Как профессор Виноградов прочитал Аносова

Решить вековую загадку булатного узора взялся Игорь Николаевич Голиков — начальник центральной лабора­тории Златоустовского металлургического завода. Он создал творческую группу, в которую вошли П. В. Ва­сильев, М. Ф. Лонгинов, Ю. И. Люндовский и автор этих строк. Выплавлять сталь было решено в тигле индук­ционной высокочастотной печи. Этот современный агре­гат достаточно хорошо моделировал тигельный процесс, который П. П. Аносов использовал для получения була­та. В первых опытах было решено воспользоваться ре­комендациями изобретателя русского булата и как мож­но точнее повторить его эксперименты.

Нам было понятно, что свойства булата определяют­ся содержанием углерода в стали и его распределением в железе. Поэтому шихта составлялась из содержащего мало вредных примесей мягкого железа (0,03% угле­рода) и серебристого графита.

Во время плавки поддерживался «большой жар» — расплав нагревали до 1600—1630°С. При таких темпе­ратурах обеспечивалась высокая степень насыщения ме­талла углеродом. Готовую сталь разливали в чугунные формы. Слиток охлаждали очень медленно. Многократ­но добиваясь крупной кристаллизации и прекрасно вы­раженной дендритной структуры слитка, мы ни разу не получали булатного узора. Чего-то в нашей техноло­гии явно не хватало, но чего? Для ответа на этот воп­рос было решено еще раз внимательно изучить всю имеющуюся литературу о булате. И вот что обнаружи­лось.

В 1919 году в Днепропетровском горном институте защищалась необычная диссертация: «Мягкий булат и происхождение булатного узора». Соискатель, уже не­молодой человек, профессор А. П. Виноградов излагал свою теорию природы узорчатой стали. Материалы дис­сертации были опубликованы в 1928 году в «Научных записках кафедры металловедения и термической об­работки металлов». В связи с тем, что к 50-м годам этот сборник стал библиографической редкостью, труд уче­ного остался малоизвестным.

А. П. Виноградову особыми приемами деформации стали удалось получить на основе дендритной ликвации углерода волокнистую неоднородность, проявляющуюся в виде узора. Однако узор этот оказался не сопостави­мым с булатным, поскольку был выражен очень слабо.

«Следует признать,— писал А. П. Виноградов,— что хотя химическая и структурная неоднородность являет­ся неизбежной принадлежностью всякой литой стали, однако булаты резко отличаются особенно ярко выра­женной химической и структурной неоднородностью». Отсюда вывод: при производстве булатной стали хими­ческая неоднородность подчеркивалась и фиксировалась принципиально другими приемами. Талантливый уче­ный впервые замечает «эти приемы» в опубликованных трудах П. П. Аносова.

Внимательно изучая «Журнал опытов по приготов­лению литой стали и булатов с краткими замечаниями», А. П. Виноградов обратил внимание на то обстоятель­ство, что при получении булатов металл часто недорасплавлялся. В примечаниях Аносов так и пишет: «не все расплавлялось» или — «несовершенно расплавилось».

Тщательно анализируя условия проводимых П. П. Аносовым плавок булатной стали, А. П. Виноградов убеждается, что основной их особенностью является на­углероживание кусочков (обсечков) железа в тигле. Часть из них, взаимодействуя с графитом и печными га­зами, очень сильно науглероживалась и превращалась в малоуглеродистый чугун. Чугун, температура плавления которого 1200—1300°С, плавился и стекал каплями на дно тигля. Таким образом, в нижней части тигля скап­ливался жидкий чугун, а в его верхней части твердые обсечки мягкого низкоуглеродистого железа, темпера­тура плавления которых 1500—1535°С.

Нагрев металла в условиях тигельной плавки во вре­мена П. П. Аносова осуществлялся до температур не выше 1460—1480°С, поэтому обсечки мягкого железа, погружаясь в конце концов в жидкий чугун, расплавить­ся не могли. Они могли лишь в твердом состоянии растворяться в чугуне. Плавка заканчивалась в тот мо­мент, когда частички эти полностью в чугуне еще не растворились. Отсюда легко сделать вывод, что П. П. Аносов достигал большой физической неоднородности непосредственно при плавке стали за счет сохранения в основной массе высокоуглеродистого сплава частиц не­науглероженного и поэтому недорасплавившегося твер­дого железа.

