"Вестник Знания", №21, 1926 год, стр. 1385-1396
Как и большинство предшественников современных отраслей промышленности, ремесло кузнеца, этого предка металлурга, вернее первые зачатки этого ремесла почти совершенно скрываются в тумане далекого прошлого. Все, что известно о древнейшем производстве кузнеца, получено двумя путями: или путем изучения археологических находок, обнаруживаемых при раскопках, или на основании этнографических исследований и изучения приемов примитивной техники обработки металлов, практикующихся и теперь у некоторых диких племен, стоящих на тех ступенях первобытной культуры, которые, несомненно, когда-то проводились нашими предками. Приведем несколько примеров. Популярная экспедиция Росса (1818 г.) нашла, что эскимосы Баффиновой Земли делали в то время ножи и наконечники гарпунов из железа, отделяемого ими с большим трудом от метеорита значительной величины, лежащего на берегу бухты Мельвиль; д-р Фрэнд сообщает, что он видел в Аргентине большой метеорит, первоначальный вес которого он исчислял в 15.000 клг; не меньше, чем в шести местах, этот метеорит носил следы выемки из него туземцами довольно больших кусков железа; в Мексике найден большой метеорит с щелью длиной в 9 см., в которой сохранился застрявшим сломанный конец мелкого лезвия; он попал туда, очевидно, при попытке туземцев добыть себе кусок столь ценного материала. Эти данные внушают мысль, что древние народы первоначально пользовались метеоритным железом. Во всяком случае, некоторые народы, как например, египтяне и халдеи, называли железо «металлом с неба»; у древних греков оно же называлось «сидерес», что имеет связь с греческим же словом «сидера». т. е. небесное светило. Медь, повидимому, тоже добывалась первоначально не из руды, а получалась исключительно из самородков; во многих местах найдены самородные куски меди, носящие следы выемки, сделанные туземцами в более или менее отдаленные времена.
Нам неизвестно, когда человек впервые начал добывать металлы путем обработки их руд. Во всяком случае «прошли века, прошли тысячелетия» прежде, чем первобытный кузнец научился сооружать горн, способный дать достаточно высокую температуру для обработки руды и для нагревания более или менее чистого металла настолько, чтобы удовлетворительно обрабатывать его, т. е. проковывать, сваривать и тому под. Немало времени прошло от сооружения первых горнов, сложенных из нескольких камней где-нибудь на склоне холма с тем расчетом, чтобы в образовавшееся устье попадал наиболее постоянный и сильный в данной местности ветер (естественная вентиляция), до того, как человек начал устраивать хотя бы и самые примитивные воздуходувные меха, перейдя этим путем к искусственной вентиляции (см. таблицу 1). Доменная печь — эта основа основ металлургического производства — не могла бы развиваться без активной роли постепенно развивающихся воздуходувных механизмов. Но развитие искусственной вентиляции шло чрезвычайно медленно. Наиболее древним видом мехов явилась зашитая шкура животного, три ноги которого связаны вместе, а четвертая нога представляет отверстие, через которое выходит воздух при давлении; шейное отверстие служило впускным клапаном (см. табл. II). Изображенное на рисунке воздуходувное приспособление африканского происхождения представляется ящиком, верхняя сторона которого заменена слабо натянутой кожей; при давлении палкой на кожу, воздух из ящика по глиняной трубке уходит к очагу, а кожа той же прикрепленной к ней палкой оттягивается кверху. Такие меха существовали в Египте уже за 15 веков до нашей эры и пользуются широким распространением и теперь у многих африканских племен. Комбинация деревянных пластин и кожаной обшивки, употребляемая в кузницах и до наших дней, впервые встречается в Египте, начиная с IV века до нашей эры. К концу средних веков подобные меха широко внедряются в горное и кузнечное дело в Европе. К середине XV века на австрийских горных заводах уже начинает внедряться водяное колесо для движения мехов. С этого времени воздуходувный цех становится главной движущей пружиной металлургии, в качестве основного и важнейшего механического орудия в этой области. К. Маркс придает огромное революционизирующее промышленность значение этому скромному на первый взгляд сотруднику человека. Добыча руды и металлов, главным образом железа, всегда начинала обнаруживать резкий подъем, как только для движения мехов заменяли мускульную силу человека силой падения горных ручьев, при посредстве известного уже в древности водяного колеса. Пар довершил эту революцию. Можно утверждать, что в общем власть человека над своим сырьем в области обработки металлов росла в прямой зависимости от его уменья создавать высокую температуру. Только с помощью мехов, приводимых в движение водяной силой, удалось достичь таких температур, которые делали железо жидким; до этого, в простых очагах непосредственно из руды получали более или менее большие куски железа в тягучеобразном состоянии, которое и обрабатывалось дальше с помощью молотов. Именно таким образом была открыта новая промышленная эпоха, положившая краеугольный камень современной технике, опирающейся прежде всего на массовую обработку железа. Искусственная вентиляция сделала возможной развитие доменной печи: доменная печь позволила изготовлять железо в неслыханном и все растущем количестве.
