Металлургия древности. Дамаск, булат, вутц — терминология и историческое разнообразие
О свойствах легендарных оружейных сталей – дамаска, булата и вутца – хотя бы понаслышке знает любой цивилизованный человек. Они являются свидетельством уникальных возможностей мастеров металлургической профессии.
В чем секрет этих удивительных сплавов, кто и когда их производил и каким образом обрабатывал? Похоже, что современная наука нашла ответы на эти вопросы.
Содержание:
Терминология и классификация
Высококачественную оружейную сталь в разные времена в различных странах называли по-разному. Например, принятый в России термин «булат» (булатная сталь) произошел от иранского слова «пулад» (по-арабски «фулад»), которое обозначает просто литую сталь.
Впоследствии само слово «фулад» стало отражать технологическую особенность получения металла, и означать «очищенное железо», т.е. железо, переплавкой которого производили сталь.
Другое популярное (особенно в странах Запада) название – «дамаск» – отражает, по-видимому, внешний вид поверхности клинков и происходит также от арабского слова «дамаст» – волнистый, струйчатый. Однако не исключена возможность, что сварочную узорчатую сталь со временем стали называть дамасской из-за сходства рисунка поверхности восточных клинков с узорами знаменитых дамасских тканей. Термин «дамасская сталь» получил широкое распространение в Европе в XIX в. Долгое время так называли и литую булатную сталь. В настоящее время в нашей стране это название применяется только по отношению к сварочной узорчатой стали.
В последнее время как в специальной, так и в научно-популярной литературе активно используются термины «вутц», «сварочная сталь», «дендритная сталь», «узорчатая сталь», «ликвационный булат», «сварочный булат», отражающие различные особенности технологии изготовления, структуры металла, внешнего вида и формы стальных и железных заготовок, применявшихся и применяющихся при производстве оружейного металла.
Стальной узор: размер, форма, цвет и четкость линий
Наиболее характерным признаком, отличающим оружейные стали всех упомянутых выше видов от обычных сталей, является своеобразный узор на полированной поверхности готового изделия, различимый невооруженным глазом.
Он выделяется в виде светлых линий на сером или черном фоне после протравливания изделия какой-либо слабой кислотой, но иногда он проявляется уже непосредственно после полирования. Эффект появления узора объясняется структурной неоднородностью металла, в котором участки с разным содержанием углерода травятся и полируются по-разному.
С древнейших времен именно по узору различали сорта булата. Аль-Кинди, арабский знаток оружия, живший в IX в., писал, что, глядя на узорчатую сталь, видишь ее как снаружи, так и внутри. Действительно, знаток по одному лишь внешнему виду узорчатого клинка может определить структуру металла, технологию его изготовления, место и время его производства, а в некоторых случаях и мастера-клиночника. Лучший в Европе знаток булатов П.П. Аносов отмечал, что
«…опытный азиатец не ошибется в выборе клинка и по одному узору определит, вязок булат или хрупок, тверд или мягок, упруг или слаб».
Классификация оружейных сталей вплоть до недавнего времени учитывала в основном внешние признаки – величину и форму узора, цвет и четкость его составляющих. Цвет фона узора, «грунт» мог быть серым различных оттенков, бурым и черным, причем черный цвет фона считался признаком булата высшего качества. Еще одним из непременных признаков высококачественной стали считается характерный отлив на поверхности клинка. Этот отлив может быть золотистого либо красноватого цвета и виден при падении света на клинок под острым углом. Иранцы очень ценили «желтые» клинки, из чего следует вывод о предпочтительности именно золотистого отлива. Красноватый отлив, равно как и светлый грунт, свидетельствовал о повышенной хрупкости булата.
Стальные узоры могли быть относительно простыми – в виде прямых полос. Реже встречался более сложный рисунок в виде сетки из прямых и переплетенных в пряди и гроздья изогнутых линий. Еще более редким и ценным считался коленчатый узор по всей ширине клинка из непрерывно повторяющихся от основания до острия поперечных поясков-прядей. Особо ценились табан («блестящий») и хорасан («восход солнца»). Изделия из них отличались не только высоким качеством, но и имели на редкость красивый узор: на темном фоне с золотистым отливом виднелись четкие светлые линии, образующие крупную сетку или коленца.
Одним из самых дорогих считался булат под названием «кара-табан» («черный блестящий») – с золотым отливом и четко выраженным коленчатым узором, который повторялся по длине клинка примерно 40 раз. Такой особенностью узора объяснялось второе название этого вида кара-табана – «cорок ступеней».
