Зверь лютый Книга 27. Чума

Аносов наполнил тигель железными обсечками без примеси угольного порошка, не покрывая его ни флюсом, ни крышкой, и, после расплавления шихты, получил чугун. Когда же накрыл тигель крышкою прежде, чем все железо расплавилось, то получил "удобно ковкий металл — литую сталь".

"... для получения литой стали плавиленный горшок с крышкою есть просто отпираемый ящик. Стоит только знать, когда его открыть, и когда закрыть. Цементование железа, находящегося в горшке, совершается точно также, как и в ящике с угольным порошком, токмо тем скорее, чем возвышеннее температура".

Чудотворец! Набить в горшок железо (углерода меньше 0.2%), греть без крышки — чугун. Углерода в чугуне — 2.14%. Греть с крышкой — литая сталь, углерода — 1.5%.

Как варить щи из одной капусты. Накрыл крышкой — щи со свининой, не накрыл — с говядиной.

Так появился способ получения литой стали, который заключался "в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках, при помощи возвышенной температуры воздушных печей".

Метод "переплава отходов".

В середине XIX века братья Мартены обратились к русскому правительству с ходатайством о выдаче пятилетней привилегии на производство литой стали в России. Им отказали: "литая сталь путем сплавления чугуна и железа производилась у нас на Урале в тиглях (работы Аносова и Обухова)".

Незначительное развитие при тигельном процессе окислительных реакций и отсутствие твердых восстановителей (марганец, алюминий), резко снижает степень загрязнения стали оксидами этих элементов. Оксиды в тигельной стали "самовосстанавливались" только кремнием из материала тигля. Это обеспечивает чистоту стали по неметаллическим включениям.

Напомню: тысячу лет в русском чёрном металле доля неметаллических включений постоянна: 1-2%. Хоть в мечах гридней Владимира Святого, хоть в саблях гусар Александра Благословенного.

Аносов разбирает весь процесс, не только собственно плавку, но и предшествующие и последующие операции. Создаёт соразмерные с величиной тигля изложницы, применяет их предварительный прогрев и смазку салом.

Как со сковородкой, чтобы картошки пожарить.

"Каждая форма по граням составлена из двух бокованок, которые скреплялись обручем с клином. Формы предварительно прогреваются так, чтобы в них расплавилось сало, которым оне пред самою отливкою смазываются: отделяющиеся от горения сала газы предохраняют сталь от доступа воздуха".

"Сталь разливать медленно, так, чтобы струя не касалась боков формы".

По цвету струи стали, форме искр и поведению металла определяет содержание углерода в стали:

"Мягкая сталь при застывании увеличивается в объеме или вспучивается, средняя остаётся в том же положении, как вылита, а крепкая уменьшается в объеме".

В 1836-м завод выплавил 4600 пудов тигельной стали, впервые отлита стальная 35-пудовая пушка.

Аносов исключил процесс предварительной цементации, получил сталь непосредственно переплавом шихты в тигле.

Литая, нелегированная, углеродистая, инструментальная, тигельная... сталь.

Не булат.

Но шаг к мечте — сделан. Собрана коллекция булатных клинков разных азиатцев. Сформулировано еретическое (по тогдашнему общему мнению), ложное (по анализам 20-21 вв.) и гениальное (по научным результатам) утверждение: булат — особочистая углеродистая сталь. Но углерода в ней много (1.5 — 2.0%).

На самом деле в большинстве булатных клинков в разы больше, чем в обычных сталях, меди и фосфора.

"Исторические булаты индо-иранского региона (около 50 образцов) имели очень высокое содержание фосфора. При среднем содержание углерода около 1.5%, содержание фосфора — в среднем 0.15%, что в несколько раз больше его содержания в современных инструментальных сталях".

О подобном говорят и письменные источники.

Омар Хайям (11 в.) в "Норуз-наме": для получения булата приготовить смесь из 0.5 кг мягкого железа, столько же магнезии (сульфат магния), коралла и яри-медянки (соль меди). Расплавить в тигле. Добавить 250 г мелкой смеси из одной части руты, одной части чернильных орешков, одной части дубовых желудей, одной части перламутра и четырех частей шпанских мушек, после чего раздуть огонь, чтобы железо растворило эту смесь. Остудить и делать из сплава мечи.

Аль-Кинди (9 в.): положить в каждый тигель по 2.2 кг лошадиных подков и гвоздей от них, по 33.5 г медной окалины, золотистого марказита (полисульфит железа) и мягкой магнезии. Тигли накрыть крышкой, поставить в печь и раздувать меха до тех пор, пока все не расплавится. Засыпать в расплав дробленную смесь из мироболаны (плоды индийского дерева Terminalia chebula), корок граната, соли теста (соды) и жемчужных раковин, каждого вида по 13,5 г. Раздувать огонь в горне "самым безжалостным образом".