Интересно, что П. П. Аносов понимал эти особенности технологии плавки булата. Он писал: «Искусство мас­тера в сем случае состоит в том, чтобы остановить рабо­ту в то мгновение, когда последний кусочек обсечков начинает расплавляться...» И далее: «При разбитии медленно охлажденных в печи тиглей сплавки казались как бы не совершенно расплавленными, ибо куски же­леза в некоторых местах сохранили первоначальную форму». В свете новой теории булатного узора эти замечания приобретают глубокий смысл.

Так как прекращение плавки у П. П. Аносова проис­ходило в тот момент, когда в жидкость погружались твердые частицы железа, то последующее понижение температуры при охлаждении сплава в тигле приводило к кристаллизации высокоуглеродистой стали на имею­щихся частицах железа, как на готовых центрах. Ох­лаждение стали в тигле, в котором она плавилась, как бы фиксировало полученную при плавке неоднородность. Недаром на основании своих опытов П. П. Аносов по­лагал, что переливание из тигля в изложницу порти г сталь.

Более того, по его наблюдению медленное охлажде­ние стали в тигле способствовало развитию кристаллиза­ции и образованию узоров. Таким образом, процесс плавки и кристаллизации стали у П. П. Аносова неиз­бежно обусловливал крайнюю химическую, а следова­тельно, и структурную неоднородность слитка. Дефор­мация при ковке этой неоднородной структуры и явля­лась причиной булатного узора.

К сожалению, на перечисленные особенности техно­логии производства булатной стали не обратил никакого внимания ни один из исследователей работ П. П. Ано­сова. Не указывал на них также никто из златоустов­ских мастеров, которые позже плавили булатную сталь. Естественно, что сам П. П. Аносов, не владея совре­менными методами исследования металлов, не мог долж­ным образом оценить степень влияния приведенных выше, на первый взгляд второстепенных, факторов на рисунок булата и его свойства.

После П. П. Аносова производство настоящих булат­ных клинков на Златоустовском заводе, как уже было отмечено, вскоре прекратилось. Д. К. Чернов объяснял это чрезвычайной сложностью процесса. «Производство узорчатой стали,— писал он,— требует усиленного постоянного наблюдения и преданности делу. В производ­стве булата очень ясно обнаружилось, какой капризный материал—сталь: малейшее несовершенство в процес­се или нечистота материала — и уже сталь получается хуже, с мелким узором». А. П. Виноградов полагал, что причиной прекращения производства булата могло быть несоблюдение основного условия его получения: «прек­ращать процесс плавления, не дожидаясь полного раст­ворения последних кусочков железа».

Действительно, П. П. Аносов, составив подробное описание приемов приготовления слитков булатной ста­ли, не обратил должного внимания на момент прекра­щения плавки. Все последующие металлурги, плавив­шие булат после П. П. Аносова, не могли соблюсти это необходимое условие, обеспечивающее получение узор­чатой стали. Поэтому они получали булат эпизодически и, как правило, с очень мелким узором.

Несмотря на то что А. П. Виноградов разработал оригинальную теорию, достаточно убедительно объясня­ющую природу химической и физической неоднороднос­ти булатной стали, его экспериментальные работы были посвящены главным образом вопросу формирования бу­латных узоров на основании так называемой «полосчатой структуры» низкоуглеродистой стали.

Металлургам давно известно, что после прокатки стали при низких температурах часто получают так на­зываемую «полосчатую структуру», состоящую из участ­ков перлита, чередующихся с видимыми простым глазом полосками чистого железа (феррита). А. П. Виноградов показал, что после низкотемпературной прокатки листо­вой стали, содержащей 0,30—0,35% углерода, и продол­жительного отжига ее при температуре 800—900°С с последующим медленным охлаждением в печи полосчатая структура проявляется очень хорошо. Полосчатость в этом случае получается в виде параллельных слоев почти чистого феррита и углеродистой стали с 0,6—0,7%, углерода. Такая структура стали, по утверждению авто­ра, имитирует «мягкие булаты» Аносова.

