Дамасская сталь: мифическое происхождение и загадка без ответа

    Исторически, родиной узорчатой литой стали считается Индия. В Индии железный век начался на рубеже VIII-VII веков до нашей эры, в некоторых источниках указывается начало производства узорчатой стали в Индии около 300 года до н.э.

    Алексанр Македонский во время своего похода в Индию столкнулся с войском царя Пора, оружие индийских воинов было изготовлено из неизвестной тогда грекам стали, и намного превосходило греческое по прочности и остроте. Индийские народы малли и оксидраки преподнесли Александру сто талантов индийской стали спрессованной в бруски.

    Аристотель упоминает индийскую сталь называя ее "ferrum candidum" т.е белое железо, Плиний определяет в числе самых дорогих видов стали "ferrum Indicum" и "ferrum Sericum".

    Путешественник Марко Поло, ХIII в. в своей "Книге о разнообразии мира", отмечает особый вид стали "ondanicum" онданик, считается что это род индийской стали, из которой выделывались лучшие мечи. Также известны названия "хундувани", "алкинде" которые предположительно обозначали сталь из Индии. Об узорчатой стали говорится в трактатах арабских ученых Аль-Бируни, Аль-Кинди и Едризы.

    В античности слитки узорчатой стали импортировались в Дамаск, который был крупным центром металлообработки в древнем мире, где около 300 года нашей эры римский император Диоклетиан построил оружейные заводы и арсеналы.

    Постепенно технология производства распространилась на запад, в страны Средней Азии. В древнем городе Мерв, находящемся на территории современного Туркменистана, недавно при раскопках обнаружены крупные металлургические мастерские по производству узорчатого металла, этот вид стали производился в Мерве в конце IX - начале X веков.

    С оружием, изготовленным из литой узорчатой стали, европейцы впервые познакомились во время крестовых походов. Хотя сварочный дамаск был известен еще во времена Древнего Рима, в Европе долго не могли различить литой и сварочный металлы. Технология сварного узорчатого металла использовалась достаточно широко, и никогда не исчезала в отличие от технологии тигельной плавки.

    В Индии уже в XVIII веке производство тигельной стали постепенно сходит на нет, а к началу XX века почти прекращается, во всяком случае о крупных поставках "вутца" в западные страны, как это было раньше, говорить не приходится. Литая узорчатая сталь производилась так же и в странах Ближнего Востока, но самые лучшие сорта булата производились в Индии в X-XII веках.

    С конца XVI века ученые и металлурги Западной Европы пытались разгадать тайну булатных узоров. Интерес к индийской узорчатой стали особенно возрос после того, как в середине XVII века турецкий султан начал карать смертно за ее вывоз. В начале XVIII века, где-то в период между 1715 и 1723 годами, покровитель Реомюра, герцог Орлеанский, будучи регентом, посылал французских мастеров в Каир для изучения искусства получения узорчатой стали. Правда, безрезультатно.

    После колонизации Индии Великобританией в Европу попали первые образцы индийской стали. В Англии, индийскую узорчатую сталь назвали "wootz"-вутц, впервые это слово прозвучало в докладе Джона Пирсона "Эксперименты и наблюдения об исследовании природы вида стали, производимого в Бомбее и именуемого там "вутц" зачитанного перед Королевским обществом 11 июня 1795 года. Предположительно это слово является искаженным словом "ukku" или "hookoo" обозначающих сталь на некоторых диалектах языков Индии. В начале 1800-х годов, появляются многочисленные описания процесса изготовления узорчатой стали в Индии, это произвело всплеск интереса к исследованию индийской тигельной стали.

    Многие европейские ученые проводили опыты с целью выявления состава "вутца", способов его обработки. Во Франции исследованиями индийской узорчатой стали занимается химик Пьер Бертье, и Гюитан де Морво. Гюитану де Морво мысль о необходимости изучения дамасской стали подал естествоиспытатель и писатель Джордж Луис Леклерк граф Бюффона. Свои исследования де Морво провел в Париже в 1798-1799 годах. Он, проводил опыты по выплавке стали, и для своего опыта использовал алмаз массой 0,907 грамма, что составляет более четырех с половиной каратов.

