← Статьи

Сталь или булат?

 

Запад есть Запад, Восток есть Восток, и вместе им не сойтись © Р. Киплинг

Введение или лайт-версия в целях смягчения эффекта «много-букафф-ни-асилил».

 

Исследования химического состава исторических образцов восточного булата показали, что в клинках 11-19 веков содержится парадоксально много по современным меркам вредных, опять же по современным понятиям, легирующих примесей - в первую очередь фосфора, а иногда и меди и серы. Это объясняется особыми технологиями выплавки булата в Индии и арабском мире, при которых содержащие фосфор, серу и медь вещества осознанно, в рассчитанных количествах, вводили в состав исходной шихты. 

Однако русские исследователи булата единодушно считали булат наиболее чистой от примесей сталью, чем и объясняли легендарно превосходные качества булатных клинков. Основываясь на таком понимании сути булата П.П. Аносов в 19-м веке выплавил сталь высокой чистоты и изготовил из нее несколько клинков, которые по своим качествам значительно превосходили современные ему клинки из английской литой стали. В настоящее время сравнительные испытания показали, что по режущей способности чистая промышленная сталь в несколько раз превосходит клинки из исторического булата индо-иранского региона. 

В то же время клинки, изготовленные из «чистой стали», не обладали четким, упорядоченным узором, который является отличительным признаком булата. Следовательно, понимание сути булата российскими исследователями в корне отличалось от понимания смысла направленных ими действий восточными мастерами древности.

Зачем, для чего, для каких целей помимо получения внешне красивых узоров древние мастера на протяжении многих сотен лет вводили в состав клинковой стали фосфор, медь и серу – этот вопрос требует дополнительного осмысления и практических исследований. 

Известно, что со времен раннего Средневековья и фактически до начала 20-го века лучшим клинковым оружием считались мечи и сабли, изготовленные из булата, древней тигельной стали. Один из столпов научной металлургии профессор Д. К. Чернов в 1868 году написал, что «Самая лучшая сталь, которую когда-либо, где-либо делали, есть без сомнения булат». Прославленный исследователь булата П.П Аносов в 1841 году утверждал, что бритва из хорошего булата, без ошибок приготовленного, выбреет по крайней мере вдвое больше бород, нежели лучшая английская, а хороший булатный клинок, одинаково закаленный со стальным, всегда его надрежет или надрубит. Столь же высоко он отзывался и о упругих свойствах выплавленного им булата - «…это есть предел совершенства, который в стали не встречается». Основатель «Электростали» инженер-металлург Н.И. Беляев уже в начале прогрессивного 20-го века тоже, в сущности, согласился со своими предшественниками, написав о булате, что «как углеродистая сталь он суть верх совершенства». 

Но в дифирамбах легендарной стали есть нюанс - а что подразумевали эти русские люди, говоря о булате? Выясняется, что не обладая точной информацией они имели в виду совсем другой металл чем тот, который был реально известен на Востоке. Во всяком случае, совершенно отличный от большинства его сортов.

Так, Д.К.Чернов, предваряя свое утверждение о высшем качестве булата писал, что сталь является соединением железа и углерода, и чем чище это соединение, тем лучше, тем выше качество - поэтому булат и является лучшей сталью. Также и Аносов на основании своей работы пришел к выводу, что булат представляет собой «сплав железа и углерода и ничего более». 

В то же время исторические булаты индо-иранского региона имели далекий от представлений первых российских исследователей весьма специфический хим. состав. Известно, что практически все исследованные до настоящего времени клинки из восточных булатов (около 50 образцов) имели очень высокое содержание фосфора. По данным работ Верховена, Жокке, Таганова и других, среднее содержание углерода в классических восточных булатах составляет около 1.5% С при повышенном содержание фосфора - в среднем по 0.15%, что в несколько раз больше его содержания в современных инструментальных сталях. 

Исследования исторических методов выплавки булата говорят о том, что легирование фосфором производилось древними металлургами целенаправленно и вполне осознанно. Сегодня известно около 30 исторических названий сортов булата, и даже еще в 19-м веке на рынках Стамбула-Константинополя предлагали на выбор клинки из 12 различных сортов. Несмотря на такое разнообразие сортов\марок булата все они выплавлялись по трем основным технологиям, носящих условное название индийского, арабского и иранского методов.

