Сталь

Содержание

Испытания уральскому железу определил Петр I

Сталь — настолько распространенный, настолько обыденный в жизни современного человека материал, что мало кому в голову приходит вопрос: а как же человек пришел к открытию стали, как, какими путями этот твердый металл был получен впервые?

Не ответят на этот вопрос однозначно и эти заметки. В них лишь документальные подтверждения некоторых событий и фактов из истории стали. Все они так или иначе связаны с цементационной тагильской сталью — одной из вершин металлургии прошлого.

История стали

Трудно сказать, когда именно впервые в обиход вошло это слово «сталь», но, видимо, не ранее второй половины XVIII века. Да и после этого еще очень долго, едва ли не до середины XIX века, сталь разных марок, в том числе и цементационную, нередко называли железом, особенно на Урале.

Заметим тут же, что цементационная сталь — это сталь, полученная при цементации. А цементацией называют процесс поверхностного насыщения металла углеродом.

Согласно классическому определению («Энциклопедический словарь» Ф. А. Брокгауза и И. А. Ефрона), это «процесс, с помощью которого железным изделиям сообщается способность образовать поверхностный закал, т. е. твердую наружную корку, придающую железу свойства закаленной стали, причем внутренняя масса металла сохраняет мягкость и вязкость, свойственные железу».

Не выделяя сталь в особый вид металла, не зная ее физических и химических особенностей, не зная даже толком, почему и как железо превращается в сталь, люди умели получать ее уже в глубокой древности.

Хрестоматийны примеры с булатом и дамасской сталью, но не о них пойдет речь, а о самых обычных сортах стали, получаемых классическими методами закалки, цементации и литья.

Одно из самых первых описаний железоделательного заводика на Урале составил монах по фамилии Черницын из Долматовского монастыря (XVII век).

«На Железенке речке монастырский дворец (здесь и ниже надо читать не дворе´ц, а дво´рец), на дворце строение: изба на мосте, пред избою клеть и сени, в подклети тоя же клети закрома хлебные; изба большая поземная, к избе прирублены сени о двух жильях; на углу двора темный хлев и две стаи большие; над ними сарай под драничной крышей.

Вне дворца в отставке: кузница с наковальнею, клещами и мехами; домница — плавят железо; в ней две печки с кричными клещами, с тремя наварницами; перед домницей сарай угольный прирубной, ступа и пест, чтоб железные руда толчи; погреб с надпогребницею и на речке Железенке однопоставная мельница…»

Завод, описанный монахом Черницыным, очевидно, был предшественником известного Каменского железоделательного завода. Эта запись дает нам представление не только о том, какими были старинные русские и, в частности, уральские металлургические предприятия, но и о технологии: домница, в которой плавили руду, кузница с наковальней, меха, печи с кричными горнами…

Обращает на себя внимание слово «наварницы»: очевидно, речь идет о горнах, в которых железо наваривалось пластами. Позднее именно в таких наварницах уральские мастеровые наваривали на «лоб» молота или лезвие топора особый, науглероженный слой железа, который при закалке обращался в сталь.

В приведенном документе о закалке наваренного железа нет ни слова, вряд ли в то время на Урале уже умели получать закаленную, или, как говорят металлурги, закалочную, сталь. И тем не менее в обиходе сталь уже была.

Как же сталь получали тогда? Ответить на вопрос позволяет другой документ.

Отрывок из статьи, опубликованной в 1834 году в «Горном журнале» под интригующим и поразительным по смыслу заголовком: «Улучшение железа и стали посредством ржавления в земле».

Парадокс очевиден: ржавея, железо теряет прочностные свойства, а тут «улучшение… посредством ржавления». Так и хочется воскликнуть: «Чушь!», — но не будем торопиться с оценками. Слово документам.

«…Когда по приказанию Правительства, старый Лондонский мост на Темзе был сломан, то значительное количество лежавшего в земле и подверженного несколько столетий ржавлению железа, коим были обиты сваи моста, повелено было продать с публичного торга.

