Металловедческие характеристики чугуна и железа Каменского чугунолитейного и железоделательного завода
На рубеже XVIII-XIX вв. Россия вышла на первое место в мире по производству черного металла. В это время около 80% российского железа, стали и чугуна производилось на Урале. Начиналось всемирное восхождение уральского металла со строительства и пуска в самом начале XVIII века году двух мощных и технически современных по тому времени чугуноплавильных и железоделательных заводов – Каменского и Невьянского. Российское государство вело в это время войну со Швецией и испытывало настоятельную необходимость в металле. Оба завода возводились по повелению Петра I и строились как казенные предприятия. Несмотря на то, что Невьянский завод начали строить раньше, первый чугун 15 октября 1701 г. выдал Каменский завод. Через месяц к промышленному производству чугуна приступил Невьянский завод. Так заработали первые домны на Урале.
Чугун на Каменском заводе шел в первую очередь на литье пушек, единорогов, мортир и ядер к ним. Часть чугуна шла на передел в сварочное железо. Производился в небольшом количестве и уклад, т.е. сталь. Невьянский завод специализировался на производстве принадлежностей для флота (якорей, цепей и пр.), а также артиллерийских ядер и бомб. Большая часть продукции в виде полосового, пруткового и листового железа, проволоки и других изделий шла на рынок, принося немалые прибыли владельцам. Процесс получения железа был двухстадийным: выплавка чугуна, затем дальнейший его передел в железо и сталь. Это коренным образом отличало его от бытовавшего до того времени на Урале получения железа в «мужицких» заводиках, на которых в «малых печах», не доводя до полного плавления, проводился прямой процесс восстановления руды. Продуктом такого процесса являлась губчатая железная крица, которая затем подвергалась ковке. Главным преимуществом новой технологии была существенно более высокая производительность доменного производства и, конечно, высокое качество продукции.
В XVIII в. не только в России, но и за ее пределами были известны названия уральского железа «Сибирь» и «Старый соболь». Первая марка писалась как латинскими буквами, так, позднее, и русскими и была общей для всех уральских и сибирских заводов, включая и Каменский завод [1]. Изображение соболя было фирменным знаком демидовских заводов, первым из которых на уральской земле был Невьянский завод, переданный в 1702 г. указом Петра I во владение тульскому заводчику Никите Демидову [2]. В дальнейшем завод перешел к его сыну Акинфию Демидову. С тех пор Невьянский чугунолитейный и железоделательный завод стал, пожалуй, самым известным в истории уральским заводом, благодаря незаурядным личностям первого владельца и его наследников, уникальной Невьянской наклонной башни и, конечно, добротному демидовскому железу, находившему спрос по всему миру. Поэт В.А. Жуковский назвал Невьянский завод «дедушкой уральских заводов». Справедливее было бы дать этот высокий титул Каменскому чугунолитейному и железоделательному заводу. Потому что первая домна на Урале была задута на Каменском заводе и первые пушки тоже были отлиты на Каменской земле.
Каменский завод оставался и, к сожалению, остается до сих пор в «исторической тени» демидовских заводов. Между тем, значение этого завода для Российского государства весьма высоко. На протяжении более полутора веков Каменский чугуноплавильный и железоделательный завод являлся одним из основных поставщиков чугунных пушек для армии и флота. Он оставался казенным заводом на всем протяжении своей истории и с честью выполнял государственные заказы. Каменские пушки участвовали во всех крупных военных конфликтах, к которым была причастна Россия, начиная с Северной и кончая Крымской и Кавказской войнами [3]. И сейчас каменские пушки находятся во многих музеях по всей территории нашей страны. Высокое качество демидовского железа не раз отмечалось в специальной исторической литературе, многократно звучало в художественных произведениях и стало своего рода визитной карточкой уральской металлургии, не лишенной легендарного ореола. Его сравнивали, а порой ставили выше знаменитого шведского металла без достаточных материаловедческих оснований.
