8. Открытие тайны булата П.П. Аносовым

То, что не сумели сделать западноевропейские металлурги, сделал русский инженер Павел Петрович Аносов (1799 - 1851). Он разгадал в конце концов тайну изготовления настоящего литого булата, и разработал технологию получения булата, по качеству не уступающего древнему вутцу!

 Фото 2.  Павел Петрович Аносов. 

Фото 2. Павел Петрович Аносов.

Павел Петрович Аносов родился в 1799 году в Петербурге в семье мелкого чиновника горного департамента. В 1810 году по ходатайству своего деда, Льва Собакина, механика Камско-Воткинских заводов, был определен в Петербургский горный кадетский корпус, который был в то время единственным высшим учебным заведением, готовившим специалистов горного дела. Это учебное заведение было основано по указу Екатерины II от 21 октября 1773 г. как Горное училище, приравненное к академиям и подведомственное Берг-коллегии. В 1804 г. оно преобразовано в Горный кадетский корпус, а в 1833 г. - в Институт корпуса горных инженеров. (Интенсивно развивающаяся горная промышленность на Урале и в Сибири испытывала потребность в высококвалифицированных кадрах.)

Воспитанники Горного кадетского корпуса получали хорошее образование: они изучали арифметику, алгебру, геометрию, маркшейдерское дело, минералогию, металлургию, рисование, химию, механику, физику, французский, немецкий и латинский языки. При Александре I их обучали музыке, танцам, фехтованию, водили в Эрмитаж, Кунсткамеру, Академию художеств. Много времени отводилось практическим занятиям по химии, физике, промывке различных руд. Во дворе учебного заведения был построен "рудник" с подземными ходами и выработками, а в его мастерских и на Санкт-Петербургском монетном дворе учащиеся сами плавили металлы. Коллекции Горного корпуса постоянно пополнялись новыми уральскими и сибирскими минералами, редкими самородками золота. Здесь хранилась малахитовая глыба, оцененная небывалой по тем временем суммой в 425 тыс. руб., а также найденный на Нижнетагильской даче платиновый самородок весом 10 фунтов 54 золотника (4.33 кг). Среди образцов было немало изделий и полуфабрикатов металлургического производства: идеально ровное по толщине листовое железо, бритвы, столовые приборы, предметы высокохудожественного литья.

Внимание Аносова особенно привлекало искусно выделанное холодное оружие: здесь было немало черкесских и турецких сабель, римских мечей с замысловатой рисовкой, изготовленных из редких сортов стали. Его поражали булатные сабли с чудесными узорами. На вопросы, каким образом удавалось древним мастерам изготавливать булатное оружие с узорами, преподаватели неизменно отвечали: "Секрет булата утерян!" Будущего ученого и мастера не оставляла мысль разгадать его, об этом он думал по ночам, читая книги о рыцарях, вооруженных булатным оружием. Однажды среди ночи, взяв свечу, он направился в зал к витрине, где находились булатные клинки. Долго смотрел на них и, опустившись в кресло, заснул. Проснулся от шума, поднятого служителем. Возле него стоял инспектор классов. Утром Аносову пришлось держать ответ перед директором корпуса А.Ф. Дерябиным. Тот был человеком рассудительным, уважал воспитанников, а инспектору сказал: "Мы не можем наказывать юношу. Он увлечен вопросом, разрешение которого сделало бы нашей стране честь".

Учился Аносов легко, был в первой пятерке лучших учеников. У него хватало времени на занятия в научных кабинетах, на чтение и игры, он увлекался также рисованием, принимал участие в любительских спектаклях, где пьесы ставились на иностранных языках. В октябре 1816 г. Аносова произвели в унтер-офицеры, а в 1817 г. он с отличием завершил учебу и был выпущен из Горного кадетского корпуса практикантом в действительную службу. За успехи, "оказанные им при испытаниях", его наградили Большой золотой и Серебряной медалями, книгами, эстампами. Награждение Большой золотой медалью сопровождалось выдачей 500 руб. "на обзаведение". Его первым приобретением стал микроскоп. Павел, конечно, знал, что его великий соотечественник М.В. Ломоносов для своих химических исследований впервые применил микроскоп, и, предвидя характер своей работы, обзавелся таким же прибором.

В конце этого же года молодой шихтмейстер прибыл на Златоустовские заводы в качестве практиканта. Вряд ли он знал тогда, что пройдет путь от практиканта до горного начальника Златоустовских заводов и директора оружейной фабрики, что здесь, в Златоусте, он создаст свою теорию производства литой стали и овладеет вековой тайной получения булата. Начал же он с того, что в 1819 году представил дипломную работу "Систематическое описание горного и заводского производства Златоустовского завода".