Очень распространенным и устойчивым был обычай присваивать сортам узорчатого металла названия местностей, в которых он производился. Баркер, английский генеральный консул в городе Алеппо (XIX в.), приводит несколько названий, классифицированных по месту производства булатов. Это три сорта табана – кермани (из Кермана в провинции Хорасан), диши и эркек; два сорта хорасана – лахори (из Лахора) и баяз; два сорта гинди («индийский») – сари и кум («волнистый»), стамбульские элиф и бейяд («белый»), сирийские шам (Шам – турецкое название Сирии) и эски шам («старинный шам») и, наконец, лахори нейрис.
Классификация П.П. Аносова
Начиная со знаменитой работы П.П. Аносова «О булатах», опубликованной в 1841 г., в специальной литературе была установлена достаточно четкая классификация макроструктуры булата по узору на поверхности стали.
П.П. Аносов различал полосатые, струйчатые, волнистые, сетчатые и коленчатые булаты:
«…При оценке булата принимают во внимание следующие четыре параметра: форму узора, крупность узора, цвет металла и узора, а также звон. По своей форме узор бывает: полосатый, когда он состоит из прямых линий, почти параллельных между собой, это низший сорт булата; струйчатый, или средний сорт, когда между прямыми попадаются и кривые линии; волнистый, если кривые линии преобладают над прямыми; сетчатый, когда линии эти, извиваясь, идут по всем направлениям, а прямые очень коротки; коленчатый или высший сорт, когда рисунок, проходя во всю ширину клинка, повторяется по его длине.
По крупности узора различают три вида: мелкий узор, встречается на булате низшего сорта, величина его должна быть, однако, такова, чтобы легко различить его простым глазом; средний узор, принадлежит более высокому сорту; крупный узор, когда величина его доходит до крупности нотных значков.
По цвету или грунту металла различают три сорта булатов: серые, бурые и черные. Чем грунт темнее, а узор на нем более выпуклый, тем булат лучше. Кроме того, различают еще и отливы, которые дает клинок при падении на него косвенных лучей солнца. Отливы бывают красноватые и золотистые. Некоторые булаты отлива не дают.
Лучший дамасский клинок обладает следующими свойствами: узор его крупный, коленчатый или сетчатый, белого цвета, отчетливо выделяющийся на черном грунте, отлив золотистый, а звук должен быть долгий и чистый».
Оценка качества булатных клинков представляла собой некий ритуал: сначала подолгу изучали узор, затем, щелкнув по клинку, слушали звук, после этого проверяли его упругость и лишь в последнюю очередь пробовали, как он рассекает тончайшую ткань. Последнее испытание состояло в том, что клинок ставили под углом и накидывали на него кусок тонкой ткани. Ткань, соскальзывая по лезвию клинка, должна была разрезаться пополам.
Технология производства
Сегодня совершенно ясно, что булат имел несколько разновидностей, отличавшихся друг от друга. Секреты булатных сталей заключались в их структуре, обусловленной технологией выплавки, особенностями кристаллизации, ковки и закалки. Для каждой разновидности булата – своя технология и свои секреты.
Секреты булатных сталей заключались в их структуре, обусловленной технологией выплавки, особенностями кристаллизации, ковки и закалки. Для каждой разновидности булата – своя технология и свои секреты.
Принято выделять две большие группы технологий производства высококачественной оружейной стали. Первая группа объединяет технологии, связанные с расплавлением хотя бы одной из составляющих будущего металла. Так получали «классические» литые булаты: индийский вутц, арабский фаранд, китайское «многосуточное железо». Вторую группу составляют способы, основанные на применении кузнечной сварки; так получали и получают дамаски. Естественно, что в каждой группе имеется множество разновидностей и, кроме того, существуют технологии производства узорчатой стали, которым присущи признаки получения как литого, так и сварочного металла. Необходимо отметить, что качество сварочной дамасской стали, как правило, намного уступает качеству литой булатной стали.
Литая сталь
Древние способы производства литой узорчатой стали основаны на том, что температура плавления чугуна составляет около 1200 °С, а чистого железа – более 1500 °С, т.е. увеличение содержания углерода в сплаве на 1 % масс. снижает температуру его плавления примерно на 80 °C.
Использующие это явление способы носят общее название двухфазных, так как основаны на недорасплавлении сравнительно низкоуглеродистых включений, взвешенных в высокоуглеродистом расплаве.
В плавильном тигле создавались условия, при которых в жидком расплавленном чугуне плавали размягченные куски железа. Поэтому после затвердевания и расковки слитка в клинке чередовались участки очень твердой и хрупкой сверхуглеродистой стали с участками вязкого, но мягкого металла.
На сложную структуру древнего литого металла указывал выдающийся среднеазиатский учёный-энциклопедист аль-Бируни (4.10.973 — 13.12.1048, по другим данным — после 1050):
«Сталь бывает двух сортов: первый, когда в тигле одинаковым плавлением сплавляется «нармохан» (железо) и его «вода» (чугун). Они оба соединяются так, что неотличимы один от другого. Такая сталь пригодна для напильников и им подобных. Второй сорт получается, когда в тигле указанные вещества плавятся неодинаково и между ними не происходит совершенного смешения. Отдельные частицы их располагаются вперемешку, но при этом каждая из них видна по особому оттенку. Называется это «фаранд», и в мечах он высоко ценится».
