деталей доспехов, X 500


чуга Тамерлана» почти не уступала современным бронежилетам. Сегодня подобный композиционный материал применяется для самых надежных бронежилетов, он пуленепроницаемый. Правда, древняя кольчуга была
настолько тяжелой, что современный человек вряд ли мог бы ее носить...
При раскопках городища Ахсикет в Северной Фергане (IX-начало XIII века нашей эры) был найден инструмент, напоминающий современный напильник [44]. На основании из стали, которое хорошо сохранилось (рис.37а), была прикреплена пластина из ка- кого-то сплава, который оказался полностью окисленным (рис.376). Исследованием было установлено, что основание представляло собой углеродистую сталь с содержанием: C- 0,37%; Mn-1,2%; Si-0,24%; Р-0,074%; S- 0,031%: Сг-0,10%. На нетравленом шлифе под микроскопом были видны сульфиды веретенообразной формы размерами до 20 мкм (рис.38а). После травления шлифа была выявлена структура среднеигольчатого мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита (рис.386).



части инструмента были видны частички чешуйчатой меди. Таким образом, как и в современном производстве, в древности «твердый сплав» припаивался к стальной пластинке медью.







              а                            б
Рис. 37. Древний инструмент, найденный при раскопках Ахсикета: а-основание; б-рабочая часть
В сильно окисленной «рабочей» части «напильника» были найдены капли металла, которые оказались достаточными для их металлографического исследования. Приготовленные шлифы с крупинками стали после полировки также оказались покрытыми темной пленкой и только после длительного травления удалось выявить полощатую микроструктуру металла, которая полностью соответствовала микроструктуре материала доспехов из цитадели Тамерлана.
Под микроскопом в крупинке из рабочей

б
Рис. 38. Микроструктура основания древнего инструмента: а-нетравленный шлиф; б- травление 3%-м раствором HNOf X 200


Результаты исследований свидетельствуют о том, что древний инструмент, так же как и «кольчуга Тамерлана», был сделан из композиционного материала, в котором частицы стали перемешаны с частицами белого
чугуна. Таким образом, было подтверждено, что лучший булат древности- индийский вутц- являлся композиционным материалом сталь- белый чугун (первичный цементит). Прав был П.П.Аносов, когда предполагал, «что в самих булатах углерод находится в различном состоянии» [13].
Теоретически ледебурит образуется в сплавах железо- углерод, содержащих более 2% углерода На практике в вутце могло быть и меньше углерода. Следовательно, древние металлурги использовали особые способы выплавки сплава, которые обеспечивали сохранение ледебурита в структуре стали. Вышеприведенные результаты исследования структуры древних булатов позволяют легко разгадать эти способы. Совершенно ясно, что, в любом случае, белый чугун (первичный цементит) можно получить только быстрым охлаждением слитка...
Кроме того, наступила возможность ответить на часто задаваемый вопрос: случайно ли древние металлурги открыли способ приготовления булата или это закономерно? Наши работы показывают, что это была не случайность, а закономерность.
Как уже было замечено, на востоке знали тигельный процесс задолго до европейцев. Древние кузнецы владели также сыродутным процессом получения железа, которое содержало не более одной-двух десятых процента углерода. Расплавить такое железо в тиглях они не могли. С другой стороны, они получали чугун, который легко плавился в тиглях, установленных в горн. Они безусловно заметили, что, если жидкий чугун быстро охлаждается, он становится очень твердым.
Железо - мягкий и пластичный металл. Белый чугун- очень твердый материал, но совсем не пластичный, хрупкий, его нельзя деформировать. Разве не напрашивается мысль: смешать кусочки чугуна и железа и расплавить их в тигле?
Теперь представим себе, что смесь кусочков чугуна и железа помещена в горн и нагревается до температуры 1250— 1280°С. В этом случае чугун в начале процесса плавился, а мягкое железо оставалось твердым. По мере нагревания сплава углерод из чугуна диффундировал в железо и он становился все более и более и более тугоплавким и в конце концов вся масса сплава затвердевала. Естественно, что готовый сплав в этом случае получался неоднородным, состоящим из нескольких частей: высокоуглеродистой стали, в которую превратился чугун, отдавая углерод, частиц железа, поверхность которых науглерожена и остатков чугуна.
В Европе значительно позднее пришли фактически к такому же способу получения стали. Так, например, Реомюр еще в 1722 году высказывал идею о возможности превращения мягкого железа в сталь путем погружения его в жидкий чугун. В это время Европа еще не знала ни тигельного процесса, ни отражательных печей. Поэтому эта идея была осуществлена на Западе только в 1840—1860 годах братьями Эмилем и Пьером Мартенами, которые путем сплавления чугуна и лома впервые получили сталь на поду большегрузной отражательной печи. Известно, что температуры, которые достигались в мартеновских печах, позволяли полностью расплавить чугун и железо и получить жидкую сталь. Поэтому Европа перешагнула «булатный период» производства стали, и булат с его высокими свойствами и неповторимыми узорами навсегда остался для нее тайной.
Между тем, древние кузнецы могли заметить, что если смешать кусочки чугуна и железа, расплавить и быстро охладить, то получается сплав гораздо тверже и прочнее, чем при медленном охлаждении.

