Булат и дамаск в оружии

Хорев В.Н.

Ростов на Дону, 2012 г.

Технология литого булата

Как уже отмечалось, булатная сталь обычно характеризуется чрезмерно высоким содержанием углерода. Обыкновенные оружейные, инструментальные и иные стали имеют этот важнейший показатель на уровне 0,3-1,5%. За нижним пределом располагаются марки, необоснованно называемые в повседневном быту простым железом. Закалить их невозможно. Верхний предел ограничен диаметрально противоположным качеством — излишней хрупкостью. Введение легирующих добавок в значительной мере снимает проблему, и как раз поэтому лучшие марки хромистых, молибденовых и тому подобных сталей вплотную приближаются к булатам.

Анализ показал, что индийский булат содержит до 2,1% углерода, оставаясь притом вязким, что вступает в противоречие с обычной закономерностью. Разгадать секрет пытались многие видные ученые, в том числе Майкл Фарадей, сам сын кузнеца. В 1819 году, еще до изобретения им электродвигателя и генератора, он изучал образцы булатной стали и пришел к выводу, что ее свойства обусловлены наличием небольшого количества кремния и алюминия. Несмотря на то, что вывод был ошибочным, статья Фарадея вдохновила Ж. Р. Бреана, пробирного инспектора Парижского монетного двора, провести цикл экспериментов, в ходе которых он вводил в сталь малые дозы различных элементов.

Как мы видим, все усилия прилагались в русле, так сказать, рецептурном, химическом, что являлось заблуждением, поскольку — теперь это известно точно — булат есть чистый сплав железа с углеродом, и ничем более. Но именно Бреан в 1821 году первым высказал догадку, что необычными свойствами булат обязан высочайшему содержанию углерода. Он установил, что структура булата имеет светлые участки «науглероженной стали» на темном фоне, который он назвал просто «сталью». Удивительно, но Бреану удалось изготовить клинки с узором, как у дамасской стали, однако до конца дней он так и не дал объяснения своему способу. Более того, он не смог понять важности последовательных операций в используемом им процессе. Только на исходе XIX века, когда были изучены фазовые превращения, происходящие в стали, и установлена их зависимость от температуры и содержания углерода, были заложены предпосылки для полного научного объяснения свойств булата. Но и сегодня, когда фазовая диаграмма железо/углерод прекрасно отработана, процесс изготовления булатной стали считается открытием, и может быть запатентован.

Если прежние энтузиасты действовали вслепую, пытаясь интуитивным путем воссоздать капризную технологию, то современные американские исследователи подошли к вопросу основательно, во всеоружии научной аппаратуры и специальных знаний. Д. Уодсворт и О. Шерби (на деле являющийся нашим соотечественником по фамилии Щербина) заинтересовались получением классического булата, изучая новейшие сверхвысокоуглеродистые стали. Такие марки редко находят применение, так как считаются излишне хрупкими. Однако высокая вязкость дамасской стали является неоспоримым фактом. Предположив, что хрупкость можно убрать соответствующей механической обработкой, хитрые американцы в лаборатории Стэнфордского университета смогли получить образцы, совместившие твердость с вязкостью при комнатной температуре. Удалось также воспроизвести узор Дамаска. Что касается самих операций, то они аналогичны тем, что применялись в кузницах Востока.

Хотя самое раннее описание булатных клинков относится к 540 году, использовались они гораздо раньше, еще во времена Александра Македонского. Индия активно торговала дорогим сырьем, поставляя мастерам маленькие, размером с хоккейную шайбу, слитки («хлебцы») — так называемый вуц. Географическое распространение булата в основном совпадает с путями распространения мусульманской религии. В древней Руси булат именовали словом «хоролуг»или «харалуг» (см. далее). С конца XV века в обиход вошло слово «булат» (персидское «пулад»). Например, такое наименование мы находим в грамоте князей Ивана Борисовича и Федора Борисовича Высоцких за 1504 год, где упоминается «сабля булатная гирейская».

Приготовлялся булат из двух компонентов — сырого железа и древесного угля в качестве поставщика углерода (гораздо лучше для этого подходит чистый графит, каковым пользовался в своих опытах П. П. Аносов). Однако сначала нужно было иметь это самое железо. Его получали обычным способом восстановления из железной руды посредством удаления кислорода в результате реакции все с тем же древесным углем. Руда и уголь перемешивались, и в толще этого слоя происходило горение. Дутье обеспечивалось с помощью кузнечных мехов, что поднимало температуру выше 1200 °С. В зависимости от количества угля конечным продуктом становилось либо губчатое железо, либо чугун с содержанием углерода порядка 4%. Соответственно, индусы получали вуц, либо добавляя углерод к железу, либо отнимая его излишек у чугуна. Второй способ невразумителен, тогда как первый вполне поддается научному обоснованию.

