К вопросу о древних технологиях и их находках .....

Продолжение цикла статей Железное делание или металлургия после конца света и Железное делание 10 лет спустя....

Этот элемент — последний, который возникает при горении вещества внутри звезд. Следующие за железом элементы получаются при взрыве сверхновых. Неудивительно, что в Солнечной системе, которая образовалась из материала, оставшегося от взрыва звезды предыдущего поколения, железа много. У железа самая низкая энергия, приходящаяся на нуклон. То есть всем остальным элементам выгодно стать железом: для более легких — в результате слияния ядер, для более тяжелых— в результате деления. Поэтому ничего, кроме железа, в нашем мире быть не должно; все элементы должны в него превратиться...

Железо: факты и фактики

С тех пор община живёт и процветает в мире и согласии с природой. Уже появилось четвёртое поколение, не знавшее войн и страданий. Но закон Перемен неумолим, и мы должны скоро столкнуться с другими выжившими, которые не обязательно будут миролюбивы и дружелюбны. Поэтому передаю слово предводителю нашего воинства - Князю Третьему.

 

— Глава прав, — молвил Князь. — Вчера вернулись наши разведчики из дальнего похода за 1000 вёрст на юг. Они обнаружили следы костровища недельной давности. Более того, пришельцы охотились и охотились с огнестрельным оружием! В лопатке убитой косули обнаружено пулевое отверстие, но ни пули, ни гильз разведчики не нашли. Скорее всего, такую ценность пришельцы забрали с собой. Пришлые особенно не скрывались — натоптали и загадили стоянку изрядно. А самое паршивое то, что по некоторым следам можно сделать вывод: в их отряде были пленные или рабы — люди-рабы! Даже если мы ошибаемся, готовиться надо к худшему.

Из огнестрела у нас только два автомата Калашникова и три цинка патронов к ним. Теоретическому владению ими, сборке, разборке и чистке обучаем всех юношей, а вот стрельбы мы себе позволить не можем, лишь раз в году одним патроном проверяем работоспособность механизмов и свойства пороха. Основное наше оружие — это мечи, самострелы, луки и копья. Боевой практики у нас нет, только потешные бои да охота на свирепых хищников. Есть надежда, что освоим чёрный порох, ещё очень бы хотелось иметь в амуниции латы и кольчуги, которые пуля не пробьёт, но об этом лучше пусть расскажет Кузнец.

 

Кузнец поднялся со своего места, хмурым взглядом окинул собравшихся из-под обожжённых бровей и молвил такую речь:

— Други мои, с железом и другими металлами у нас неказисто. На сегодняшний день мыхорошо научились кузнечному делу, умеем получать крицу из ржавчины и прочих кузнечных отходов. Уже умеем очищать и восстанавливать болотное железо. Используем энергию перегороженных рек для дутья и ковки, но с каждым очередным переделом качество нашего железа ухудшается. В нём всё больше серы и фосфора, поэтому на морозе наши клинки становятся хрупкими, а достичь таких температур, чтоб можно было переплавлять стали и обогащать их другими элементами, пока не можем. Плавим пока чугун невысокого качества. Такие дела.

С чёрным порохом тоже не всё гладко. Из трёх его компонентов, только древесный уголь у нас в избытке, с серой сложнее, но вроде нашли наши разведчики её залежи возле потухшего вулкана, а вот с селитрой совсем худо - наши выгребные ямы не производят её столько, хоть плачь. Надо искать месторождения или думать, чем заменить, вроде бертолетовой соли.

Есть и хорошие новости: мы смогли изготовить из чистого кричного железа и графита несколько слитков булата! Выкованное из него оружие превосходит всё прочее многократно. Дальнобойность булатного лука выросла в три раза, а саблей из него можно перерубать прочие клинки. У лучших воинов скоро появится отличное оружие и доспехи, но производительность процесса невелика и пожирает много топлива. Качественные крицы у нас заканчиваются, а из болотного железа булат не сваришь - нужна многостадийная очистка расплавов. Для дальнейшего развития мне нужен либо чистый кислород, либо электричество в больших количествах, а так же многие элементы, которые Философы из нашего храма Знаний уже научились получать, но их методы дороги и не годны для массового производства.

 

— Что предлагаешь, Кузнец?  — спросил Глава Совета.

— Во-первой, наши Великие Предки, при отступлении с прежней стоянки, много ценного для нас захоронили, что невозможно было унести. Это прежде всего алюминий в слитках, инструментальные стали, медные провода и захоронение большого количеств пальчиковых элементов питания. Пора снаряжать экспедиции и вывозить это к нам. Во-второй очереди есть у меня безумная задумка... — при этих словах борода Кузнеца стала в два раза шире, пряча хитрую улыбку....

