Загадка булатного узора

Железо — тугоплавкий металл, температура его плавления 1539 °C. Такой высокой температуры долгое время достигнуть не могли. Предпосылкой широкого распространения железной металлургии было открытие сыродутного процесса, осуществляющего восстановление железа из руды при температуре порядка 900 °C. Для перехода от меди и бронзы к железу это имело большое значение. Выплавка меди из руды представляла более сложный процесс, чем выплавка железа: она требовала более высоких температур и необходимости выпуска жидкого шлака из печи. Кроме того, медные рудники были уже очень сильно истощены и не могли обеспечивать металлом потребности общества. Железные руды к этому времени были хорошо известны, они находились на поверхности земли. Это были бурые железняки, озерные, болотные и другие легко восстанавливающиеся руда.

Для приготовления железа руда дробилась и обжигалась на открытом огне. После этого руду и древесный уголь слоями складывали в яму или каменный горн, в который продували воздух. В связи с тем что «сырой» (неподогретый) воздух продувался через порцию руды 1 угля, процесс уже в наше время назвали сыродутным. Продувку в древние времена осуществляли так. Брали длинные полые стебли лотоса или бамбука, вставляли их в отверстия внизу горна и, напрягая легкие, дули изо всех сил. Но человеческие легкие оказались слишком слабыми, чтобы обеспечить нужный поток воздуха, поэтому со временем вместо дутьевой трубки начинают применять мехи, сшитые из шкур животных.

Сгорая в потоке воздуха, уголь нагревал руду и частично восстанавливал ее до железа. Оставшаяся часть окислов железа вместе с окислами других примесей плавилась и образовывала жидкий шлак. В результате этого на дне горна получали комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла. Этот комок называли крицей. Первое время масса получаемой крицы была от одного до нескольких килограммов. Многократной проковкой крицы в горячем состоянии «выжимали» шлак и получали железную поковку, представляющую собой так называемое сварочное, ковкое железо, или мягкую сталь. Содержание углерода в такой стали составляло 0,12–0,26 %; серы, фосфора и других примесей, как правило, было очень мало.

В настоящее время известно, что железо никогда не бывает чистым, оно всегда содержит примеси. Фосфор и сера относятся к вредным примесям, так как вызывают хрупкость металла. Техническим железом называют сплав железа и углерода, который содержит 99,8–99,9 %, железа, 0,1–0,2 % примесей и до 0,02 % углерода. Сплавы железа с большим количеством углерода называют сталью или чугуном. Чугун — сплав, содержащий более 2 % углерода, сталь — менее 2 %. Если в стали 0,6–1,2 % углерода, ее называют высокоуглеродистой, при содержания 0,25–0,6 % углерода — среднеуглеродистой, а если углерода меньше 0,25 % — низкоуглеродистой.

Как же из сварочного железа в прошлом получал углеродистую сталь? Археологические находки говоря о том, что уже в глубокой древности был известен способ цементации (науглероживания) железа. Для получения высокой твердости и прочности углеродистую сталь необходимо закалить. Древние знали и это.

В средние века секреты многих способов цементаци железа были утеряны, но в XVII веке они вновь начина ют широко применяться. Один из первых патентов в мире был выдан английским королем Яковом в 1617 год лондонским ремесленникам Вильяму Эллиоту и Матис Мейсею — на изобретенный ими способ переработки железа при помощи цементации.

В Древней Руси наряду с железом часто применяли углеродистую сталь. Наибольшее распространение получили способы изготовления ее в кузнечном горне. В обычный кузнечный горн клали железную крицу, засыпали ее древесным углем и нагревали. Начиная с температур 700–900 °C, углерод диффундировал (проникал) в железо. Кузнец вынимал крицу и быстро охлаждал ее в воде или снеге. Сталистая поверхность крицы охрупчивалась и при ударах молота отделялась. Подобную операцию проделывали до тех пор, пока вся криц; не превращалась в стальные пластины. Полученные пластины отжигали и сваривали между собой.

На Руси было также хорошо известно науглероживание (цементация) всей массы железного изделия. Для этого изделие вместе с карбюризатором (древесным углем) закладывали в огнеупорный сосуд, сделанный из глины или кирпичных плиток, нагревали в горне до высокой температуры и выдерживали длительное время Таким образом получали углеродистые стали, содержащие не более чем 0,4–08 % углерода.

С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость, износоустойчивость и прочность. Лучшие клинки из сварочного булата изготовлялись из стальных полос, содержащих 0,6–0,8 % углерода, в то время как индийский вутц или литой булат содержал от 1,6 до 2,0 %, углерода. Нет сомнений, что по сравнению с сыродутным железом и среднеуглеродистой сталью булат имел фантастическую по тем временам прочность и износоустойчивость.