В то время Златоустовский завод, хотя и имел уже устаревшее оборудование, но являлся металлургическим предприятием с полным циклом. Чугун выплавляли в доменной печи с двумя горнами, воздух в которые подавался цилиндрическими мехами, приводящимися в действие водяными колесами. Кроме передела на железо и сталь, чугун использовали для литья, как в песчаные и глиняные формы, так и в металлические. Отливали кричные молоты, наковальни, колеса, ядра, бомбы, а также гири, горшки, сковородки и другую хозяйственную утварь.

Оружейная фабрика, работавшая на заводе, славилась уже не только в России, но и далеко за её пределами. Златоустовские мастера изготовляли холодное оружие высокого качества: шашки, сабли, палаши, саперные и охотничьи ножи. Эти изделия успешно конкурировали с западноевропейскими образцами. В то же время инструментальная сталь по своему качеству уступала английской. Это главным образом объясняется тем, что когда Аносов приехал на Златоустовский завод, литой стали там ещё не изготовляли.

Однако, как и все новое, литая сталь часто встречала недоверие со стороны многих металлургов. Объяснялось это тем, что способы её выплавки и разливки были недостаточно совершенны, и иногда металл получался либо низкого качества, либо очень высокой стоимости. Так например, мастер из Золингена Пётр Каймер пытался ввести на Златоустовском заводе литую сталь. Он обставлял свою работу большой таинственностью, к плавкам готовился долго и за два года работы выдал всего 9 пудов относительно годной стали. А обошлась его сталь в 10-15 раз дороже цементованной. По этим и другим причинам государственный департамент часто отказывался выдавать привилегии на способы производства тигельного металла. Между тем многие поступающие изобретения имели, очевидно, немалую ценность. Это подтверждает недавно установленный факт, что из всех русских архивов бесследно исчезли описания различных приемов получения стали, применявшихся в то время на заводах страны.

Проанализировав имеющийся опыт различных способов выплавки стали для оружия и инструмента, П.П. Аносов пришел к выводу, что литая сталь может обладать необходимыми свойствами. "Литая сталь, - писал он, - имеет преимущество перед выварною и цементною из тех же первых материалов, полученных как по равномерному, так и более тесному или химическому соединению частей углерода с железом".[1] Так, П.П. Аносов, исходя из чисто научных соображений, обосновал целесообразность тигельного производства. Предварительные опыты по получению литой стали окончательно убеждают его: только организация тигельного производства коренным образом улучшит качество стального оружия и инструмента на Златоустовском заводе.

Аносов хорошо себе представлял, что производство литой стали складывается из следующих операций: "Устройство печей, приготовление плавильных горшков, плавка, отливка в формы и ковка". Поэтому он начал с устройства пламенных печей. Им был спроектирован отапливаемый углём горн для печи с подогревом восьми тиглей одновременно и сооружен корпус с восемью такими печами. Печь для выплавки тигельной стали эксплуатировались на Златоустовском заводе до начала XX века, то есть почти 100 лет!

Одной из самых трудных задач во времена Аносова являлась организация производства тиглей - "плавиленных горшков", как их тогда называли. Производство глиняных тиглей было хорошо известно, так как они применялись для литья цветных металлов, а позднее - для переплавки чугуна. Мастер Воткинского завода Федор Мезенцев даже придумал ручной винтовой штамп для приготовления горшков-тиглей. Но для приготовления литой стали требовались тигли очень высокой огнеупорности. Такие тигли выписывались из-за границы, из города Пассау в Баварии, около которого находились залежи высокоогнеупорной глины. Цена их была весьма высокой. Поэтому Аносов решил, что "иностранные горшки особенно в столь отдаленном месте, как Златоуст, были бы слишком дороги для стального производства, и не заменив их своими, успех был бы безнадежен".

В то же время горшки из челябинской глины как будто и обладали достаточно большой огнеупорностью, но постоянно трескались при высоких температурах. Исследование причин образования трещин показало, что они получаются вследствие расширения частиц глины: при высоких температурах одни частицы "давили" на другие. Аносов понял, что трещины в горшках являются результатом большой учадки, которую давала глина при нагревании. Для предупреждения трещин необходимо было добавить в глину вещество, которое уменьшило бы усадку. Аносов делает анализ заграничной глины и находит, что таким веществом является графит. В баварских горшках сама природа позаботилась соединить глину и графит. Итак, для предупреждения образования трещин в челябинскую глину нужно добавить графит, но где его взять?