 

Флюс № 1. Составляют смесь из 6 ч. буры, 2 ч. нашатыря, 1 ч. железо-синеродистого калия и 0,5 ч. смолы. Смесь кипятят, помешивая, до густоты сметаны. Охлажденную массу перемешивают и толкут с 1 ч. железных опилок (не ржавых). При сварке посыпают этим порошком нагретые докрасна предметы, дают порошку расплавиться и затем куют.

Флюс № 2. Приготовляют порошок из смеси 1 ч. нашатыря, 2 ч. буры, 2 ч. железо-синеродистого калия и 4 ч. железных опилок (не ржавых). Накаливают докрасна предметы, подлежащие сварке, посыпают их 2—3 раза указанной смесью, пока она не начнет плавиться, и тогда куют.

Флюс N° 3. Порошок из смеси 41,5 ч. борной кислоты, 3 ч. поваренной соли, 15,5 ч. железо-синеродистого калия, 8 ч. жженой соды.

Назначение флюса. Флюс посыпают на заготовку в период нагрева, когда ее температура достигает 950—1050°С (тёмно-жёлтый цвет накала).

Под действием высокой температуры флюс соединяется с окалиной, образуя жидкотекучий шлак, который обволакивает заготовку и защищает ее поверхность от окисления при дальнейшем нагреве. Перед сваркой шлак удаляется, а при деформации он выжимается из места сварки.

Всё это весьма сложные процессы, требующие точного соблюдения режимов, чутья, поиска и долгих пробных исследований. Как и от кого древние индусы научились выплавлять булат, мы не узнаем, но процесс его получения уже не тайна, поэтому стоит изучить его.

 

Булат

Булат — это полученная особым способом сверхвысокоуглеродистая (до 2% и выше) сталь, приобретающая после специальной механической и термической обработки комплекс свойств, сочетающих высочайшую твердость, прочность и упругость со столь же высочайшей пластичностью.

Говоря о качестве изделий, Аносов писал: «Клинок не может быть при изгибе ни сломан, ни согнут до такой степени, чтобы потерять упругость. При обыкновенном изгибании он выпрямляется и сохраняет прежний вид; при усиленном сгибании, например, под прямым углом - не ломается и, будучи выпрямлен, не теряет прежней упругости. При этом… булатный клинок тверже всякого другого, приготовленного из стали».

 

Приготовлялся булат из двух компонентов - сырого железа (оно же крица, оно же сварочное железо) и древесного угля в качестве поставщика углерода (гораздо лучше для этого подходит чистый графит, каковым пользовался в своих опытах П. П. Аносов). До того как загружать компоненты в тигель, крицу проковывали молотом для уплотнения металла и некоторой его очистки.
Маленький (диаметром 8 и высотою 15 см) тигель из огнеупорного материала должен был обеспечить полную изоляцию содержимого от внешнего атмосферного воздуха, несущего гибельный кислород. Герметизация достигалась путем плотной посадки крышки и последующей обмазки глиной. При температуре 1200 °С железо еще остается в твердом состоянии, но его кристаллы уже приобретают гранецентрированную кубическую форму. Атомы углерода свободно диффундируют в железо. Добавка углерода снижает температуру плавления. Поэтому, как только его концентрация в поверхностном слое кусков железа достигает 2%, они покрываются тонкой пленкой жидкого белого чугуна. Появление расплава определялось по характерному хлюпающему звуку при встряхивании тигля. Это говорило о том, что значительное количество углерода уже успело раствориться.

После этого тигель очень медленно охлаждали. Слово «очень» не вполне точно передает черепаший темп данного процесса, так как охлаждение длилось несколько дней, иначе получим обыкновенный чугун! Такие скорости обеспечивали равномерность распределения углерода в стали, с концентрацией порядка 1,5-2%. Когда температура опускалась ниже 1000 °С, часть углерода выпадала из расплава, образуя сетку карбида железа (Fe3C - цементит) вокруг зерен железа сплава.

Поскольку, при медленном охлаждении кристаллические зерна вырастают до изрядных размеров, сетка получается довольно, крупноячеистой. Именно она создает пресловутый узор на поверхности клинков (здесь кроется парадокс: современные теория и практика свидетельствуют, что рост кристаллов приводит к резкому снижению механических характеристик, поэтому одной из приоритетных задач термообработки является измельчение структуры).
   Вот схематичное изображение процесса, результатом которого становился небольшой слиток истинного булата:

 

Полученный слиток многократно перековывался в нужное изделие, при этом разбивалась цементитная сетка и по ней уже не могли распространяться трещины хрупкого излома.

После закалки от температуры 750-800°С (вишнёво-красный цвет накала) получался прекрасный твёрдый клинок, армированный сверхтвёрдым карбидом железа - цементитом. 