Г. Вейс, знаменитый ножевщик, зная, без сомнения, всю цену сей покупки, удержал за собой весь запас заржавленного железа, ибо ныне обнародовал он важное открытие: что железо, подверженное в земле ржавчине, дает превосходного качества сталь, предполагая, что сие происходит не искусственным образом, а действует здесь самая природа.

Г. Вейс закапывает в землю клинки обыкновенных бритв, ножей, и по истечении трех лет совершается сей процесс. В старом мостовом железе оказалось, что твердые массы мало потеряли свои железные свойства, напротив того, тонкое полосовое и обручное железо одним звуком обнаруживает добротнейшую сталь, в которую оно превратилось. Г. Вейс уверяет, что в продолжение всей своей опытности он не видел добротнейшей стали…»

Старый Лондонский мост на Темзе.

— Что это — анекдот? Действительно, на первый взгляд приведенная выше история с превращением обычного листового железа в добротнейшую сталь несколько напоминает рассказы незабываемого барона фон Мюнхгаузена.

Понимал это, видимо, и сам автор странной статьи. А понимая, переворошил уйму исторических материалов, хроник и летописей — в поисках хоть каких-то сведений о технологии стали в чуть ли не доисторические времена.

Переворошил, перечитал и, к своему немалому изумлению, обнаружил, что «Г. Вейс, знаменитый лондонский ножевщик», никакого открытия, собственно, не сделал, ибо его способ превращения железа в сталь «через ржавление в земле» известен людям с глубокой древности.

Черкесы на Кавказе испокон веков закапывали полосовое железо в землю, а откопав «по прошествии десяти, пятнадцати и более лет», выковывали из него «свои сабли или шашки, которыми, как известно, могут перерубить довольно толстое железо: например, ружейный ствол…».

Этот же способ был известен и древним испанцам, целтиберам, — так по крайней мере свидетельствует древнеримский историк Диодор Сицилийский:

«Орудие, как для нападения, так и для защиты своей, народ сей приготовлял странным образом: он зарывал листовое железо в землю, оставляя там его до тех пор, пока слабые частицы железа не разрушались; потом из оставшихся твердых частей делал прекрасные мечи и другое для войны необходимое оружие.

Таким образом приготовленное оружие перерубало шишак, щит и само тело и кости человека»…

Каждодневный опыт убедительно говорит нам о том, что зарытое в землю железо должно превратиться не в сталь, а в ржавую труху. В сталь же обычное мягкое железо превращается при насыщении его углеродом, азотом или специальными легирующими элементами.

Остается предположить, что чисто случайно в земле, куда было закопано железо древних черкесов, целтиберов или знаменитого ножевщика, по какой-то причине содержалось много органических веществ.

На берегах Темзы, скажем, это мог быть речной ил. Тогда, действительно, наряду с окислением железа (ржавлением) может идти и процесс насыщения его углеродом и азотом, по крайней мере при некоторых условиях.

Но если так, то не только древние испанцы и черкесы, но и любой другой народ уже в глубокой древности мог получать неплохую сталь, закапывая железо в богатую органикой почву.

В том, что такая «земляная технология» вполне правдоподобна, убеждает история открытия в XVIII веке знаменитой тагильской цементационной стали. С современной точки зрения, метод тагильских мастеров, который привел к открытию явления цементации, выглядит в меру странно.

Чтобы меньше было сомнений, проследим сначала за классической, так сказать, технологией получения железа, чугуна и стали в то время (вторая половина XVIII века).

Чугун

Как и сейчас, чугун выплавляли в доменных печах, внешне напоминавших крепостные башни. Способ получения чугуна с тех пор в принципе не изменился.

Старинная доменная печь.

Что же касается дальнейшей переработки, передела, как говорят металлурги, чугуна в железо и сталь, то в XVIII веке существовала технология, которая сейчас не может не вызвать улыбки. Проследим эту технологию на примере того же Нижнетагильского железоделательного завода.

Чугун, выплавленный в домнах, в виде болванок трапецеидального сечения с одной или двумя бороздками на узком основании поступал на кричные фабрики. Количество бороздок на чугунной штыке обозначало его твердость — хрупкий или твердый, серый.