Начнем по алфавиту, с арабского метода выплавки. Омар Хайям (11 век) в книге «Норуз-наме» привел способ выплавки, который сам он приписывает Аристотелю. Для получения булата надо было приготовить смесь из 0.5 кг мягкого железа, одной части магнезии (сульфат магния), одной части коралла и одной части яри-медянки (краска, соль меди). Из общего количества взять 1.5 кг этой смеси и расплавить в тигле. Затем к каждым 500 граммам железа в этом расплаве добавить 250 граммов 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. Затем остудить и делать из полученного сплава мечи. 

Более точно схожий «арабский» способ в 9-м веке описывал Аль-Кинди. Он рекомендовал положить в каждый тигель по 2.2 кг лошадиных подков и гвоздей от них, по 33.5 грамма медной окалины, золотистого марказита (серный колчедан, полисульфит железа) и мягкой магнезии. Тигли с этой смесью накрывали крышкой, ставили в печь и раздували меха до тех пор, пока все не расплавится. Затем следовало 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 граммов. Вслед за этим сильно раздували огонь в горне - как сказано, самым безжалостным образом, затем дутье прекращали. 

Обратим внимание, что в шихту целенаправленно добавляли серу на первой стадии выплавки в виде различных сернистых соединений - возможно, для резкого ускорения процесса цементации железа. Последующая обработка расплава известковым флюсом из кораллов и перламутра обеспечивала, вероятно, как раскисление металла, его дегазацию, так и некоторое очищение от громадных примесей серы – при одновременном легировании фосфором, в немалом количестве, содержащемся в ракушках и кораллах. Так же в «арабском» булате непременно присутствовала и медь.

В Индии применяли принципиально другую, рудную технологию выплавки булата. Аль-Бируни в 10-м веке передает сведения, что самое дорогое оружие индусы ковали из металла, получаемого тигельной плавкой кристаллической буры и руды – магнетитового красного песка, добываемого в Северной Индии. Много позднее Сесиль Шверз (Сесиль Риттер фон Шварц), директор англо-индийской металлургической компании, в 19-м веке изучал методы производства «вутца» и привел рецепт прямого получения тигельной стали непосредственно из руды. Согласно этому рецепту, в тигель вместе с древесным углем и остеклованным флюсом следовало засыпать смесь мелких частиц двух руд - бурого и магнитного железняка, а именно три части магнитного железняка и две части бурого. Примечательно, что в тигель обязательно закладывали и некоторое количество листьев определенных растений – или Convolvulus Lanriflora, или Calotropis gigantea.

Таким образом, классический индийский метод заключался в выплавке клинковой стали непосредственно из руды.

По поводу использования листьев и другой растительной органики мне думается, что их использование имело целью своеобразное легирование металла. Известно, что разные растения накапливают растворенные в почве элементы – причем тоже разные. Например, московский мастер середины 20-го века, потомственный кузнец Павел Зубков при выплавке булата для получения четкого узора добавлял в тигель строго рассчитанное количество золы от тополиных сережек.

При видимой разнице в процессах плавки в арабском и индийском методе обнаруживается и нечто общее - а именно обязательное наличие в индийском металле «вредных» примесей фосфора. Вот, например, процентный состав руд из двух месторождений севера Индии:

 

В результате тигельной технологии выплавки из этих руд кремния и серы в металле практически не остается, т.к. соединяясь с оксидом кальция они переходят в шлак. А вот фосфор не удаляется, но переходит в слиток, поэтому индийские булаты весьма высокофосфористые.

Узор индийского клинка

Грузинский клинок Геурга Елиарова с узором «кара-табан», откованный из "плит индийского железа"

Возникает естественный вопрос – зачем древние металлурги на протяжении сотен лет в прямом смысле слова расчетливо вводили в состав шихты клинковой стали серу, фосфор и медь, т.е. именно те элементы, от которых их современные коллеги стараются избавиться в первую очередь, считая их ядом для стали? 

Что ж, все есть яд и все есть лекарство - дело лишь в дозе © Гиппократ. Сера, фосфор, медь - все эти «вредные» элементы целенаправленно добавлялись древними мастерами потому, что они сильнейшим образом усиливают ликвацию в стали. Проще говоря, они обеспечивают резкую неоднородность булата, проявляющуюся в его четком узоре.