О том, что графит встречается в природе люди узнали ещё в 1564 году, когда недалеко то английского городка Борроудейла во время большой грозы было вырвано с корнем огромное дерево. В оставшейся от него воронке обнаружили какое-то чёрное вещество, напоминющее минерал. Это было месторождение очень чистого посотаву графита.

Местные пастухи стали использовать графит для клеймения овец. Вскоре на улицах Лондона стали продавать графитовые палочки, которые пользовались большим спросом среди торговцев. В XVIII веке графитовые формы начинают с успехом использовать для отливки чугунных ядер, и король Георг II конфискует месторождение графита. И все же графитовые палочки продолжали использоваться для письма. Но они имели существенные недостатки: легко ломались и сильно пачкали руки. Вначале их обматывали тесьмой, а в 1761 году баварский ремесленник Каспар Фабер нашел средство улучшения прочности графита. Он предложил перемешивать растертый в порошок графит со смолой, серой и сурьмой. Из получаемой густой массы отливались графитовые стержни, а вскоре их стали вставлять в деревянную оболочку. Так появился карандаш. В конце XVIII - начале XIX века месторождения графита были найдены во Франции, в Америке и в других местах. Но, увы, графит из этих месторождений был очень низкого качества, и стержни из него ломались практически сразу. И когда французскому химику Николе Жаку Контье пришла счастливая мысль добавить к графиту глину и полученную смесь обжечь в печи, то результат превзошел все ожидания - были получены самые прочные в мире графитовые стержни.

Один из секретов производства литой стали в Англии состоял в материале, из которого были сделаны тигли. Английский металлург Б. Гентсман удачно выбрал материал для своих тиглей - обожженную смесь графита с огнеупорной глиной. Позднее именно в Пассау случайно обнаружили природные залежи такого материала.

Аносов разгадал секрет высокой огнеупорности тиглей, теперь надо было только найти графит. Мощные запасы уральского графита были найдены на берегу и на дне озера Большой Еланчик, и Аносов получает тигли необходимой огнеупорности. Эти тигли оказываются более чем в 50 раз дешевле заграничных. Теперь все было готово для получения литой стали. Попутно можно было делать и карандаши.

Аносов знал, что в Англии и других странах Западной Европы литую сталь получали в небольших количествах путем переплавки цементованного железа. Известный европейский металлург Фабр дю Фор, перевод работы которого был напечатан в "Горном журнале" за 1839 год, рекомендовал для получения литой инструментальной стали "к сырой стали, содержащей мало углерода прибавлять 3 лота сажи на 5 фунтов стали", а к чистому полосовому железу "прибавлять 1/4 чугуна против веса железа". Аналогичные рецепты предлагали Р. Мюшетт и Г. Бреан. Таким образом, как и в более ранних работах Реомюра, Гей-Люссака и Ринмана, металлурги Западной Европы считали, что для науглероживания (цементации) железа необходим его непосредственный контакт с углеродсодержащим материалом. При этом в качестве шихты использовалось железо высокого качества.

Экспериментально изучив получение стали таким методом, Аносов показывает его большой недостаток. Заключался он в том, что при этом методе не удавалось управлять процессом цементации: "Положив угля более, опасаться должно, что она (сталь) выйдет слишком твердою, а положив недостаточно, она будет трудно плавиться, особенно потому, что часть углерода улетучивается".

После серии опытов он убеждается, что процесс цементации железа хорошо протекает в газовой среде печной атмосферы. Когда он наполнил тигель железными обсечками без примеси угольного порошка, не покрывая его ни флюсом, ни крышкой, то после расплавления шихты получил чугун. Когда же он накрыл тигель крышкою прежде, чем все железо расплавилось, то получил "удобно ковкий металл - литую сталь".

"Таким образом, - заключает Аносов, - для получения литой стали плавиленный горшок с крышкою есть просто отпираемый ящик. Стоит только знать, когда его открыть, и когда закрыть. Цементование железа, находящегося в горшке, совершается точно также, как и в ящике с угольным порошком, токмо тем скорее, чем возвышеннее температура". На основании этого открытия автор разрабатывает совершенно новый способ получения литой стали, который заключается "в сплавлении негодных к употреблению железных и стальных обсечков в глиняных горшках, при помощи возвышенной температуры воздушных печей".

Так П.П. Аносов открыл газовую цементацию и использовал её для получения литой стали методом "переплава отходов". Разработанный метод газовой цементации был опубликован им в 1837 году, в то время как в Европе первая печатная работа, посвящённая этому методу, появилась лишь спустя несколько десятков лет. Теперь уже известно, что процессы науглероживания и обезуглероживания играют первостепенную роль при производстве стали. Аносов впервые связывает эти процессы с температурой, и привлекает их для предвидения качества получаемой литой стали: получится ли она "мягкая", "средняя" или "твердая". Это и есть начало научного подхода к процессу получения литой стали.

