Раскрыт древний секрет булатной стали

Клинки из булатной стали во все времена стремились заполучить в собственность воины и властители. По сей день существует множество легенд о чудесных свойствах холодного оружия, сделанного из булата (в переводе с тюркских слово "болот" означает "сталь"). Считалось, что булатный меч мог без особого труда перерубить любой другой клинок, настолько прочным и острым он был. Счастливых обладателей этого оружия поражала его пластичность: при "тест-драйве" булатных мечей покупатели оборачивали их вокруг собственной талии или головы. А когда клинок распрямляли, он принимал прежнюю форму без малейшего намека на деформацию.

Традиционно изготавливали булатные клинки в Древней Индии и Иране. Ковавшие их кузнецы очень щепетильно относились к секретам технологии и передавали знания только изустно старшему сыну. Это делалось неспроста: даже в древние века существовал всемирный рынок вооружений с соответствующей конкуренцией. Случилось так, что со временем все хранители секрета булатной стали ушли из жизни, и тайна была утеряна. Многие известные металлурги и кузнецы пытались восстановить древний рецепт стали, но это никому не удалось. За одним исключением: в середине XIX века русский металлург Павел Аносов сумел создать клинки, схожие по свойствам с булатными. Однако по странному стечению обстоятельств секрет, раскрытый Аносовым, также пропал.

Неповторимость булатных клинков заставила ученых усомниться: а существовала ли вообще булатная сталь? Мол, подобные свойства и сегодня металлу придать не удается, что уж говорить о временах, отдаленных от нас на 2 тысячи лет. Проверить легенды тоже непросто: при раскопках ученые находят лишь фрагменты клинков. Окончательно развенчать миф о булате несколько лет назад взялся действительный член Русского географического общества, доктор технических наук Игорь Таганов. Он ездил с экспедициями в Индию, Иран и собирал образцы клинков. В прошлом году Таганов передал несколько фрагментов на кафедру пластической обработки металлов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ). Профессору казалось удивительным, что при современных методах анализа материалов, когда состав любого сплава можно расписать практически до атома, булатная сталь еще остается секретом для науки. За изучение образцов взялся сотрудник кафедры Василий Мишин. Однако вместо того чтобы доказать, что булат - всего лишь миф, он не только раскрыл секрет стали, но и воссоздал ее.

По линейке

Первым делом Василий Мишин изучил на спектрометре химический состав материала, из которого были изготовлены клинки. Выяснилось: булатная сталь - это не что иное, как сплавы высоко- и низкоуглеродистых, а также никелесодержащих сталей. Соединенные вместе твердый и мягкий типы стали как раз и придавали чудесные свойства древнеиндийским клинкам. Но самое сложное - выяснить, по какой технологии был получен уникальный сплав.

Под микроскопом четко видна структура стали. Она неоднородна. Мягкое железо чередуется с очень твердыми полосами карбидов. Древним кузнецам удавалось сделать так, чтобы составляющие располагались попеременно, причем практически с идеальной точностью. Это и являлось залогом успеха. "Подобная неоднородная строчная структура обеспечивает самозатачивание и необыкновенную агрессивность клинка", - уверен доктор технических наук, профессор, руководитель лаборатории "Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов" СПбГПУ Николай Колбасников. Дело в том, что мягкие слои материала быстрее изнашиваются, а полосы твердого карбида сохраняются лучше. Получается что-то вроде мелкой пилки. Она расцарапывает, разрезает все, к чему ни прикоснется. Такое лезвие практически невозможно взять в руки, оно тут же ранит.

Самое удивительное даже для современных металлургов заключается в том, что структура булата совершенно нехарактерна для высокоуглеродистых сталей, каковой по сути является в том числе и булатная сталь. Такая структура никогда не формируется при обычной переплавке, карбиды располагаются хаотически, но никак не по линейке. Чтобы создать булатный клинок, карбиды требовалось искусственно расположить так, чтобы они выстроились в виде тонких строчек. "Простым сплавлением и ковкой такого эффекта не добиться, а значит, должен существовать способ направленной кристаллизации", - уверяет Николай Колбасников. Весь вопрос в том, как и из чего практически две тысячи лет назад индийские кузнецы научились делать это?

Профессор Колбасников предполагает, что они брали обычную железную руду, нагревали в горне, отковывали богатые углем частички, потом отбирали мягкое железо, складывали это все в коробку и добавляли туда же частички железа, богатого никелем (возможно, метеоритного). Никелевые сплавы обладают высокой температурой плавления и очень низким коэффициентом термического расширения - в этом заключался весь фокус. Когда смесь нагревали до температуры плавления высокоуглеродистого железа (у него высокий коэффициент терморасширения, но довольно низкая температура плавления), оно расплавлялось, и происходил процесс, который сегодня называется жидкофазным спеканием: легкоплавкий компонент расплавляется, закрывает собой поры туго-плавкого, а потом твердеет и вся композиция в целом. "Несмотря на то, что такой металл имеет мягкие компоненты, он становится удивительно прочным", - рассказывает Николай Колбасников.

