Открытие секрета булата
Pаботы Аносова создали новую технику, новые методы производства качественной, «совершенной стали».
При «отыскивании тайны приготовления булатов» Аносовым были разработаны четыре метода производства качественной стали главным образом за счет усовершенствования тигельной плавки.
Первый метод — «сплавление железных руд с графитом, или восстановление и соединение железа с углеродом»93, то есть метод непосредственного восстановления железа из руды. Этот способ Аносов и считал подлинным методом производства булатов на Востоке. «Древние,— говорил он,— скорее могли напасть на способ простой, нежели сложный» благодаря тому, что «употребление тиглей столь же древне, как и известность золота; ничего не могло быть ближе для древних алхимиков, как испытание плавкою всех тел, похожих по наружному виду на металл»94.
Однако этот метод не мог удовлетворить Аносова. Для применения метода были нужны чистейшие руды, не содержащие посторонних примесей, особенно серы. Кроме того, он был невыгоден экономически. «Дороговизна делает сей способ недоступным для введения в большом виде»,— замечает Аносов.
Разработка этого метода, раскрывая секрет производства булатной стали, в то же время не отвечала общей задаче, поставленной исследователем,— массовому производству качественной стали. Поэтому Аносов продолжал изыскания, стремясь найти метод, более приемлемый.
Второй метод — «сплавление железа при доступе углей или соединение его предварительно с углеродом и восстановление его посредством закиси железа» (то-есть переплавка чугуна с окалиной)
Этот способ также оказался непригодным для массового производства стали. Получаемый металл содержал много углерода и с трудом подвергался ковке. По мнению Аносова, это происходило оттого, что круглое железо было недостаточно чистым, плохо очищалось при тигельной плавке.
Открыв второй метод, Аносов положил им начало процессу передела чугуна в сталь, широко известному теперь под названием скрап-процесса, намного опередив французов братьев Мартен.
Второй метод также не был использован Аносовым, но впоследствии оказался полезным известному новатору
Фиг. 12. Отрывок из труда П. П. Аносова «О булатах» о преимуществе златоустовской стали перед английской.
русской техники инженеру А. А. Износкову, который, используя его, сумел в 1869 г. сравнительно легко и быстро организовать передел чугуна в сталь в первой мартеновской печи в России, на Сормовском заводе.
Третий метод — получение литого булата (сталь отливалась в форму) при продолжительном отжиге без доступа ©оздуха (в засыпке). Этот способ был использован Аносовым на Златоустовском заводе для получения литых булатов, «годных на выделку дешевых изделий».
Сущность метода состояла в том, что стали, приготовленной в тигле, не давали °атвердевать в тигле, а отливали ее в формы. «Отливка стали в форму,— писал Аносов,— хотя нарушает наклонность к кристаллованию (то есть создает иные условия кристаллизации, чем при застывании большого ее количества в тигле), но она необходима для облегчения проковки больших сплавок и составляет единственное средство к удешевлению булатов до ценности стали.
Литая сталь подвергалась длительному отжигу в специальной печи, сконструированной Аносовым, без доступа воздуха, будучи тщательно закупоренной в ящике. Преимущество отожженной стали заключалось в том, что она «удобно куется, мягче в опиловке, менее повреждается в закалке и стойчее после оной». На отожженной стали обнаруживались узоры: на мягкой — мелкие, на твердой -крупные. Чем лучше было качество стали, тем скорее она приобретала крупнозернистое строение. «Отожженная сталь, как имеющая узоры, подобные булатным, должна нести и одинаковое с ней название. Для отличия от настоящего булата я называю ее литым булатом»,— говорил Аносов.
При определении технологии отжига Аносов обратил внимание на различный характер изменения свойств стали. Неправильный отжиг, связанный с доступом воздуха в коробку, вызывал обезуглероживание поверхности, характерное «зернистым сложением на поверхности», которое создавало «особый кант белого цвета по -краям бруска». Пережог брусков («повреждение стали») характеризовался «удобным разламыванием их без закалки». Хорошо отожженная сталь имела чистую поверхность без следов окалины, хорошую вязкость и «ровное крупнозернистое сложение в изломе».
