Глава 7Русский булат
Наука, созданная исключительно в прикладных целях, невозможна; истины плодотворны только тогда, когда между ними есть внутренняя связь. Если ищешь только тех истин, от которых можно ждать непосредственных практических результатов, то связующие звенья исчезают и цепь разрушается
На память людскую надеяться нельзя, только и дела тоже разной мерки бывают. Иное, как мокрый снег не по времени. Идёт он – видишь, а прошёл – и званья не осталось. А есть и такие дела, что крепко лежат, как камешок, да ещё с переливом. Износу такому нет и далеко видно. Сто годов пройдет, а о нём всё разговор. Бывает и так, что через много лет оглядят такой камешок и подивятся:– Вот оно как сделано было, а мы думали по-другому. Такое вот самое и случилось с нашей златоустовской булатной сталью.,,,,
1.В текущем 2012 г. издана замечательная книга «Златоустовская оружейная фабрика». Её автор, Юрий Окунцов, придерживается мнения, что Павел Петрович Аносов, «которого принято считать великим учёным и металлургом», не был ни тем, ни другим, а являлся организатором и руководителем, и достижения его связаны со стремлением организовать максимально эффективное производство оружия и золота во вверенном ему округе. Да, скорее всего, именно это было главным побудительным мотивом Аносова, однако результатом его деятельности стало не только практическое применение полученных в ходе исследований результатов, но и новое знание, приобретенное научными методами. Вряд ли сам Аносов считал себя великим металлургом; исторические факты говорят о том, что он не стремился подтвердить свой статус научными степенями и званиями, и, тем не менее, это вовсе не мешало ему быть самым настоящим учёным.
Почему это актуально?
2.Один из «вечных» русских вопросов, который с роковой неизбежностью встает перед новым поколением студентов, звучит так: «Что нужно получить в результате обучения в университете: научные знания и инженерные компетенции или навыки карьерного роста и престижный диплом?» Кстати, а были ли вообще удачные примеры применения научных подходов к эффективному решению производственных вопросов в истории отечественной металлургии? Об одном таком замечательном случае рассказывает этот очерк.
Узор ради красоты или качества?
3.С самого начала опытов с литой сталью Павел Петрович Аносов ориентировался на булат как эталон металла с самыми высокими свойствами. Характерной особенностью восточного вутца был узор, т.е. макроструктура стали, указывающая на явную неоднородность металла. В начале XIX в. зарубежные специалисты не связывали форму узора с качеством металла. Они относили узор к внешним признакам, определяющим эстетику и создающим красоту поверхности изделия. Главный авторитет металловедения того времени Карстен утверждал, что «лучшая и наиболее однородная сталь есть именно та, которая наименее способна принять узорчатую поверхность». Вместе с тем в представлениях восточных мастеров неоднородность была главным отличительным признаком именно качества стали. Аносов, безусловно, склонялся ко второму мнению, поскольку с самых первых опытов подробно анализировал и описывал узоры на полученных отливках.
4.Аносов грамотно и методически безупречно выстроил свои исследования. В первую очередь он изучил всю доступную информацию о легендарном восточном оружии. Аносов выяснил, какие бывают булаты, чем они отличаются один от другого, какие из них считаются лучшими. В России было немало знатоков и коллекционеров, превосходно знавших виды и сорта булата, разбиравшихся в клинковых узорах, умевших установить подлинность изделия. Аносов изучал частные коллекции в Санкт-Петербурге, богатое собрание Царскосельского арсенала, обширную коллекцию начальника штаба Корпуса горных инженеров Константина Чевкина. Богатейшую коллекцию азиатского оружия удалось собрать оренбургскому военному губернатору генерал-лейтенанту Василию Перовскому, участнику Хивинского похода. С Чевкиным и Перовским Аносов долгое время поддерживал переписку, информируя о ходе экспериментов и получая ценные советы.
Булаты настоящие, ложные и искусственные
5.Исследовав большое количество образцов, Аносов по узору, грунту (фону), отливу научился определять разные виды булата, а также отличать настоящий булат от сварочного и «ложного» (штемпельного). Данные обо всех изученных видах булата Аносов систематизировал, занёс в таблицу и дал каждому сорту точную характеристику. Места вверху таблицы заняли табан, кара-табан и индийский вутц, далее следовали персидский кара-хорасан и хорасан, затем гынды, кум-гынды, нейрис, завершал перечень сирийский шам. Аносов также дал точное, хотя и небесспорное, определение булата.