Но ноу-хау заключалось не только в составе и применении "космических" технологий. Необходимо было таким образом остудить сплав, чтобы произошла направленная кристаллизация. Как раз это заставило бы карбиды выстроиться по линейке. Василий Мишин сумел сделать это на специальном оборудовании. "Уже зная химический состав булатной стали, мы взяли кварцевую колбу и соответствующие ингредиенты: нарезали 1/3 обычного мягкого кровельного железа, туда же добавили 1/3 высокоуглеродистой инструментальной стали У8 и 1/3 никелевого сплава", - рассказывает исследователь. Потом экспериментатор постепенно проплавлял весь объем металла. Когда он перешел в жидкое состояние, под дно колбы поместили кристаллизатор - медную болванку, служащую для быстрого теплоотвода. Таким образом был создан направленный градиент температур, то есть металл охлаждался книзу, соответственно и кристаллизация карбидов шла тоже строго вниз.

Что же получилось? Спектрометр и микроскоп показали, что в нижней части болванки получилась сталь, очень похожая по своей структуре на булат. Однако на всем протяжении слитка ее создать не удалось: в верхней части болванки охлаждение шло не только вниз, но и по сторонам. Затем исследователь отрезал низ болванки, прокатал на станке, проковал и произвел дополнительную термическую обработку. В итоге в заготовке карбиды расположились, как и в булатных клинках, по линейке с шагом около 20-25 микрон.

Полученный образец исследовали на прочность и пластичность. "Мы получили настолько интересные результаты, что сами до сих пор не можем в это поверить!" - восхищается Николай Колбасников. Металл выдержал напряжение при растяжении в 700 килограммов на квадратный миллиметр. При этом норма для, например, рельсовой стали составляет в десять раз меньше.

Что с этим делать?

Добиться таких результатов можно в современной лаборатории, но как индийские кузнецы могли делать подобное, не имея понятия ни о кристаллизаторах, ни о плавильных и прокатных станках и уж вряд ли догадываясь о том, что такое карбиды, - это пока остается тайной. Однако одно предположение у Николая Колбасникова все же имеется. Он считает, что мастера сливали расплавленный металл в специально прорытые вертикальные шахты, заканчивающиеся чем-то вроде бассейна. За время падения в течение примерно 2-4 секунд в металле корректировались дефекты строения и сам он направленно кристаллизовался при резком охлаждении. Потом оставалось подобрать слиток, отковать его и закалить. На это обычно уходило около месяца - кузнецы работали аккуратно, чтобы не нарушить уникальную структуру стали.

Секрет булата разгадан, но что с ним теперь делать? Сегодня в промышленных масштабах вряд ли кто-нибудь займется реализацией этой технологии - во-первых, трудоемко, а во-вторых, выход "чистого" булата невелик. Заинтересоваться технологией могут разве что кузнецы, изготавливающие единичные экземпляры оружия. Интересным открытие может быть и для историков. Правда, оно вызовет больше вопросов, нежели ответов. Например, каким образом индийские кузнецы вообще додумались до такой совершенной технологии? Если они обладали такими знаниями, то не могли ли они изобрести и еще что-то, не менее совершенное? Например, ковер-самолет.

С сознанием дела

Александр Верескунов, руководитель коллектива мастеров производственных мастерских "Сибирский булат":

- Конечно, булатные клинки обросли множеством легенд, например, насчет оборачивания их вокруг талии. Тем не менее сама сталь - не легенда. Мы проводили сравнительные испытания индийского булатного клинка на концерне "Ижмаш". В итоге получили 70 единиц твердости. Не буду вдаваться в подробности этого показателя, но скажу, что это очень и очень много. Ни один материал, кроме порошковых сталей, сегодня не дает такую твердость. Но порошковые стали не поддаются ковке и деформации, а булат поддается. Это правда. Обычные материалы или обладают нулевой пластичностью и твердостью в 80 единиц, или у них пластичность более-менее неплохая, а твердость не выше 60 единиц. Это два взаимоисключающих свойства. Однако булат каким-то образом объединяет оба.

Марина Кратова, кандидат исторических наук:

- То, из чего древнеиндийские кузнецы делали булатные клинки, было не чем иным, как природным металлом вулканического происхождения. Сама природа сделала его таким уникальным. Так уж у нее замечательно получилось. Индийцы выкапывали металл из земли и ковали клинки. Никаких научных исследований и достижений на сей счет у них не было. Когда весь металл выкопали и продали, булат исчез. Вместо него соответственно появился секрет.