По наблюдениям Аносова, части, соответствующие верху отлитой болванки, «почти никогда не имели крупнозернистого строения, а следовательно, и узора — рисунка. Это обстоятельство позволило Аносову сделать заключение, что ясность узора связана не только с кристаллическим строением, но и с чистотой стали. Аносов широко использовал отжиг не только на литых сталях, но и как предварительную операцию, отжигая сталь, идущую в шихту.
Применение отжига значительно повысило качество златоустовской стали, поставило ее выше лучшей английской тигельной стали. К тому же найденный Аносовым способ получения качественной стали был "много проще английского. «Подобного улучшения не было достигнуто в Англии помощью отжигания,— писал Аносов,— мне кажется потому, что тамошние мастера недовольно обращали внимание на изменения в стали при различных условиях отжигания, а приписывали улучшение ее более влиянию посторонних тел, -при отжигании обыкновенно применяемых».
Здесь Аносов также поднимается выше своих современников — иностранных ученых, отдавая должное превращениям в самой стали, а не внешним факторам, например, влиянию засыпки и ее «магическому» действию.
Ироническое отношение Аносова к качеству английской стали и устаревшему с его точки зрения способу Гэнстмана — методу тигельной переплавки предварительно цементованной стали, очень хорошо выражено им в следующих словах: «Бритва из хорошего булата, без ошибок приготовленная, выбреет, по крайней мере, вдвое больше бород, нежели лучшая английская».
Четвертый метод — «сплавление железа «непосредственно с графитом, или соединение его прямо с углеродом»101 — Аносов считал наилучшим из всех разработанных им и экономически наиболее выгодным «к получений) настоящих булатов».
Эту точку зрения разделяли и русские ученые. Один из современников Аносова — проф. П. П. Эйнбродт,— восхищенный его трудом «О булатах», в личном письме к нему подчеркивал значение четвертого способа, заявляя, что им исследователь «справедливо может гордиться».
Для четвертого метода Аносов разработал полную технологию. Эту интересную технологию мы приводим в сокращенном виде.
Плавка. В тигель загружали 12 фунтов (около 5 кг железа). Если же необходимо было получить более твердый металл, количество железа уменьшалось до 10 или 8 фунтов. Железо засыпалось смесью графита, железной окалины и флюса. В качестве флюса Аносов рекомендовал доломит.
После загрузки тигля его закрывали глиняной крышкой и пускали дутье для достижения «сильного жара». Дутье регулировалось «ртутным духомером». По истечении трех с половиной часов металл расплавлялся и покрывался тонким слоем шлака с плавающим в нем графитом, всплывшим частично в шлак.
Потери графита составляли за этот промежуток времени 100 г. После плавки в течение четырех с половиной часов они повышались до 200 г, а при плавке в течение пяти с половиной часов до 400 г. По окончании плавки тигель оставляли в печи до полного остывания. Затем отбивали крышку тигля, высыпали остатки графита, а шлак разбивали. Металл извлекался из тигля в форме «сплавка, имеющего вид хлебца» и при медленном охлаждении постепенно затвердевал.
Поверхность застывшего металла получалась либо ровной, либо с некоторым углублением около середины, «в котором кристаллы булата более видимы и между собой перепутаны». «Это,— говорил Аносов,— составляет усадку». Она была сильнее для более твердой стали. Отсутствие усадки свидетельствовало о том, что «усадочная раковина находится внутри», и показывало, что «такой булат скорее остывает снаружи, нежели внутри». Подобные слитки не ковались и давали плохой сорт булата. Такое совершенно правильное толкование явления усадки, насколько нам известно, было впервые отмечено также Аносовым.
От длительности плавки зависел характер рисунка стали. После плавки в течение трех с половиной часов металл имел слабые продольные узоры, светлый грунт. После плавки в течение четырех с половиной часов узоры на металле получались волнистые, средней величины. Наконец, после плавки в течение пяти с половиной часов, при хорошем качестве графита, металл выходил с крупными узорами,— се тчатыми, «а иногда и с коленами». Все это подтверждало точку зрения Аносова о влиянии углерода на характер и ясность рисунка.