Таким образом, вутц получали простым, неэнергоемким и высокопроизводительным способом: смесь мелких кусочков железа и чугуна нагревали в специальном тигле до 1250 1280°С. При этой температуре чугун плавился, а железо - нет. При появлении жидкой фазы тигель с металлом быстро охлаждали. Вот почему, в частности, вутц представлял собой лепешку небольшого диаметра и толщиной всего один сантиметр: сплав должен был быстро охлаждаться, чтобы получился белый чугун.
Возможно, указание П.П.Аносова о «медленном охлаждении сплавки» [13] помешала тому, чтобы быстро разгадать секрет производства индийского вутца. He случайно в современной литературе описывался следующий способ «изготовления вутца в индийских литейных мастерских [47]:
«Индийские сталевары изготовляли вутц, добавляя углерод к сварочному железу или удаляя углерод из чугуна. Процесс получения вутца из сварочного железа легче поддается научному истолкованию, чем тот, в котором вутц получали из чугуна. Небольшие куски металла смешивали с древесным углем и помещали в закрытый глиняный тигель диаметром около 8 см и высотой 15 см. Тигель нагревали примерно до 1200 °С. При этой температуре сварочное железо еще остается твердым, но его кристаллы уже имеют гранецентрированную кубическую структуру, так что атомы углерода могут внедряться в решетку между атомами железа. Углерод медленно диффундирует в железо, образуя сплав, ныне известный как аустенит.
Добавка углерода снижала температуру плавления металла. Вследствие этого, как только содержание углерода на поверхности кусков сварочного железа достигало примерно 2%, они покрывались тонким слоем жидкого чугуна. Появление расплава определялось по хлюпающему звуку при встряхивании тигля; это означало, что значительное количество углерода уже растворилось в железе.
С этого момента тигель очень медленно охлаждали, иногда в течение нескольких дней. Медленное охлаждение обеспечивало равномерное распределение углерода в стали, с концентрацией 1,5 — 2%. Когда температура металла становилась ниже 1000 °С, часть углерода выпадала из раствора и образовывала сетку карбида железа (Fe3C) или цементита, вокруг зерен аустенита. Так как при медленном охлаждении аустенитные зерна вырастают до крупных размеров, цемен- титная сетка получалась грубой.
Именно эта сетка образовывала видимые узоры на дамасских клинках. Однако цементит имеет определенные отрицательные свойства. У него высокая твердость, но он становится чрезвычайно хрупким при комнатной температуре. Хрупкости способствует сетчатая структура цементита, открывающая пути для распространения трещин. Однако металл в дамасских клинках был не хрупким, а, наоборот, очень вязким. Эту вязкость дамасская сталь приобретала только после ковки, после того, как была разрушена цементитная сетка».
Сегодня совершенно ясно, что предполагаемая автором [47] технология получения вутца ошибочная.
Во-первых, он утверждает, что высокая твердость вутца обеспечивается вторичным цементитом, поэтому они придают особую важность медленному охлаждению сплава, мотивируя это необходимостью равномерного распределения углерода в стали. Температура ковки вутца определялась из тех соображений, чтобы вторичный цементит не растворился в аустените. Однако, как нами было показано, высокая твердость индийского вутца обеспечивается не вторичным цементитом, а первичным (ледебуритом), ко
торый можно получить в стали только быстрым охлаждением...
Разработанная нами технология производства вутца позволила получать слитки с ярко выраженной ледебуритной неоднородностью.
Как видно на рис.39, микроструктура слитков полученного нами вутца (содержание углерода-2,03%) повторяет микроструктуру древнего инструмента и фрагмента «кольчуги Тамерлана». В таблице №6 приведен микроанализ структурных составляющих рабочей части древнего инструмента и полученного нами вутца.
Ковка сверхуглеродистой булатной стали с крупными включениями ледебурита вызвала значительные трудности. В то же время есть данные, что при определенных температурах углеродистая сталь, содержащая 1,2-2,0% С, может обладать высокой пластичностью, что обусловлено дисперсностью и постоянством размеров зерен при температуре деформации [48]. Это обеспечивается влиянием очень тонких частиц цементита. Такие условия можно выполнить, применяя термомеханическую обработку (TMO) сверхуглеродистых сталей.
Попытки получить структуру и свойства булата путем TMO к желаемым результатам не привели [49]. Между тем есть убедительное доказательство, что в древности могли с успехом ковать вутцы, содержавшие до 2 % С.
Явление сверхпластичности высокоуглеродистых волокон вутца авторы [50] объясняют следующим образом. В начале процесса пластической деформации вутца, состоящего из сверхвысокоуглеродистых, достаточно хрупких волокон в матрице примерно эвтектоидного состава, пластическая деформация волокон и матрицы протекает преимущественно путем двойникования и скольжения дислокаций, при этом по мере возрастания растягивающих волокна напряжений, обусловленных большей пластичностью матрицы, развивается процесс транзитного перехода дислокаций из деформируемой матрицы в сверхуглеродистые волокна, сопровождаемый резким увеличением пластичности волокон и материала в целом.
alt="Рис. 39. Микроструктура рабочей части древнего инструмента -а и полученного нами литого вутца (содержание углерода 2,03%)~б, X 500" />
б
Рис. 39. Микроструктура рабочей части древнего инструмента -а и полученного нами литого вутца (содержание углерода 2,03%)~б, X 500






