Вуц: История и производство индийской кричной стали

Введение

Тип стали, выплавленной в тиглях

Сталь вутц, также известная как сталь серик, — это сталь, выплавленная в тиглях, характеризующаяся узорчатостью в виде полос и высоким содержанием углерода. Эти полосы формируются слоями микроскопических карбидов в отпущенной мартенситной или перлитной матрице в сталях с высоким содержанием углерода, или чередованием феррита и перлита в сталях с низким содержанием углерода. Это был новаторский стальной сплав, разработанный в южной Индии в середине I тысячелетия до нашей эры и экспортировавшийся по всему миру.

История

Сталь вуц возникла в середине 1-го тысячелетия до нашей эры в Индии, в современных Тиручираппалли, Кодуманале, Эроде, Тамил Наду. Сталь экспортировалась в виде лепешек стального железа, известных как "вуц". Метод заключался в нагревании черной магнитной руды в присутствии углерода в герметичном глиняном тигле внутри угольной печи для полного удаления шлака. Альтернативным способом было предварительное плавление руды для получения кованого железа, с последующим нагревом и проковкой для удаления шлаков. Источником углерода служили бамбук и листья растений, таких как Авараи. Местные жители Шри-Ланки переняли методы производства стали вуц у чера-тамилов к V веку до нашей эры. Джозеф Нидэм в 1971 году утверждал, что Китай производил аналогичную сталь также к V веку до нашей эры, однако более поздние исследования в Китае (2009) показали, что Нидэм ошибочно идентифицировал древнюю китайскую сталь как гиперэутектоидную и схожую с вуц, в то время как она на самом деле производилась методом кофьюзии (совместного плавления чугуна и кованого железа). Подлинная вуц в Китае впервые упоминается значительно позже, во время династии Бэй Вэй (386–534 гг. н.э.) под названием “Bintie” или “Pin t’ieh”, как производимая в Индии. Слитки первоначально преподносились персидскими царями в качестве ценных даров, а позже китайцы стали называть “бинти” различные твердые стали, полученные методом кофьюзии. На Шри-Ланке для этого раннего способа производства стали использовалась уникальная ветровая печь, приводимая в действие муссонными ветрами. Обнаружены производственные площадки древности, расположенные в таких местах, как Анурадхапура, Тиссамахарама и Саманалавева, а также импортированные артефакты древнего железа и стали из Кодуманала. Недавние археологические раскопки (2018) на участке Йодхавева (в округе Маннар) обнаружили нижнюю полусферическую печь, фрагменты тиглей и фрагменты крышек, связанные с производством тигельной стали посредством процесса насыщения углеродом. Тамильская торговая гильдия, существовавшая в 200 году до нашей эры в Тиссамахараме, на юго-востоке Шри-Ланки, привезла на остров одни из древнейших железных и стальных артефактов и производственных процессов классического периода. Торговля между Индией и Шри-Ланкой через Аравийское море завезла сталь вуц в Аравию. Термины muhannad مهند или hendeyy هندي в доисламском и раннеисламском арабском языке обозначают клинки мечей, изготовленные из индийской стали, которые высоко ценились и упоминаются в арабской поэзии. Дальнейшая торговля распространила эту технологию в город Дамаск, где возникла промышленность по производству оружия из этой стали, что привело к развитию дамасской стали. Арабский путешественник XII века Эдриси упоминал “Hinduwani” или индийскую сталь как лучшую в мире. Арабские источники также указывают на славу стали “Телинг”, которая, возможно, относится к региону Телангана. Регион Голконда в Телангане, безусловно, являлся ключевым центром экспорта стали вуц в Западную Азию. Другая теория предполагает, что это слово является вариантом uchcha или ucha (“превосходный”). Согласно одной из теорий, слово ukku основано на значении “плавить, растворять”. Другие дравидские языки имеют похожие по звучанию слова для стали: ukku в каннада и телугу и urukku в малаялам. Когда Бенджамин Хейн осматривал индийскую сталь в отданных округах и других районах, где говорят на каннада, ему сообщили, что сталь называлась ucha kabbina (“превосходное железо”), также известная как ukku tundu в Майсуре. Легенды о стали вуц и дамасских мечах вызвали любопытство европейского научного сообщества с XVII по XIX век. Использование высокоуглеродистых сплавов было малоизвестно в Европе ранее, поэтому исследования стали вуц сыграли важную роль в развитии современной английской, французской и русской металлургии. В 1790 году сэр Джозеф Бэнкс, президент Британского королевского общества, получил образцы стали вуц, отправленные Хеленусом Скоттом. Эти образцы были подвергнуты научному исследованию и анализу несколькими экспертами. Образцы кинжалов и другого оружия были отправлены индийскими раджами на Великую выставку в Лондоне в 1851 и на Международную выставку 1862 года. Хотя рукояти мечей были красиво украшены и инкрустированы драгоценностями, они ценились прежде всего за качество стали. Говорили, что мечи сикхов выдерживают изгибы и удары, оставаясь при этом тонкими и острыми. Вуц содержит больше углерода, чем обычные марки литой стали. Характерные узоры стали вуц, создаваемые ковкой, включают волнистые, лестничные и розовые узоры с мелко расположенными полосами. Однако дальнейшие индивидуальные узоры создавались путем нанесения травления и окрашивания. Питер Пеплер из ТУ Дрезден выявил наличие нанопроволок цементита и углеродных нанотрубок в микроструктуре стали вуц. Существует вероятность наличия большого количества ультратвердых металлических карбидов в стальной матрице, осаждающихся в полосах. Мечи вуц славились своей остротой и прочностью.