«Наибольшее время плавки и медленное охлаждение тигля» служили гарантией качества стали.
Шихтовка описана Аносовым в «Журнале опытам по приготовлению литой стали и булатов с краткими замечаниями».
Вот два примера шихтовки, взятые из этого журнала (табл. 1 и 2):
Таблица 1
Фиг. 13. Первая страница «Журнала опытам го приготовлению литой стали и булатов" П. П. Аносова.
Ковка105. Ковка производилась тюд хвостовым молотом, весом в два с половиной пуда (40 кг). «Сплавок нагревался в горне досветлокрасного каления и укладывался под молот широким основанием. Проковка велась при слабом обжатии при поворотах «кругом в одну сторону». Промежуточные нагревы проводились пять-девять раз.
Чем медленнее проковывался булат, тем лучше было его качество. После ковки металл разрубали. Разрубленные части снова проковывались под молотом сначала в бруски, а затем в полосы. Лучшие булаты, несмотря на твердость, проковывались из брусков в полосы с двух нагревов.
При ковке тщательно соблюдалась температура нагрева, та «степень жара», при которой «узор не теряется». Сталь нельзя было перегреть. «Потеря узора во время ковки — есть порча металла».
Полосы имели неровности и плены, обтачивались и клеймились для обозначения нижней части, которая шла на изготовление лезвий. Чистовая ковка проводилась при малом нагреве не сильнее «мяснокрасного цвета».
Закалка106. Операция нагрева и быстрого охлаждения стали называлась закалкой. Закаленная сталь обладала высокой твердостью, но вместе с тем и хрупкостью, «подобною стеклу». Для понижения хрупкости и для «сохранения, по возможности, твердости, приобретенной закалкой,— указывал Аносов,— искусство нашло средство в нагревании закаленной стали, но гораздо слабейшем, нежели при закалке». Далее он писал: «Предназначение изделия определяет меру нагревания, а появляющиеся на металле цветы (цветы побежалости) служат признаками для определения самой меры. Нагревание закаленной стали называется отпуском и главнейшие степени его по цветам суть: желтый, фиолетовый, синий и зеленый. Желтый цвет означает самую малую, а зеленый самую большую степень отпуска, при которой упругость металла начинает теряться».
Эти высказывания Аносова показывают, что он совершенно правильно определял понятие закалки и отпуска стали; также правильно характеризовал он свойства, изменяющиеся при отпуске.
Булаты закаливались в зависимости от назначения или в сале, или в воде, причем «самые твердые из них преимущественно в сале».
Аносов считал, что «оружие всякого рода достаточно закаливать в сале, «предварительно нагретом почти до точки кипения, ибо дознано из опытов, что в горячем сале закалка бывает тверже, в сем случае сало скорее ее охлаждает».
Таким образом, Аносов впервые дал метод закалки в «горячей среде» и объяснил ее действие.
Булаты закаливались путем нагрева откованного лезвия «докрасна» с последующим погружением в сало. После остывания лезвие обтиралось и для удобства наблюдения за цветами побежалости при отпуске зачищалось точильным камнем. Отпуск требовал большого искусства, так как нагрев производился «над углями» и при отпуске сабельного клинка различные части отпускались по-разному: у ручки - до зеленого цвета, у конца — до синего, в середине — до фиолетового, на месте «удара у лезвия» — до желтого. Отпущенный клинок .правился молотом и охлаждался в воде. Если же был необходим более упругий клинок, отпуск всего изделия проводился до синего цвета.
Аносов указывал также на возможность воздушной закалки тонких изделий «в быстрой струе воздуха».
Прсле закалки клинки подвергались точке и полировке. И для этой, казалось бы, простой операции Аносов дал ряд указаний, направленных на сохранение твердости. Он указывал, в частности, на недопустимость применения сухих точил, точение на которых вызывало нагрев и приводило к потере упругости; рекомендовал применять мокрые точила с соблюдением необходимых предосторожностей.
