Розгадка таємниці булатної сталі є одним із відкриттів, до яких людство йшло не одне століття. Про булатну сталь європейці дізналися після походу Олександра Македонського в Індію, який відбувся 2330 років тому. Холодне озброєння з цієї сталі мало неабиякі властивості: міцність, твердість, пластичність, пружність, гостроту леза при довготривалому застосуванні, та характерний візерунок на поверхні виробу, який визначав цінність шаблі, клинка, меча, ножа. Чим складнішим і красивішим був візерунок, тим дорожчим був виріб.

Інтенсивною розгадкою булатної сталі, а саме складом і технологією її виготовлення, займались європейці, починаючи з XVIII століття. Було багато повідомлень про отримання зразків холодного озброєння чи навіть технології виробництва булатної сталі. Але далі повідомлень або опублікування в пресі про «успіхи» – справа не йшла. Повторити свій «успіх» нікому не вдавалося, якщо було отримано щось подібне булату, то випадково, без теоретичного обгрунтування й розробки технологічного процесу.

Про всі ці «успіхи» далі буде йти мова, з докладним аналізом, з поясненнями, чому не можна вважати рекомендований процес виготовлення булатної сталі завершиним або зовсім непридатним для отримання булатної сталі. Вважаю, що на це судження я маю стовідсоткове право, бо мною отримано справжній булат і сталь булатного типу (чому булатного типу буде сказано пізніше).

Про булат я чув ще в десятому класі, коли перечитував твори Пушкіна і Лєрмонтова:

Все мое, сказало злато;
Все мое, сказал булат,
Все куплю, сказало злато;
Все возьму, сказал булат.

А ось Лєрмонтов про булат писав наступне:

Отделкой золотой блистает мой кинжал
Клинок надежный без порока,
Булат его хранит таинственный закал
Наследье бранного востока.

Але найбільше відомостей про булат я отримав, коли був студентом. Ніхто не заперечує, що студенти найжартівливіший, розважливий і зацікавлений всім і всяким народ. Так от, у частих бесідах, сперечаннях і повідомленнях ми узнавали один від одного такі речі, до яких, можливо, самотужки не дійшов би ні в якому разі. Мені запам’яталася суперечка про роман Вальтера Скотта, який описав змагання між королем Річардом Левове серце і султаном Саладіном, котрий розрубав на льоту шовкову хустку. Король же своїм мечем розрубав залізну балку. Тоді всі, хто щось чув чи читав про булат, встряли в цю розмову, яка точилася дуже довго, бо з’ясовували, чи могло бути таке насправді.

В 1965 році, після захисту кандидатської дисертації, я провів дві плавки булатної сталі на Харківському турбінному заводі, де все було для виконання такої роботи: шихта, ковальські молоти, центральна заводська лабораторія.

В плавільній печі, ємністю п’ятдесят кілограм, ми одержали чавун, який розливали в виливниці, куди було закладено прутки, смуги або навіть дріб з маловуглецевої сталі. А в тигель печі, в якому залишився рідкий чавун, додали маловуглецевих відходів виробництва з таким розрахунком, щоб отримати булат з кількістю вуглецю 1,1-1,3%. Після розплавлення відходів виробництва метал теж вилили в виливниці.

Але отримати візерунки на полірованій і травленій поверхні одержаного таким чином металу, що було основною метою при проведені плавок, не вдалося.

Якшо я раніше всі питання вирішував, як-то кажуть, з кондачка, то розкриття таємниці булатної сталі моїм методам не піддалося. Треба було серйозно братися за літературу. А всі роботи, починаючи з виплавки булатної сталі, кування і термічної обробки і закінчуючи поліровкою і травленням проводити самому, записуючи та аналізуючи кожне технологічне відхилення від задуманого чи відомого з літератури.

В 1966 році я переїжджаю до Києва і тут також проводжу плавки булатної сталі, де б не працював: в інституті чи на заводі. Але найбільших успіхів я досягнув, коли мені пощастило влаштуватися на роботу в Інститут проблем матеріалознавства НАН України в 1970 році. Тут було все: шихта, ковальський молот, прокатні стани, добре обладнані механічні цехи і дослідні лабораторії. З першого дня роботи я почав свої досліди по булатній сталі: проводив виплавку сталі в печах Таммана, індукційних, опору в залежності від того, якої ваги я хотів отримати зливок булату і якого хімічного складу. Потім зливки піддавав гарячій обробці: переробляв на ковальському молоті або прокатував. Але зазначу, що прокатці можна піддавати метал, який був перед тим оброблений на ковальському молоті, зливки при обробці на прокатному стані тріщали по міждендрітним з’єднанням.