Отмечу: в шихту добавляли серу на первой стадии в виде различных соединений для ускорения цементации. Последующая обработка расплава известковым флюсом из кораллов и перламутра обеспечивала раскисление металла, его дегазацию и некоторое очищение от громадных примесей серы — при одновременном легировании фосфором, содержащемся в ракушках и кораллах. Непременно присутствует медь.

Это — "арабский" булат, из железа.

В Индии иначе: из руды.

Аль-Бируни (10 в.): самое дорогое оружие индусы ковали из металла, получаемого тигельной плавкой кристаллической буры и магнетитового красного песка Северной Индии.

Сесиль Риттер фон Шварц, директор англо-индийской металлургической компании, в 19-м веке изучал производство "вутца": в тигель вместе с древесным углем и остеклованным флюсом засыпать смесь мелких частиц двух руд — три части магнитного железняка и две части бурого. Добавить листья растений — Convolvulus Lanriflora или Calotropis gigantea.

При разнице в "арабском" и "индийском" методах есть общее — много фосфора. В составе руд Северной Индии P2O5 — 0.42-0.66%.

После тигельной плавки этих руд кремния и серы в металле практически не остаётся: соединяясь с оксидом кальция они переходят в шлак. А вот фосфор не удаляется, переходит в слиток.

Концентрация фосфора в светлых слоях булата, при среднем содержании 0.15%, увеличивается почти в 3 раза, до 0.4%. Эти участки при термомеханической обработке являются местом выделения карбидов. При среднем содержании углерода 1.5%, его концентрация в светлых фосфорно-карбидных слоях доходит до 3-4%. Там же и повышенное содержание серы — до 0.18% при среднем 0.01%, т.е. почти в 20 раз.

Сходно (легированием фосфором и медью) в 20 в. получают коррозиестойкие стали COR-TEN. Выдерживают температуры до -20®C, в России (при -40®C) разрушаются.

Это совершенно не похоже на "русский булат". Исследованный в 1841 г в лаборатории Горного института образец Аносовских клинков имеет фосфора 0.014%.

Качество клинков европейцы связывали с однородностью. Аносов снова утверждает ересь: качество булатов определяется неоднородностью. И наглядно "тычет пальчиком":

"Чем ярче и крупнее узор, тем больше неоднородность стали, тем выше качество клинка".

Обычно сталь выплавляли в тиглях и разливали в изложницы. Здесь она сравнительно быстро охлаждалась. Аносов меняет режим.

В "Журнале опытов": плавка N74 в форму не вылита, а охлаждена в тигле. После проковки слитка "на выполированном и вытравленном куске видны... в микроскоп узоры, подобные по расположению булатным".

Вывод: необходимое условие получения булата — медленное охлаждение тигля с готовой сталью.

Так образовывалось и находилось в некотором излишке соединение железа с углеродом — цементит, который не растворялся, как бывает в обычной стали, а оставался в железе как бы во взвешенном состоянии. Прослойки цементита обволакивались медленно стынущим мягким железом.

По Аносову, в древности булатную сталь могли получать только непосредственным восстановлением руды углеродом. Он и реализует, по сути, упрощение (нет двух разных руд, нет перламутра и листьев растений) "индийского способа". Изготовление стали из очень чистой магнитной железной руды.

"Успех в получении булатов не зависит ни от степени твердости растений, ни от количества их, но более от образа соединения углерода с железом".

Из полученной стали выкован нож, "оказавшийся весьма хорошим хоросаном".

"Смешивая железную руду с графитом, можно получить непосредственно из руд ковкий металл. Эти опыты заключают в себе открытие в металлургии железа".

"Открытию" — три-четыре тысячи лет. "Прямое восстановление железа" — суть сыродутного процесса, основы всей чёрной металлургии почти всю "эпоху железа". От хеттов до 14-16 веков в Европе. Тысячи лет, миллионы людей это делали. Но никто, кроме "гималайских кузнецов", не додумался получать так булаты. Второй, после "гималайских" — Аносов.

Все получают крицу — толстую лепёшку (в Европе — яйцо) пористого низкокачественного железа. Которую надо проковывать, выбивая из неё шлак, науглероживать, вымораживать...

В 21 в. "прямое восстановление" снова возвращается в индустрию. С природным газом и угольными электродами.

"Грунт булатов и цвет самих узоров означает степень чистоты железа и углерода; чем они темнее и блестящее и чем узоры белее, тем чище металл... в самих булатах углерод находится в различном состоянии... прямой указатель есть отлив ...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 кара-табане, наконец, в тех, которые не имеют отлива, углерод приближается к состоянию обыкновенного угля. Такие булаты... бывают хрупки, как, например, многие кара-хоросаны".

Аносов — инженер. Не уникальный мастер, следующий "тайным знаниям великих предков" или "божественному озарению". Систематический перебор возможных вариантов. Оценка не только технологической, но и экономической эффективности.