В последнее время появились статьи уральских металлургов и металловедов, которые на основе результатов современных лабораторных исследований дают объективную высокую оценку демидовскому железу и чугуну и ставят их в один ряд с западно-европейским, в частности, со шведским металлом [4,5]. В этих статьях приводятся данные о химическом составе, структуре и механических свойствах образцов железа и чугуна, произведенных на уральских, главным образом, демидовских заводах в дореволюционное время. Такие работы находятся в русле современных исследований и позволяют лучше понять развитие новых технологий и осознать процессы технологической модернизации общества [6]. Насколько нам известно, подобные работы, посвященные каменскому металлу XVIII-XIX вв., в литературе отсутствуют. В настоящей публикации приводятся некоторые результаты металловедческих исследований ряда образцов каменского исторического металла, охватывающего период от начала производства железа на территории современного Каменск-Уральского в конце XVII в. до начала XX в. Наряду с химическим анализом состава образцов, изучена микроструктура с помощью оптической микроскопии специально приготовленных шлифов. Предпринята попытка проследить изменение качества каменского металла и отчасти особенностей технологии его получения за все время производства черного металла на Каменском чугуноплавильном и железоделательном заводе. Все исследованные образцы взяты из Каменск-Уральского краеведческого музея им. А.Я. Стяжкина. По литературным данным проведено также сравнение с демидовским металлом XVIII в. с Невьянского завода и образцом бытового железа (кровельный гвоздь), обнаруженного в Ектеринбурге и относящегося к началу XIX в.
Производство железа на каменских землях началось с сыродутной домницы (кричной печи) в Железенском поселье Далматовского Успенского монастыря на реке Железенке (Каменке) и датируется 80-ми гг. XVII в. [7]. Это было мелкое «мужицкое» производство и кричных печей в то время на Урале в основном в северных районах было несколько десятков. 1-й образец (см. Табл.) отрезан от крицы, обнаруженной в районах, прилегающих к Каменску-Уральскому. Крица представляла собой слиток неправильной формы с крупными раковинами и шлаковыми включениями. Подобные крицы производились и в монастырских домницах Железенского поселья, однако точная принадлежность крицы не установлена. Заметим, что еще в первой половине XX в. жители Каменска находили на своих огородах в Гнилом углу остатки криц и шлаковых отходов. Именно там согласно чертежам С.У. Ремезова располагались первые монастырские домницы. Образцы 2 и 3 взяты от стволов чугунных пушек, произведенных на Каменском заводе, соответственно, в 1733 г. и в середине XIX в. 4-й и 5-й образцы – это фрагмент художественного литья и медаль 1901 г. Наконец, 6-й образец – кованый гвоздь XIX в. Как видно, исследованные образцы дают представительную ретроспективу продукции Каменского завода. Результаты химического анализа, отражающие состав образцов, приведены в Таблице. Прочерк в Таблице означает, что измерение содержания данного элемента не проводилось, «нет» — означает, что содержание элемента находится ниже чувствительности использованного метода (обычно менее 0.01%). Отметим, что в связи с недостаточностью размеров образцов испытания механических свойств, кроме измерения твердости методом Бринелля, не проводились.
Химический анализ 1-го образца показал, что это весьма чистое низкоуглеродистое железо с низким содержанием серы. Отличает его довольно высокое содержание кремния, а также марганца, что может быть связано с химическим составом руды и особенностями технологии. Содержание фосфора в этом образце заметно ниже, чем в других образцах каменского металла, поэтому, вероятно, руда, из которой он получен, не относится к каменским месторождениям. Это согласуется с мнением историков Каменского краеведческого музея, которые полагают, что крица была получена вне пределов Каменска. По своей микроструктуре образец представляет собой крупнозернистый феррит, т.е., твёрдый раствор углерода в железе и напоминает микроструктуру низкоуглеродистой стали. Отметим также весьма высокую твердость (200-220 НВ) образца для металла такого вида. В целом, образец обладает типичными характеристиками кричного железа прямого передела. После ковки и обжатия такое железо пригодно для изготовления широкого набора предметов и орудий крестьянского хозяйства (лопаты, косы и т.д.), но мало подходит для изготовления холодного оружия, где требуется сталь (стальной уклад). Искусством производства стального уклада в начале XVIII в. каменские мастера владели, но образцов уклада в нашем распоряжении не было. По утверждениию В.Б. Яковлева на Каменском заводе уклад получали путем переплавки кричного железа [8].