Китайское «многосуточное» железо
Раскопки, проводившиеся археологами показали, что уже в эпоху Чжаньго (V–III вв. до н. э.) во многих регионах Китая использовалось оружие, изготовленное из железа и чугуна. В 1965 г. у города Сяду, столицы царства Янь, в могиле конца периода Чжаньго было найдено не только оружие из железа, но и железные доспехи, состоящие из 89 соединенных между собой пластин.
Находки в этой и других могилах показывают, что в то время производили высокоуглеродистую сталь и использовали ее для копий и алебард.
Технология получения стали из чугуна была разработана в Китае, по-видимому, во II в. до н. э. Этот трудоемкий метод получил название «сотня очисток» и заключался в многократном интенсивном обдувании расплава воздухом, благодаря чему происходило окисление углерода. О нем упоминается в трактате «Хуайнань-цзы» (180–122 гг. до н. э.). В III в. китайцы освоили технику производства оружия путем сваривания стальных полос с разным содержанием углерода, а в V в. научились получать чугунно-стальной композит путем сплавления чугуна с низкоуглеродистым кричным железом.
Один из позднейших вариантов производства «китайского железа» описан Сун Инсином в 1637 г. Он писал:
«Метод получения стали состоит в следующем. Ковкая сталь расплющивается в бруски шириной в палец и длиной примерно четыре пальца. Их заворачивают в листы ковкой стали и сверху плотно укладывают чугунные чушки. Всю печь замазывают землей или глиной и начинают раздувать меха. При достаточной температуре чугун плавится и, капая и стекая, проникает в ковкую сталь. Когда оба металла образуют единое целое, сплав вынимают и отковывают. Затем его опять плавят и отковывают. Все это повторяется много раз».
При проковке крупные включения нерасплавленного железа вытягиваются, утоньшаются и постепенно науглероживаются, а многократная переплавка обеспечивает последовательное получение все более тонковолокнистого чугунно-стального композита.
Индийский и персидский вутц
Индийские кузнецы применяли другую технологию выплавки, также обеспечивающую необходимую степень неоднородности металла, но без дополнительной обработки слитка.
Например, известен индийский рецепт «прямого» получения ценного булата сорта «акбари» из руды. Согласно этому рецепту в тигель вместе с древесным углем и флюсом следовало засыпать смесь изначально мелких частиц двух руд – бурого (две части) и магнитного (три части) железняка. Металл из частиц разных руд восстанавливался с различной скоростью. В результате восстановившийся первым металл за время плавки (около суток) успевал сильнее науглеродиться от контакта с древесным углем и расплавиться, а выделившийся из трудновосстановимой руды оставался менее науглероженным и поэтому был более твердым. Мастер-плавильщик внимательно контролировал ход плавки, чтобы не пропустить момент сплавления зерен металла в монолитную, но неоднородную массу.
По мнению большинства специалистов, общим для всех технологий получения литой оружейной стали является условие замедленного, длительного (в течение нескольких дней) остывания слитков, в результате чего происходит образование необходимой, хорошо различимой невооруженным глазом грубокристаллической структуры.
Посетивший Иран (Персию) штабс-капитан Масальский в «Горном журнале» за 1841 г. так описывает виденный им там процесс выплавки булата:
«В огнеупорный тигель мастер закладывает измельченную смесь старого, бывшего в употреблении железа и зеркального чугуна в соотношении одна часть чугуна на три части железа. Плавка продолжалась пять-шесть часов, после чего дутье прекращали и дожидались, пока печь «затихнет».
Затем тигли вскрывали, вкладывали в них немного серебра в количестве четырех-пяти золотников и снова засыпали печь углем. Все отверстия печи тщательно замазывали, и тигель остывал в тлеющих углях в течение трех-четырех дней».
Как следует из этого описания, иранцы совмещали замедленную кристаллизацию слитка с его многодневным отжигом при «краснокалильном» жаре. Более того, они не только слитки, но и уже откованные клинки подвергали подобному отжигу в целях повышения четкости и контрастности узоров. Во время отжига печи топили сушеным навозом, что помимо улучшения узоров одновременно могло способствовать и насыщению поверхности клинков азотом.
Дамасская сталь
Дамасские стали являются сварочными. Это означает, что их получают кузнечной сваркой (в горне на угле – как на древесном, так и на каменном) различных углеродистых сталей с чугуном, в том числе легированным, и (или) чистым кричным железом.
