7 Поражение, ставшее победой

Металлургия железа получила заметное развитие в странах Древнего Востока, а затем в античных государствах. Уже в Древней Греции и Риме, наряду с кричным железом, умели получать и чугун, и сталь.

В период раннего средневековья с упадком античной культуры пришла в упадок и металлургическая промышленность. Многие их секреты производства металлов, найденные еще в древнем мире, были утеряны. Остались только примитивные малопроизводительные способы. Даже сталь европейцы долгое время не умяли делать. Латы рыцарей изготавливали сплошь из железа, и, чтобы достичь необходимой прочности, железные листы приходилось делать очень толстыми. Первые европейские латы были так тяжелы, что закованный в них всадник зачастую не мог самостоятельно сесть на коня. А если в бою его выбивали из седла, он становился легкой добычей проворного пехотинца. Железными, а не стальными были в раннем средневековье и мечи. А потому они были прочными и надежными в бою, мечи делали настолько массивными, что приходилось держать их двумя рука­ми (эти мечи так и называли двуручными). Характерно, что при­мерно до 1Х-Х веков европейцы не знали лошадиных подков (они появились в Европе с востока во времена крестовых похо­дов).

Как известно, крестовые походы закончились для европейцев неудачей. Но поражение это, в конечном счете, обернулось боль­шой победой. Крестовые походы дали мощный толчок всему развитию европейской промышленности и прежде всего металлургии. Кроме этого, крестоносцы вывезли из стран Востока большое количество новых для себя изделий, а главное, освоили способы и приемы их изготовления и, в частности, некоторые методы производства качественной стали. Со времен крестовых походов вместо прежних неподъемных доспехов начинают входить в обиход более легкие и прочные стальные панцири, шлемы, мечи. Теперь уже не только конные рыцари, но и пехотинцы одевали легковесные пластинчатые латы, сделанные тоже из стали. Здесь, пожалуй, вполне уместно поговорить о том, что же это такое — сталь.

Школьный учебник химии на вопрос "что такое сталь?" дает простой и четкий ответ: сталь — это сплав железа с углеродом. Правда, этот ответ не полный. Ведь углерод может растворяться в железе в различных количествах. И все это будет сталь? Нет, сталью считается только тот сплав, в котором количество углерода не превышает двух процентов. Самое интересное, что чем больше в сплаве углерода, тем сталь делается более крепкой... и более хрупкой. Впрочем, слово "хрупкость" в металлургии редко употребляется. Вместо него в ходу слово "пластичность". Этот антипод хрупкости. Пластичность — это свойство материала изменять свою форму под влиянием внешних сил. Железо пластично, когда под ударами молота даже в холодном состоянии принимает форму нужной детали. Но ведь в техническом железе почти нет углерода, кроме того мизерного количества, которое перешло из угля в процессе восстановления руды.

Итак, чем больше углерода, тем сталь делается более крепкой (это хорошо!) и менее пластичной (это плохо!). Вспомните фильм "Три мушкетера". Перед тем как начать драться на дуэли, и его лихие друзья сгибали шпаги в полукруг, пробуя их упругость. Шпагу из высокоуглеродистой стали так не согнешь — лопнет. Но шпага должна быть и крепкой, иначе что это за оружие! Как совместить эти противоречивые требования - крепость и пластичность? Вот задача, которую металлургия ре­шает все восемь тысяч лет своего существования.

Еще в глубокой древности восточные мастера знали секреты производства исключительно крепкой и пластичной стали. Толь­ко в те далекие времена ее называли не сталью, а булатом.

Сколько сказочных легенд создано о нем за тысячелетия! Сколько достоверных сведений, похожих на самые удивитель­ные легенды, знаем о булате мы сегодня! Достоверно одно: бу­латная сталь обладала уникальными свойствами — клинки из нее пробивали самые лучшие доспехи, а способность к затачиванию была у них столь высокой, что они разрезали подброшенный в воздух шелковый платок.