Следующие два образца привлекают особое внимание, поскольку представляют главную продукцию Каменского завода – пушки. Образцы 2 и 3 вырезаны, соответственно, из цапфы и из казенной части. Причем, если образец 2 взят от пушки 1733 г. из партии орудий, предназначенной для экспедиции Беринга и относящейся к раннему (но не самому начальному 1701-1704 гг.) периоду, то вторая пушка (образец 3) относится к периоду расцвета технологии чугунных пушек середины XIX в. Поэтому металловедческий анализ этих образцов позволяет оценить не только качество металла, но и представить в некоторой степени прогресс технологии получения чугуна и литейного производства. В качестве сравнения взят состав чугуна памятной плиты Невьянского завода, датируемой 1725 г. (образец 8). Последние данные взяты из статьи Родионова Д.П., Счастливцева В.М. и Хлебниковой Ю.В. [5]. Приведен также химический состав современной марки серого чугуна (образец 10).
Таблица
Как видно из Таблицы, содержание углерода в каменском чугуне меньше, чем в невьянском. По современным представлениям каменский металл скорее можно отнести к так называемым серым чугунам. Микроструктура чугуна каменских пушек соответствует микроструктуре современного серого чугуна, однако химический состав несколько отличается от состава современных серых чугунов. Невьянский чугун относится к белым чугунам. Он более хрупкий и менее пригоден к литью. Белый чугун обычно предназначен для последующего передела в железо и сталь. Невьянский чугун содержит также значительное количество марганца и меди, что типично для руды Высокогорского рудника (гора Высокая вблизи Нижне-Тагильского завода).
Углерод – главная составляющая сплавов железа, определяющая является ли сплав чугуном, сталью или его можно отнести к обычному железу. При содержании углерода 2.15% — 4.5% сплав относят к чугунам; сталь содержит не более 2.14%, но не менее нескольких десятых процента углерода; при малом содержании углерода сплав железа и углерода обычно именуется просто железом. Поэтому при анализе состава в первую очередь обращают внимание на концентрацию углерода. В нашем случае (см. Табл.) образцы 1, 6, 7, 9 представляют собой железо. Образцы 2, 3, 4, 5, 8, 10 являются чугунами. От концентрации других примесей зависят многие свойства чугуна, стали и железа. Обратимся к химическому составу чугуна каменских пушек. Содержание примесей в металле пушки XIX в. заметно меньше по сравнению с чугуном пушки, произведенным в 1733 г. Это, на наш взгляд, отражает совершенствование технологии выплавки чугуна на Каменском заводе. В более ранних образцах чугуна выше содержание углерода и фосфора. В микроструктуре металла пушки 1733 г. присутствует фосфидная эвтектика, что по современным представлениям является вредной составляющей, поскольку способствует охрупчиванию металла. Не располагая возможностями химического анализа, мастера того времени называли такой чугун «жестким» и малопригодным для литья [6]. Интересные результаты дали металлографические исследования этих образцов. На срезе образца 2 хорошо виден дефект литья, скорее всего связанный со шлаковым засорением. По-видимому, по этой причине пушка 1733 г. была забракована и не попала в экспедицию Беринга. Раковины и шлаковый засор были типичными дефектами, связанными с несовершенством технологии литья, да и самих доменных печей на первых этапах развития Каменского завода. Процент брака был огромен. В первой крупной партии орудий, отправленной весной 1703 г. в Москву с Каменского завода, было 323 пушки. Из них после испытаний на Пушечном дворе разорвало 102 пушки. И это после обязательных заводских испытаний! Самыми не надежными пушками оказались трехфунтовые. Вслед за неудачным результатом вышел царский указ 1703 г. запрещавший лить трехфунтовые пушки. Были приняты организационные меры. На Каменский завод были присланы пушечные литейные мастера с подмастерьями, в том числе иностранцы. Но, даже собрав лучших мастеров, не удалось решить проблемы качества пушек. После чего последовал указ от 19 января 1705 г. «… в Сибири на Каменских и верхотурских железных заводах чугунных пушек, мартиров, гоубиц лить не указано, для того, что по опыту прошлого 1704 г. присланные сибирские пушки явились зело плохи, и к стрельбе негодны. А велено на тех сибирских заводах делать прутовое железо …» [6]. К сожалению, в нашем распоряжении не было образцов металла от самых ранних каменских пушек 1701-1703 гг. Металловедческий анализ чугуна этих пушек помог бы разобраться с причинами неудачного литья пушек в тот период. Четыре ствола первых каменских пушек находятся в фондах Свердловского областного краеведческого музея, доступ к которым затруднен.