В 1833 году Аносов провел серию опытов, которыми показал, что вполне возможно получать доброкачественную сталь путем сплавления чугуна и железа с прибавлением флюса и окалины. Это значит, что передел отходов и чугуна в сталь, широко известный теперь под названием скрап-процесса, был открыт Аносовым задолго до мартеновского метода. Совершенно естественно, что когда в середине XIX века Эмиль и Пьер Мартены обратились к русскому правительству с ходатайством о выдаче пятилетней привилегии на производство литой стали в России, им было отказано. Отказ мотивировался тем, что "литая сталь путем сплавления чугуна и железа производилась у нас на Урале в тиглях (работы Аносова и Обухова)".

Дальнейшее развитие науки позволило более обстоятельно проанализировать особенности предложенной Аносовым технологии тигельной плавки стали. Незначительное развитие при тигельном процессе окислительных реакций и отсутствие твердых восстановителей, таких, как марганец и алюминий, резко снижает степень загрязнения стали неметаллическими включениями, представляющими собой оксиды этих элементов. Оксиды в тигельной стали "самовосстанавливались" только кремнием, который был в огнеупорном материале тигля. Такой процесс "самораскисления" обеспечивал чистоту стали по неметаллическим включениям, чем и объясняется её высокое качество.

В процессе тигельной плавки различают три периода: плавление, кипение и успокоение. В процессе кипения происходит частичное растворение в шлаке глинозёма из стенок тигля. Поэтому конечный шлак высокоглинозёмистый, содержащий 25 - 30% окиси алюминия. В последнем периоде жидкая сталь "отстаивается" с целью более полного удаления газов и неметаллических включений. В период успокоения происходит также раскисление (удаление кислорода) шлака и стали восстановительной газовой фазой и твердым углеродом из стенок тигля. Все это обусловливает получение глинозёмистых шлаков, содержащих весьма небольшое количество окислов железа, обеспечивающих удаление кислорода из стали.

Аносов тщательно разрабатывает технологию производства тигельной стали, придавая большое значение её разливке. Он создаёт соразмерные с величиной тигля специальные чугунные формы (изложницы) и применяет их предварительный прогрев и смазку салом: "Каждая форма по граням составлена из двух бокованок, которые скреплялись обручем с клином. Формы предварительно прогреваются так, чтобы в них расплавилось сало, которым оне пред самою отливкою смазываются: отделяющиеся от горения сала газы предохраняют сталь от доступа воздуха".

Сталь рекомендовалось разливать медленно и так, чтобы струя не касалась боков формы. Эти рекомендации актуальны и сегодня.

Будучи внимательным наблюдателем, П.П. Аносов замечает, что по цвету струи стали, форме отделяющихся от неё искр и поведению металла в изложнице можно безошибочно определять содержание углерода в стали. "…Мягкая сталь при застывании увеличивается в объеме или вспучивается, средняя остается в том же положении, как вылита, а крепкая уменьшается в объеме". Благодаря тому, что П.П, Аносов исключил процесс предварительной цементации, а получил инструментальную сталь непосредственно переплавом шихты в тигле, ему удалось добиться значительной для того времени производительности и резко снизить стоимость литой стали. Кроме того, он разрабатывает способ плавки золотоносных песков в тиглях, домне и шахтной медеплавильной печи, а в 1838 г. на Атлянском руднике строится первый золотопромывальный станок Аносова - "самоходка".

Литая сталь, выплавленная по способу Аносова, имела высокие механические и технологические свойства, и это позволило Златоустовскому заводу отказаться от дорогостоящей английской стали, используемой для изготовления наиболее ответственных изделий. Если в 1830 году на заводе по этому способу было выплавлено 1660 пудов, то в 1836-м завод выплавлял уже 4600 пудов тигельной стали, в том числе впервые в истории артиллерии была отлита стальная 35-пудовая пушка. В этом же году Павел Петрович Аносов получил привилегию на изобретение литой стали, а в 1837 году в "Горном журнале" была опубликована его работа "О приготовлении литой стали". Секрета производства литой тигельной инструментальной стали больше не существовало. Но существовал ещё главный секрет, который мечтал раскрыть Аносов - секрет получения булата…

Начиная с 1828 года П.П. Аносов проявляет большой интерес к булатной стали. Он знакомится с известными тогда работами Карстена(Германия), Фарадея(Англия), Ринмана(Швеция), Бертье(Франция) и других западных металлургов, пытавшихся получить булатную сталь. Он знакомится с обладателями булатных клинков, завязывает с ними переписку. В результате тщательно изучаются лучшие коллекции булатного оружия в царскосельском арсенале, собрании великих князей Александра Николаевича и Михаила Павловича, коллекция князя П.Д. Салтыкова и другие.