Нет, пожалуй, другой тайны, которая хранилась бы так же свято, как секреты производства булата. Из поколения в поко­ление, от отца к сыну передавали мастера секреты изготовления булата. И секретов этих было столько же, сколько мастеров: каждый из них знал какие - то особые приемы, повышающие качество металла. Поэтому у каждого мастера получался свой булат, в чем - то отличающийся от других. Но одно было обязательным, неизменным для всех булатов — волнистые узоры на поверх­ности клинков. По различиям в этих узорах определяли и сорт булатной стали, и даже ее изготовителя. Сокровенные тайны производства булата явились и главной причиной того, что уже извест­ная и отработанная в металлургии тех­нология была утрачена, а производство булатной стали прекращено. Цепь преем­ственности семейных секретов когда - ни­будь должна была прерваться. То у ма­стера рождались одни дочери и некому было передать тайну, то он внезапно по­гибал... Окончательно погубил булат жестокий завоеватель Тимур (Тамер­лан).

Разгромив страны Востока, он свез к себе в Самарканд всех ремесленников, оставшихся в живых. Оторванные от родины, не имеющие наследников, ко­торых они по обычаю могли бы научить мастерству, умельцы унесли в могилу свои секреты.

На много веков производство булата оставалось для людей неразгаданной тай­ной. Сотни исследователей бились над решением этой загадки. И лишь около ста сорока лет назад выдающийся рус­ский металлург Павел Петрович Аносов раскрыл, наконец, секреты древних мастеров и возвратил людям булатную сталь.

Восточные мастера выплавляли булат в небольших глиняных сосудах — тиглях из тщательно подготовленной руды. По суще­ству этот способ ничем не отличался от общераспространенной технологии получения кричного железа, но... одно отличие все же было. Причем отличие, о котором европейцы знали, но не придавали ему никакого значения. Дело в том, что на востоке применяли мощные кожаные мехи, которые позволяли в неболь­шом объеме тигля получить очень высокую температуру, доста­точную для полного расплавления железа. Таким образом, у восточных металлургов получалась не крица, а жидкий металл, в котором все неметаллические включения (так называемый шлак) плавали на поверхности. Их не надо было "выдавливать" из куска железа долгой ковкой. По окончании плавки мастер просто наклонял тигель и сливал шлак.

А потом начинались секреты. Удалив подмастерьев из мастер­ской и тщательно заперев двери, мастер доставал из укромных уголков спрятанные растения — цветы, травы, ветки кустарника — и бросал их в тигель в раз навсегда установленной, только ему известной пропорции. У каждого мастера был свой набор расте­ний. Считалось, что их соки обладают "волшебными" свойства­ми - прочностью, гибкостью, вязкостью, которые и передаются металлу. И они действительно передавали... После того как растения сгорали в расплавленном металле, железо превращалось в сталь. А вместе с растениями, тоже в определенных пропорци­ях, в металл сыпали - графитовый порошок. Но он считался как бы подсобным материалом, не влияющим на качество металла. И невдомек было мастерам, что как раз графит - то (чистый угле­род!) и превращал железо в сталь.

Добавляя в расплавленное железо графитовый порошок, каждый мастер придерживался своих пропорций. В результате и булат у каждого получался свой, не похожий на другие, — у од­них покрепче, у других послабее, зато пластичнее. Но в конце концов каждый ремесленник находил ту необходимую пропор­цию, при которой кромка лезвия не крошилась бы при самой тонкой заточке.

Ну, а травы и цветы, столь, казалось бы, несовместимые с тя­желым и трудным процессом получения металла, — какую они сыграли роль? Огромную. Дело в том, что в растениях содер­жатся многие неорганические вещества. Например, в яблоках много железа, в других растениях содер­жится марганец, молибден, ванадий. А они придают стали совершенно особые свойства. Сталь становится еще более крепкой и одновременно более пластич­ной. Сейчас мы вводим эти вещества в сталь в чистом виде. Они называются легирующими добавками, а получаемая сталь - легированной. Естественно, подбор растений влиял и на свойства стали. У одних мастеров она получалась марганцовистой, у других — молибденовой, у третьих — ванадиевой.

...Последняя травинка сгорала в кипящем вареве, и мастер выходил на све­жий воздух. Главное сделано. Теперь подмастерья могут изготовлять из булата клинки, шлемы, кольчуги. Звонко забили молоты, и вот уже на наковальне ярко заалел готовый клинок. Мастер кинул взгляд на одного из подмастерьев, и тот опрометью бросился к коновязи, на ходу надевая на правую руку толстую кожаную рукавицу. Вихрем мчался конь по вечерней пустыне. Всадник, высоко подняв руку, крепко сжимал в ней медленно остывающий на ветру только что откованный мяч.

