Перші спроби виготовлення заліза

В історичних колах раніше пов’язували появу заліза на території сучасної України з розселенням тут кіммерійців, що відбулося на рубежі II і I тисячоліття до н. е.

Але більш сучасні археологічні дослідження вказують на появу заліза на даній території у племен зрубної культури, яки мешкали тут в середині ІІ тисячоліття до н. е. Зараз також підтверджено, що розвиток металургії на території лісової та лісостепової зон України на межі ІІ-І тисячоліть до н. е. відбувався незалежно від впливу інших народів. На поселеннях племен Бондарихівської культури відзначається наявність майстерень, спеціалізованих лише на виробництві заліза. Технологія виробництва заліза того періоду являла собою метод прямого відновлення заліза з болотяних руд в сиродутному горні (ямна піч багаторазового використання без шлаковипуску).

На знахідках кіммерійської цивілізації добре прослідкується перехід від бронзових до біметалевих і залізних предметів озброєння, побуту, кінського спорядження. Але слідів металургії заліза у кіммерійців не виявлено, що свідчить про використання ними довізлого заліза, швидше за все з лісостепових районів.

Технологія обробки заліза в цей період була ще на досить низькому рівні, і тому при виготовленні таких складних речей, як, наприклад, меч, використовувалася технологія відливки бронзового руків’я на залізний Клинок.

Надалі ширше опановуються прийоми ковальської обробки металів і вже в пізньокіммерійський час можна бачити вивершену залізну зброю.

Значний розвиток металургії та металообробки відмічається на територіях, заселених племенами чорноліської культури, що знаходяться в межиріччі Дніпра та Дністра і басейні Ворскли. Про це свідчать знахідки залізних шлаків на городищах, а також розширення кількості та асортименту знайдених там залізних виробів. Все це підтверджує наявність власного виробництва заліза. На думку О.І. Тереножкіна у період розвитку чорноліської культури залізо набуває великого господарчого значення, рішуче витискуючи з місцевого виробництва кістяні, крем’яні та кам’яні шліфовані знаряддя, а пізніше і бронзу. У цей же період відбувається і нове піднесення бронзоливарного виробництва, яке дозволяє стверджувати, що у чорноліський період біметалізм все ще не був подоланий.

Удосконалення процесу виготовлення заліза

Скіфський період чорної металургії являє собою слідуючий етап її розвитку. Розкопки на території Кам’янського та Шарпівського городища дозволяють стверджувати, що у скіфський техніці залізо добування з’являється принципово новий тип металургійного горна – наземна шахтна стаціонарна сиродутна піч із шлаковипуском. Практичне значення цього технічного рішення полягає в тому, що, звільнюючи під час плавки робочий об’єм горна від накопиченого шлаку, майстер-металург мав змогу здійснювати декілька додаткових завантажень шихтою і таким чином, при збереженні відносно невеликого об’єму печі в десятки разів, порівняно з попереднім типом горна, збільшити вихід заліза.

Саме запровадження у скіфський період до металургійної техніки сиродутного горна з шлаковипуском не лише ліквідувало дефіцит заліза і дозволило в значній кількості виробляти знаряддя праці та озброєння, але і на цілих два тисячоліття визначило шляхи розвитку східноєвропейської чорної металургії.

Удосконалення ковальства

Значний прогрес у розвитку металургії заліза скіфського періоду VII – III ст. до н. е. зумовило і подальший розвиток технології металообробки. Так, вже в ранній скіфський період зустрічаються поодинокі випадки зміцнення залізних виробів цілеспрямованим навуглецюванням, зустрічаються приклади використання сталі-серцю, отриманої безпосередньо в сиродутному горні. Надалі випадки використання подібних технологій збільшуються, і вже в пізній скіфський період при виробництві зброї зустрічаються приклади зварювання в пакет заготовок із заліза та сталі. Але цілеспрямованої термообробки виробів в цей період ще не виявлено.