Богатейшую коллекцию "азиатского оружия" удалось собрать к середине XIX века Оренбургскому военному губернатору генерал-лейтенанту В.А. Перовскому, участнику хивинского похода российской армии. В Оренбургском краеведческом музее сохранилась фотография, где Перовский сфотографирован на фоне своего собрания булата. К сожалению, местонахождение этой коллекции в настоящее время неизвестно.

П.П. Аносов тщательно исследует индийские вутцы, образцы сварочного булата. Он заводит связи с киргизами, которые доставляют ему несколько ценных клинков. Вскоре он сам собирает небольшую, но очень интересную коллекцию булата. Глубокое изучение образцов булатного оружия позволяет Аносову научно установить различие между литым и сварочным булатами. Он доказывает, что качество настоящего булата связано с узорами на его поверхности. Чем ярче и крупнее узор, чем больше неоднородность стали, тем выше качество клинка.

Кстати говоря, большинство западных металлургов вообще не догадывались о связи узора с качеством булата. Они относили узор к чисто внешним признакам, обеспечивающим красивый вид изделия. Более того, высокое качество литой стали они связывали только с её однородностью. Аносов впервые убедительно показал, что в представлении восточных мастеров залогом качества стали была её неоднородность.

С этой точки зрения Аносов проверяет влияние легирующих элементов на проявление свойств стали Он сплавляет железо с платиной, серебром, золотом, хромом, марганцем и другими элементами. При этом устанавливается, что хромистая сталь имеет преимущество перед марганцовистой, так как она лучше полируется и узоры её лучше приближаются к булатным. Влияние серебра и золота непринципиально, но все же благоприятно сказывается на вязкости и пластичности стали. А вывод отсюда был следующий: да, присутствие легирующих элементов в стали может вызвать появление узоров на её поверхности, однако многие примеси не только не улучшают, но даже ухудшают свойства стали. Другие - в некоторых отношения благотворно влияют на сталь, но причиной образования булатного узора и соответствующих свойств быть не могут.

Так же тщательно проверяет Аносов предположения о влиянии "способа" соединения древесины с углеродом, делая опыты с выплавлением железа с добавками клена (наиболее твердого дерева на Урале), цветов, березовых щепок и других пород дерева. Поскольку полученные слитки содержали небольшое количество углерода, то это обстоятельство дало Аносову повод не согласиться с подобными мнениями (Бреана, например) на сущность булатного узора.

В первых своих опытах Аносов получил на поверхности стали такие мелкие узоры, что их характер трудно было определить невооруженным глазом. Поэтому он начинает рассматривать их через лупу. Это наводит металлурга на мысль о использовании ещё больших увеличений для изучения макроструктуры стали. Так П.П. Аносов пришел к применению микроскопа в металлургии.

Под микроскопом он видит, что поверхность металла покрыта мельчайшим слоем окислов и загрязнена. После шлифовки и полировки поверхности, а также обработки кислотой узоры видны более четко благодаря тому, что разные структурные составляющие неодинаково реагируют на действие кислоты.

После тщательного исследования технологии выплавки стали с различными углеродсодержащими органическими материалами, Аносов констатирует, что хотя полученные слитки и имели мелкие узоры, но не обладали всеми свойствами настоящего булата, так как они уступали в твердости даже обыкновенной стали.

По заданию Аносова делается химический анализ индийского вутца. Кроме железа и углерода , в нем ничего не находят, вутц оказывается обыкновенной углеродистой сталью. Но углерода в нем очень много (1,5 - 2,0%). Такой стали цементацией твердого железа получить нельзя. Значит, секрет производства булата следует искать только в способах приготовления литой стали.

Итак, вывод сделан: булат - сплав железа с углеродом, причем углерода должно быть много. Чем же он отличается от обычных сталей? Конечно, узорами - они свидетельствуют о неоднородности стали. Оставалось выяснить, где скрыватеся причина их появления. Экспериментальный материал и научные сведения, которыми располагал теперь Аносов, безоговорочно подсказывали ему, что необходимо проверить прежде всего влияние чистоты исходных материалов и условий охлаждения (кристаллизации) слитков.

[1] Здесь и далее в кавычках - высказывания П.П. Аносова