Впервые в истории металловедения Аносов описал и правильно объяснил также явление прижога закаленной стали при шлифовании.
Травление — «вытравка». Операция травления была необходима для выявления рисунка и определения качества булата. При разработке методов травления Аносов показал разное действие отдельных кислот.
Понятие о макроструктуре, как о показателе качества металла, выявление макроструктуры травлением, равно как и применение микроскопа для изучения макроструктуры как метода исследования, впервые были введены и Распространены Аносовым. Это — огромный вклад Аносова в металловедение.
Аносов дал также ясное описание строения стали, узоры которой похожи на виноградные гроздья, иногда расположенные рядами, сходные между собой. Правда, он не дал понятия о дендритах, позднее введенного Д. К. Черновым, но он наблюдал их, и его «виноградные грозды» дают точное описание дендритного (древовидного) строения стали. Этим он в известной мере предвосхитил дендритную теорию Д. К. Чернова.
К сожалению, до наших дней не сохранилось документального материала о макроструктурах сталей Аносова. Представление о макроструктуре и микроструктуре булатной стали дают фотографии начала нашего столетия, сделанные последователями Аносова (фиг. 14—15).
Первый клинок из -булатной стали был изготовлен Аносовым в 1837 г.109. Но об открытии Аносова еще долго не знали ни в России, ни заграницей. При состоянии связи того времени сведения с далекого Урала с трудом доходили до общественности столиц, а правительственные круги, преклонявшиеся перед английской литой сталью, которым было известно о блестящем успехе Аносова, его замалчивали. Не удивительно поэтому, что в то время, когда на одном конце России — на Урале секрета булата не стало, на другом — в Грузии попреж-нему считали искусство булатной стали тайной. Тайна закалки булата еще в 1838 г. служила средством для поэтических образов великому русскому поэту М. Ю. Лермонтову. Будучи в это время в ссылке на Кавказе, он посвятил булату известные стихотворные строки:
«Отделкой золотой блистает мой кинжал; Клинок надежный, без порока; Булат его хранит таинственный закал — Наследье бранное Востока
Сам Аносов, проводивший свои опыты с булатной сталью с исключительной научной тщательностью и с такой же тщательностью обобщавший их, не мог скоро подытожить их результаты.
На это у него ушло четыре года. И только в 1841 г., с появлением в печати его труда «О булатах», передовая общественность России широко заговорила об его открытии. «Сочинение Аносова «О булатах» возбудило общее внимание» — писала в июле 1841 г. газета «Мануфактурные и горнозаводские известия»
В октябре того же года «Горный журнал» заявлял: «Открытие способа приготовления булата, не уступающего качествами лучшим булатам азиатским, принадлежит, бесспорно, к числу важнейших открытий, которыми обогатилась наша промышленность в последние годы, и мы этим обязаны трудам Корпуса горных инженеров г.-м. Аносова.
Превосходные качества изделий, приготовленных из златоустовского булата, при необыкновенной дешевизне их, ручаются за прочность открытия».
Изделия, изготовляемые из булатной стали Аносова, отличались высоким качеством. С ними не могли соперничать изделия, изготовленные из любой стали, известной в то время. Например, «шпажный клинок из хорошего булата, правильно выточенный и соответственно закаленный, как оказалось по моим опытам,— говорил сам Аносов,— не может быть при гнутье ни сломан, ни согнут до такой степени, чтобы потерять упругость; при обыкновенном гнутье он выскакивает и сохраняет прежний вид; при усиленном (например, будучи загнут под прямым углом) не сломается и, будучи выпрямлен, не потеряет прежней упругости.
При этой связи в частях булатный клинок может быть тверже всякого другого, приготовленного из стали. Это и есть, без сомнения, предел совершенства в упругости, которая в стали не встречается»112.