У пам’ятках, залишених сарматськими племенами, які змінили скіфів в ІІІ ст. до н. е., ми бачимо подальше вдосконалення технології обробки заліза. Все частіше використовується обробка матеріалів за допомогою багаторазового зварювання і проковування, що значно підвищило їх якість. При виробництві зброї широко використовується пакетування.

Клинки сарматських мечів зварювалися з двох, або тришарових пакетів заліза та сталі. Це дозволило отримати добрі робочі властивості завдяки стальному лезу і достатню стійкість проти переломування через наявність обкладок з м’якого заліза.

Подібними шляхами розвивалася чорна металургія та металообробка і на інших територіях європейського континенту. Десь цей процес йшов з відставанням, а десь з випередженням у порівнянні з територією східноєвропейського лісостепу.

Винайдення «дамаску»

В ІІІ ст. до н. е. економічно розвинута Римська імперія зробила якісно новий крок в технології залізообробки. Тут почали цілеспрямовано зварювати в єдиний багатошаровий пакет залізні та стальні заготовки, тобто виготовляти дамаську сталь.

Надалі цю технологію перейняли у римлян і перенесли в басейн Балтійського моря та Рейну германські племена. Значно вдосконаливши технологію виробництва, германські племена організували на своїй території загальноєвропейський центр по виробництву зброї з дамаської сталі, який функціонував аж до кінця І тисячоліття н.е.

В той же час виробництво дамаської сталі розповсюджується і на Близький Схід. Одним з центрів виробництва зброї з цього матеріалу стало сирійське місто Дамаск.

Потрібно відмітити, що виробництво дамаської сталі існувало не тільки в зазначених вище регіонах. Так, археологічні матеріали та інші історичні свідчення вказують на самостійне виробництво цього матеріалу в Середній Азії, на Кавказі, на територіях Індії, Японії, Індонезії. Технологія виробництва дамаської сталі на різних територіях мала свої особливості, що було обумовлено як сировинною базою, так і традиціями місцевих майстрів.

Що таке «дамаск»?

То що ж являє собою дамаск, чим зумовлено широке розповсюдження дамаської сталі?

Дамаська сталь, це матеріал, який утворюється при багаторазовому ковальському зварюванні, протягуванні, згинанні і знову зварюванні пакета, складеного з залізних та стальних заготовок.

Візьмемо для прикладу пакет із семи заготовок. Після зварювання пакет протягується в довжину, складається вдвоє і знову зварюється. Кількість шарів при кожному черговому зварюванні росте в геометричній прогресії: 7-14-28-56-112 і т. ін.

В практичному плані це давало:

— по перше – кричне залізо та сталь-сирець, що використовувалися при складанні пакета були низької якості через наявність в них великої кількості шлакових включень та нерівномірності розподілу вуглецю в сталі-сирці; при багаторазовому зварюванні і проковуванні великі за розмірами шлакові включення з металу в значній мірі видалялись, а дрібні ще більше подрібнювались і вже не так впливали на механічні властивості металу; нерівномірний вміст вуглецю в сталі-серці при багаторазовому зварюванні і проковуванні вирівнювався, що значно підвищувало механічні властивості виробів з цього матеріалу;

— по друге – дрібношарова структура дамаської сталі на лезах клинків при їх заточуванні утворювала «мікропилку» через різну твердість металу в різних шарах, що значно підвищувало різальні властивості інструменту та зброї;

— по третє – вироби з багатошарового металу мали дуже привабливий зовнішній вигляд.

Кількість шарів металу в виробах з дамаської сталі була різною в залежності від призначення виробу, від властивостей використаного металу та від місцевих традицій. Так, наприклад, японські мечі традиційно відковувалися з пакету, що мав не менше ніж 50 тисяч шарів. При такій їх кількості малюнок на сталі вже малопомітний, але вона має високі механічні властивості. А коли потрібно показати виразний малюнок металу то використовується пакет зварений в 100-400 шарів, але різальні властивості такого інструменту чи зброї не дуже високі через значну товщину шарів заліза, що призводить до швидкого затуплення. Тому на леза виробів використовували або пакет з тонкими шарами, або цементовану сталь.

