В 1812 г. Ефим Черепанов отлично решил задачу по устройству прокатных станов на казённом Нижне-Туринском заводе. Но известность крепостного мастера-самоучки не облегчила тяжёлых условий его жизни. Долгие годы за свою работу он получал ничтожную заработную плату, которая не обеспечивала хотя бы сносное существование его семьи. Ефим Черепанов женился в 1801 г. Через два года, в 1803 г., у него родился сын Мирон, который стал его верным учеником и продолжателем его дел. В 1807 г. талантливый механик был переведён на должность «плотинного» — отвечающего за устройство и эксплуатацию гидротехнических сооружений и водяных двигателей, вначале на Выйском, а затем и на всех девяти Нижнетагильских ; заводах Демидовых. В обязанности Е. А. Черепанова также вменялось решение различных технико-экономических вопросов, связанных с деятельностью заводов. За эту сложную работу он получал долгое время лишь 50 рублей ассигнациями в год. Через 8 лет заработки его доходили примерно до 8 рублей с небольшим в месяц.
Материальное положение увеличившейся к тому времени семьи Ефима Черепанова несколько улучшилось в 1815 г., когда его сын Мирон, достигший 12 лет, «по причине высокой грамотности» был принят в контору Выйского завода писцом с окладом 5 рублей в месяц. Но конторский труд был не по душе младшему Черепанову, с детства любившему «механическое искусство». Мирон с ранних лет помогал отцу, который был его главным учителем и наставником. Как и его отец, он стал признанным изобретателем и конструктором новой техники на металлургических предприятиях Урала.
Несмотря на большие заслуги и известность, Е. А. и М. Е. Черепановы очень долго оставались крепостными Демидовых. Ефим Черепанов получил вольную лишь в 1833 г., когда ему было уже около 59 лет. Мирон Черепанов был освобождён в 1836 г. Но в действительности это освобождение было чисто формальным. Их семьи оставались крепостными, их дом и двор стояли на земле владельца Нижнетагильских заводов. К тому же главная заводская контора приняла и особые меры, чтобы Черепановы, получив вольные, никуда не могли уйти. У них было взято особое «обязательство на службу господам доверителям», то есть Демидовым.
В начале XIX в. развитие производства на Урале стало тормозиться из-за недостаточной энергетической базы. Для приведения в действие водяных колес, являвшихся тогда основным производственным двигателем, не хватало воды. Возникала потребность в паровых двигателях. Некоторые уральские заводовладельцы уже начали их строить, как правило, с помощью иностранных специалистов. Первая из известных паровых машин была установлена на Гумешевском руднике Турчанинова ещё в 1799 г. Затем появились машины на Юговском, Златоустовском и Верхне-Исетском заводах. Но Демидовы и управляющие его заводами, несмотря на боязнь того, что их конкуренты-соседи получат большую выгоду от применения паровых двигателей, продолжали делать главную ставку на дешёвую рабочую силу крепостных, на конные и водяные двигатели. Предложения Ефима Черепанова о постройке паровых двигателей не встречали поддержки.
И всё же, невзирая на недоверие и обстановку полного недоброжелательства, неутомимый изобретатель в 1820 г. построил свою первую опытную паровую машину.
Ефим Черепанов рассматривал этот двигатель как универсальный, способный приводить в действие самые разнообразные машины и станки, а также откачивать воду из шахт. Впоследствии он расширил сферу применения двигателя, использовав его для средств передвижения по суше и воде.
Важным условием, обеспечившим постройку паровых машин, явилось создание Ефимом Черепановым в конце 10-х гг. XIX в. особого «механического заведения» при Выйском заводе, где под его руководством работали кузнецы, слесари и плотники.
Вначале в этой мастерской изготовлялись различные станки, механизмы и их детали. Со временем она превратилась в Выйскую машиностроительную фабрику.
Постройка Е. А. Черепановым первой паровой машины «силою противу двух человек» не заинтересовала Н. Н. Демидова. Он оставил без всякого внимания сообщение уральской конторы об установке на Выйском заводе парового двигателя и не поддержал начинания своего «домашнего механика».
Весной 1821 г. Н. Н. Демидов направляет Ефима Черепанова в Англию, поручив ему разобраться в причинах падения сбыта уральского железа за границей. Это свидетельствовало о том, что Н. Н. Демидов считал Е. А. Черепанова умным и неподкупным человеком, в совершенстве знающим металлургическое производство. Ефим Черепанов главную цель своей командировки видел в изучении зарубежной техники, хотя ему предписывалось сделать это лишь попутно. Английские машиностроительные и другие промышленные фирмы, ревностно охранявшие свои секреты и монополию на международную торговлю паровыми двигателями, встретили приезд Е. А. Черепанова в штыки. В печати была опубликована заметка, обвиняющая его в шпионских замыслах на том основании, что у него «подозрительная борода».