До того как загружать компоненты в тигель, губчатое железо проковывалось молотом. Этим добивались уплотнения металла и некоторой его очистки, так как удары выколачивают, выжимают примеси, оставляя вполне более или менее чистый Fe. Именно поэтому данный ингредиент называют также «сварочным железом». Маленький (диаметром 8 и высотою 15 см) тигель из огнеупорного материала должен был обеспечить полную изоляцию содержимого от внешнего атмосферного воздуха, несущего гибельный кислород. Герметизация достигалась путем плотной посадки крышки и последующей обмазки глиной. При температуре 1200 °С железо еще остается в твердом состоянии, но его кристаллы уже приобретают гранецентрированную кубическую форму. Атомы углерода свободно диффундируют в железо, образуя аустенит. Добавка углерода снижает температуру плавления, поэтому, как только его концентрация в поверхностном слое кусков железа достигает 2%, они покрываются тонкой пленкой жидкого белого чугуна. Появление расплава определялось по характерному хлюпающему звуку при встряхивании тигля. Это говорило о том, что значительное количество углерода уже успело раствориться.

После этого тигель очень медленно охлаждали. Слово «очень» не вполне точно передает черепаший темп процесса, так как охлаждение длилось сутки и более. Такие скорости обеспечивали равномерность распределения углерода в стали, с концентрацией порядка 1,5-2%. Когда температура опускалась ниже 1000 °С, часть углерода

выделялась из расплава, образуя сетку цементита Fe₃Cвокруг зерен аустенита. Поскольку при медленном охлаждении аустенитные зерна вырастают до изрядных размеров, сетка получается довольно крупноячеистой. Именно она создает пресловутый узор на поверхности клинков (здесь кроется парадокс: современные теория и практика свидетельствуют, что рост кристаллов приводит к снижению механических характеристик, поэтому одной из приоритетных задач термообработки является измельчение структуры).

Слева — схематичное изображение процесса, результатом которого становился небольшой слиток булата, а также стандартная фазовая диаграмма состояний сплава «железо углерод» в зависимости от температуры и количественного соотношения компонентов:

❖ при нагреве в тигле сварочное железо переходит в гранецентрированный аустенит (1);

❖ углерод начинает растворяться в поверхностных слоях железа, и, как только его содержание достигнет 2%, на поверхности зерен появляется пленка жидкого белого чугуна (2);

❖ в процессе медленного охлаждения углерод диффундирует в толщу железа, образуя сталь с содержанием 1,5-2 % (3);

❖ по мере падения температуры углерод высаживается по границам зерен аустенита в виде цементитной сетки (4). Белые линии дамасского узора являются следами этой сетки;

❖ при температуре ниже 727°С происходит превращение аустенита в феррит с образованием чередующихся слоев цементита и феррита (5). Клинок закаливали путем нагрева несколько выше этой температуры и быстрого охлаждения, при котором аустенит превращается в твердый мартенсит.

Таким образом, закаленный булат представляет собой композицию из чрезвычайно прочного мартенсита и предельно твердого и хрупкого цементита*. Но — непрерывность цементитной сетки создает благоприятные маршруты для разбегания трещин, порождая в итоге зловредную хрупкость. Если же ковкой или вальцовкой разбить сетку на отдельные фрагменты, мы получим прекрасный материал, армированный включениями сверхтвердого цементита. Анализ сохранившихся дамасских клинков показывает, что они подвергались интенсивной ковке, при которой исходная толщина полосы уменьшалась в 3-8 раз.

Проблема в том, что булатную заготовку нельзя нагревать свыше 850 °С, так как при этом начинается вторичное растворение цементита в аустените, а сам металл становится, как ни странно, хрупким, пребывая в раскаленном состоянии. В этом причина фатальных неудач европейских мастеров, пытавшихся работать с булатом: они по привычке нагревали бесценный слиток добела, и происходило то, о чем писал Бреан: «При белом калении дамасская сталь крошится, как стекло». На самом же деле, максимум пластичности булата приходится на диапазон температур 650-850 °С. Так выглядит лишь один из хитроумных секретов, присущих технологии булата, причем далеко не самый таинственный. Реально существует множество подобных «заморочек», которые нужно просто знать, и которые почти не поддаются интуитивному постижению, иначе дамасскую сталь давным-давно получали бы во всем мире тоннами.

Итак — булат и сварочный Дамаск являются абсолютно разными вещами.

Первый чаще всего представляет собой сверхвысокоуглеродистую сталь с уже заложенными замечательными свойствами, о чем рассказано выше, и именно высокое содержание углерода обусловливает сие чудо. В то же время сварочный Дамаск есть самая обыкновенная, хотя и высокоуглеродистая, сталь с содержанием последнего не выше 1,2-1,3%. Всеми своими прекрасными механическими характеристиками, порой приближающимися к соответствующим показателям для булата, Дамаск обязан искусству кузнеца. Технология его получения удивительно проста на бумаге, но почему-то имена мастеров, способных ковать хороший сварочный Дамаск, всегда были известны наперечет, и так оно остается по сей день.