Wootz steel originated in the mid 1st millennium BCE in India, in present day Tiruchirappalli, Kodumanal, Erode, Tamil Nadu. The steel was exported as cakes of steely iron that came to be known as "wootz". The method was to heat black magnetite ore in the presence of carbon in a sealed clay crucible inside a charcoal furnace to completely remove slag. An alternative was to smelt the ore first to give wrought iron, then heat and hammer it to remove slag. The carbon source was bamboo and leaves from plants such as Avārai. Locals in Sri Lanka adopted the production methods of creating wootz steel from the Chera Tamils by the 5th century BC. Joseph Needham in 1971 claimed China produced a similar steel also by the 5th century BCE but more recent research in China (2009) showed that Needham erroneously identified the ancient Chinese steel as hyper eutectoid and similar to wootz but it was really produced via co fusion process instead (smelting cast iron and wrought iron together). Genuine wootz in China was mentioned for the first time much later, during the Bei Wei Dynasty (386 534 CE) under the name “Bintie” or “Pin t’ieh” as being produced in India, ingots were initially given by Persian Kings as valuable presents, later the Chinese called "bintie" the various co fusion hard steels they produced. In Sri Lanka, this early steel making method employed a unique wind furnace, driven by the monsoon winds. Production sites from antiquity have emerged, in places such as Anuradhapura, Tissamaharama and Samanalawewa, as well as imported artifacts of ancient iron and steel from Kodumanal. Recent archaeological excavations (2018) of the Yodhawewa site (in Mannar District) discovered a lower half spherical furnace, crucible fragments, and lid fragments related to the crucible steel production through the carburization process. A 200 BCE Tamil trade guild in Tissamaharama, in the South East of Sri Lanka, brought with them some of the oldest iron and steel artifacts and production processes to the island from the classical period. Trade between India and Sri Lanka through the Arabian Sea introduced wootz steel to Arabia. The term muhannad مهند or hendeyy هندي in pre Islamic and early Islamic Arabic refers to sword blades made from Indian steel, which were highly prized, and are attested in Arabic poetry. Further trade spread the technology to the city of Damascus, where an industry developed for making weapons of this steel. This led to the development of Damascus steel. The 12th century Arab traveler Edrisi mentioned the "Hinduwani" or Indian steel as the best in the world. Arab accounts also point to the fame of 'Teling' steel, which can be taken to refer to the region of Telangana. The Golconda region of Telangana clearly being the nodal center for the export of wootz steel to West Asia. Anothertheory says that the word is a variation of uchcha or ucha ("superior"). According to one theory, the word ukku is based on the meaning "melt, dissolve". Other Dravidian languages have similar sounding words for steel: ukku in Kannada and Telugu, and urukku in Malayalam. When Benjamin Heyne inspected the Indian steel in Ceded Districts and other Kannada speaking areas, he was informed that the steel was ucha kabbina ("superior iron"), also known as ukku tundu in Mysore. Legends of wootz steel and Damascus swords aroused the curiosity of the European scientific community from the 17th to the 19th century. The use of high carbon alloys was little known in Europe previously and thus the research into wootz steel played an important role in the development of modern English, French and Russian metallurgy. In 1790, samples of wootz steel were received by Sir Joseph Banks, president of the British Royal Society, sent by Helenus Scott. These samples were subjected to scientific examination and analysis by several experts. Specimens of daggers and other weapons were sent by the Rajas of India to the Great Exhibition in London in 1851 and 1862 International Exhibition. Though the arms of the swords were beautifully decorated and jeweled, they were most highly prized for the quality of their steel. The swords of the Sikhs were said to bear bending and crumpling, and yet be fine and sharp. Wootz contains greater carbonaceous matter than common qualities of cast steel. The distinct patterns of wootz steel that can be made through forging are wave, ladder, and rose patterns with finely spaced bands. However, with hammering, dyeing, and etching further customized patterns were made. The presence of cementite nanowires and carbon nanotubes has been identified by Peter Pepler of TU Dresden in the microstructure of wootz steel. There is a possibility of an abundance of ultrahard metallic carbides in the steel matrix precipitating out in bands. Wootz swords were renowned for their sharpness and toughness.