Всього в Інституті проблем матеріалознавства мною було проведено 160 плавок, які досконально описувалися та аналізувалися.

Внаслідок цієї праці я розробив технологічний процес отримання булатної сталі, серед якого необхідно відмітити наступні етапи:

А. Чистота шихтових матеріалів. Сучасні засоби виробницва металів дозволяють отримати чисте залізо з малою кількістю домішок – сотими і тисячними долями відсотків. Однак виплавка сталі традиційними металургійними методами в дугових, електроплавильних, мартенівських і індукційних печах з відновлюванням і рафінуванням з використанням розкислювачів і модифікаторів не забеспечує отримання сталі, що не містить оксидів кремнію, марганцю, алюмінію та інших елементів, які забруднюють сталь і значно впливають на зниження її пластичності і в’язкості.

Відомо, що вуглець володіє достатньо високою розкислювальною здібностю і займає проміжне місце між марганцем і кремнієм (ближче до кремнію). Використання його як відновлювача і розкислювача сталі дозволяє усунути оксиди з металу; продукти реакцій вуглецю в газоподібному виді (СО, СО2) видаляються з рідкого металу, а інші розкислювачі утворюють рідинні оксиди. Тому в шихту завантажується вуглецева речовина (деревне вугілля, чистий вуглець, графіт), рівномірно розподіляється по всьому об’єму шихти (шихта перед завантаженням ретельно перемішувалась). Основу шихти складало карбонільне залізо, губчате залізо, відходи завода порошкової металургії, залізо армко та інші чисті маловуглецеві матеріали. У такий спосіб була отримана булатна сталь. Виплавка булатної сталі здійснювалася при закритому тиглі, що забеспечувало утворення і утримання відновлювальної вуглецевої атмосфери, яка сприяла відновленню оксидів заліза та інших металів у процесі плавки. Відомо, що залізо відновлюється вуглецем, починаючи з температури 200-250°С до температури плавлення заліза, а також у процесі виплавки рідкого металу; марганець відновлюється при температурі 790-900°С, хром – 1123°С, кремній – 1200°С. Отримана таким чином булатна сталь не мала азоту і водню, кількість кисню дорівнювала 0,001-0,0008%, чого ніяк не можна досягти при виплавці сталі традиційними способами, застосовуючи навіть вакуумування сталі. І це при тому, що шихта, наприклад, відходи виробництва заводу порошкової металургії – так звані котуни – мали кисню в межах 0,25-0,5%

Б. Застосування флюсів при виплавці булатної сталі. Відомий російський дослідник П.П. Аносов, який працював над розкриттям загадки булатної сталі, використовував флюс – доломіт і горновий камінь не тільки для запобігання насичення заліза вуглецем методом газової цементації (газ утворювався при згоранні деревного вугілля з утворенням окисів вуглецю, які насичували метал), очистки металу від марганцю і кремнію, сірки і фосфору. Вочевидь, флюс виявляє також каталітичну дію по відновленню оксидів заліза і слугує тепловою ванною, в якій розчиняє (розплавляє) залізо. На цьому принципі Інститут електрозварювання НАН України розробив спосіб електрошлакового переплаву металів. П.П. Аносов у своїх журналах-записах дослідів відмічав, що флюс плавився першим і розплавлений стікав на дно тигля через увесь об’єм шихти. Він також стверджував, якщо при виплавці не використовувався флюс, то булат отримувався гіршої якості. Виявлено, що каталітична дія солей калію і натрію спостерігається і при прямому відновленні. Додаток Na2CO3, K2CO3 в кількості 1,0% від маси оксиду приводить до значного підвищення швидкості відновлення Fe2O3 деревним вугіллям. Наприклад, при нагріванні до 850°С з витримкою 40 хвилин ступінь відновлення без додатку досягає лише 10%, з додатками: Na2CO3 – 55% і K2CO3 – 75%. Інакше кажучи, процес прискорюється в 5,5-7,5 разів. Ми разом з шихтою завантажували свіже обпалене вапно і плавиковий шпат, які відігравали роль очисників і каталізаторів.

Рідкий метал розкислювався алюмінієм марки А999, коли піч відкривалася в процесі виплавки сталі. Якщо піч не розкривалася, розкислювання алюмінієм не відбувалось.