Кузнечную сварку губчатого кричного металла применяли еще в самом начале железного века. Эта технологическая особенность нашла отражение в названии древнего металла – «сварочное железо». Самой распространенной и простой является сварка сложенных стопкой пластин, образующих пакет. Пакет нагревают в горне и посыпают тем или иным флюсом, который сплавляется с образующейся на поверхности пластин окалиной и очищает от нее свариваемые поверхности. Растворяя окалину, флюс одновременно образует жидкий шлак, предохраняющий поверхность металла от дальнейшего окисления. Покрытый жидким шлаком пакет разогревают до белого каления и проковывают. Сначала «выжимают» жидкий шлак, а затем сильными ударами осуществляют собственно сварку. После первой сварки пакета его расковывают на полосу и разрубают на части, которые снова складывают стопкой и проводят вторую сварку. Эти действия повторяют до тех пор, пока не наберут желаемое количество слоев железа и стали в изделии. В одном клинке может быть от нескольких десятков до сотен тысяч таких пластин или волокон. Эти пластины довольно условно называют слоями.
Отметим, что прочность даже двух сваренных пластин из металла разного состава выше, чем просто сумма прочностей каждой из них. И чем больше пластин соединяется, тем более повышается прочность. Это объясняется тем, что на стыке стали и железа образуется упрочненный пограничный слой с сильно искаженной кристаллической решеткой металла. При увеличении числа слоев возрастает относительная толщина упрочненного пограничного слоя. Однако это не единственная причина высокой прочности дамасской стали. Имеет значение также «эффект троса». Как в тросе, состоящем из сотен тонких проволочек, разрыв одной из них не приводит к разрыву троса в целом, так и в дамасской стали: возникшая микротрещина перерезает только один стальной слой и «угасает», не успев развиться, в мягкой железной прослойке.
Сварочная сталь Скандинавии
Оружие из сварочной стали производили во многих регионах средневековой Европы, например в Скандинавии. В погребениях VIII в. обнаружены специфические ножи, характерные для древнескандинавской культуры. Они имели клинок длиной 40–100 мм с прямым обухом и четкими уступами, отделяющими его от хвостовика.
Технологической особенностью клинка являлась его составная конструкция, представляющая собой трехслойный (реже пятислойный) пакет с твердой сердцевиной и прочными обкладками. Первоначально на обкладки шло фосфористое железо, а в центр – твердая, как правило, импортная, сталь. Позднее фосфористое железо уступило место низкоуглеродистой стали. Такая схема повторяла конструктивные особенности мечей викингов, распространенных в период Переселения Народов, и стала своеобразной визитной карточкой скандинавских мастеров.
Суть упомянутого технологического приема изготовления клинка заключается в том, что имеющий хорошие режущие свойства средний слой упрочняется обкладками из низкоуглеродистой стали. Такой прием получил название «пакетирование», а схема – «трехслойный пакет». Иногда он дополнительно усиливался еще и наружными обкладками из углеродистой стали. Эта схема известна под названием «пятислойный пакет».
Пакетирование клинков обеспечивало сочетание великолепных прочностных свойств с высокой стойкостью режущей кромки, что придавало им ценность и гарантировало спрос. Такие ножи широко представлены среди археологических находок не только на территориях, исторически заселенных викингами, но и во многих других регионах Европы. Не избежала этого влияния и Древняя Русь, где такие изделия обнаружены в культурных слоях X – первой половины XII вв. крупнейших городов и торговых центров Смоленской (Гнездово), Новгородской (Новгород, Старая Ладога) и Ростово-Суздальской (Суздаль, Гнездилово) земель. Следует отметить престижность такого рода клинков, которые, по-видимому, были доступны далеко не каждому. Так, в результате раскопок на территории Древнего Пскова было установлено преобладание в X–XI вв. трехслойных клинков в кремле и Довмонтовом городище – местах компактного проживания социальной верхушки. В то же время в Среднем городе, где жил простой народ, такие технологические схемы крайне редки.
Необходимо отметить, что высокое качество скандинавских, а в последствии и русских мечей было хорошо известно в странах Востока. Аль-Бируни описывает их структуру и особенности изготовления следующим образом:
«Русы выделывали свои мечи из шапуркана (стали), а долы посредине их из нармохана (железа), чтобы придать им прочность при ударе, предотвратить их хрупкость. Ал-фулад не выносит холода их зим и ломается при ударе. Когда они познакомились с фарандом (литой сталью), то изобрели для долов плетенье из длинных проволок (изготовленных) из обеих разновидностей железа — шапуркана и женского (мягкого, низкоуглеродистого). И стали получаться у них на сварных плетениях при погружении (в травильный раствор) вещи удивительные и редкостные, такие, какие они желали и намеревались получить. Ал-фаранд же не получается соответственно намерению при изготовлении и не приходит по желанию, но он случаен».
Источник: Энциклопедия «Металлургия и время», Голубев О.В., Карабасов Ю.С., Коротченко Н.А., Черноусов П.И.