Це підтверджується матеріалами, викладеними великим хорезмійським вченим Мухаммедом Ібн Беруні в розділі «про залізо» його мінералогічного трактату, написаного в 1048 році.

В цій роботі він описує технологію виробництва заліза, сталі, булату та візерунчастої сталі, а також досконально описує виробництво мечів у «Русів» з візерунчастої сталі з стальними лезами.

Сучасний дамаск

В наш час вироби з дамаської сталі знову ввійшли в моду і набули широкого розповсюдження в усьому світі. Але виробляються вони вже з сучасних матеріалів. Так, при формуванні пакетів використовуються вуглецеві сталі типу У8-У12, що надає пакетам достатньо твердості, а також леговані сталі, які мають у своєму складі такі елементи, як хром, нікель, титан, молібден, ванадій. Це надає сучасним дамаським сталям як виразного малюнка, так і додаткових механічних властивостей.

Для збільшення кількості вуглецю в сучасних дамасках широко використовується навуглецювання під час зварювання за допомогою подрібненого чавуну та флюсів, до складу яких входять карбюризатори.

Сьогодні при наявності матеріалів, які дозволяють створити метал високої якості, дамаські сталі за своїми механічними властивостями можуть успішно конкурувати з сучасними легованими сталями лише тоді, коли вони виготовлені на дійсно високому рівні. Але за своїм зовнішнім виглядом, за малюнком застиглого в металі полум’я чи гірського потоку, зрізу деревини чи річкового пісчаного дна, за своїми естетичними показниками вироби з дамаської сталі залишаються неперевершеними.

Особливо це стосується сучасних зразків з мозаїчного дамаску.

Вказана вище інформація підтверджується не лише археологічними, історичними джерелами та технічними матеріалами, викладеними різними авторами, але і семирічним досвідом роботи з дамаською сталлю автора цих рядків.

Стародавня історія булату

Що ж стосується високих механічних та робочих характеристик клинкових виробів, то найкращим матеріалом для досягнення цих цілей був і залишається булат.

Що ж це таке: яка різниця і що спільного в нього з дамаською сталлю?

В повсякденному житті ці два матеріали часто плутають, приписуючи властивості одного іншому, а то і ототожнюючи їх. Викликано це як схожим зовнішнім виглядом цих матеріалів, так і різною по періодах та територіях термінологією в їх визначенні.

Вперше європейці довідалися про булат, коли військо Олександра Македонського вступило на територію Індії 2300 років тому. З того часу він набув широкого розповсюдження на території Азії. Так, один з центрів його виробництва існував на території Середньої Азії. За 30 кілометрів на північний схід від Намангана, на правому березі Сирдар’ї було розкопано давнє городище Асхітек – бувший великий політичний та економічний центр північної Фергани. Починаючи з VII і до ХІІ сторіччя включно в Асхітеку виплавляли тигельні сталі з різним вмістом вуглецю, а також булат. На території городища знайдено великі металургійні майстерні і відкопаний рів завдовжки 250 м, завширшки 25 метрів та глибиною 14 метрів, який був до верху заповнений різними тиглями місткістю від 2-3 до 8-10 дм3.

Кандидат історичних наук, археолог Ольга Андреасовна Папахристу багато років працювала на розкопках цього городища. Ії дослідження дали багатий матеріал. Виявляється, давні металурги Фергани варили тигельні сталі на кам’яному вугіллі. Там існувала ціла гора кам’яного вугілля високої якості і добувалося воно відкритим способом. Але за 500-600 років ця гора була повністю страчена.

Що таке булатна сталь?