Идеальный начштаба Константин Чевкин
Константин Владимирович Чевкин долгое время занимал должность начальника штаба корпуса горных инженеров. По мнению горного инженера Аполлона ЛоранскоГо (1846-1913), инспектора горного института и автора трудов по истории горно-металлургического производства России: «можно безошибочно сказать, что большинство реформ по горному ведомству, в особенности в царствование Императора Александра II, до 1874 г., были произведены при непосредственном участии к.в. Чевкина и всё важное предпринималось не иначе как с его совета». Известна также его плодотворная деятельность по развитию железнодорожного сообщения России, которая принесла ему прозвище «железнодорожного генерала».
6.«Булатом, – писал он, – называется всякая сталь, имеющая узорчатую поверхность; на некоторых булатах узор виден непосредственно после полировки, а на других не прежде, как поверхность ея подвергается действию какой-либо слабой кислоты. Сок растений или уксус, приготовляемый из пива, может заменить кислоту. Обнаруживание узоров называется вытравкою.
7.Узоры на стали могут быть весьма различны; но не всякая сталь с узорами должна быть названа булатом. На обыкновенной стали рисовкою и травлением наводят иногда узоры, подобные булатным; но как бы тщательно они сделаны ни были, опытный глаз не затруднится распознать искусство, не зависящее от свойства стали. Такие булаты называются «ложными».
8.Другой род булатов имеет, хотя искусственные узоры, но заключающиеся в самом металле, так что сколько бы раз ни повторять полировки и вытравки, оне снова появляются. Эти булаты известны под именем искусственных или сварочных. Они получаются чрез многократную сварку как различного рода стали между собою, так и с железом. Достоинство сих булатов может быть различно и зависит частию от качества первых материалов, частию от искусства мастеров».
9.Изученные источники позволяли утверждать, что лучшими по своим качествам являются булаты со сложными, переплетающимися рисунками на тёмном, иссиня-черном грунте. При наклонном падении лучей такие клинки дают выраженный золотистый отлив. У Аносова не было сомнений в том, что между внешним видом булатов и внутренним строением металла имеется органическая связь. Исходя из этой посылки, можно было переходить к натурным экспериментам.
Методика эксперимента
10.В первой серии опытов Аносов установил, что добавление в литую сталь легирующих элементов не позволяет получить булат. Вторая серия была посвящена изучению условий кристаллизации стали. Аносов исследовал кристаллизацию слитка в изложнице и тигле. Пытаясь обнаружить мелкие узоры, он начал изучать микроструктуру металла. Для этого он полировал и протравливал кислотами поверхность слитков.
11.Изучив действие различных кислот на стальной композит, Аносов выяснил, какие из них действуют на мягкое железо, а какими нужно травить углеродистый металл. Это позволило ему разработать оригинальную методику подготовки поверхности слитка и систематически использовать микроскоп для изучения структуры металла.
12.В следующей длительной серии опытов Аносов науглероживал сталь с помощью самых разнообразных «легендарных» материалов, о которых он нашел упоминание в литературных источниках своего времени. Были опробованы растения и продукты животного происхождения: различные породы дерева, цветы, рог сырой и жжёный, кость, пшено, мука и т.п. Было установлено, что все они придавали стали лишь «склонность к образованию булата».
13.Наступил черед «ископаемых тел», т.е. графита и алмаза (с последним по понятным причинам был проведён лишь один опыт, который не дал существенного результата). В ходе опыта № 107, несмотря на низкое качество графита (другого в то время в наличии не было), был выплавлен слиток «в нижнем конце которого были получены узоры настоящего хорасана. …Таким образом получен был первый клинок настоящего булата».
14.Дальнейшие эксперименты с графитом (как местным уральским, так и английским) показали сходные результаты, которые были существенно лучше, чем все предыдущие. Это дало возможность Аносову сделать важнейший вывод о природе булата: «Железо и углерод и ничего более. Всё дело в чистоте исходных материалов, в методе охлаждения, в кристаллизации».
