Техника обработки металлов в древней Руси
Б.А. Колчин
ГНТИ машиностроительной и судостроительной литературы, 1953 г.
Железные руды были распространены по всей территории древней Руси. По химическому составу это были главным образом бурые железняки (лимонит). Бурый железняк в зависимости от образования встречается трех основных видах: собственно бурый железняк, болотная или луговая (дерновая) руда и озерная руда, раннерусскими металлургами наиболее широко примеялась болотная — луговая руда. Наряду с ней добывали собственно Бурый железняк в районах его выхода на поверхность земли. Русская равнина располагала большими для того времени и легко доступными запасами железной руды. Технику добычи руды в древней Руси можно восстановить по русскому этнографическому материалу XIII—XIX вв. Вот как описывал железорудные промыслы в 1803 г. акад. В. М. Севсргип: «Железные руды находятся наиболее в уездах Белозерском и Устюжском, де лежа на самой почти поверхности земли... с давних времен тамошними жителями открыты... Подобно сему уездах Череповецком и Кирилловском по ржавым болотам отыскиваются также железные руды, но не в большом количестве, впрочем одинакового с предыдущим качества. .. Руда сия есть железная земля красноватого цвета, довольно тяжелая, смешанная с черноземом; промышленники познают оную по ржавой воде и красноватому илу, выступающему на поверхность болот; тамошнии жители судят также о доброте руды по роду дерев, на оной растущих; таким образом отыскиваемую под березником и осинником почитают лучшею, потому, что из оной железо бывает мягче, а в таких местах, где растет ельник, жестче и крепче... Поелику руда или железная земля лежит под черноземом на аршин глубиною, то промышленники копают ямки, и вырывая из оных де-ревяипою палкой землю, узнают доброту оной по цвету и тяжести, а найдя таковую, снимают первый слой, потом вырывают железную землю, складывают на высокие и сухие места кучами и оставляют месяца на два проветривать и просыхать» [26]. Для сыродутного процесса, дающего сильножелезистый шлак, нужна очень богатая железом руда. Для получения такого концентрата необходимо обогащение добываемых руд — болотных, луговых и бурых железняков. Поэтому древнерусские металлурги обогащали железные руды, идущие в плавку. Операция обогащения была очень важным технологическим условием для производства железа в сыродутных печах. Этнографические материалы упоминают следующие приемы обогащения руд: 1) просушка (выветривание); 2) обжиг; 3) размельчение; 4) промывка; 5) просеивание. Получение высококонцентрироваиной руды не могло ограничиться только одной или двумя операциями, а требовало планомерной обработки всеми указанными приемами. Археологически известнойоперацией является обжиг руды. При археологических разведках автора у дер. Ласуны на побережье Финского залива [27] в одном из шурфов была обнаружена куча обожженной руды. Для всех операций обогащения руды требуется очень простой инвентарь: для размельчения руды — деревянная колода и ступа, а для просеивания и промывания — деревянное решето (сетка из прутков). ТОПЛИВО Обилие лесов и простота техники углежжения обеспечивали древнерусскую металлургию дешевым и качественным топливом. Пережог дров на уголь совершался в так называемых угольных ямах. Ямный способ выжига угля наиболее древний. В вырытую яму складывались поленья и сучья деревьев. Яма плотно закрывалась снаружи дерном и замазывалась глиной: лишь наверху кучи, в центре и в боках ямы оставляли небольшие отверстия для слабого притока воздуха. Кричное железо в силу своего сыродутного происхождения всегда пронизано тем или иным количеством шлаковых включений. В древнерусском металле количество шлаковых включений по весу в среднем не превышает 1%, но иногда достигает и 2—3% (в отношении шлаковых включений это считается достаточно чистым металлом). Нами было произведено сравнение древнерусского железа со сварочным железом русских мостов XIX в. Оказалось, что там шлаковых включений в железе не только не меньше, но иногда и больше [28] (а в XIX в. на железные мосты шло лучшее сварочное железо). Влияние шлаковых включений на механические качества металла выражается в некотором уменьшении временного сопротивления на разрыв, что для условий использования железа в древней Руси не имело никакого значения. Из механических свойств кричного железа нами исследована только твердость, которая для разных исследованных образцов по шкале Бринеля колебалась в пределах 95—174 единицы. У большей части изделий она изменялась в более узких пределах — от 120 до 150 единиц по Бринелю. Обращает на себя внимание повышенная твердость древнерусского кричного железа. Обычная твердость железа (современного железа возрастом до 25 лет) равна 90—100 единицам по Бринелю, Инструмент древнерусского кузнеца широко представлен среди древнерусских археологических материалов. Это дает возможность описать каждый вид инструмента в отдельности. Наковальня — твердая опора, на которой ковалось изделие. Древнерусские письменные источники XI в. неоднократно упоминают наковальню. В текстах она имеет вполне современную терминологию: «хытрьць жесткое железо... кыемь и наковальньмь мячить» (мастер жесткое железо... молотом на наковальне кует). Письменные источники XII в. называют наковальню «жесткой» [37]. Наковальни найдены на городищах и в погребениях. Большинство дошедших до нас наковален — это маленькие наковальни ювелира и слесаря. Собственно кузнечные наковальни представляли собой массивные подставки весом более 8 кг с прямоугольной рабочей поверхностью и отростком с одной стороны в виде одного или двух рогов (фиг. 11). Высота наковальни с древнерусского городища Княжая Гора равнялась 25 см, длина ее рабочей поверхности 18 см и ширина 11 см. Верхняя часть наковальни с узкой стороны имела клиновидный вырез, благодаря которому получались два рога. Весила она около 13 кг. Сварить железо с железом или железо с малоуглеродистой сталью (до 0,3% С) нетрудно. Труднее свариваются стали с содержанием углерода 0,4—0,6%. Очень трудно сварить сталь с содержанием углерода 0,8—0,9% и особенно трудно сварить эту сталь с железом. Чтобы привести металл в пластическое состояние, при котором могла бы произойти сварка, как известно, необходим нагрев при высокой температуре. Для железа и стали с разным содержанием углеродатемпературы нагрева будут разными. Для чистого железа эта температура колеблется около 1425—1475°, для стали с содержанием углерода 0,4%—около 1300—1350° и для стали с 0,8% углерода — около 1200 - 1250е. При недостаточности нагрева или сильном перегревеметалласварки не произойдет, поэтому нагрев металла является наиболее важной операцией при сварке; малейшее упущение, недосмотр при нагреве сказываются на ее качестве. Как показывает микроструктура сварочных швов, подавляющая их масса на древнерусских изделиях (фиг. 23) имеет очень чистое и тонкое строение, а следовательно, и прочное соединение. Обращает на себя внимание прочность и чистота швов при сварке железа и высокоуглеродистой стали. Большинство швов почти не имеет шлаковых включений. Все это говорит о том, что древнерусский кузнец умел очень точно определять степень нагрева металла, что в условиях древней Руси было возможно только по цветам каления, а для железа и каждого сорта стали этот цвет разный. Нужно было очень хорошо знать свойства и состав свариваемых металлов (железо или сталь, и какая именно сталь), чтобы для них определять необходимый цвет каления. При нагреве металл окисляется, покрываясь окалиной, которая препятствует сварке. Окалину необходимо удалять, для чего применяют особые вещества, называемые флюсами, которыми посыпают места сварки. При высокой температуре флюс, соединяясь с окалиной,