Даже при небольшой деформации слоев полосчатой структуры они могут стать волнообразными плоскостя­ми с различной кривизной волн, а главное — могут зна­чительно отклоняться от параллельности к поверхности образца. При достаточной толщине слоев отшлифован­ные образцы могут давать видимую простым глазом картину разнообразных узоров, характерных для була­та. Если такой образец мысленно разрезать плоскостя­ми, параллельными основанию, то они, подобно горизон­талям при проектировании холмистой местности на кар­ту, должны образовывать узор. Если слои приближаются к параллельным плоскостям, но не параллельны плос­кости шлифа, то получается муаровый рисунок; если же они изгибаются в виде холма или углубления — ониксовидный. Применяя специальные приемы деформации стали — надрубы, разнообразную насечку и осадку,— А. П. Виноградов получал почти все известные рисун­ки булата.

Несмотря на то что А. П. Виноградов впервые экс­периментально показал приемы получения булатного узора и выдвинул убедительно обоснованную теорию, объясняющую природу неоднородности булатной стали, ему не удалось приготовить настоящих булатов на осно­ве высокоуглеродистых сплавов, у которых бы после за­калки сохранились узоры. Последнее обстоятельство послужило поводом к критике взглядов А. П. Виногра­дова.

С целью подтверждения своих предположений А. П. Ви­ноградов провел ряд плавок, в ходе которых путем присадки кусков железа в жидкую ванну пытался соз­дать условия для получения физически неоднородного металла; но результаты этих опытов не были настолько выразительными, чтобы убедить в его правоте. Поэтому видные металлурги считали, что «нерасплавленные кри­сталлы, очевидно, не являются условием, необходимым для создания неоднородности жидкости», и что теория А. П. Виноградова применима скорее к сварочному була­ту, чем к литому.

Вутцы XX столетия

Итак, А. П. Виноградов впервые разглядел в булатном узоре физическую неоднородность стали. Не может быть сомнений в том, что П. П. Аносов добивался крайней не­однородности слитка за счет недорасплавившихся час­тиц низкоуглеродистого железа. С позиций современной науки такую структуру можно назвать неравновесной. А как же в древности получали неравновесную структуру вутца?

П. П. Аносов был прав, предполагая, что древние мастера изготовляли булат в специальных горнах, поз­воляющих совмещать процессы восстановления руды, науглероживания железа и его сплавления. Частицы восстановленной железной губки, по всей вероятности, науглероживались с поверхности окисью углерода и пре­вращались в высокоуглеродистую сталь, а может быть, даже в чугун. Вместе с тем сердцевина частив сохра­нялась железной, ненауглероженной. Поскольку темпе­ратура горна лежала между точками плавления железа и стали, то стальная оболочка частиц плавилась, и они соединялись в одно целое, образуя полусплавившийся слиток, макроструктура которого напоминала пирог с изюмом: зерна мягкого железа в окружении высокоугле­родистой стали.

Описанный выше способ получения неравновесной структуры слитка не единственный. Известно, что ин­дийцы знали тигельный процесс задолго до европейцев. Они владели также сыродутным процессом приготовле­ния 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.

Железо — пластичный, упругий и вязкий металл, но недостаточно твердый. Чугун — 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 тигель и нагревается до температу­ры 1350—1380°С. В этом случае чугун в начале процес­са плавился, а мягкое железо оставалось твердым. По мере нагревания сплава углерод из чугуна диффундиро­вал (перемещался) в железо, чугун становился все более и более тугоплавким и в конце концов вся масса метал­ла затвердевала. Естественно, что готовый сплав и в этом случае получался неоднородным, состоящим из двух фаз: высокоуглеродистой стали, в которую превра­тился чугун, отдавая углерод, и частиц железа, поверх­ность которых науглерожена.

Между тем такой способ получения стали имел су­щественный недостаток: чугун затвердевал быстрее, чем происходила сварка между науглероженными кусочка­ми железа и чугуна, поскольку между ними трудно было обеспечить хороший контакт. В результате сплош­ность металла после ковки могла нарушаться трещина­ми. Можно ли этого избежать? Да, можно, если плавить в тигле сначала один чугун, и только после его расплавления добавлять в жидкий сплав мелкие кусочки желе­за. В этом случае контакт достигается идеальный, и диффузия углерода из чугуна в железо будет идти го­раздо быстрее. Возможно, что в древние времена в Ин­дии и других странах Востока таким путем получали знаменитые вутцы.

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.