Состав

Т. Х. Генри проанализировал и зафиксировал состав образцов дамасской стали, предоставленных Королевской горной школой. Результаты анализа:
Углерод (общий) 1,34%
Углерод (свободный) 0,31%
Сера 0,17%
Кремний 0,04%
Мышьяк 0,03%

Дамасская сталь была проанализирована Майклом Фарадеем, который установил содержание алюминия в пределах 0,01–0,07%. Фарадей, месье (и др.), и Стодарт предположили, что алюминий необходим для стали и играет важную роль в формировании превосходных свойств дамасской стали. Однако Т. Х. Генри пришел к выводу, что присутствие алюминия в дамасской стали, использованной в этих исследованиях, объясняется наличием шлака в виде силикатов. Позднее Перси подтвердил, что качество дамасской стали не зависит от содержания алюминия.

Исследования репродукции

Сталь Wootz была воспроизведена и глубоко изучена Королевской школой горного дела. Доктор Пирсон был первым, кто химически исследовал Wootz в 1795 году и опубликовал свои работы в «Философских трудах Королевского общества». Русский металлург Павел Петрович Аносов (см. Булат) был близок к воспроизведению древней стали Wootz, сохранив почти все её свойства, и сталь, которую он создал, была очень похожа на традиционную. Он задокументировал четыре различных метода производства стали Wootz, демонстрирующих традиционные узоры. Он умер, не успев полностью задокументировать и опубликовать свои исследования. Олег Шерби, Джефф Уодсворт и Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора проводили исследования, пытаясь создать стали с характеристиками, схожими с Wootz, но безуспешно. Дж. Д. Верховен и Альфред Пендрей реконструировали методы производства, доказали роль примесей руды в формировании узора и воспроизвели сталь Wootz с микроскопически и визуально идентичными узорами одному из древних образцов клинков. Анализы Рейбольда и др. показали наличие углеродных нанотрубок, охватывающих нанопроволоки цементита, при этом микроэлементы/примеси ванадия, молибдена, хрома и т.д. способствовали их образованию в циклах нагрева, охлаждения и ковки. В результате получилась твердая высокоуглеродистая сталь, остающаяся ковкой.

В настоящее время есть кузнецы, которые стабильно производят клинки из стали Wootz, визуально идентичные старинным узорам. Сталь, изготовленная в Кутче, пользовалась особенно широкой репутацией, сравнимой с производством в Глазго и Шеффилде. Wootz производилась на протяжении почти 2000 лет (самые старые образцы мечей датируются примерно 200 годом н.э.), при этом методы производства слитков, ингредиенты и методы ковки варьировались в зависимости от региона. Некоторые клинки Wootz имели узор, а другие – нет. Термическая обработка отличалась от ковки, и различные кузнецы от Китая до Скандинавии создавали множество различных узоров.