    Де Морво был в этом не одинок. За несколько десятилетий до опытов де Морво швед Свен Ринман впервые заинтересовался проблемой дамасской стали. Он различал "дикую" и "натуральную" дамасскую сталь. Ринман вообще отрицал возможность появления узоров на литой стали. Он считал, что узоры булата могут быть только результатом сваривания стали и железа разной твердости, а различие в узорах зависит от способов сварки.

    C тех пор число ученых, стремившихся постигнуть искусство индусских мастеров, непрерывно увеличивалось.

    Дэвид Мюшет в 1804 впервые предположил что необычные свойства "вутца" обьясняются высоким содержанием углерода в металле.

    Одним из первых в Англии пытается решить эту задачу известный физик XIX века Майкл Фарадей. Будучи сыном кузнеца, Фарадей с детства был знаком с изготовлением стальных и железных изделий, он также знал методы химического анализа металлов. Фарадей часто встречался с неким Джеймсом Штодартом, кузнецом по профессии, который изготовлял ножи и потому интересовался индийской сталью.

    Джеймс Штодарт показал Фарадею кусок стали, который привез из Бомбея некий доктор Скотт. На изготовленном из нее складном ноже были характерные узоры Штодарт подарил ему нож и попросил взять образец дамасской стали и определить ее химический состав. Результат анализа был довольно необычным: Фарадей обнаружил в стали один процент глинозема и кремнезема. Можно было сделать единственный вывод: индийская сталь представляет собой сплав железа с материалом, содержащимся в глиноземе и кремнеземе.

    В 1819 году Фарадей и Штодарт приступили к экспериментам. Они планировали получить сплав, обладающий высокими режущими свойствами, превосходящими подобные свойства любой другой стали. Фарадей и Штодарт начали плавить железо и легировать его всевозможными добавками. Они приготовили несколько сплавов чугуна с алюминием. Чугун дробился, растирался в порошок, смешивался с чистым алюминием и сплавлялся в закрытом тигле. Полученный сплав содержал 6,4% алюминия и внешним видом был похож на вутц.

    Можно только поражаться тому, что Фарадею и Штодарту удалось выполнить необходимые исследования всего за несколько недель. Практически каждый день они проводили опытные плавки на небольшом лондонском сталеплавильном заводе, который арендовали. Сталь легировали платиной, родием, золотом, серебром, медью, оловом, в качестве легирующих элементов взяли еще хром, иридий, осмий и палладий. Эти опыты подтвердили способность таких сплавов давать "струистую" структуру, якобы обеспечивающую высокие свойства.

    Изделия из фарадеевского "булата" не сохранились. Попытка одной из фирм использовать сплавы Фарадея для промышленных целей не увенчалась успехом, поэтому его предположение о природе булатного узора нельзя считать правильным.

    Директор Парижского монетного двора, Жан Робер Бреан поддерживал мнение Фарадея о том, что булат — сплав железа с какими-то металлическими примесями, подобно тому, как бронза — сплав меди с оловом. Он проводит около 300 опытных плавок, изготовляя сплавы с различными металлами, пытаясь выплавить сталь не уступающую "вутцу". Его клинок из сплава высокоуглеродистой стали и платины (0,5%) даже демонстрировался на Парижской промышленной выставке. Кроме узора, никаких других свойств булата Бреану подтвердить не удалось. А сравнивать было с чем.

    Наполеон во время египетского похода захватил в качестве трофея булатные клинки, поражающие необыкновенной прочностью, упругостью и красотой узоров. Позднее, после многочисленных опытов. Бреан приходит к выводу, что булат — литая углеродистая сталь, в которой "при надлежащем ходе охлаждения происходит кристаллизация двух определенных соединений — углерода и железа", причем углерод находится в избытке. Это представление о существовании особого вида соединения углерода с железом в булатных сталях находит себе сторонников.