Локальная концентрация фосфора в светлых слоях булата при среднем содержании 0.15% увеличивается почти в 3 раза, до 0.4% и эти фосфористые участки при термомеханической обработке являются местом выделения карбидов. Вследствие этого при среднем содержании в 1.5% концентрация углерода в светлых фосфорно-карбидных слоях доходит до 3-4%. Кроме того, в светлых слоях наблюдается и повышенное содержание серы - до 0.18% при среднем по объему значении 0.01%, т.е. увеличение почти в 20 раз.

Для эксперимента я специально выплавлял булат\сталь с содержанием серы в несколько десятых процента, т.е. в десятки раз выше чем в обычной стали – и обнаружил парадоксально резкое повышение коррозионной стойкости металла, практически до нержавеющего состояния. К такому же эффекту приводит и одновременное легирование стали фосфором и медью, что вполне теоретически обоснованно используется в современной промышленной коррозионностойкой стали марки кор-тен. Попутно отмечу, что расковка таких «грязных» слитков никакого удовольствия мне не приносила.

Распределение фосфора и углерода по слоям в образце булата. Из статьи Д. Суханова «Структурообразование Индо-Персидского фосфористого булата».

Наличие большой примеси фосфора буквально заставляло кузнецов применять строго определенные режимы расковки получаемых твердых непластичных слитков, а именно невысокий нагрев и медленную ковку с небольшой деформацией за один нагрев. Дело в том, что еще в древнем Китае фосфор использовали при выплавке литейного чугуна. Внося в шихту т.н. «черную землю», содержащую большое количество железистых фосфатов, они снижали температуру плавления сплава с 1200 до 950 градусов. Но то, что полезно для литейных свойств, крайне вредно для расковки, поэтому слитки булата с высокофосфористыми или сернистыми легкоплавкими прослойками разваливались при «нормальном» для стали нагреве.

Узор древнего китайского клинка

Если ковать булат как обычную сталь…

Таким образом, общим для технологии выплавки булата и в арабском и в индийском методах являлось наличие добавок фосфора. При этом технология выплавки слитков и режимы их расковки автоматически приводили к получению резко неоднородной структуры металла, ярко проявляющейся в виде четкого узора на поверхности клинков. 

Итак, что мы имеем в «сухом остатке», после выпаривания всех и всяческих подробностей технологических особенностей в производстве восточного булата? Со всей очевидностью ясно, что его старинные виды представляли собой высокоуглеродистую сталь, целенаправленно и осознанно легированную фосфором, а иногда и серой и медью. Образно говоря, это похоже на противоестественную с точки зрения диетологии смесь сала с горчицей и водкой. Но почему-то и та, и другая смеси издавна и широко применялись. 

Таким образом, заявления знаменитых российских металлургов 19-го века о необыкновенной чистоте булата не имеют под собой реальных оснований. Во всяком случае, в большинстве случаев. 

Но эти знаменитые россияне, Чернов и Аносов, потому и знамениты, что были вовсе не глупыми фантазерами, а напротив, делом доказали истинность своих заявлений. Исследованные образцы златоустовского булата действительно имели весьма высокую степень чистоты по сере и фосфору, превосходящую чистоту даже современных инструментальных сталей и были в 10 раз чище восточных образцов. В лаборатории Горного института еще в 1841 году был исследован один из лучших клинков из аносовского булата. Результаты были опубликованы в «Горном журнале».

 

В наше время златоустовский металлург В.Ю. Герасимов совместно с академиком В.М. Счастливцевым исследовал образец булата Аносова – или, во всяком случае, саблю с надписью «Златоуст 1841г. Литой Булат П. Аносова». Был сделан химический и структурный анализ металла. Впрочем, процентное содержание именно фосфора и серы не определялось.

Для сравнения приведу данные исследования знаменитого королевского меча 10-го века, хранящегося в сокровищнице в Эссене.

Очевидно, что этот меч для германских королей отковали из местной рафинированной стали в полном соответствии с европейскими представлениями о качестве – чем чище, тем лучше.

Действительно, прав был Чернов, говоря, что чем сталь чище, тем она лучше. Прав был Аносов, когда в итоге своих многолетних практических опытов пришел к необходимости выплавлять наиболее чистый, без примесей, металл. По-видимому, они ошибались лишь в том, что считали свою сталь - булатом.