Секрет древней технологии
15.В 1835 г. Перовский пр ислал Аносову индийский булатный клинок, которому, по его мнению, было не менее двух тысяч лет. Это натолкнуло Аносова на мысль, что металл, из которого он изготовлен, был произведен путём «прямого» восстановления железа из руды в тигле. Почти все опыты серии, в ходе которых железная руда восстанавливалась в тигле графитом, оказались удачными – полученный таким способом металл представлял собой неплохой булат. В своих трудах Аносов неоднократно подчёркивал, что, скорее всего, именно этот способ использовался древними металлургами для получения булата. Однако «как ни заманчив этот способ, но как он убыточен, то и оставлен, тем более что требует высокого качества руд и графита», древняя технология оказалась неэффективной для массового производства. В XIX в. необходимо было искать другие пути.
16.Несколько плавок были проведены по рекомендации Чевкина, который предложил повторить опыты по сплавлению железа с графитом и сажей, проведённые директором Парижского монетного двора Жаном Робером Бреаном. Эти эксперименты убедили Аносова в том, что Бреан, как и другие западноевропейские исследователи, еще очень далёк от возможности получения булата.
17.Далее последовали опыты с окалиной, кремнистыми и железистыми шлаками, со «старым», т.е. ржавым, железом, которое предпочитали некоторые восточные мастера. Было установлено, что получить булат можно и без использования графита, например непосредственно из чугуна. Аносов провёл опыты, в ходе которых получил доброкачественную сталь путём сплавления чугуна и железа с добавлением флюса и окалины. Комментируя этот факт, некоторые авторы произведений об Аносове утверждали, что авторство так называемого скрап-процесса, используемого при выплавке стали в мартеновских печах, принадлежит ему. Вопрос этот весьма спорный, однако попробуем в нём разобраться.
18.По поводу мартеновского процесса известный учёный-металлург Дмитрий Константинович Чернов на своих лекциях говорил: «Собственно нет никакого особенного мартеновского способа как металлургического процесса; эти инженеры приспособили газовую печь для ведения в больших размерах и на открытом поду тех же процессов, которые до того производились в тиглях». С этим авторитетным мнением нельзя не согласиться. Поэтому, если уподоблять мартеновскую печь большому тиглю, то при желании можно отдать приоритет в создании мартеновского скрап-процесса не только Аносову, но и безвестному китайскому кузнецу, который наверняка пользовался аналогичным способом двумя тысячелетиями ранее. Однако, как известно, ни публикации Аносова, ни свитки древних мудрецов Востока не повлияли на развитие мартеновской плавки – оно шло своим путём.
19.Кстати отметим, что если говорить о внедрении мартеновского способа производства стали в России, то в этом отношении аносовская и обуховская школы производства литой стали сыграли существенную роль. На тех заводах, где мартеновскую плавку осваивали выходцы из Златоуста, внедрение новой технологии шло практически без проблем, в то время как на других предприятиях приходилось сталкиваться с серьезными трудностями.
«О булатах»
20.Аносовым были разработаны четыре способа получения булата. Каждый из них имел свои особенности, в них использовались различные материалы, но каждым из них можно было получить сталь с узорами, которые Павел Петрович считал признаком металла высокого качества.
1. «Сплавление железных руд с графитом или восстановление и соединение железа с углеродом». Эту технологию Аносов видел подлинным способом получения булата на Востоке, но не рассматривал её, как подходящую для производства булата в заводских условиях.
2. «Сплавление железа при доступе углей или соединение его предварительно с углеродом и восстановление его посредством закиси железа». Этот способ представляет собой прообраз мартеновского скрап-процесса. Он также не подходил для массового производства, поскольку металл содержал слишком много углерода и с трудом подвергался ковке.
3. Получение «литого булата» путём отжига литой стали. Согласно этой технологии обычная литая сталь из тигля выливалась в специальные изложницы, а затем отжигалась без доступа воздуха в печи, сконструированной Аносовым. В результате отжига на поверхности стальных слитков проявлялись узоры, поэтому полученную сталь Аносов называл «литым булатом» и считал годным «на выделку дешёвых изделий: ибо пуд литого булата обходится около 10 рублей». Вообще же отжиг стали без доступа воздуха Аносов полагал важнейшим способом улучшения качества любой стали, в том числе цементованной и литой английской (ханстменовской) стали.