Отмечая качества аносовской булатной пластинки, «Горный журнал» свидетельствовал: «она сгибалась без малейшего повреждения, издавала чистый и высокий звон. Отполированный и закаленный конец ее крошил лучшие английские зубила, тогда как отпущенный конец легко принимал впечатления и отсекался чисто и ровно».
Изделия из булатной стали демонстрировались на отечественных и зарубежных промышленных выставках и везде вызывали общее восхищение.
Обозреватели 3-й Московской мануфактурной выставки 1843 г. писали: «теперь Россия представляет единственный в целом мире источник нового булата лучших качеств. Булаты наши ценятся между азиатцами по крайней мере в десять раз дороже против здешней (-московской И. Б.) цены их. Сталь златоустовских заводов известна по отличному качеству вырабатываемого из нее белого оружия... Должно отдать справедливость их булатным кинжалам, которые оказались отличнейшего достоинства».
Иностранцы, поставленные Аносовым перед фактом, вынуждены были признать высокое качество его булатной стали, несмотря на свое скептическое отношение к русской промышленности. Рецензент английской газеты «Морнинг пост», обозревавший русское отделение на Лондонской всемирной выставке 1851 г. в отчете, составленном в довольно сдержанном тоне, все же отмечал, что «замечательный успех этой отрасли русской промышленности (выделка булатной стали), без сомнения, относить можно высокому качеству употребляемой стали».
«Было бы несправедливо,— заявлял он при этом,— не воздать должной почести и хвалы усердию, энергии и знаниям того ученого Корпуса инженеров (речь шла о П. П. Аносове И. Б.), на который возложено великое призвание распространять ремесленность и промышленность... в глубине лесов Урала и Алтая»115.
И в то же время иностранцы на русской службе пытались принизить роль Аносова в сталелитейном деле.
По случаю открытия Аносова перед Российской Академией наук был поставлен вопрос о присуждении ему Демидовской премии. Его способ производства булатной стали был передан на заключение академикам-иноземцам (непременный секретарь Фус и др.).
Фиг. 17. Чертежи устройства печей П. II. Аносова для производства булата. Устройство печи (чертежи AB—план и разрез): а — топило; b — колосники; с — пролеты из топила под основанием свода; d—чугунный ящик; е —кирпичи, поставленные на ребро, на которые становился ящик; f —обратные пролеты, под ящиком; стены по сторонам ящика; х — свод; i—пролеты; выведенные с одной стороны до высоты свода, в которые обращалось из него пламя; h — дымовая труба.
Не признать высоких качеств аносовских булатов было нельзя — они были слишком очевидны и слава о булатах шла далеко. Поэтому иностранцы на русской службе постарались запутать дело. Дав в общем высокую оценку булатной стали, они решили поставить под сомнение способ ее производства, разработанный Аносовым.
В своем заключении эксперты заявляли: «Если бы в сочинении Аносова было указано, каким образом можно всегда с удачею изготовлять эту (булатную И. Б.) сталь, то не колеблясь должно было признать это открытие одним из полезнейших обогащений промышленности, и в особенности отечественной. Но в описании столь мало сказано о способе приготовления этого булата, что надобно думать, не представляет ли Аносов себе самому этой тайны, или может быть и ему самому только временем и случайно выдается изготовлять такую сталь
При таковом положении дела академики не решаются представить Академии о присуждении Аносову демидовской награды за изобретение, которое не содержалось еще общим достоянием и о котором даже неизвестно, основано ли оно на приемах верных и доступных для всех и каждого».
Вопреки истине, вопреки тому, что Аносов дал вполне ясное представление о своем способе в сочинении «О булатах»,— Академия отклонила предложение о присуждении ему премии. Такое позорное событие могло иметь место только в условиях крепостнической, а позднее и капиталистической России, где раболепие правящих классов и низкопоклонство «официальной» науки перед иностранщиной не знало границ.
Однако ни общие условия того времени, ни отдельные реакционные попытки не могли подорвать значения открытия Аносова. Начатое им прогрессивное дело, знаменовавшее новый этап в развитии металлургии, упорно прокладывало себе путь вперед усилиями самого Аносо-на, а после него его последователями.