Воспроизведя и упростив "метод Гандаберунды", он предлагает 4 способа получения булата:

— сплавление железных руд с графитом, или восстановление и соединение железа с углеродом;

— сплавление железа при доступе углей;

— соединение железа предварительно с углеродом и восстановление его посредством закиси железа или с помощью продолжительного отжигания без доступа воздуха;

— сплавление железа непосредственно с графитом, или соединение его прямо с углеродом.

"Первый способ требует чистейших железных руд, не содержащих... никаких посторонних примесей, в особенности серы. Но подобные руды встречаются чрезвычайно редко, притом и потеря в графите весьма значительна, а успех в насыщении железа углеродом не всегда в зависимости от искусства. Руды, по малой относительной тяжести, занимают более объёма, нежели железо, и, заключая в себе металла около половины своего веса, уменьшают количество продукта при одной вместимости с железом до Ќ и даже до ? при одних и тех же прочих расходах. Из этого видно, сколь сей способ дорогостоящ.

Трудность отыскать в совершенстве первые материалы, случайность соединения железа с углеродом в надлежащей пропорции и дороговизна соделывают сей способ не доступным для введения в большом виде. Но он знакомит и с способом древних и с причиной драгоценности совершенных азиатских булатов, ибо древние скорее могли попасть на способ простой, нежели сложный. Употребление тиглей столь же древне, как и известность золота: ничего не могло быть ближе для древних алхимиков, как испытание плавкой всех тел, похожих по наружному виду на металлы, и в этом случае для них ближе было испытывать графит, нежели для нас, привыкнувших думать, что он не плавится и может быть полезен токмо в тиглях и карандашах.

Второй способ не мог быть введен в употребление по затруднительной ковке при значительном содержании углерода, что происходит... от недостаточной чистоты кричного железа и от затруднения очистить оное совершенно с помощью железной закиси. Железо может быть улучшено способом, употребляемым в Японии и вообще в Азии, — продолжительным сохранением в воде или земле, а очищение угля едва ли будет столь совершенно, как в графите.

Третий способ введен уже в употребление, но как литая сталь для сохранения ковкости не может заключать много углерода, то она и составит особый разряд литых булатов, годных на выделку дешевых изделий: ибо пуд литого булата обходится около 10 рублей.

Четвёртый способ, как почитаемый мною удобнейшим и соответственнейшим при наименьших расходах, к получению настоящих булатов".

Аносов исследовал и зафиксировал в журнале десятки возможных вариаций плавки. Один только характер кристаллизации зависит от множества факторов: шероховатостей стенок тигля и изложницы, температуры металла, скорости охлаждения, состава, чистоты...

Рецепт 1:

"в тигель загрузить около 5 кг железа, засыпать смесью графита, железной окалины и флюса. Флюс — доломит в количестве не более 40 г на 1 кг железа. Тигель закрыть крышкой, поместить в печь, пустить дутье для достижения высокой температуры. В течение 3,5 часов металл плавится, покрывается тонким слоем шлака. Часть графита всплывает в шлак, потери графита зависят от продолжительности выдержки расплава. При увеличении её с 3,5 до 5,5 часов потери графита увеличивались от 100 до 400 г.

После окончания плавки тигель оставить в печи до полного остывания. Отбить крышку тигля, высыпать остатки графита, шлак разбить. Металл из тигля в форме буханки хлеба. При получении хороших булатов узоры отчетливо видны на поверхности слитка, а также на шлаке".

Рецепт 2:

"В России изготовлением булатов занимался (с 1828-37) на Златоустовском заводе горный инженер полковник Аносов, которому, после 9-летнего настойчивого труда, удалось достигнуть получения настоящих булатов; доказательством чему служит приготовленный им клинок каратабан для Е. И. В. великого князя Михаила Павловича. Клинок этот сделан из следующих материалов: тагильского железа 12 ф., графита английского 1 ф., окалины 24 з., доломита 24 з.; плавка велась в тигле и продолжалась 5 ч. 30 м. Из той же массы г. Аносов получил булат, по узору хорасан, с темным грунтом и золотистым отливом. Металл в ковке был мягок, тянулся холодный в полосу без плен, причем от ударов молота нагревался. Все опыты г. Аносова над сплавами железа с алюминием, марганцем, хромом, вольфрамом, серебром, золотом и платиною булат не давали вовсе".

В 1830 г. появилась возможность делать клинки из литой стали мягкой, средней и крепкой твёрдости. Первая шла преимущественно на изготовление оружия, остальные — "на дело как слесарного и столярного инструментов, на наварку горных инструментов и топоров".

Ковка отливок, из-за прослоек хрупкого цементита, должна производиться крайне осторожно, ударами лёгкого молота, с многократным нагреванием до критической температуры ("красное каление"). Если нагреть сильнее, булат потеряет основные свойства и характерный рисунок.

"Европейские кузнецы, кажется, вообще менее знакомы с переменой свойств стали при ковке, нежели азиатские: ибо не имеют в виду ясных признаков её изменения, но когда начнут обрабатывать булат, то скоро поймут недостатки своих прежних знаний в этом деле... потеря узоров во время ковки есть порча металла, составляющая вину кузнеца".