«Неравновесная» теория булатного узора объясняет также, почему после П. П. Аносова практически никто не мог получить лучшие сорта булата. «Сильный» жар во время плавки, им рекомендуемый, стал своего рода психологическим барьером, который не смогли пере­шагнуть его последователи. Все дело в том, что «силь­ный жар» в отражательной печи Сименса, в которой впоследствии плавили тигельную сталь, соответствовал температуре 1500—1530°С; у Аносова же он не достигал этих температур. Таким образом, исследователи, повто­рявшие опыты Аносова, расплавляли шихту при таких температурах, которые не могли обеспечить неоднород­ность: чугун и железо полностью расплавлялись, и это приводило к получению обычной (гомогенной) углеро­дистой стали.

Что касается медленного охлаждения слитка, то здесь было заложено рациональное зерно. Этот фактор, с одной стороны, благоприятствовал достижению нужной неоднородности, а с другой — создавал условия для дальнейшей диффузии углерода, что, в свою очередь, способствовало формированию зоны постепенного изме­нения концентрации этого элемента при переходе слоев высокоуглеродистого металла в слои низкоуглеродисто­го. Такое строение обеспечивало уменьшение напряже­ний при деформации и нагреве стали и исключало по­явление в металле разрывов и трещин.

Кстати, теперь ясно, что сущность структуры настоя­щего булата ц сварочного булата фактически одна и та же. И все-таки свойства литого булата со сварочным не­сравнимы. У литого булата они должны были быть зна­чительно выше. Это легко объяснить прежде всего тем, что содержание углерода в литом булате (1,3—2,0%) больше, чем в сварочном (0,6—0,8%). Кроме того, в ли­том булате, как мы теперь знаем, наблюдается более постепенный переход от высокоуглеродистых слоев к низкоуглеродистым. Очевидно, чем менее резок этот пе­реход, тем выше механические свойства булатного клинка.

Почему же А. П. Виноградов, блестяще разгадавший секрет получения литой узорчатой стали, не сумел экс­периментально воспроизвести аносовские плавки и по­лучить высокоуглеродистый булат? По всей вероятности, он не имел тигельной печи. А в другом агрегате создать условия для науглероживания железа до чугуна и оста­новить плавку в нужный момент не так-то просто. Для этого требуется искусство мастера. Недаром даже сорат­ник изобретателя русского булата Н. П. Швецов не мог повторить полностью результаты Аносова.

В свете «неравновесной» теории булата выбранная нами для эксперимента тигельная индукционная стале­плавильная печь оказалась самым удачным агрегатом для получения булатной стали. В такой печи можно под­держать температуру сплава на любом необходимом уровне и плавить нужную массу металла.

Было решено приготовить на техническом железе и графите синтетический чугун, содержащий как можно менее вредных примесей. Предполагалось чугун рас­плавлять в тигле индукционной печи и погружать в не­го кусочки малоуглеродистого железа. Температура в печи должна была поддерживаться на уровне 1460°С, чтобы железо не плавилось, а лишь растворялось в жидком чугуне. Наши первые эксперименты полностью подтвердили теорию А. П. Виноградова и окончательно установили, что при искусственно созданной неоднородности в жид­кой или полужидкой стали можно получить слиток вы­сокоуглеродистого сплава с включениями частиц мало­углеродистого железа. Появление булатного узора пос­ле деформации такого слитка и получение отличитель­ных свойств, приписываемых булатам, теперь сомнений не вызывало. Надо было только хорошо отработать все детали технологии плавки. Пришлось провести немало опытов, отлить десятки слитков, чтобы научиться уп­равлять процессом, задавать и выдерживать требуемый химический состав стали.

Краткие особенности технологии производства була­та в индукционной сталеплавильной печи оказались сле­дующими. В печь загружается железо или малоуглеро­дистая сталь в количестве 12—24 кг, плавится и подогре­вается до температуры 1650°С. После подогрева расплав раскисляется кремнием и алюминием. Затем металл науглероживается графитом, в результате чего получается синтетический чугун с содержанием углерода 3,0—4,0%. Когда чугун готов, в расплав вводится мелкодробленая обезжиренная стружка малоуглеродистой стали или мягкого железа в кусочках размером не более 10—15 мм. Каждый кусочек должен быть сухим, чистым, без ржавчины, цветов побежалости, каких-либо следов окис­ления. Количество стружки составляет 50—70% от мас­сы чугуна — в зависимости от требуемого состава стали.