    Однако на основании опубликованых докладов М. Мериме и М.Г. Милле можно заключить, что и после приведенных работ многие западные металлурги продолжали отождествлять сварочный булат с индийским вутцем. Так, Мериме, описывая способ изготовления булата путем сваркижелезных полос с цементацией их хлопком, приводит свидетельства миссионера из Индии о том, что там при изготовлении клинков также применяют остатки хлопка. Этой ссылкой он пытается доказать, что секрет булата им раскрыт. К аналогичным приемам прибегает и Милле, который, получив сварочный булат при помощи особых способов цементации железа, отождествляет его с индийским вутцем.

    В то же время многие западноевропейские металлурги продолжают утверждать, что булат — сплав железа с другими элементами. Г. Бертье, Фабр дю Фор и другие получают узорчатую поверхность стальных изделий, сделанных из сплавов железа с серебром, платиной, хромом, и берут на этот способ патенты. Но все эти исследования так и не привели к открытию технологии промышленного производства литой узорчатой стали.

    При этом в Европе уже был известен способ промышленного изготовления литой стали. Пионером в производстве тигельной стали в Европе считается англичанин Бенджамин Хантсмен. Он открыл первый металлургический завод по производству литой стали в 1740 году. Хантсмен переплавлял куски сварочного железа и чугуна (выплавленного на древесном угле) в присутствии некоторого количества флюса, в результате получалась качественная сталь, которую использовали для изготовления иструмента. Но, при том что сталь Хантсмена была намного качественней существующей в то время инструментальной стали, это была однородная углеродистая сталь, и по своим свойствам она уступала индийскому "вутцу".

    Опыты европейских металлургов по изучению литой узорчатой стали происходили на фоне стремительного развития металлургии. В 1860 году в производстве литой стали начинают применять вращающийся конвертер Г.Бессемера, до этого основным способом получения стали было пудлингование и тигельная плавка.

    В 1861 братья Сименс, конструируют регенеративную пламенную печь, а 1864 году, французские металлурги Эмиль и Пьер Мартены, успешно применяют такую печь для выплавки стали. В 1878 году С.Томас, вносит значительное усовершенствование в бессемеровский процесс, применив кислую футеровку конвертера. С этого времени, основными процессами производства стали, становятся мартеновский, и бессемеровский, тигельная плавка и пудлингование постепенно отходят на второй план.

    Быстро развивается легирование стали, опыты металлургов по изучению «вутца» положили начало созданию легированных стальных сплавов. Роберт Мюшет, сын Дэвида Мюшета, одного из первых исследователей индийской стали, создает новую сталь. Новая сталь была сложнолегированной. В ее составе было пять процентов вольфрама, 2 – 3% марганца, немного хрома и кремния. Позднее в Шеффилде начали выплавлять эту сталь Мюшета. Долгие годы она оставалась лучшей инструментальной сталью, используемой на крупных станках при высоких скоростях резания.

    Независимо от Роберта Мюшета, другие исследователи (причем некоторые даже несколько раньше) тоже использовали вольфрам для легирования стали, в частности инструментальной. Роберт Абот Гадфильд легировал сталь самыми различными элементами, как до него это делали Фарадей и Штодарт. В 1883 году Роберт Гадфильд запатентовал марганцовистую сталь. Сталь Гадфильда, содержала не меньше 12% марганца и оказалась первой в ряду необычных сталей, превзойдя в этом даже самозакаливающуюся вольфрамовую сталь Роберта Мюшета.

    Новая сталь не поддавалась ни токарной обработке, ни фрезерованию. Когда сталь Гадфильда подвергали холодной ковке, то участки, на которые приходились удары молота, становились твердыми, и чем больше была степень деформации, тем тверже становилась сталь. Получилась сталь, сопротивляемость которой нагрузкам росла по мере их увеличения. Сталь Гадфильда является первой аустенитной сталью, примененной на практике. Атомы железа в кристаллах этой стали расположены так, как в чистом железе при высоких температурах.

    С изобретением марганцовистой стали широкое развитие получили исследования взаимосвязи структуры сплавов на основе железа и их свойств. На Всемирной выставке 1900 года специалисты впервые услышали о быстрорежущей стали Фредерика Винслоу Тейлора. Фредерик Тейлор и его друг, химик по образованию, Монсель Уайт работали на сталеплавильных заводах фирмы "Бетлехем Стил" в Филадельфии крупнейшем городе штата Пенсильвания (США).