Відповісти на запитання «Що таке булат?» я спробую словами великого майстра сучасності, людини, яка віддала відродженню та розвитку технологій виробництва дамаської сталі та булату більше тридцяти років свого життя, нині на превеликий жаль вже покійного В’ячеслава Івановича Басова:

«Булатна сталь – це тигельна візерунчаста, в основному, високо вуглецева з особливими властивостями сталь. Кількість вуглецю в булатах від 0,83-0,85% до 3-3,5% і навіть до 4%. Середній вміст вуглецю в найбільш розповсюджених булатах 1,25-1,6%, рідше 1,8-2%. В основі будови булатної сталі лежить природна дендритна кристалізація з великими різновидностями. В структурі булату ті ж складові що і в звичайних сталях: ферит, перліт, цементит, але вони корінним чином відрізняються своєю будовою та розташуванням.

Булатна сталь була відкрита не випадково і набагато раніше, ніж ми гадаємо. Металурги бронзового віку, мабуть, звернули увагу на ялинкоподібну будову бронзових злитків. Отримавши перший злиток з заліза з такою ж самою будовою, давні майстри швидше за все почали його кувати, як бронзу. Звичайно, він розсипався. Однак це не могло зупинити майстрів ковки бронзової зброї. Пройшов певний час, і, набравшись досвіду, вони знайшли рішення, застосувавши термообробку. На моє переконання прославлені давні булатні майстри, що виготовляли знамениті клинки, не розуміли до кінця секретів булату. Вони знали секрети виробництва, секрети технологій, детально їх виконували і передавали досвід з покоління в покоління. Не знали всіх секретів цього і П.П. Аносов, Д.К. Чернов та інші дослідники. Але Аносов у другій четверті ХІХ ст. розробив технологію і організував масове виробництво булату і виробів з нього на Златоустовському заводі. Він виготовляв булат, що не поступався найкращим азіатським зразкам. В 1841 році П.П. Аносов опублікував свою знамениту роботу «О булатах», в якій детально описав технологію виробництва булату. Незамінним помічником Аносова при виготовленні булатних злитків був майстер Микола Іванович Швецов.

Після того як у 1847 році Аносов став Томським цивільним губернатором та начальником алтайських гірничих заводів і виїхав із Златоуста, М.І. Швецов продовжував варити булат. Був він людиною скритною і технологію виробництва нікому не переказував. Четверо його синів працювали на Златоустовському заводі, але секрети виробництва булату він довірив тільки старшому сину – Павлу. Павло Миколайович майже 45 років працював на заводі сталеливарним майстром і до 1905 року виготовляв булат. У 1906 році він продав секрети приготування булату дирекції Златоустовського заводу, але булат після цього вже не виготовляли.

Велику увагу булатам приділяли послідовники Аносова, російські металурги Д.К. Чернов, П.М. Обухів, А.С. Лавров, Н.В. Калакуцький, Н.Т. Бєляєв, Н.І. Бєляєв та ін.

В 1985 році була опублікована книга доктора технічних наук, професора Ю.Г. Гуревича, котрий є співавтором винаходу №116334 від 18 лютого 1955 року «Спосіб приготування злитків булатної сталі». Як знавець технології металів він детально описує історичний шлях чорної металургії в напрямку виробництва досконалої сталі і булату, але на практиці він зумів отримати лише одну із різновидностей булату – булат з лише частково розплавленими залізними частками.

Таємниця, або, якщо точніше, таємниці булатних сталей сховані в їх будові, обумовленій технологією виплавки, особливостями кристалізації, охолодження, ковки, термообробки. Для кожної різновидності булату своя технологія і свої секрети, хоча основним вважають кристалізацію.

За словами П.П. Аносова булатна сталь краща за будь-яку сталь, з якої вона виготовлена, що будь-яка сталь завжди може бути переплавлена в булат і, зрозуміло, після цього не може зрівнятися по твердості і пластичності з цими ж властивостями, що були притаманні сталі до переплавки.