4. «Сплавление железа непосредственно с графитом или соединение его прямо с углеродом» считалось Аносовым наиболее выгодным «к получению настоящих булатов». Технология эта заключалась в сплавлении железа, графита, окалины и флюса в течение длительного времени с последующим охлаждением в тигле. Затем следовали ковка и закалка, которые также были подробно разработаны Аносовым. При этом он, по всей вероятности первым, описал образование усадочной раковины в металле в зависимости от условий кристаллизации, указал на недопустимость прижога (отпуска) закалённой стали из-за нагрева при шлифовке, а также предложил закалку в горячей среде (сале).
21.Получение булата последним способом Аносов описал в сочинении «О булатах», которое было издано в 1841 г. Он подробно изложил не только технологию плавки с получением булатного «сплавка», но и особенности ковки, термообработки и полировки готовых изделий. Особенное внимание Аносов уделил вытравке поверхности изделия для проявления характерных для булата узоров.
22.Работа Аносова «О булатах» была выдвинута на соискание Демидовской премии Академии наук, однако комиссия сочла, что в сочинении содержится недостаточно сведений о практическом производстве булата, и отклонила кандидатуру Аносова. В составленном комиссией заключении известные академики Купфер и Якоби отмечали, что «в рукописи так мало конкретного об изготовлении этой стали… Господин Аносов или умалчивает секрет изготовления стали, или ему удалось случайно получить такую сталь». Решение комиссии не помешало книге Аносова стать мировым бестселлером, до сих пор цитируемым практически во всех научных и популярных книгах о булатной и оружейной стали.
Рождение и судьба русского булата
23.20 января 1837 г. граф Канкрин представил императору присланные в декабре 1836 г. первые образцы оружия из русского булата – 2 сабли и черкесскую шашку. Аносову было объявлено «высочайшее удовольствие», а мастерам, непосредственно занимавшимся ковкой – Василию Южакову и Даниле Вольферцу, была выдана премия по 600 руб.
24.В 1838 г. Аносов отправил образцы булата в лабораторию Института корпуса горных инженеров. Анализ показал, что железа в сплаве содержалось 98 %, а углерода – 1,1 %. Проводивший испытания горный инженер Илимов характеризовал свойства стали следующим образом: «Отполированный и закалённый конец ея, крошил лучше английского зубила, тогда как отпущенный конец легко принимал впечатления и отсекался чисто и ровно». Златоустовская фабрика начала принимать заказы на булатное оружие. Таким образом, Павел Петрович достиг поставленной цели – научился производить «русский булат» и организовал его промышленное производство.
25.Качество и дешевизна нового материала вызывали всеобщий восторг: пуд литой стали стоил 10 руб., а пуд булата вместе с его ковкой 50 руб. – столько же, сколько литая английская сталь. Газета «Мануфактурные и горнозаводские известия» писала: «Превосходные качества изделий, приготовленных из златоустовского булата, при необыкновенной дешевизне их, ручаются за прочность открытия и его водворения у нас». На мануфактурной выставке 1843 г. златоустовские изделия получили следующий отзыв: «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 цены их. Сталь Златоустовских заводов известна по отличному качеству вырабатываемого из неё оружия».
26.Высокую оценку златоустовский булат получил не только от отечественных, но и от зарубежных специалистов. Британский артиллерийский офицер, известный эксперт в области металлургии и оружейного дела, капитан Джеймс Эботт, ознакомившись с златоустовскими клинками, писал: «Общий недостаток европейских клинков состоит в том, что имея в виду сообщение им упругости, они обыкновенно изготовляются из сырой стали и, следовательно, лезвие их, никогда не может быть отпускаемо, так остро, как если бы они выковывались из литой стали. Изобретательность господина Аносова восторжествовала над этим препятствием и устранила его не через придачу большей твёрдости мягкой стали, но соделанием твёрдой стали упругою. Довольно сомнительно, найдётся ли хотя одна фабрика в мире, которая выдержала бы состязание с Златоустовскою в выделке оружия соединяющего, в одинаковой степени, упругость с удобством оттачивания и острения».
Газета «Мануфактурные и горнозаводские известия» писала: «Превосходные качества изделий, приготовленных из златоустовского булата, при необыкновенной дешевизне их, ручаются за прочность открытия и его водворения у нас».