Таблица _ 6
Микроанализ структурных составляющих древнего инструмента и полученного нами вутца

Структурная составляющая
Микротвердость,
МПа
Средняя толщина слоя, мкм
Средний количественный состав фаз, %
Ахсикет- ский напильник
Полученный нами вутц
Ахсикет- ский напильник
Полученный нами вутц
Ахсикет- ский напильник
Полученный нами вутц
Светлая
(карбидная
фаза)
14000-14500
11500-14000
50
25
9
10
Светлосерая
(мартенсит)
7000- 7500
7000-8200
100
90
54
65
Темносерая
(перлит)
4000-4200
5500-6000
80
75
37
25




Наряду с вышеизложенным в силу отличий в химических составах волокон и прослоек матрицы происходит еще одно важное явление. Для матрицы эвтектоидного состава характерно отсутствие выделений карбидных включений вплоть до температуры эвтектоидного превращения, поэтому в очень широком температурном интервале в ней достаточно легко множатся и перемещаются дислокации.
В сверхвысокоуглеродистых волокнах образование цементитной сетки приводит к резкому снижению интенсивности перемещения дислокации, но, если цементитная сетка раздроблена и размеры включений вторичного цементита невелики, то это обстоятельство может существенно повышать пластичность волокон.
Представляется возможным дополнить вышеизложенную гипотезу развития явления сверхпластичности волокон булата, следующим положением. Если на фоне постепенного снижения температуры и появляющегося определенного количества избыточного углерода в аустените непрерывно или с достаточной дискретностью создавать дополнительные дислокационные скопления и (или) транспортировать дислокации в волокна, например из прослоек матрицы, то можно заставить избыточный углерод, выделяющийся из аустенита при понижении температуры, образовывать новые скопления атомов углерода, затормаживая при этом рост мелких, уже образовавшихся частиц вторичного цементита по границам зерен.
Если этот процесс будет начат до образования сплошной цементитной сетки и при его реализации притока дислокаций будет достаточно для блокирования интенсивного роста имеющихся частиц цементита, то увеличение числа заторможенных скоплений дислокаций будет сопровождаться интенсивным дроблением зерна, вплоть до развития известного явления сверхпластичности [51].
Наличие в композите типа булатной стали прослоек матрицы, сохраняющей повышенную дислокационную подвижность до более низких температур, по всей видимости, стабилизирует развитие явления сверхпластичности в высокоуглеродистых волокнах и это позволяет увеличить содержание вплоть до 2%, а главное, предотвращает образование сплошной цементитной сетки при большой скорости охлаждения вутца. Таким образом «композиционность» вутца играет большую роль в развитии сверхпластичности высокоуглеродистых волокон.
Недостаток вышеизложенной теории со
стоит в том, что сетка первичного цементита в аустените растворить трудно и, следовательно, начать процесс ковки «до образования цементитной сетки» невозможно.
О.              Шерби и Д. Уодсворт [48] более убедительно объясняют высокую пластичность сверхуглеродистой стали (вутца): «Можно предполагать,-пишут_они, что дамасскую сталь ковали в диапазоне температур от 850 °С (вишневый цвет) до 650° С (кроваво-красный цвет), при более высоких температурах происходило бы вторичное растворение цементита (речь идет о вторичном цементите) в аустените. Если же ковка слитка велась при температуре ниже 850 °С, непрерывная цементитная сетка разбивалась на отдельные сферические частицы карбидов. Эти частицы еще производили упрочняй эффект в металле, но последний утрачивал свою хрупкость в следствии разрушения цементитной сетки».