Штыку помещали в кричный горн, на специальную решетку, омываемую сильными струями раскаленного воздуха и пламени. Штыка начинала оплавляться, и капли чугуна падали на лещадь горна, образуя рыхлую ноздреватую крицу, которая состояла из более или менее обезуглероженного железа.

Схема современного двухстадийного производства стали из руд.

Крицу весом от пуда до двух (иногда даже более — в зависимости от размеров вещи, которая должна быть из нее откована) кричный мастер с помощниками поднимал крючьями на наковальню кричного молота, который приводился в движение водяным колесом.

Здесь крицу обжимали, выдавливая из нее «сок», то есть частицы мелкого шлака. После этого крица помещалась в другой горн, кузнечный, и вновь переплавлялась, если требовалось, в ноздреватую крицу (иногда эта операция повторялась до пяти раз).

Лишь после того, как мастер считал, что крица «поспела», начиналась ковка. Если из крицы намеревались получить, скажем, головку молота, то ее под главным кузнечным молотом «оболванивали», придавали форму предварительно, а затем отправляли в горн и «доводили» поставочными или доводочными молотами в раскаленном состоянии.

Если же из крицы намечалось приготовить сортовое железо — четырехгранник, прут, полосовое железо или «дощаное», то есть кровельное, то «оболваненную» крицу отправляли в кузню или в «дощаную фабрику», где примерно такими же молотами, только с разными носками — узким «щелканном» для прутка или с плоским «лбом» — для проковки кровли, железо доводили до нужного размера и формы.

Если же требовалось отковать, скажем, топор, колун или тесак, то готовое изделие возвращалось в кузню, где вновь разогревалось, и в раскаленном виде на него наваривалось «чугунное железо» из первого горна, то есть железо, насыщенное углеродом и способное поэтому при последующей закалке обращаться в сталь.

Таким образом, практически любое железо и любое изделие из него получалось методом бесчисленных нагревов, проковок, наваров, сварок и тому подобных операций.

Главными в этой технологии были кричные и колотушечные фабрики. Особенно мучительным и трудоемким было, очевидно, получение тонкого листа и прутка.

Испытания уральскому железу определил Петр I

Испытания уральскому железу определил сам Петр I. Указом Берг-коллегии от 1722 года для пробы железа полагалось в землю вкопать круглый, толщиной в шесть вершков (1 вершок = 4,445 см) столб с выдолбленной в нем по размеру полосы или прутка дырой.

Полоса или пруток просовывались в дыру и обвивались вокруг столба трижды. Потом их разматывали и исследовали. Если «знаку переломного не явила», — значит, полоса признавалась годной для дальнейших испытаний.

Для второй пробы выбирали двух самых сильных кузнецов, которые брали полосу за конец и изо всей силы ударяли ею о край наковальни три раза. «Потом, другим концом обратя, такожде трижды ударить», — гласила инструкция.

На добротной полосе должен был остаться только след от удара о наковальню. Если же в этом месте полоса «знак переломный явила», а тем паче вообще переломилась, то шла в брак, и за такую работу мастеру и его подмастерьям платили в три раза меньше.

Конечно, получить металл, который успешно прошел бы оба эти испытания, было нелегко — тут уж действительно могло выручить только глубокое профессиональное мастерство, передававшееся из поколения в поколение.

Сталь для мастеров того времени была, видимо, наиболее трудным и наиболее загадочным материалом. Во всяком случае, изучая инструкции и наставления по изготовлению стали в то время, видишь, сколько тяжкого труда, времени и затрат требовалось на ее получение.

Многое нам трудно понять. Зачем, например, уже готовое, обезуглероженное и прокованное железо вновь в горнах обращалось в чугун, но именно с этой операции и начиналось приготовление стали: рассеченные на куски и плашки бруски и прутки помещали в горн, обильно посыпали древесным углем, плавили под его слоем.

При этом железо насыщалось углеродом, и в результате на лещади горна появлялась штыка «железного чугуна». Эту штыку поднимали на решетку горна, плавили обычным способом и, как при получении крицы, металл стекал каплями и струями, однако не на дно горна, а на землю.