Еще на первых ступенях своей культуры человек сумел понять, что для него часто полезными являются не столько металлы, сколько их сплавы и соединения, подобные бронзе и стали. В наше время имя таким соединениям — легион, при чем выбор наиболее из них подходящего для определенной цели требует значительного опыта и знаний. Фактически, именно в этой области металлургии, новые и важные открытия в результате непрерывных исследований получаются чуть ли не ежедневно.
Как показали достижения науки за последние годы, громадное значение в вопросах обработки металлов имеют не только составные части того или другого сплава, но и его строение; последнее же резко меняется в зависимости от тех форм физического воздействия, которым подвергается обрабатываемый металл или сплав: степень нагрева, резкое или медленное охлаждение, проковывание, прокатывание, чеканка и т. под., — все эти формы физического воздействия немедленно отражаются на строении металла. Учет влияния таких воздействий чрезвычайно сложен и ответственен, так как даже незначительное иногда изменение структуры металла может коренным образом изменить его свойства, а следовательно и качество изделий.
Если мы, хотя бы бегло, познакомимся с положением оружейника в старину, мы придем в изумление при виде того почета, который оказывался ему, и той известности, которою пользовался хороший мастер; для того, чтобы сделать действительно отвечающий своему назначению меч, оружейник должен был обладать прежде всего хорошим материалом, что представлялось тогда случаем крайне редким.
Чтобы быть искусным мастером, требовались чрезвычайная вдумчивость и наблюдательность, уменье понять связь между причиной и следствием, изучение дела на собственных ошибках, так как рассчитывать на опыт других почти не приходилось. Приемы мастерства обыкновенно хранились в строгой тайне и передавались по наследству только близким людям.
Возможно, что имеется какая-нибудь связь между значением искусства ремесленника-кузнеца и широким распространением производных от этого слова фамилий: в Великоруссии — Кузнецов, на Украйне — Коваль, в Англии — Смит, в Германии — Шмидт. Красильниковы, Горшковы и Ткачевы встречаются гораздо реже. Дело в том, что действительно хороший кузнец являлся сравнительно редким членом первобытной общины, тогда как домашнее тканье, окраска и проч. фактически производились раньше почти в каждой семье, а такие ремесла, как выделка глиняной посуды, при возможности иметь хотя бы деревянную или другую утварь, не могли получить важного повсеместного значения, а следовательно и закрепиться в фамильном прозвище.
В большинстве случаев старинное оружие было очень несовершенным 1); в летописях и в народном эпосе (былинах, сагах, сказках) постоянно упоминаются случаи, когда у бойцов мечи «притупились» или «преломились». Вокруг имен знаменитых мастеров и даже отдельных их изделий: мечей-кладенцев, сабельных клинков, кинжалов и тому под. создавались целые легенды; последние иногда имели только мифическую подкладку и были лишены всякого реального основания, иногда же они носили в себе и зерно некоторой истины: так, например, пользование заговоренной водой какого-нибудь источника в действительности оказывалось проявлением воздействия на металлургический процесс тех или других минеральных примесей в воде, влиявших на закалку.
Современная обработка металлов отличается от старинной широким использованием достижений науки и замечательным развитием массового производства. В основных же чертах, в идее самих орудий и их применения, можно подметить много общего. Плавильная печь, искусственная вентиляция, наковальня и многое другое, конечно, часто в трудно-узнаваемом виде, являются и теперь, как в старину, необходимыми и основными орудиями в обстановке производства. Все современные достижения, однако, не исчерпываются только чисто внешним развитием и усовершенствованием механизмов и производственных процессов; прогресс является следствием колоссальной затраты труда целых поколений, терпения, острой наблюдательности и жестокой конкурренции. Каждый день перед человеком вырастают новые вопросы и задачи, которые во всех странах непрерывно исследуются и разрабатываются передовыми представителями науки и техники — физиками, химиками и инженерами.