Всех делов-то: взять несколько полос металла с различным содержанием углерода—в идеале это абсолютно чистое, мягкое, "белое" железо и сталь типа У13, сложить их через раз в стопку, перевязать оную проволокой, чтобы не развалилась в горне, нагреть, посыпать флюсом и ковать. Многих современных энтузиастов подвело как раз то, что вместо традиционного горна они используют такие удобные, такие мощные и чистые газовые и электрические печи. Увы, при нагревании в печи в окружении атмосферного воздуха несчастный углерод выгорает стремительно и безвозвратно, превращая крепкую сталь в плохонькое железо. В то же время добрый старый горн предоставляет опытному мастеру богатую палитру возможностей. Если уголь горит по всей толще, а дутье, как полагается, подведено снизу, то в нижних слоях происходит выгорание углерода, в верхних же, наоборот, — раскаленный металл науглероживается. Этим издревле пользовались поколения кузнецов, только таким способом и получая качественную сталь. Например, известны примеры выделки клинков из старых подков. Вязкое железо науглероживалось в горне, притом углеродом насыщался лишь верхний его слой, а середина оставалась тягучей. Если несколько таких заготовок сварить в полосу, отбить и оттянуть ее должным образом, то получался настоящий Дамаск превосходных характеристик и рисунка. Роль железных прослоек в данном случае играла нетронутая сердцевина.

Чередуя сталь и железо, мы также получаем гармонию вязкости и твердости, где каждый отдельный слой, хотя и соединен намертво с окружающими, работает немножко сам по себе, поэтому распространение трещин происходит не настолько свободно, как в однородной среде. И потом — проковывая полосу множество раз, сгибая и складывая ее то так, то эдак, мы нивелируем возможные неравномерности структуры. Тончайший лист стали и треснул бы — да железо не велит, вялый слой железа и согнулся бы, да сталь не пускает. Так они и трудятся в паре, дополняя одно другим, а вы можете лихо рубиться клинком не на жизнь, а на смерть, будучи уверены, что он не подведет.

Причуды и каверзы упрямого металла нарастают экспоненциально по мере роста размеров поковки, так как здесь становится важным не просто соединить много слоев в одно целое, но обеспечить совершенную равномерность сечения по длине предполагаемого клинка. Задача еще более усложняется относительно малой толщиной изделия, поскольку при этом труднее нагреть до одинаковой температуры все его участки, а также сохранить накал на то исчезающе короткое время, пока вы или ваш помощник орудуете молотом.

С тонкими полосами вообще сплошные проблемы — то они перегреваются и подгорают, то остывают быстрее, чем успеваешь всласть пройтись по ним, и так далее. Нужно также мастерски и в строго определенные моменты присыпать заготовку флюсом, иначе вас подстерегает так называемый «непровар», когда смежные слои лишь плотно прижаты друг к другу, но отнюдь не сварены воедино из-за нерастворенной флюсом окалины. А это фатальный брак. Даже легендарные японские дедушки порой попадают впросак, что выясняется, к сожалению, уже после закалки и предварительной шлифовки почти готового клинка.

Острие старинного немецкого меча, сваренного из трех частей, как раз и пострадало от типичного непровара. Отчетливо видно, что внешняя полоса не соединилась с внутренней:

Непровар — специфический паразит, присущий сугубо слоистым поковкам. Вероятность нарваться на него возрастает с ростом числа слоев и длины детали, причем последний фактор представляется значимым, так как, оттягивая полосу, можно пропустить единственный удар в то или иное место (или нанести его с недостаточной силой) — и непровар тут как тут. На коротких же клинках зоны действия бойка кувалды почти автоматически перекрывают друг друга.

В соответствии с характером узора сварочная сталь делится на группы, аналогичные по звучанию наименований булатным: волновая, полосовая, сетчатая, букетная, коленчатая и так далее. С точки зрения эксплуатационных качеств наиболее устойчивыми являются самые простые сорта, в которых границы слоев не переплетены затейливой вязью, а образуют более или менее параллельные струи. Хотя такой клинок и проигрывает в эстетике, реальная работа отдельных слоев прекрасно согласована в единую симфонию, не нарушаемую ни подлине клинка, ни по его ширине. Проще сказать, слои не прерываются в угоду пустой красоте, а напоминают стопку тонкой и плотной бумаги, сопротивляясь разрушению всей мощью братства.

Между тем погоня за внешней красой толкает кузнецов на применение достаточно элементарных способов, направленных на перемешивание слоев по глубине залегания, что дает в итоге и «букет», и «сетку», и многое иное.