 

Один из секретов булата заключается в том, что заготовку из него нельзя нагревать свыше 850 °С, так как при этом начинается вторичное растворение цементита, а сам металл становится, как ни странно, хрупким, пребывая в раскаленном состоянии, и крошится, как стекло. На самом же деле, максимум пластичности булата приходится на диапазон температур 650-850 °С. Так выглядит лишь один из хитроумных секретов, присущих технологии булата, причем далеко не самый таинственный. Реально существует множество подобных «заморочек», которые нужно просто знать, и которые почти не поддаются интуитивному постижению. Пускай древняя плавильня и кузница выглядели убого, а инструменты были самыми примитивными - этого хватало, поскольку главным оставался багаж бесценной информации, передаваемой из рук в руки.

 

Чугун

 Побочным продуктом при восстановлении железа сыродутным методом иногда является чугун. Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта, — чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому, рано или поздно им приходила мысль форсировать процесс предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. Так печи нового типа сразу же преподнесли сталеварам неприятный сюрприз. Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна — «свиное железо» ни к какому делу не годное.

Чугун застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, чем при сыродутном процессе, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Он уже оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным, — из него выходили только предметы простые и грубые, — кувалды, наковальни.

 На этом о чугуне пока всё.

 

Алюмотермия и легирование стали

Кузнец стремился к алюминиевым слиткам, захороненными Древними, четко осознавая как он их будет использовать. Перед глазами стоял рад активности металлов, который он выучил ещё в детстве.

Из этого ряда следовало простое правило: металл, который правее в ряду, восстановит другой металл (который левее) из солей или окислов. Алюминий для этих целей был идеален. Так можно получать не только железо, но и чистые слитки хрома, вольфрама, кобальта и редкоземельных элементов.

"Алюминиевую стружку мы смешаем со ржавчиной, получим термит, на дно тигля положим стружку из неприкосновенных запасов нержавеющих сталей, которым пока смогли найти лишь ограниченное применение в быту, засыпаем всё это дело термитом, поджигаем и.... разбегаемся. При горении термита выделяется очень много тепла - до 2400 оС, а значит мы не только восстановим железо но и легируем его ценными добавками - вольфрамом, хромом, никелем, ванадием. Других нужных свойств уже будем добиваться цементацией, термообработкой и ковкой", — так думал про себя Кузнец на пути к схрону Древних. — "Низкий поклон Вам, создавшим бесценный запас концентрированной энергии электричества!".

"А из старых алкалиновых батареек мы добудем кучу полезных веществ и много оксида марганца, который элементарно восстановим тем же углём." — продолжал размышлять Кузнец. 

 Укрощение молнии

В общине понимали ценность алюминия и других запасов, созданных Великими предками и понимали конечность этих запасов. Поэтому непрерывно шёл поиск способов восстановления имеющихся ресурсов. Одной из главных задач Философов было приручение электричества, которое позволило бы общине сделать огромный технологический рывок. Изготовленные модели генераторов по образу и подобию генераторов Древних были маломощны, слабы,  бестолковы и часто ломались. Кроме того, для металлургии и электрохимии нужен в основном постоянный ток, который выпрямлять было пока почти нечем. До чистого кремния с германием топать и топать, электрохимический выпрямитель на алюминии очень плох, а механический выпрямитель типа катушки с пружинными контактами — ещё хуже.

 

 Получился замкнутый круг: металлургию сдерживало отсутствие электричества, а электротехника не имела нужных металлов и сплавов, чтоб повторить технологии Древних. У Кузнеца зародилась мысль, как разорвать этот круг. Очень смелая и даже безумная эта мысль не давала ему покоя — укрощение молнии.

При разряде молнии выделяется 2-3 Мегаватт-часа энергии, амплитуда импульса тока обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА, напряжение достигает 50 миллионов вольт... Очень опасный и очень соблазнительный источник энергии! Но как? Кузнец видел два пути использования энергии молнии.

 Во-первых, подготовить несколько чанов с расплавом солей, например, смеси бокситов, глинозёма, криолита, чтоб на дне чана, служащего катодом, при прохождении тока молнии выделялся металлический алюминий. Стенки чанов соединяются параллельно с молниеотводом, а в расплав погружаются угольные электроды, которые надёжно заземляются. Если всё получится, то в остатке будем иметь алюминий технической чистоты (с кремнием и магнием), вполне годный для алюмотермии. Этим же методом можно непосредственно накапливать электричество в горячих жидкометаллических аккумуляторах. Если не получиться, то можно попытаться на пути молнии поставить индуктивный дроссель (циклопических размеров), дабы замедлить и накопить ток. 

Второй метод, по задумке Кузнеца был более безопасен, но менее реалистичен. Вокруг молниеотвода изготавливается катушка-соленоид, которая при разряде работает как трансформатор тока...

 

"А молнию мы будем вызывать пиротехнической ракетой с тонкой проволочкой на хвосте... Пора пробовать." — решил Кузнец.