При тщательном рассмотрении вопроса окажется, что наиболее существенные достижения лежат не там, где они бросаются в глаза на первый взгляд: они заключаются не в крупных, бьющих на внешний эффект, успехах техники, а в областях мелких, до микроскопичности, явлений. Современный металлург, в отличие от своего далекого предка кузнеца, проник в структуру своего сырья и вполне понял ее значение для своего производства. Для достижения одной и той же цели он имеет возможность использовать широкое разнообразие материала. Он может произвести наиболее пригодную сталь для сооружения гигантского моста, для железнодорожных рельс, для хирургических инструментов и пр. Он составляет самые разнообразные сплавы, из которых одни специально предназначаются для быстровращающихся частей машин, другие — для целей электро-техники, третьи для корпусов воздушных судов и т. д., словом, до бесконечности.
Прогресс в области металлургии в значительной степени обязан применению чрезвычайно усовершенствованных приборов и способов измерения и испытания материалов, которые позволили иметь точнейшие наблюдения на каждой стадии производства за текущими условиями и результатами работы. Знание законов термодинамики, химии, рентгенологии и пр. используется во всякий момент и во всякой отдельной ветви этого производства.
В коротком очерке, конечно, невозможно рассмотреть все эти интереснейшие применения науки к производству, почему придется ограничиться какой-нибудь одной стороной дела. Для примера возьмем хотя бы вопрос о закалке стали, — как деталь, чрезвычайно характерную для выявления сущности достижений металлургии вообще; правда, здесь далеко не все, сопровождающие процесс, явления вполне выяснены, и многое спорно даже для авторитетных специалистов; но это преимущественно относится к мелким подробностям процесса и не мешает рассмотрению вопроса в общих чертах 2).
Если отполировать поверхность какого-либо металла и рассматривать ее под микроскопом, обнаружится сложное строение кажущегося во многих случаях однородным для невооруженного глаза вещества. Металл состоит как бы из отдельных зерен и крупинок, иногда мельчайших пластинок и т. п. Величина, форма, вообще вид таких частичек очень разнообразны. Как пример, в правом нижнем углу таблицы приводится подобная микрофотография, изображающая определенный образец стали, где отдельные частицы сплава состоят одни из железа, другие из углерода. Если сравнивать микрофотографии различных образцов стали, сразу становится очевидным, что разница их свойств (физических, механических и др.) стоят в связи с различием в микроструктуре их. Верхняя из двух микрофотографий изображает марганцевую сталь, чрезвычайно крепкую и вязкую, выдерживающую без разрыва приложение растягивающей силы, очень значительной величины. Нижняя из них показывает ту же сталь, после ее нагрева до 500° Ц. в течение 60 часов. И структура стали, и ее свойства резко изменились. Она потеряла способность к растяжению, но зато она стала тверже более, чем вдвое 3).
Опытный металлург по одному виду таких микрофотографий может судить о свойствах изображенного на них материала, так же, как и о всех процессах, которым он был подвергнут. Поэтому-то современная металлургия в своих изысканиях непрерывно руководствуется результатами наблюдений за физико-химическим состоянием обрабатываемого материала, для чего одним из существеннейших средств является микрофотография. Чем больше поняты детали производства, тем больше, можно сказать, человек владеет им и господствует над ним.
За последние годы появились некоторые новые средства, облегчающие металлургу его сложную работу. Прежде всего, можно указать на методы исследования кристаллического строения вещества посредством лучей Рентгена, которые позволяют ясно усвоить, что каждая частица металла представляется кристаллом. Эти же лучи выясняют многое, касающееся расположения кристаллов вещества относительно друг друга, благодаря чему, в частности, облегчается и рассмотрение выбранного нами процесса закалки стали.