В. Температура виплавки булатної сталі. Аналізуючи процес виплавки сталі стародавніх майстрів і П.П. Аносова, коли розпалювання тиглів проводилося деревним вугіллям із застосуванням сиродутного процесу (повітря подавалося не підігрітим), ми розрахували, що температура при виплавці сталі не перевищувала 1300°С. Цей висновок нам знадобився при розробці процесу виплавки сталі і здійснення його на практиці.

Відомо, що високі фізико-механічні властивості металу обумовлюються структурно-чутливими властивостями рідкого розплаву (густиною, поверхневим натягом, кінематичною в’язкістю). При більш високих показниках структурно-чутливих властивостей розплаву підвищуються показники фізико-механічних властивостей твердого металу. Густина металів при плавленні відображає зміни координаційного числа і величин міжатомних відстаней. Поверхневий натяг металевих розплавів визначається зміною рівня вільної енергії. В’язкість впливає на швидкість металургійних реакцій в об’ємі ванни і на кінетику розчинення в ній легуючих елементів.

На зниження структурно-чутливих властивостей розплаву впливає підвищення температури. Наприклад, густина при підвищенні температури зменшується за лінійним законом:

r Fe = 7030-0,66 (Т-Тпл),

r Fe - густина заліза, кг/куб.м.

Т - температура перегріву, °С,

Тпл - температура плавління заліза, °С.

(Давні майстри мали прекрасні результати, виготовляючи кинджали, шаблі, ножі та інші види холодного озброєння, тому що булат плавився і деформувався при низьких температурах.)

В залежності від кількості вуглецю в булатній сталі ми визначали темепературу виплавки, але температура не перевищувала температуру плавління сплаву більше, як на 25-30°С (булатна сталь складається лише з заліза та вуглецю).

Г. Переливання металу з печі в ковш, а потім в виливницю не усуває повторного окислення металу, ступінь якого можна визначити по збільшенню загальної кількості кисню в сталі, головним чином, за рахунок окислення складових сталі киснем повітря, а також забруднення металу частками шлаку і вогнетривких матеріалів футеровок ковша, жолоба та іншого сталерозливного обладнання. Досліджено, що внаслідок повторного окислення металу, в 2-3 рази збільшується кількість кисню в сталі. Іншими словами – в процесі розливки майже нанівець зводяться зусилля, пов’язані з виготовленням сталі в печі. При виробництві булату необхідно виключити повторне окислення металу, що може бути досягнуто охолодженням металу разом з тиглем печі, або у вакуумі, а також у вуглецево-відновувальній атмосфері і зменшити кількість переливів рідкого металу, про що буде описано далі, коли мова буде йти про виготовлення булату в промислових умовах на заводі «Більшовик» міста Києва.

Д. Повільне охолодження зливка в поступово затухаючому горні сприяє відпалу металу; подовженність витримки металу в області критичної температури А1 ± (20-50°С) у процесі охолодження зливка, нагрів під кування і охолодження у процесі кування (кування проводили з багаторазовим нагріванням) сприяє утворенню зернистого перліту, що підтверджується багатьма працями, присвяченими дослідженням натурних зразків холодного озброєння вченими Грузії під керівництвом академіка Ф.Н. Тавадзе і моїми особистими досягненнями в цьому питанні. При наявності зернистого перліту твердий розчин буде однорідним по концентрації вуглецю, а утворений при гартуванні мартенсит – рівномірним і менш напруженим.

Є. У процесі виробництва булатної сталі в літературі найбільш висвітлені виплавка і охолодження сталі, менш відомостей про її гартування і зовсім мало про кування. Є окремі повідомлення, що кування виконувалося при низьких температурах і багаторазовому нагріванні. Недостатність інформації про кування булатної сталі можна пояснити тим, що наряду з виготовленням булату з індійського вуца, була широко розповсюджена так звана дамаська сталь з кількістю вуглецю 0,6-0,9%, основним процесом при виготовлені якої було ковальське зварювання різнорідних по кількістю вуглецю смуг, прутків чи дроту, складених і перекручених в жмут або купку з їх подальшим нагріванням і куванням.

Відомо, що залізовуглецевий сплав з кількістю вуглецю до 2,0% піддається куванню, тобто гарячій пластичній деформації вільним куванням і прокаткою. Обробка сплаву з вуглецем більше 2,0% куванням або прокаткою утруднена внаслідок його низької пластичності, що обумовлено наявністю в структурі евтектики, яка утворюється з крихкої карбідної фази. Деформувати такий сплав можливо в умовах всебічного стиснення. Підвищення пластичності може бути реалізовано малими швидкостями деформації при температурі кування 850-650°С.