Технологический кризис еще не раз случался на Каменском заводе. Пути выхода искались буквально «на ощупь». Крупные дефекты в стволах искали с помощью зеркал или трещеток. Причины обнаруживались в «грязном» чугуне. Шлаковый засор в образце от пушки 1733 г. убедительный тому пример. «В то время доменная печь стало быть плоха, и труба прогорела, из которой камень и кирпич на стороны вываливались, и теми полыми местами глина и песок сыпались в горн, … и от того чугун пенился и являлся ноздреват …» [6]. Шлаковую взвесь на жидком чугуне пытались устранить с помощью лопаток и решеток. Составы литейных смесей были не отработаны, литейные формы не отличались совершенством. В XIX в. с переходом на разъемные чугунные опоки качество литья заметно повысилось. Весьма подробно эти проблемы описаны в монографии Е.А. Курлаева, Н.С. Корепанова, И.В. Побережникова [6]. Одной из главных причин неудач в литье пушек авторы называют добавки магнитного железняка в шихту, усиливающего хрупкость металла. Однако вблизи Каменска нет месторождений магнитных железных руд, поэтому это утверждение не относится к Каменскому заводу. Надо полагать, что если бы авторы этой увлекательной монографии располагали металловедческими данными, анализ этих проблем был бы более предметным и убедительным.
Производство пушек на Каменском заводе было прекращено в 1869 г. На смену чугунным пушкам стали приходить стальные орудия и набирали производственную мощность Мотовилихинский и Обуховский заводы, обладавшие более высокой технологией. Каменский завод в это время переключился на производство бомб и снарядов, в дальнейшем завод занялся также литьем труб для железных дорог. Химическая лаборатория появилась на Каменском заводе только в 1899 г.
Практически на всех чугунолитейных заводах в большей или меньшей степени занимались литьем чугунных памятных и художественных изделий. Не обошел этот промысел и Каменский завод. Известны художественные изделия и памятная медаль, произведенные на Каменском заводе. Вопрос, который возникает, было ли это производство случайным и насколько были подготовлены к этому делу мастера-литейщики. Вероятно, архивные изыскания могут дать ответ на этот вопрос. Анализ состава чугунных художественных предметов может указать на особенности технологических процессов их получения. Если обратиться к химическому анализу каменских изделиям художественного литья конца XIX – начала XX вв., то видно, что они содержат повышенную концентрацию фосфора (см. Табл.). Этот элемент добавляют для повышения жидкотекучести чугуна и обеспечения высокого качества литья, что необходимо для художественных изделий. Это, скорее всего, означает, что художественное литье производилось из специально приготовленного серого чугуна, и изготовление художественных и бытовых изделий на Каменском заводе не было случайным побочным производством. Памятная медаль, судя по составу, изготовлена из чугуна с высоким содержанием углерода, предназначенного для последующего передела в железо или сталь.
Кованый гвоздь, изготовленный в XIX в. (образец 6), относится к изделиям широкого потребления. Такие гвозди использовались при ремонте плотины. Немало их осталось в старых деревянных постройках в Каменске и близлежащих деревнях. Гвоздь изготовлен из железа, полученного двойным переделом, т.е. сначала в доменной печи был получен чугун, а затем путём нагрева в кричном горне и проковки получено железо и изделие из него. На это указывает присутствие неметаллических включений в виде строчечных силикатов и оксидов на фоне чисто ферритной микроструктуры. Состав железа отличается высокой чистотой, такие элементы как марганец и хром не удалось зафиксировать методами химического анализа. При сравнении с кричным железом XVII в. (образец 1) видно, насколько возросли чистота и качество каменского железа. Такой металл шел на хозяйственные крестьянские нужды, поскольку был недорог и легко поддавался ковке и заточке. Недостатком железа, полученного таким способом, являлась его сравнительная мягкость. Интересно сравнить состав каменского гвоздя с составом аналогичного изделия, обнаруженного в Екатеринбурге и относящегося к началу XIX в. Данные о химическом составе екатеринбургского гвоздя взяты из работы Родионова Д.П., Счастливцева В.М. и Филиппова Ю.И. [4]. Как видно из Таблицы, железо екатеринбургского гвоздя отличается повышенным содержанием хрома и низким содержанием фосфора. Последнее отличает его от типичного состава металла Каменского завода. В то же время высокая концентрация хрома не свойственна продукции Невьянского завода. Поэтому, скорее всего, этот екатеринбургский гвоздь был изготовлен на каком-то другом уральском заводе.