Железо в природе существует в различных видах и соединениях. Свойства его зависят от кристаллического строения. Напомним, что кристалл отнюдь не всегда имеет безукоризненно правильное внешнее строение; основной чертой, характеризующей кристаллическое состояние, является правильное и определенное взаимное расположение составляющих его молекул; поверхность же более крупных кристаллов может представляться совершенно неправильной. Кусок железа имеет кристаллическое строение, хотя по внешности он таким и не кажется; но, говоря вообще, он состоит из бесчисленного количества мельчайших кристалликов, часть которых и видна на микрофотографиях.
В одной из своих форм, железо состоит из атомов, расположенных так, что каждый атом имеет восемь соседей, таких же атомов (рис. левого столбца таблицы II, второй сверху, в нижнем правом углу). Это его форма при обычных средних температурах, и в ней железо представляется магнитным. Если его нагреть до яркокрасного каления, атомы изменят свое взаимное положение, соберутся теснее, и теперь каждый из них имеет по 12 соседей. Если нагреть проволоку до приведения в эту вторую форму и предоставить ей остывать, она при прохождении ее температуры через определенную «критическую» точку, приостановит на некоторое короткое время свое сжатие (и обратно); именно в этот «критический» момент и происходит перестановка атомов в кристаллах железа. Во второй форме железо немагнитное.
Сталь состоит из железа с небольшим содержанием углерода. Атомы последнего расположены между атомами железа, заполняя промежутки или образуя маленькие кристаллы цементита, являющиеся соединением этих элементов (железа и углерода).
Не всем известно, что сам по себе, в отдельности, кристалл металла обыкновенно очень не крепок. Дело в том, что правильное расположение атомов допускает легкое их скольжение по определенным поверхностям. Например, при описанной второй форме у железа или у алюминия, обладающего этой же формой, скольжение атомов происходит очень легко по поверхностям, показанным пунктирными линиями (см. таблицу II, лев. столб.).
В полосе обыкновенного алюминия кристаллы расположены так, что их поверхности скольжения направлены в разные стороны, и полоса обладает поэтому значительной жесткостью: в какую бы сторону ни сгибать полосу, всегда для большого количества кристаллов это не совпадет с поверхностями скольжения. Недавно, однако, было доказано, что при соответствующей обработке алюминия, все образующие его кристаллы могут быть расположены таким образом, что поверхности их скольжения будут направлены в одну сторону, и полоса окажется такой «мягкой», что будет сгибаться легким давлением пальцев.
Всякое нарушение правильности расположения кристаллов, напр., при увеличении давления, отражающемся на измельчении самих кристаллов, и некоторые другие причины, как содержание мельчайших частиц цементита и др., делают материал более твердым, благодаря затруднению скольжения, находящегося в прямой зависимости от комбинации плоскостей скольжения, составляющих вещество частиц.
Углерод стали склонен действовать именно в этом направлении: когда сталь подвергаетса высокой температуре, и железо в ней находится в описанной выше второй форме, содержащийся в стали углерод располагается в соответствии с промежутками, имеющимися между кристалликами железа именно во второй форме. Когда сталь погружают в холодную воду, содержащееся в ней железо столь быстро перестраивает свои атомы в положение, свойственное первой форме, что углерод не успевает также перераспределить свои атомы в соответствии с новым расположением атомов железа, и скольжение отдельных кристалликов будет чрезвычайно затруднено. Этим и будет достигнута закалка стали.
Настоящий очерк, при всей своей вынужденной краткости, может дать представление о той чрезвычайной сложности, которою обладает большинство металлических процессов. Отсюда должно быть понятно, сколько внимания требует к себе эта отрасль промышленности, играющая столь важную роль в современной жизни.
Сост. К. Н. Л.
1) Исключение составляет древний «булат» — особый род клинков, изготовлявшийся с незапамятных времен в Индии; исключительные качества его остаются до сих пор не превзойденными.
Пр. Ред.
(стр. 1388.)
2) Вопрос о закалке стали поставлен нашим всемирно известным металлургом инж. техн. Черновым на строго научную почву.
(стр. 1391.)
3) Можно привести интересный пример из Мировой войны: защитные противушрапнельные английские каски были сделаны именно из такой вязкой стали; вскоре после их введения английские солдаты нашли эти каски удобными для употребления в виде котелков для варки пищи. Этим обстоятельством, по заявлению металлургов, чрезвычайно обеспокоились военные власти, т. к постоянное нагревание должно было сделать материал касок хрупким и легко пробиваемым шрапнельными пулями.
(стр. 1392.)