Одной из причин того, что европейским кузнецам не удалось изготовить дамасские клинки из индийского вутца, может быть то, что они привыкли иметь дело с низкоуглеродистыми сталями, имеющими более высокую температуру плавления. Вероятно, они пытались ковать индийскую сталь при белом калении. При такой температуре, - как правильно заметил Бреан,- «дамасская сталь» крошится под молотом» [39].
Все же в дальнейшем содержание углерода в вутце нами было снижено с 2% до 1,6-1,7 %. При определенных условиях плавки ледебурит сохранялся в расплаве, а особым режимом охлаждения слитка его можно было фиксировать в твердой фазе. Разработанная нами [52] технология получения вутца состояла в следующем.
В цилиндрический контейнер диаметром 40 мм из листовой стали (толщина стенки мм) насыпаются слоями стружка низкоуглеродистой стали и стружка серого чугуна (толщина каждого слоя не более 2 мм). При большей толщине слоев пропитка стали чугуном может полностью не произойти. Контейнер помещается в печь, нагревается до температуры плавления чугуна, но не выше 1220 °С и, после расплавления чугуна, выдерживается 15 мин, после чего извлекается из печи. После извлечения из печи контейнер со сплавом быстро опускают в воду. Закалка в воде обеспечивает стали карбидную неоднородность. В результате быстрого охлаждения слиток приобретает микроструктуру «мартенсит - ледебурит» (белый чугун).
При выдержке сплава в печи менее 15 мин полная пропитка чугуном стальных частиц и диффузионная сварка между частицами стали и чугуна, а также необходимая степень науглероживания стали не происходит и слиток получался пористым. При толщине стенок контейнера более 2 мм необходимую степень переохлаждения стали во время закалки слитка обеспечить также не удается.
Твердость полученного нами вутца (литого булата) после отжига 32-36 HRC. После закалки и низкого отпуска-61-63 HRC.
На рис.40 показана микроструктура полученного нами слитка вутца (содержание углерода-1,65%). Включения ледебурита (белого чугуна состава близкого к эвтектическому) проявляются в виде разорванной сетки. Толщина сетки до 2000 мкм.
При большом увеличении на фоне пакетного мартенсита (микротвердость 6000 МПа) виден ледебурит (микротвердость 10000-11000 МПа), вокруг которого выпал игольчатый мартенсит с включениями аусте- нита (толщина слоя = 1000 мкм,, Появле-
tX .
ние остаточного аустенита объясняется высоким содержанием углерода в волокнах стали, граничивших с чугуном.
Для сравнения на рис.41 а показана микроструктура слитка обычной углеродистой
стали, содержащей 1,6 % углерода. Карбидная сетка в этой стали выпала по границам зерен. На рис.41б показана микроструктура вутца с тонкими изолированными включениями ледебурита в мартенситной матрице (содержание углерода -1,50%, толщина включений 600-800 мкм), выплавленного по разработанная нами технологии. Твердость полученного нами вутца после отжига 32-36 HRC, после закалки и низкого отпуска-61- 63 HRC.