Так в Дамаске производилась вторая важнейшая технологическая опера­ция — закалка стали.

Закалку открыли еще в Древнем Египте. Открыли, разумеется, случайно. Желая побыстрее охладить только что откованное изделие, его погружали в холодную воду. И заметили, что после этого металл становится гораздо крепче. Из Египта закалка распространилась по все­му миру.

В "Одиссее" Гомера мы встречаем уже образное описание процесса: «Как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо, — крепче железо бывает, в воде и огне закаляясь».

Конечно, во времена Гомера не могло быть и речи о научном объяснении протекающего при закалке процесса. Считалось, что все дело не в свойствах металла, а в свойствах жидкости: мол, ее особые качества наделяют металл крепостью при быстром ох­лаждении. На этой почве создается целый ряд фантастических представлений и религиозных мифов. В рукописи IX века до нашей эры, найденной в одном из храмов в Балгале (Малая Азия), рекомендуется, например, такой рецепт закалки кинжала: "Наг­реть до тех пор, пока он не засветится, как восходящее в пусты­не солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погру­жая в тело мускулистого раба... Сила раба, переходя в кинжал, и придаст металлу твердость".

Средневековый рецепт не кровожаден, но, тем не менее, тоже мало привлекателен: булат рекомендовалось закалять в моче ры­жего мальчика. Почему именно рыжего?

Да потому, что в ста­рину рыжим приписывали особые "колдовские" свойства.

Варварство, скажете вы, суеверие. Да, и варварство, и суе­верие. Но не только это. Страшно подумать, сколько рабов отдали свои жизни, чтобы кинжалы правителей перерубали платок на лету. Но клинки, действительно, гораздо лучше закаливались в человеческой крови или моче, чем в простой воде. Объяс­нение этому очень простое: закалка в растворе солей протекает медленнее, чем в чистой воде. А некоторые сорта стали требуют при закалке как раз замедленного охлаждения. В древнем Дамаске такое охлаждение и достигалось закаливанием на ветру. Позднее там же, под Дамаском, между двух гор, построили даже специальный коридор из камней. Когда дул северный ветер, то на выходе из коридора он валил всадника с лошадью. Дож­давшись ветра, мастера ковали оружие. Схватив клинок из - под молота, подмастерье бежал к коридору и подставлял его под упругие струи сжатого воздуха.

Вот так изготавливали знаменитые клинки. В средние века, когда секрет их производства был утрачен, появились рецепты мои учения так называемого ложного булата. Изделия, выполнен­ные по этим рецептам, по внешнему виду походили на настоя­щий булат, имели те же характерные узоры, но оставались всего лишь хорошей подделкой.

Вот один из таких наиболее распространенных способов полу­чения "булата", дошедший до наших дней. Его применяли еще в прошлом веке. Оружейник брал несколько полос кричного железа, обязательно из разных горнов. Их нагревали в кузнеч­ном горне и долго просовывали, неоднократно прерывая про­цесс для подогрева полос. Считалось, что чем глубже разное железо "войдет друг в друга", тем лучше. Затем из образовав­шегося сплошного куска металла выковывали в оружие.

Потом наступало самое главное. Путем многократных отжи­гов и охлаждений с различной скоростью мастера добивались появления на поверхности металла заветных волнистых узоров, и "булат" был готов.

Он тоже, кстати сказать, разрубал на лету шелковый платок, но качество клинков, хотя и было достаточно высоким, намного уступало настоящему булату. Именно так из­готавливали, например, знаменитые самурайские мечи "когата" и "тёгата", с помощью которых знатные японцы делали себе харакири, когда кодекс самурайской чести — бусидо — не оставили им иного выхода.

Однако ни овеянные легендами булатные клинки, ни самурай­ские мечи не сыграли сколько-нибудь заметной роли в позднем средневековье, а тем более в дальнейшие эпохи. Потому что исход отдельных сражений и целых военных кампаний решало в ту пору уже не холодное оружие, а "бог войны" — артиллерия и, позднее, ручное огнестрельное оружие. Первые пушки были при­менены в битве при Лигнице (Австрия) в 1241 году. С тех пор и по наше время ведется нескончаемая война между броней и сна­рядом. Война, которая окончится только с полным исчезнове­нием борющихся "сторон".

