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,