Слоистая микроструктура восточного булата

Хаотичная карбидная микроструктура металла Аносова

 

Сказать, оно конечно можно, а ты пойди демонстрируй. © Д.И. Менделеев.

Аносов выразил общее народное мнение, сказав что «...под словом «булат» каждый россиянин понимает сталь более крепкую и острую, чем обычная». Однако реальные механические характеристики восточного булата оказались совсем не так высоки. Так, для проверки верности легендарных сведений австрийский ученый проф. Жокке (Zschokke) в 1924 году провел исследования нескольких старинных булатных сабель из подаренной Бернскому Историческому музею коллекции Генри Мозера. Он провел измерения некоторых прочностных характеристик металла сабель – твердости, работы изгиба и сопротивления изгибу. Оказалось, что по этим показателям восточный булат в 2-5 раз уступал аналогичным свойствам литой стали даже того времени, хотя именно упругие свойства булатных сабель легендами преподносились как непревзойденные. Столь же непревзойденной считалась и острота восточного булата. - кто не слышал о разрезании падающего на клинок шелкового платка?

Ну что же, есть философский принцип марксизма, что критерий истины – практика, опыт. Для ответа на вопрос «что лучше?» были проведены практические испытания режущей способности нескольких старинных булатных ножей (10 экземпляров) в сравнении с клинком из современной углеродистой стали. Длительность сохранения ими остроты производилась резкой стандартного пенькового каната. В качестве контрольного образца использовался нож из нелегированной, чистой инструментальной стали с 1.2% углерода марки У12А советской выплавки.

Булатные ножи, показавшие лучший результат

Итоговые результаты испытаний показали, что реальная режущая способность исторических восточных клинков, а именно длительность сохранения ими приемлемой практической остроты, в среднем в 3 раза хуже, чем у современной нелегированной инструментальной стали. Перефразируя Аносова можно сказать, что старинная булатная бритва выбреет в три раза меньше бород, чем хорошая современная стальная.

Вероятно, такую разницу в результатах можно объяснить своеобразным химическим составом булата вкупе с его резкой карбидной неоднородностью. Известно, что большая примесь фосфора, особенно в сочетании с высоким содержанием углерода, крайне сильно охрупчивает сталь, снижая ее вязкость и пластичность, поэтому при силовом резе толстого каната тонкое завершение режущей кромки в местах выхода на нее карбидных слоев интенсивно изнашивается в результате микроскалываний и выкрашивания лезвия, в то время как близкая к булату по содержанию углерода, но чистая по фосфору современная сталь устойчива к такому износу и затупляется от истирания.

Таким образом, по результатам проведенных испытаний можно сделать вывод о весьма низких практических свойствах металла старинных восточных булатных клинков.

Микроструктура завершения булатного лезвия

Зависимость вида износа и угла заточки от размера карбидных включений

Микросколы на тонкой режущей кромке

Остро заточенная стальная кромка

Стружка на волосе -это возможности современной стали

Клинок сарматов, ровесников Аристотеля (4-й век до Р.Х.) и турецкий клинок 18-го века. Узор одинаков, а между ними более двух тысяч лет…

Но есть одно «но». Что же получается, все эти восточные люди, включая Аристотеля и Хайяма, были просто тупыми животными, которые за многие сотни лет не догадались выплавить чистую сталь и сравнить ее с тем, что они называли булатом? Да нет, знали они чистую сталь. Исследования многих археологических клинков показали, что они ничуть не грязнее по фосфору и сере, чем наша У12А. Указанный на фото сарматский клинок из раскопок тому пример, фосфора в нем нет.

Так в чем же дело? Зачем реально нужна фосфористая сталь с крупным узором? Не знаю. Думаю и работаю над этим. Собственно, вся эта статья есть предложение и вам - подумать.

Ведь Запад есть Запад, Восток есть Восток, и вместе им не сойтись, но… это только начало стиха. В его завершении они сошлись, найдя в себе что-то более общее чем география, когда индийский воин Востока вступил в английский полк и сражался там плечом к плечу с воинами Запада. Так и нам надо понять глубинную суть восточного булата, чтобы он в итоге успешно работал вместе с западной сталью.