Дотримуючись цих вимог, нам вдалося здійснити кування булату з кількістю вуглецю більш 2,0%, наприклад, 2,3%; 3,2%; 4,5%; 5,0%.

Ж. Термічна обробка Булатової сталі. Грузинські вчені під керівництвом академіка Ф.Н. Тавадзе дослідили натуральні зразки холодного озброєння і по макро- та мікроструктурі і твердості металу зробили висновок, що в давнину холодне озброєння піддавалося нормалізації, тобто охолоджувалося на повітрі. В своїй статті «К вопросу исследования булатной стали» академік Ф.Н. Тавадзе зі своїми співпрацівниками пише: «Враховуючи, що при гартуванні булатної сталі утворюється мартенсит, який робить крихким матеріал виробу, гартування булату виключено».

П.П. Аносов гартував булатні вироби в розтоплювальному салі або в згущеному повітрі. З літописів нам відомо, що гартування виробів з булату проводилося в тілі раба; є рецепти, які засвідчують, що гартування проводилося в сечі. В старовинних англійських рецептах згадується про польові квіти, які додавалися до рідини. Є відомості про гартування виробів в проточній воді, в міжгір’ї, і в розведеному глицерині, в рідкому борошняному тісті, в мокрому полотні, в грязі з доріг, оцеті, в роздавлених черв’яках, різних соках: березовому, хріновому, розчиненій солі, воді. Згадувався і такий спосіб: нагрітий вироб по сигналу майстра вихоплювався з вогню, і вершник, вихопивший його, скакав що духу на коні, розмахуючи виробом.

В наш час усі ці методи не придатні, бо ми робимо не на «дотик», як колись робили давні майстри, а теоретично обгрунтовано і підтвердженою практикою. Так, наприклад, нам всім відомо, що зливки необхідно піддавати відпалу при температурі до 800°С, нормалізації або гартуванні при температурі 750-950°С, а потім ще треба піддавати відпуску, щоб отримати вироб з необхідною твердістю. Якщо температури відпалу, нормалізації і відпуску ми визначили достатньо просто і швидко, то температуру гартування виробів з булатної сталі визначали в декільках установах, тому й отримали різні температури гартування. Наприклад, завод «Більшовик» (м. Київ) визначив температуру гартування 800-830°С, завод «Дніпроспецсталь» (м. Запоріжжя) – 780°С, Інститут металофізики (В.А. Рафаловський) для булату з кількістю вуглецю 1,14% виробництва заводу «Дніпроспецсталь» – 760-780°С, Ю.П. Юрченко, для булату з кількістю вуглецю 1,05 і 1,27% – 750-850°С, мої особисті дослідження – 780-800°С. Цікаві дані наводить співпрацівник Інституту проблем матеріалознавства В.І. Ульшин: за його даними гартування у воді необхідно проводити при температурі 760-820°С, а гартування в маслі – 780-820°С. Найкращі наслідки гартування В.І. Ульшин отримав при проведенні процесу поліпшення: нагрівання під гартування до температури 760-780°С, гартування у воді, відпуск при температурі 680°С, що продовжується дві години і використовується як попередня термічна обробка для підвищення прогартовування булатної сталі. Нами були проведені різні види термічної обробки: відпал, гартування в маслі або у воді, нормалізація з гартуванням або без неї, відпуск. Ми дійшли висновку, що для кожного виробу, а ми мали справу лише з промисловими виробами (оснастка, інструмент, деталі), необхідно розробляти окремий вид термічної обробки в залежності від умов експлуатації. Приведені вище різні значення температури гартування можна пояснити тим, що установи досліджували булатну сталь з різним складом вуглецю, і, що головне, булат був виплавлений в різних металургійних печах: індукційні ємністю від 20 до 150 кг (в лабораторних умовах); 1000 кг (на заводі «Більшовик»); електродугова сталеплавильна піч (завод «Дніпроспецсталь»); піч Таммана, маса зливку від 0,1 до 0,5 кг; піч опору – до 3 кг. Звичайно, виплавка булатної сталі в різних печах із різним складом вуглецю накладає відбиток на структуру і розподіл вуглецю в металі. Вкорінилася думка, яка підтверджується практичними даними, що Булатова сталь – композиційний матеріал, про що буде згадано далі.

Раніше говорилося, що ми займалися впровадженням булатної сталі в промисловість, хоча спочатку я мріяв розробити склад і технологію для виготовлення холодного озброєння, але в Інституті проблем матеріалознавства мені не рекомендували займатися цією справою, посилаючися на розроблені леговані сталі, які задовольняють всі потреби промисловості і науки. Тому я переключився на розробку процесу для потреб промисловості, пам’ятаючи про те, що лези холодного озброєння довго зберігали гостроту, тобто булатна сталь була зносостійкою.