б
Рис. 40. Микроструктура слитка вутца (содержание углерода -1,65 %): a -X200; б-Х I ООО


При определенных режимах ковки достигалась хорошая пластическая деформация полученного вутца, что позволила нам переделать слитки в полосы разной толщины. Ковку производили в интервале температур 800-680 °С, толщина заготовок при ковке уменьшалась в 8-10 раз. После получения пластин нужной толщины производили их закалку и отпуск. Закалку проводили от 820°С через воду в масло, отпуск от 150°С.


Рж.42. Нож из индийского вутца -а; б-булатный узор ножа, X 2; в-микроструктура ножа после закалки и отпуска , X 200; г- микроструктура лучшего сорта волокнистого булата (вутца), приведенная в литературе [48,53], X 200



На рис.42 показаны нож из волокнистого вутца (изготовитель Ю.Г Гуревич, 2001 г.), его булатный узор и микроструктура в сравнении с микроструктурой лучших образцов волокнистого булата [48,53]. Как следует из приведенных данных, высокий уровень свойств булата получается тогда, когда волокна, обогащенные мелкими частицами первичного цементита, выстраиваются в параллельные слои.
Сопротивление износу полученного нами после закалки и низкого отпуска пластин из вутца (9,53 Дж/мг) соизмеримо с сопротивлением износу карбидочугуна (10,25 Дж/мг) и карбидостали (12,00 Дж/мг) [54].
Из поковок полученного нами вутца были вырезаны пластины размером 50x20 мм и толщиной 5 мм, которые, после закалки и отпуска, были напаяны медью на фрезу.
Аналогичные пластины были сделаны для изготовления сверл и резцов. Твердость изделий после закалки и низкого отпуска составила 61-63 HRC.Режущий инструмент из литого булата (вутца) «держал лезвие» при обработке дерева значительно дольше, чем твердый сплав BK 15 [55]. Таким образом, режущий инструмент из булата может с успехом применяться в деревообрабатывающей промышленности и сегодня.
В дальнейшем была разработана технология изготовления слоистого вутца [56]. Пластины из такого булата, состоящие из 60 слоев, представлена на рис.43.
На рис.44 приводится фрагмент вутц- клинка, демонстрировавшегося М.Захсе на конгрессе по вопросам дамасской стали (г.Мюнхен, 1979 г.) [50] и фрагмент ножа, откованного из слоистого вутца. Как видно из приведенных рисунков, можно наблюдать некоторое совпадение коленчатых узоров, представляющих собой систему замкнутых или разомкнутых концентричных, но часто с большим искажением, плавно искривленных полос с переменной шириной, характерных для лучших сортов булата.
Нож из такого булата (вутца) обладал высокими режущими свойствами и красивым коленчатым узором. Следует подчеркнуть, что в отличие от сварочных булатов, а также от наших литых булатов, полученных прежде, узоры которых формируются за счет




Рис.43. Пластины из слоистого вутца, Х2



Обобщая вышеизложенное, можно с уверенностью считать, что булат является первым в мире композиционным материалом на основе железа и углерода, обладающий неравновесной структурой с ярко выраженной макро- и микронеоднородностью по слоям или волокнам из-за разного содержания углерода. В процессе ковки слои или волокна могут переплетаться, образуя характерный рисунок, т.е. булат - узорчатую сталь.
alt="" /> После специальных методов ковки, термомеханической и термической обработок и отделки булат приобретает замечательные свойства: высокую твердость, прочность, вязкость и упругость. Чередование слоев или волокон с разной структурой и свойствами на лезвии булатного изделия превращает его в микропилу и обеспечивает самозатачивамость.
Сегодня совершенно ясно, что булат (дамаск) имел несколько разновидностей, отличавшихся одна от другой способом производства, структурой и свойствами. Слои в слоистых материалах так же, как волокна и матрицы в волокнистых, в зависимости от технологии получения имели феррито-пер- литную (феррито-перлитокарбидную) или перлито-карбидную структуру. Однако воспетыми в легендах свойствами из всех видов булата, по-видимому, обладал только индийский вутц, представлявший собой слоистый или волокнистый булат с перлито- ле- дебуритной неоднородностью.
2010-07-19 18:44 Читать похожую статью
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • © Помощь студентам
    Образовательные документы для студентов.