27.Однако производство булата в Златоусте прекратилось со смертью Павла Николаевича, сына сподвижника Аносова Николая Швецова. Почему же это произошло, несмотря на признанное качество металла? Дело в том, что изготовление его, особенно ковка и термообработка, представляло собой длительную сложную технологию, требующую высокого мастерства. Это не представляло серьёзной проблемы, когда речь шла о единичных экземплярах «украшенного оружия», однако не подходило даже для выделки рядового холодного оружия, не говоря уже о массовом производстве. Окончательно эта технология утратила промышленную актуальность со второй половины XIX в. с появлением конверторов Бессемера и Томаса и печей Сименса и началом массового производства легированных сталей, став уделом энтузиастов стального дела.
Стальные кирасы
28.Научный подход, характерный для руководящей деятельности Аносова, ярко проявлялся при разработке других новых технологий, например, при производстве стальных кирас и сабельных ножен.
29.Разработанная технология производства литой стали позволила организовать в Златоусте ещё одно новое производство – стальных кирас. Дело в том, что изготавливавшиеся на оружейной фабрике в Сестрорецке железные кирасы имели неудачную конструкцию, и не обеспечивали защиту от огнестрельного оружия. Когда в Великобритании и Франции началось производство новых прочных стальных кирас, император Николай I распорядился организовать аналогичное производство в России. Для этого был приглашён известный клингентальский мастер Шпренгер. Предполагалось, что после отработки технологии в Сестрорецке производство кирас будет организовано и в Златоусте.
30.Начатые в 1836 г. в Сестрорецке опыты позволили получить кирасы удовлетворительного качества, но они оказались слишком тяжелыми, и Шпренгеру было предложено облегчить их. Однако облегчённый вариант не обеспечивал должной защиты и требовал доработки. Не успев приступить к доработке, Шпренгер простудился и вскоре умер. Поскольку основные производственные операции Шпренгер уже успел организовать и в Златоусте, дальнейшее усовершенствование кирас было поручено Аносову.
31.Уже первые опыты дали удовлетворительные результаты и Оружейная фабрика получила заказ на 1010 кирас. Кирасы успешно выдержали стандартное испытание – ружейный огонь с расстояния в 60 шагов. Однако Павел Петрович не прекращал опыты: обратив внимание, что стальная пластина получает при ударе пули трещины, а железная пробивается «чисто», он пришёл к выводу, что «равные части сырой стали и железа, соединённые вместе, дают сталь, наиболее пригодную на дело кирас». На этой идее и было основано производство «бронежилетов XIX века». Интересно, что несколько десятков лет спустя на том же принципе было основано производство корабельной брони.
32.Заготовка для кирасных пластин изготавливались из перемежающихся листов стали и железа, число которых доходило до 30. Первый и последний лист в пакете были железными. При изготовлении грудной пластины листы чередовались, а в спинной пластине железных листов было в 2 раза больше, чем стальных, причём использовалась «сырая» сталь (эта пластина защищала только от холодного оружия). Пакет сваривался под молотом, и полученная заготовка весом более пуда разрезалась на две половины.
33.Полученные болванки прокатывали в валках, при этом средняя часть получаемого листа делалась толще, чем края. Затем из листа вырезался шаблон будущей кирасной пластины, который после нагрева подвергался обработке с помощью чугунных штампов – верхняя половина штампа падала на заготовку с высоты 5 футов (сила удара составляла до 50 пудов). После этого складки на металле подправляли ударами молота и снова подвергали штамповке, но уже с большей силой.
34.После загиба краёв с помощью специального штампа зачищались все неровности, и кираса подвергалась закалке в льняном масле и отпуску, в ходе которого сжигалось масло, оставшееся на поверхности изделия. Вчерне отделанная кираса испытывалась, после чего вмятины рихтовались, а затем производилась окончательная отделка и лакировка поверхности. На финальной стадии кираса комплектовалась «прибором» – пуговицами, шарнирами, петлями и пластинчатыми ремнями. Вместе с кирасами изготавливались также форменные кирасирские каски.