Коли я переконався, що мною розроблено склад і технологія виробництва булатної сталі в лабораторних умовах, я налагодив зв’язок з Московським заводом «Дорхіммаш» об’єднання «Пластик», запропонував їм використати виготовлені з булатної сталі з кількістю вуглецю 1,15% леза для порізки плівки, товщиною 3 мкм з поліетилентерафталату. Леза з булатної сталі довше використовувалися в порівнянні з лезами із сталі 65X13 в 12 разів, відповідно 24 і 2 години.

Маючи такі чудові результати, я зондував можливість промислового виробрицтва булатної сталі. Але Інститут проблем матеріознавства не підтримав мою ідею, мабуть вплинуло твердження академіка Ф.Н. Тавадзе: «Булатна сталь як матеріал для масового виробництва виробів втратила колишнє практичне значення, але теоретичний і історико-технічний інтерес до неї зберігся».

Я мусив перейти працювати в Інститут металофізики НАН України у відділ професора Ларікова Л.Н., який займався проблемою високоміцних матеріалів і якому я в письмовій формі виклав свої розуміння відносно кандидатської дисертації аспіранта академіка Ф.Н. Тавадзе, тема якої була булатна сталь. Я не погоджувався з Тбіліським інститутом металургії, а отже і з аспірантом про те, що:

1. Булатна сталь може мати вуглець в межах 1,1-1,75%. Я одержував булатну сталь з вуглецем в кількості 0,4-6,0%.

2. Булатна сталь при термічній обробці піддається лише нормалізації.Я проводив гартування у воді і маслі.

З. Булатна сталь може мати лише перліто-цементитну структуру, яка забезпечує наявність візерунку. Я не погоджувався з цим твердженням, тому що ферито-перлітна структура також забезпечує отримання візерунку, бо ферит і цементит мають білий (світлий) колір і візерунок, який утворюється перлітом, і цементитом буде мати такий же вигляд, що утворений феритом і перлітом.

4. Булатна сталь з вуглецем більш 1,7% не піддається гарячій пластичній деформації. Я обробляв булатну сталь з кількістю вуглецю 2,3; 3,2; 4,5; 5,0 відсотків.

5. Булатна сталь ніколи не буде застосовуватися в промисловості. Мої перші випробування з плівкою засвідчили, що булатна сталь по зносостійкості перевищує леговану сталь 65X13.

Працюючи в Інституті металофізики, я провів сім плавок на заводі «Більшовик», відкував необхідні поковки на замовлення київських заводів, з яких було виготовлено оснастку, інструмент і промислові деталі. Все це обладнання випробували безпосередньо в промислових умовах. Результати випробовувань наведені в таблиці №1 (пункти 1-8, 13 стосуються випробувань проведених особисто автором).

Необхідно відмітити особливості виплавки булатної сталі в однотонній індукційній печі на заводі «Більшовик». У зв’язку з тим, що під час плавки прийшлося добавляти шихту в піч, для чого тигель печі відкривався, ми вимушені були використовувати як розкислювачі алюміній і фероцерій (мішметал). Метал зливали з тигля безпосередньо в виливницю, яка була підвішена на мостовому крані і нагріта до температури 320-350°С, разом зі шлаком, що захищав метал від окислення киснем повітря та насичення водородом і азотом. Виливниці розміщалися в томильних ямах або накривалися полотном азбесту, що забезпечувало охолодження металу з швидкістю 95-100°С за годину.

Паралельно з проведенням робіт по випробовуванню булату у виробництві ми проводили дослідження на мікро- і макроструктуру й отримували задовільні результати (мал. 1, 2), що узгоджується з даними грузинських вчених, які досліжували натурні зразки холодного озброєнння. Необхідно відмітити, що ми не займалися проблемою отримання візерунку, який би відображав властивості булату, але отримані структури були однозначні з структурами, які отримали, грузинські вчені. Наприклад, на мал. 1 наведена мікроструктура булату з кількістю вуглецю 1,15% в поперечному і подовженому січеннях, а на мал. 2 – макроструктура – візерунок булату з кількістю вуглецю: а) 1,95% – квітковий, б) 2,26% – смугастий, в) 3,1% – близький до колінчатого. Необхідно відмітити, що грузинські вчені виявили в зразках холодного озброєння на кромці лези сформовані великі карбіди, які в процесі куваня були витесненні з матриці до лези (мал. 3)...