Юрий Гуревич - Загадка булатного узора

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 °C. 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 °C; 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 и 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 °C, 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 °C. 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.