То, что получалось из этих капель, вновь поднимали на угли, вновь проваривали, каждый раз густо посыпая «треской» — железными крошками и обсечкой. Затем такую «тресковую» крицу окунали в жидкий чугун, проковывали под молотом и закаливали в воде.

Весь этот долгий труднообъяснимый процесс бесконечных превращений чугуна в железо и обратно был лишь подготовкой к самому процессу получения стали.

Из «тресковой» крицы ковали плашки, «уклад», как их называли тогда, складывали вместе по десять штук, опять проваривали в горне, на этот раз посыпая песком, несколько раз проковывали молотом, гнули, вытягивали в прут, и лишь после этого закаливали в воде по-настоящему.

Это и была закалочная, точнее, закаливаемая сталь, и ее испытание проводили точно так, как и железа, — битьем о край наковальни.

История нижнетагильской стали

Как видим, сталь в XVIII веке рождалась долго и многотрудно. Тем не менее уральская закалочная сталь в отличие от чугуна и железа высоким качеством не отличалась, и за границей, особенно в Англии, предпочитали из тагильского металла приготовлять сталь по собственным рецептам, мало, впрочем, отличавшимся от уральских.

Славу приобрела лишь цементационная тагильская сталь; «лутче оной быть не можно», — писал современник.

Верхнетагильский чугуноплавильный и железоделательный завод. 1900 год.

C изобретением нижнетагильского способа получения цементационной стали связана любопытная и до сих пор до конца не проясненная история.

Сталь повышенной твердости понадобилась казне, монетным дворам, для изготовления чеканов и матриц. На первых порах такую сталь Россия закупала во Франции и в Англии.

Но революция во Франции, а затем войны Наполеона отрезали эти традиционные источники получения твердой стали, и в Екатеринбург поступило распоряжение наладить производство собственного металла «в подобие Англинской цементной стали».

В то время начальником Уральских горных заводов был А. С. Ярцев, автор «Горной истории» — очень интересной рукописи, хранящейся в архиве Санкт-Петербургского Горного Университета.

Ему-то правительство и приказало завести «где-либо в Екатеринбургских пределах стальной завод для дела такой стали». В этом же указе назывался и мастер «сего дела» человек с немецкой фамилией Гумпрехт, находившийся в то время на каторге.

Его велено было «привесть из Нерчинска», что и было сделано. Он и в самом деле оказался крупным специалистом по стали и провел удачные опыты на Екатеринбургском монетном дворе.

После этого Гумпрехту было приказано приступить, как сейчас принято говорить, к промышленным испытаниям «при готовой, но в пусте лежащей, Нижне-Исетской плотине». Очевидно, имелся в виду один из пустовавших цехов бывшего Нижне-Исетского завода.

Производство цементационной стали потребовало принципиально новых решений и в конструкции закалочных «ящиков», и в устройстве самих печей.

Схема современной доменной печи для выплавки чугуна.

Но больше всего трудностей было с огнеупорной глиной. Очевидно, температура цементации по гумпрехтовской технологии была настолько высока, что ее не выдерживали не только традиционный горновой камень, но и кирпич, которым в то время уже начинали выкладывать горны доменных печей.

В конце концов после долгих поисков была отыскана «белая, огнестойкая, наподобие фарфоровой, глина», которая вполне удовлетворила «мастера стальных дел».

Гумпрехтовская цементационная сталь, полученная в Нижне-Исетске, по свидетельству Ярцева, «весьма строгие пробы выстаивала и многим превосходила не только бывшую проварочную Пышминскую или Германскую, но и Нижнетагильскую сталь».

Выделим в этой цитате слово «проварочную» применительно к стали. Речь идет о стали, полученной путем многократной проварки в горне плашек из уклада — способом, описанным чуть выше.

К сожалению, технология получения гумпрехтовской стали в рукописи Ярцева описана не очень внятно, со множеством недомолвок. Возможно, каких-то тонкостей Ярцев не знал: в самом конце XVIII века, в ту самую пору, когда можно было начинать промышленное производство новой стали, Ярцева сместили с поста начальника Уральских горных заводов.