    Как и у Роберта Мюшета, неожиданности были связаны с вольфрамом, которым легировали инструментальную сталь. Идея дополнительно легировать эту сталь хромом родилась по особым причинам. На Всемирной выставке 1878 года металлургическая общественность узнала, что хромистая сталь превосходит все ранее созданные и применявшиеся: такую закаленную сталь не брала ни одна другая. Это и натолкнуло Тейлера и Уайта на мысль легировать вольфрамовую сталь хромом. Новая сталь содержала не менее 18% процентов вольфрама и 4% процента хрома. раскаленный докрасна резец из этой стали не терял стойкости при обработке заготовки из другой стали. Скорости резания были в четыре раза больше обычных. Так начал свое победоносное шествие резец из быстрорежущей стали.

    На весенней 1889 года сессии Iron and Steel Institute инженер Джон Райли из Глазго сделал сообщение, о созданной им никелевой стали. Он привел характеристики прочности, которые вызвали удивление, смешанное с недоверием. 2%-ная никелевая сталь была почти в четыре раза прочнее обычного сварочного железа при вязкости, значительно превышавшей вязкость хромистых сталей. При увеличении содержания никеля в стали ее свойства становились еще лучше.

    Во Франции, России, Германии началось широкое производство и применение никелевых сталей, из них изготавливали конструкции и детали машин, испытывающие высокие и сверхвысокие по тем временам нагрузки. При таком развитии технологий легированных сталей, потребность в воспроизводстве легендарного "вутца" потеряла свою актуальность, металлурги создавали все новые и новые стальные сплавы, которые отвечали потребностям различных областей техники.

    В России в начале XIX века тоже велись поиски открытия технологии узорчатой стали. Русский металлург С.И Бадаев в 1820-1830 годах нашел способ получения высококачественной литой стали. В 1841 году выходит работа директора Златоустовской оружейной фабрики П.П Аносова "О булатах", в ней приводятся результаты многочисленных опытов по выплавке стали полностью повторяющей основные виды узоров древней индийской стали. П.П. Аносов называет свою сталь "русским булатом" и начинает получать узорчатую сталь в промышленном масштабе. Известно, что Аносовым изготовлено более 20 клинков и ножей из русского булата с узорами типа хорасан и кара-табан.

    В 50-х годах XIX производство узорчатых клинков на Златоустовской оружейной фабрике резко сократилось, её готовили только по заказам. В 1904-1905 г.г соратник П.П. Аносова, П.Н. Швецов в г. Златоусте занимался выплавкой узорчатой стали.

    В начале XX века основоположник русского металловедения Д.К. Чернов описывает механизм кристаллизации стали. Исследованием свойств "вутца" также занимались его ученики Н.Т. Беляев, и Н.И. Беляев, оба впоследствии опубликовали результаты своих опытов.

    В 1919 году профессор А.П. Виноградов в своей диссертации "Мягкий булат и происхождение булатного узора" излагает свои взгляды на формирование узоров в металле.

    В 50-х годах XX века группа златоустовских металлургов - И.Н Голиков, П.В Васильев, Ю.Г Гуревич, Н.Ф Лонгинов и Ю.И Люндовский занималась исследованиями узорчатого металла, ими были получены слитки высокоуглеродистой стали с включениями частиц малоуглеродистого железа. Из полученных слитков,специальными приемами ковки получили образцы "булатной стали".Способ был запатентован в 1955 году под как "Способ изготовления слитков булатной стали". Но, как утверждают авторы, "легендарной упругости булатных клинков достичь не удалось".

    В 70-х годах старший реставратор Владимиро-Суздальского музея-заповедника Вячеслав Иванович Басов занимается исследованием исторических технологий получения литой узорчатой стали. Результатом исследования стала разработка технологии получения слитков булатной стали, впоследствии запатентованная.

Эту и другие интереснейшие и познавательные статьи на тему сталей Вы можете найти на сайте dendrite-steel.narod.ru