35.Под руководством Аносова постоянно велась доработка конструкции кирас для удобства их ношения и улучшения защиты. В дальнейшем эта работа была продолжена одним из преемников Аносова – Павлом Обуховым. Кирасы изготавливались на Златоустовской фабрике до конца XIX в., когда в результате совершенствования стрелкового оружия не утратили своего защитного значения.
Ножны
36.В 1844 г. в Златоуст были доставлены образцы ножен для сабель, тесаков и штыков, присланные из Франции директором Тюльской оружейной фабрики, господином Монсо. По способу Монсо плющеная кожа, используемая при изготовлении ножен, подвергалась особой обработке, её изнанка лакировалась и становилась устойчивой к влаге. Монсо рассчитывал на большое вознаграждение. Аносова просили высказать своё мнение «касательно выгод и неудобств в отношении их качества» и доложить, «во что обойдется их производство, по сравнению с тем, что ныне делается».
37.Аносов, не желавший внедрения на своей фабрике дорогостоящей заграничной технологии, занялся разработкой собственного способа выделки непромокаемых кож. В 1847 г. в образцовую конную батарею для испытаний были переданы две пары ножен для драгунских сабель, которые «оказались удовлетворяющими своему назначению». Последующие испытания в драгунских полках «сравнительно с ножнами Монсо» также прошли успешно. Ножны Аносова не уступали французским, но были значительно дешевле. К тому же Аносов не претендовал на вознаграждение. В результате именно они были приняты в эксплуатацию в 1850 г.
Научный приоритет
38.Отдельно необходимо остановиться на вопросе приоритета в использовании микроскопа для исследования структуры металла. В большинстве «советских» литературных источников, посвящённых Аносову, можно прочитать практически слово в слово одну и ту же фразу, что «Аносов первым в мире применил микроскоп для исследования структуры металлов, на 30 лет раньше англичанина Сорби, почитаемого на Западе как основоположника металлографии». А как же Реомюр? К сожалению, в нашей стране он известен в основном как разработчик одноимённой термометрической шкалы.
39.Как ни странно, все трое упомянутых учёных были первыми – только каждый в своей области. Реомюр действительно первым применил микроскоп для исследования металлов, практически на столетие раньше Аносова, но он исследовал с его помощью необработанную поверхность излома. Таким образом, Реомюр является основоположником фрактографии – науки, изучающей поверхности разрушения материалов (сам термин был введён только в 1944 г.). Аносова же можно считать отцом металлографии – он был первым, кто приступил к изучению с помощью микроскопа полированной поверхности металла, протравленной кислотой. В то же время, и Реомюр, и Аносов являются основоположниками металловедения (термин был введён в 1920-х годах), потому что и тот и другой искали и находили связь между микроструктурой металлов и их механическими свойствами, только один изучал строение излома, а другой – полированные образцы.
40.В чём же заключаются достижения «англичанина Сорби» и был ли он «соперником» Аносова? Генри Клифтон Сорби (Sorby) – английский естествоиспытатель, член Лондонского королевского общества с 1857 г. и его президент в 1878—1880 гг. В его честь назван сорбит – одна из структурных составляющих сталей и чугунов. В 1864 г. Сорби провёл исследования микроструктуры железных метеоритов и образцов стали, применив при этом микрофотографию. Продемонстрированные широкой научной общественности фотографии побудили специалистов активно заняться изучением микроструктуры сплавов. С этой датой и сравнивают работы Аносова и Сорби, когда говорят об их 30-летней разнице (у разных авторов она варьируется от 23 до 50 лет).
41.Первенство Сорби является бесспорным в петрографии, т.е. в изучении структуры горных пород. В 1849 г. он впервые предложил изготовливать тонкие шлифы минералов и горных пород для изучения их в проходящем свете под микроскопом. Изучая жидкие включения в минералах, Сорби в 1858 г. показал, что по ним можно судить о температуре образования минералов.
42.На этом примере хорошо видно, что серьезная наука представляет собой не спортивную дисциплину, в которой победитель приходит к финишу первым. Как правило, каждый настоящий ученый привносит в неё что-то своё, то, что до него не догадались или не успели сделать другие, и вносит свой вклад в общую копилку человеческих знаний. Кроме того, зачастую научные идеи опережают время и бывают оценены лишь через много лет после смерти их авторов.
Горка из оружия в Арсенальном музее Златоуста