Его преемник И. Ф. Герман, впоследствии профессор Венского университета и автор фундаментального «Описания заводов под ведомством Екатеринбургского горного начальства состоящих», пришел к заключению, что ничего принципиально нового Гумпрехт не открыл.

Более того, на Нижнетагильском заводе уже давно, хотя и без широкой огласки, было налажено производство отличной цементационной стали. Гумпрехтовскую мастерскую в Нижне-Исетске тотчас закрыли за ненадобностью.

Сведений о дальнейшей судьбе «мастера стальных дел» и «известного преступника» Гумпрехта обнаружить не удалось. Неизвестно также, в чем состояло его преступление, как неизвестен и автор технологии нижнетагильской цементационной стали. Зато о самой этой стали известно довольно многое.

Поскольку качество проварочной, получаемой в кричных горнах стали было довольно низким, на уральских горных заводах еще в середине XVIII в. начались активные поиски веществ, которые бы улучшали качество стали при закалке.

На Урале и возник способ закалки проварочной стали «скотинным рогом с солью», применявшийся на некоторых заводах до изобретения способа цементации.

Вообще-то «скотинным рогом с солью» сталь не закаливали, как показывают сохранившиеся инструкции, а подвергали длительному томлению в особых тиглях-ящиках, и лишь после этого «насыщенную рогом» (а по сути — углеродом и азотом) сталь закаливали обычным способом.

Получался металл, на редкость устойчивый к износу. Топоры, например, изготовленные таким способом, почти не стачивались. Кислоты действовали на такую сталь слабо, да и ржавчине она поддавалась туго.

Азотирование стали

Металлурги ХVІІІ века практически не знали химии, поэтому и объяснить, что же на самом деле происходит при томлении железа со «скотинным рогом», не могли — считалось, что все дает закалка.

Интересно сравнить способ азотирования стали, применяемый в наше время, с древним уральским методом.

Для насыщения поверхности стали азотом ее при температуре около 450°С на два часа погружают в ванну с желтой кровяной солью K₄ [Fe (CN)₆ ] 3H₂ O.

Между прочим, раньше эту соль получали при сплавлении поташа и железных опилок с отходами скотобоен, в том числе рогами и копытами. Выходит, азотирование стали было открыто почти за два века до того, как современной химией было обнаружено влияние на сталь азота…

Задолго до опытов Гумпрехта в распоряжении нижнетагильских металлургов было все необходимое для получения высококачественной цементационной стали. Оставалось сделать один шаг — заменить «скотинный рог» толченым древесным углем, чтобы родилась нижнетагильская цементационная сталь.

Булат - булатная сталь и ее секреты – дамасская сталь — Булат — булатная сталь и ее секреты – дамасская сталь

Спрос на эту сталь в конце XVIII и в первой половине XIX в. был очень большим и в самой России, и во многих странах Европы. Владельцы нижнетагильских заводов хранили способ получения такой стали в глубоком секрете, отказывались ознакомить с ним даже мастеров казенных заводов.

Тем пришлось самим искать способы цементации железа. Решил эту задачу выдающийся уральский металлург, мастер Воткинского завода Семен Иванович Бадаев.

В 1808 г. Бадаев не только нашел способы науглероживания железа, по сути дела вторично открыл (на этот раз даже в буквальном смысле слова, ибо технология Бадаева была описана и опубликована) нижнетагильскую технологию, но и создал свой собственный рецепт приготовления вязкой, хорошо сваривавшейся с железом стали. В историю русской металлургии она и вошла как «бадаевская сталь».

Получение стали кислородно-конвертерным способом.

Следующие открытия столь же большой значимости принадлежат П. П. Аносову, который не только раскрыл секрет древнего булата, но и разработал способ получения отличавшейся высоким качеством литой стали, приготовлявшейся, как уже можно понять из самого названия, в жидком виде.

Павел Петрович Аносов (1796 — 1851 гг.) — русский горный инженер, ученый — металлург, крупный организатор горнозаводской промышленности, исследователь природы Южного Урала, томский губернатор.