Стружка вводится постепенно, порциями. Перед при­садкой каждой порции стружки в жидкую ванну темпе­ратура металла не должна превышать 1480—1500°С. Не­обходимая степень оплавления стружки определяется с помощью стального прутка диаметром 15—20 мм. Таким прутком, после дачи каждой порции стружки, металл перемешивается до тех пор, пока можно ощущать удары твердых кусочков стружки, движущихся в ванне под дей­ствием электромагнитных потоков, о пруток. Таким об­разом, при приобретении навыка можно определять при­мерные размеры твердых включений малоуглеродистой стали в жидкой ванне.

По мере оплавления каждой порции стружки металл приобретает полужидкое или кашицеобразное состоя­ние. В связи с этим перед присадкой следующей порции стружки он должен быстро подогреваться до необходи­мой температуры. После присадки последней порции стружки расплав, если это необходимо, нагревается до получения достаточной для разливки жидкоподвижности и раскисляется алюминием. Степень подогрева должна быть такой, чтобы в расплаве фиксировалась неоднород­ность — наличие недорасплавленных мелких стальных частиц. Благодаря тому, что эти частицы под действием электромагнитного поля взвешены во всем объеме жид­кой ванны, готовую сталь можно выливать из тигля ин­дукционной печи в форму.

Приготовленные нами булаты либо выливались в гра­фитовые формы, либо оставлялись остывать в печи. В том и другом случае слиток медленно остывал в течение нескольких часов. Если полученный сплав выливался в графитовую форму, то необходимо было применять по­вышенный расход стружки. В этом случае получались булатные слитки с высокоуглеродистой матрицей, в ко­торую вкраплены частицы мягкого железа (фото 5). Оплавившиеся частицы мягкого железа успевали науглероживаться в период плавки только с поверхности. По­этому они сохраняли небольшое содержание углерода в сердцевине (0,03—0,05%), в то время как среднее содер­жание углерода в матрице составляло 1.4—1,6%.

Если же сплав до конца плавки поддерживался в кашицеобразном состоянии и застывал непосредственно в печи, применялся низкий расход стружки. Науглеро­живание частиц железа в этом случае происходило в большей степени. Концентрация углерода в преобладаю­щем большинстве включений достигала 0,8—1,0%, а содержание углерода в матрице оставалось на прежнем уровне (1,5%). Интересно, что поверхность включений также науглероживалась более сильно (фото 6).

Слиткам, полученным по первому способу, дали название булатов с ферритными прослойками, а по вто­рому — булатов с углеродистыми прослойками. Струй­чатые узоры на изделиях можно получать только из слитков булата с ферритными прослойками.

Позднее мы научились изготовлять легированные булаты. В частности, для подчеркивания узора в сталь иногда вводили кремний и фосфора которые повышают устойчивость феррита при ее термической обработке. Вводя в сплав никель и хром, можно получить нержа­веющие булаты.

После того как мы убедились, что найденный способ получения слитков булатной стали повторим как в ча­сти технологического процесса, так и в части макро­структуры слитка, была сделана заявка на изобретение. Вскоре Государственный комитет по делам изобрете­ний и открытий при Совете Министров СССР выдал нам авторское свидетельство на «Способ изготовления слит­ков булатной стали».

Булатный слиток получен, но можно ли утверждать, что он похож на тот самый вутц, который изготовляли наши далекие предки? По-видимому, можно, и вот по­чему.

Не так давно в Хайдарабаде (Индия) было издано сочинение Аль-Бируни «Книга собрания (очерков) о по­знании драгоценных камней». В главе «О железе» автор сообщает несколько способов получения тигельной ста­ли в Средней Азии, Иране и Индии, относящихся к IX—XI векам. «Сталь по своему составу,— пишет Аль-Бируни,— бывает двух сортов: первый, когда в тигле плавится нармохан (кричное железо) и «вода» (чугун) его одинаковым плавлением, и они оба в нем соединяют­ся так, что не отличимы один от другого. И такая сталь пригодна для напильников и им подобных... Второй сорт получается, когда в тигле указанные вещества плавятся неодинаково и между ними не происходит совершенного смешения. Отдельные частицы их располагаются впе­ремешку, но при этом каждая из них видна по особому оттенку. Называется это фаранд. В мечах, которые их (два оттенка) соединяют, он высоко ценится».

Итак, нелегкие многолетние поиски, металлургов ус­пешно завершены. Древняя технология получения бу­лата была воспроизведена на новой основе в современ­ном сталеплавильном агрегате...