А тепер більш детально розберемося з хімічним складом та структурою булату. Класичний булат – це залізовуглецевий сплав що складається з чистого заліза та вуглецю в кількості від 0,8 до 4%. З курсу матеріалознавства відомо, що метал з вмістом вуглецю понад 2,14% це вже не сталь, а чавун, який має відповідно досить скромні механічні властивості. Булат же з вмістом вуглецю до 4% має механічні властивості, які перевершують властивості найкращих сталей. Це і стійкість леза клинка завдяки дуже високій твердості, і в той же час висока пружність і пластичність. А досягаються ці властивості завдяки особливій структурі, яка утворюється в злитку булату, при його виготовленні.

Так, при охолодженні після плавки в злитку булату першим починає кристалізуватися ферит (чисте залізо). Він утворює тонкі дендритні (деревовидні) волокна, які пронизують злиток у всіх напрямках у вигляді густої сітки. Це, для наглядності, можна порівняти з сіткою арматури в залізобетоні. Адже в обох випадках сітка виконує роль каркасу, який утримує конструкцію від розколювання. Далі при охолодженні злитка волокна фериту покриваються тонким шаром цементиту Fe3C (хімічна сполука заліза з вуглецем, що має найвищу твердість), який утворюється навколо волокон фериту з перліту та надлишкового вуглецю, який був витиснений при кристалізації фериту. Далі в проміжках між волокнами кристалізується перліт (сталь 0,8% С) або ледебурит (суміш перліту з цементитом) в залежності від хімічного складу злитка. От завдяки такій структурі булат і набуває своїх перевершених властивостей, а саме:

– ферит забезпечує в’язкість і пластичність;

– цементит надає перевершену твердість;

– перліт надає булату пружності.

В.І. Басов під час роботи з булатами розрізняв дванадцять його видів, які відрізняються хімічним складом, структурою та способом виготовлення:

1) половецький булат;

2) булат з лише частково розплавленими залізними частками і додатковою природною кристалізацією, так звані іранські ранди;

3) булат зі змазаною комбінованою структурою;

4) вуглецевий булат на «чистій» металевій основі;

5) леговані булати;

6) булати на «грязький» основі, які мають велику кількість домішок;

7) булати, що мають замість вуглецю інші елементи, наприклад, сірку;

8) булати, які отримуються безпосередньо з руди, обминаючи доменний процес, з заданими властивостями та хімічним складом;

9) супервуглецевий булат з наявністю в структурі алмазних часток;

10) булати з будь-якої марки сталі;

11) булати, що отримуються з чавуну;

12) булати, які отримуються з металолому без попереднього визначення його хімічного складу.

Перші два з наведених булатів за структурою дуже близькі до дамаських сталей, а інші десять мають структуру класичного булату в різних варіантах.

Сьогодні у наших сусідів – росіян – вже багато майстрів виготовляють булат та вироби з нього. Більшість з них є учнями В.І. Басова. Великий вплив на розвиток майстерності в Росії має, також більш досконале законодавство, яке дозволяє майстрам займатися виробництвом ножових виробів та іншої клинкової продукції, для якої власне і призначений булат. Має місце виробництво булату і в Україні. Так, науково-технічний центр «Булат НВР», який очолює Володимир Володимирович Остапович, налагодив промислове виробництво булату та виробів з нього. Це сталося можливим завдяки багаторічній наполегливій праці Василя Романовича Назаренка, який розробив технологію і багато зробив для ії промислового впровадження.

Виробництво булату в домашніх умовах налагодив майстер з Харкова Василь Фурса. Він також, спираючись на досвід американських спеціалістів, пропонує принципово нові підходи при обробці злитків булату. За його словами саме завдяки цим підходам можна досягти найвищої якості виробів з булату.

Працюють над булатом в Україні й інші майстри.

В грудні 2003 року в Києві відбулася перша Українська спеціалізована виставка «Біла зброя». Серед її експонатів можна було побачити і кілька виробів з українського булату.

Є надія, що найближчим часом наші парламентарії приймуть таки закон про зброю, відсутність якого на сьогодні є основною перешкодою на шляху майстрів, які бажають на законних підставах займатися виробництвом ножів та холодної зброї.