Как же из сварочного железа в прошлом получали углеродистую сталь? Археологические находки говорят о том, что уже в глубокой древности был известен способ цементации (науглероживания) железа. Для получения высокой твердости и прочности углеродистую сталь необходимо закалить. Древние знали и это.

В средние века секреты многих способов цементации железа были утеряны, но в XVII веке они вновь начинают широко применяться. Один из первых патентов в мире был выдан английским королем Яковом в 1617году лондонским ремесленникам Вильяму Эллиоту и Матису Мейсею — на изобретенный ими способ переработки железа при помощи цементации.

В древней Руси наряду с железом часто применяли углеродистую сталь. Наибольшее распространение получили способы изготовления ее в кузнечном горне, обычный кузнечный горн клали железную крицу, засыпали ее древесным углем и нагревали. Начиная с температур 700—900°С, углерод диффундировал (проникал) в железо. Кузнец вынимал крицу и быстро охлаждал ее в воде или снеге. Сталистая поверхность крицы охрупчивалась и при ударах молота отделялась. Подобную операцию проделывали до тех пор, пока вся крица не превращалась в стальные пластины. Полученные пластины отжигали и сваривали между собой.

На Руси было также хорошо известно науглероживание (цементация) всей массы железного изделия. Для этого изделие вместе с карбюризатором (древесным углем) закладывали в огнеупорный сосуд, сделанный из глины или кирпичных плиток, нагревали в горне до высокой температуры и выдерживали длительное время. Таким образом получали углеродистые стали, содержащие не более чем 0,4—08% углерода.

С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость, износоустойчивость и прочность. Лучшие клинки из сварочного булата изготовлялись из стальных полос, содержащих 0,6—0,8% углерода, в то время как индийский вутц или литой булат содержал от 1,6 до 2,0%, углерода. Нет сомнений, что по сравнению с сыродутым железом и среднеуглеродистой сталью булат имел фантастическую по тем временам прочность и износоустойчивость.

Со временем сыродутный процесс получения железа совершенствовался. Горн представлял собой уже каменную камеру квадратного сечения со стороной примерно 1,2–2,0м и высотой 1м. Камеру заполняли глиной и формировали рабочее пространство грушевидной формы с отверстием в верхней, более узкой части. Железо и древесный уголь в такой горн загружались слоями. В передней стенке горна делалось отверстие для его разогрева дровами, выпуска шлака и выгрузки готовой крицы. Воздух нагнетали через огнеупорную трубку (сопло) мощными мехами. В таком горне температура процесса была поднята до 1000 — 1100°С, и это позволяло получать крицы массой 20—25кг.

Существенными недостатками сыродутного процесса была низкая производительность и небольшая степень извлечения железа из руды — всего 50%. Поэтому в дальнейшем стремились повысить производительность посредством увеличения площади поперечного сечения горна и особенно его высоты. Это стало возможным после изобретения гидравлического колеса, которое увеличило мощность мехов, позволило вдувать в горн большее количество воздуха под более высоким давлением.

Теперь температура процесса повысилась до 1250 — 1350°С, и воздух стал проникать через более высокий столб шихты. Но главное, значительно изменились температурные условия по высоте горна: в верхнюю часть горна попадало меньше воздуха, и его температура понизилась, а в нижней его части температура была значительно выше. Поэтому в нижней части горна руда восстанавливалась быстрее. Шлака здесь еще было мало, и восстановленное железо поглощало углерод. Последнее привело к тому, что в сыродутных печах вместе с тестообразной крицей и жидким шлаком начали получать еще очень жидкий металл со странными свойствами: он был хрупкий и не поддавался ковке. Сегодня все знают, что это мог только чугун — сплав железа с 3 - 4% углерода. Его температура плавления примерно 1200°С.

Когда было замечено, что чугун образуется там, где железо долго соприкасается с углем, его начали считать негодным продуктом, получающимся из - за расстроенного хода плавки. Поэтому чугуну дали нелестные названия – «вода», «чугунная свинка», «чушка». В Англии чугун до сих пор называют «свинским железом» («pig iron»).