Булатные узоры

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 вутц на 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 и он потеряет свои режущие свойства.

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 слышал 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 вутц, 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. Но 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). Вутц 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 ив" вали 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 потом в полосы». И это все. *

П. П. Аносов, безусловно, знал работы Бреана в Мериме, опубликованные в первой четверти XIX века, в которых своеобразие булатных узоров объяснялось толь­ко приемами ковки. «Я на опыте убедился,— сообщая 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 не всех направлениях, то рисунок имеет кристаллический вид; если же видоизменить вытяжку в двух направлениях, то получатся переходы, как в восточных булатах. Не нужно долгих опытов, чтобы достигнуть получения какого угодно узора».

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».

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 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.

Между тем советскому металлургу Р. А. Лиждвою удалось раскрыть механизм одного из способов форми­рования булатного узора. 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-Суздальского му­зея-заповедника В. И. Басов выплавил тигельным спо­собом высокоуглеродистую сталь с содержанием угле­рода 1,3—1,9%. 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, очень похожим на сетчатый булат. Правда, в связи с тем что резкой физической неоднородностью сталь, по-видимому, не обладала, узор на клинке проявился не совсем четко.

Макроструктура полученных нами булатных слитков (см. фото 5, 6) гарантировала хорошее проявление узо­ра после ковки. Для получения различных узоров (фо­то 7) 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—Х 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 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 осуществлял ли 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 50Х50 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 70Х20 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. На фото 8 показан нож, сделанный из нашего булата типа шам. Светлые полосы на темном фоне — участки малоуглеродистой стали (железа) в объеме высокоуглеродистой основы. Рису­нок на этом ноже очень напоминает узор на аносовском кинжале (см. фото 3).

Поскольку светлые полосы обычно вытягивались по волокну вдоль лезвия клинка, на лезвие древние ма­стера старались выводить высокоуглеродистый участок металла. Такое лезвие после закалки на мартенсит 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.

По предложению Ю. И. Люндовского, часть загото­вок перед горячей деформацией подвергали местному нагреву токами высокой частоты. Пруток диаметром 1.5—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 индийского булата.

Усвоив найденные приемы ковки булатных слитков и добившись многократной повторяемости булатных узо­ров на основе ферритных прослоек, мы приступили к изучению узоров, получающихся на булатах с углеро­дистыми прослойками. Узор на таких булатах выявлял­ся более глубоким травлением, получался более вы­пуклым и тонким, но менее выразительным, так как цвет углеродистых прожилок не сильно отличался от цвета высокоуглеродистой матрицы. Кроме того, эти булаты обладали значительно худшей пластичностью, их было тяжелее деформировать, и это затрудняло по­лучение сетчатых и коленчатых узоров.

Волнистый рисунок на клинках, приготовленных П. Н. Швецовым, очень похож на полученный нами ри­сунок булата с углеродистыми прослойками (фото 9). Аналогичные рисунки нами были получены на топорике и кортиках (фото 10, 11). Металлографическим анали­зом было подтверждено и сходство их микроструктур. Таким образом, скорее всего П. Н. Швецов высших сор­тов булата типа табан и хорасан получать не умел.

Сохранились сведения, что П. Н. Швецов при при­готовлении булатов «железо предпочитал в виде гвоз­дей, листов, но при непременном условии — без ржав­чины». Это дает основание предполагать, что при приготовлении булатов он пользовался приемами, опи­санными П. П. Аносовым. Однако температура в печи Сименса, куда ставились тигли во времена П. Н. Швецо­ва, была достаточно высокой, и поэтому кусочки железа могли почти полностью расплавляться и науглероживаться. Все же в этих условиях, по-видимому, можно было добиться некоторой неоднородности стали по угле­роду; но слитков с включениями из железа (феррита), изготовить уже было невозможно. С другой стороны, если мастер не вынимал тигель со сталью из печи во­время, у него выходила обычная углеродистая сталь. Вот почему булат у П. Н. Швецова получался не всегда.

В свете вышеизложенного легко объяснить замечание П. П. Аносова о том, что «твердый булат переходит от перегревки прямо в чугун, а мягкий в сталь». Перегрев булатов перед ковкой обеспечивает высокую скорость диффузии углерода, которая может полностью устра­нить неоднородность булата и «стереть» его узоры.

Когда П. П. Аносов