Следует отметить, что все исследованные предметы, произведенные на Каменском чугунолитейном и железоделательном заводе, содержат весьма малое даже по современным стандартам количество загрязняющих элементов, в частности, серы. Это свидетельствует об отличном качестве используемой руды с большим содержанием железа и высококачественном топливе – древесном угле. В XVIII в. каменская руда считалась лучшей из всех уральских казенных рудников, не уступавшей руде горы Высокой (Высокогорский рудник Демидова), и только ее считали годной к пушечному литью. Отличительной чертой каменских железных руд (возможно, не всех рудников) является повышенное содержание фосфора, что отражается на химическом составе железных и чугунных изделий Каменского завода. Поэтому, концентрация фосфора, по нашему мнению, может служить маркером на принадлежность предметов к каменской продукции. Относительно других элементов сделать такие заключения в настоящий момент не представляется возможным, ввиду ограниченности данных. В тоже время известно, что в уральских железных рудах сравнительно много меди и это тоже может быть использовано в совокупности с другими факторами для анализа происхождения предметов из железа и чугуна.
В работе [5] на основании современных металловедческих исследований ряда изделий, произведенных на Невьянском чугунолитейном и железоделательном заводе в XVIII в., сделан вывод, что качество демидовского металла не уступает лучшим образцам европейского железа того периода. По предварительным данным, основанным главным образом на анализе химического состава изделий Каменского завода и сравнении с металловедческими данными для демидовского металла можно утверждать, что качество каменского металла сравнимо с качеством чугуна и железа Невьянского завода, а значит вполне сопоставимо и с качеством шведского железа.
Металловедческая информация о химическом составе и микроструктуре чугунных и железных предметов и изделий, как входящих в состав исторических зданий и памятников, так и обнаруженных в ходе археологических изысканий и находящихся в музейных фондах, может быть полезной при их атрибуции. Однако такие возможности появляются только при достаточно широкой базе металловедческих данных исторического металла. На сегодняшний день можно говорить лишь об ограниченной базе данных чугуна и железа, произведенных на Невьянском чугунолитейном и железоделательном заводе в XVIII в. Вторая и, на наш взгляд, весьма актуальная проблема, осветить которую без металловедческих исследований затруднительно, это выяснение особенностей металлургических технологий и понимание процессов технической модернизации на более, чем трехсотлетнем пути развития уральской металлургии. На этом направлении требуется тесное взаимодействие историков, металлургов, металловедов.
Автор выражает глубокую благодарность Д.П. Родионову и научным работникам Каменск-Уральского краеведческого музея им. А.Я. Стяжкина за плодотворное обсуждение, сотрудникам Синарского трубного завода за содействие в проведении химических анализов.
Примечания:
1. Корепанов Н.С., Рукосуев Е.Ю. Клейма уральских заводов XVIII–XIX вв. – Екатеринбург, Институт истории и археологии УрО РАН, 2004 – 93 с.
2. Металлургические заводы Урала XVII-XX вв. Энциклопедия. – Екатеринбург, 2001. – С.242-245.
3. Шевалев В.П. Каменские пушки в истории отечества. – Каменск-Уральский, 2004 – 302 с.
4. Родионов Д.П., Счастливцев В.М., Филиппов Ю.И. Структура и механические свойства уральского сварного железа. // Физика металлов и металловедение. 2004. Т.97. №1. С.89-95.
5. Родионов Д.П., Счастливцев В.М., Хлебникова Ю.В. Металлографическое исследование структуры металла Невьянской наклонной башни, произведенного в XVIII века на Невьянском чугуноплавильном и железоделательном заводе Акинфия Демидова. // Физика металлов и металловедение. 2009. Т.108. №1. С.105-112.
6. Курлаев Е.А., Корепанов Н.С., Побережников И.В. Технико-технологические инновации в горно-металлургическом производстве Урала в XVII-XVIII вв. – Екатеринбург, Институт истории и археологии УрО РАН, 2011 – 206 с.
7. Алексеев В.В., Гаврилов Д.В. Металлургия Урала с древнейших времен до наших дней. — М.: Наука, 2008 – 886 с.
8. Яковлев В.Б. Развитие способов производства сварочного железа в России. – М.: Изд. АН СССР, 1960 – 220 с.