Одним из важнейших источников этого металла был Синайский полуостров, куда фараоны снаряжали большие экспедиции. Мы уже рассказывали про находки археологов, обнаруживших на Синае не только рудники, но и тысячи плавильных печей. Еще одна находка, проливающая свет на масштабы добычи полезных ископаемых в Древнем Египте, сделана в Вади-эль-Насаб в Южном Синае.

Это место, служившее крупным источником меди и бирюзы, функционировало с Древнего царства по Поздний период, причем пик активности пришелся на Новое царство. Обнаружены руины мастерских, медные слитки и глиняные головки фурм – трубок для вдувания воздуха в плавильные печи. Вероятно, здесь проходила плавка и литьё меди перед транспортировкой в долину Нила, где её использовали для изготовления инструментов и оружия.

Археологи раскопали два здания из песчаника, которые, по-видимому, сначала использовались в качестве наблюдательных пунктов, а позднее, во времена Нового царства, были преобразованы в плавильные мастерские. Внутри находились печи, шлак, медные слитки весом более одного килограмма и глиняные фурмы разных размеров.

Раскопано и третье сооружение, которое, как полагают, служило контрольным пунктом для горнодобывающих экспедиций.

Кроме того, удалось обнаружить часть большой центральной мастерской, в которой находились несколько типов печей для плавки меди, инструменты для подготовки руды, керамические тигли, амфоры и египетские сосуды, а также большое количество древесного угля, полученного из местных деревьев, и блоки очищенной глины для изготовления наконечников фурм.

«Синай был не просто центром горнодобывающей промышленности; он был стратегическим продолжением египетского государства», — говорит Шериф Фатхи, министр туризма и древностей Египта.

Среднестатистический образованный человек знает две технологии изготовления топора с проушиной: сварная и прошивная. Если со сварной все понятно, то вот с прошивной – многое в тумане. Хотя ученые историки этот туман стараются не замечать.

На фотографии старинный русский топор Х-ХII характерной формы.

«К самым массовым по числу находок принадлежат топоры с оттянутым вниз лезвием, двумя парами боковых щекавиц и удлиненным вырезным обухом (типа IV, Х - XII вв.) . Широкому распространению этих топоров способствовала совершенная конструкция (коэффициент полезного действия приближается к единице) и надежное устройство обуха. К XII в. производство описанных изделий упрощается: исчезают щекавицы, а тыльная сторона обуха снабжается отходящими в стороны мысообразными выступами». (АН А.Н. Кирпичников. Древнерусское оружие. 1966)

Задумайтесь, почему он такой? Посидите две минуты и поразмышляйте, почему топор именно такой формы и именно в это время. Потом вот эти характерные щековицы и вырезы в обухе исчезли – форма топора изменилась на более простую.

Тут как возникает очередная загадка – произошла как бы деградация технологии: более поздний топор технологически проще.

Ученые это никак не объясняют – не принимать же за объяснение хотелки мастеров в «декоративность». Да, так и объясняют ученые появление этого типа топоров: захотелось и сделали «вырезной» декоративный обух. В этом месте уместен жест – «рука-лицо»…

«Ознакомившись с типологией боевых топоров, можно заключить, что их усовершенствование шло в основном по линии создания лезвия, рассчитанного на проникающий удар, и все более простого (без каких-либо фигурных вырезов) и надежного в скреплении с топорищем проушного отверстия». (Оттуда же).

Заметили слова: «фигурных вырезных обухов»? Вас ничего не напрягло? А теперь смотрите на фото ниже. Это такие же точно по размеру и форме топоры, сделанные без применения кузнечной сварки и прошивней. И я ничего на них не вырезал – они получились такими сами. Я просто применил наиболее подходящую для такой формы технологию – изготовил топоры из полосы, а не из бруска, как написано в умных книжках.

Рядом с топорами лежат полоски точно такого же размера из которых сделаны топоры. Размеры исходных полос: 90х10х50 мм и 130х35х8 мм. Диаметр проушин 35 и 40 мм. Свободная ковка без прошивней. Сталь 65Г и У10.

Эти топоры показались мне довольно большими, поэтому я взял полоску меньшего размера: 120х35х7 мм и сделал еще один. И опять же ничего не трогал на обухе.

Действительно, зачем мне, как и древнему кузнецу, лишний гимор без добавления функционала? Ученые так и не объяснили вопрос, почему кузнецу потребовалось вырезать обух и главное - чем его вырезать? Напильником? Да упаришься. Время на «резьбу» уйдет в несколько раз больше чем на изготовление самого топора.

Вот эти самые популярные в свое время типы топоров.

(АН А.Н. Кирпичников. Древнерусское оружие. 1966)

Похоже?

Форма этого топора объясняется просто: его делали из полосы. Не из бруска, как многим представляется, а именно из неширокой 35-40 мм и не толстой 7-8 мм полосы.

Современные мастера даже не помнят о такой беспрошивной (не сварной) технологии. Более того, они не представляют как вообще такое возможно.

Вырезной обух, который никто не вырезал.

История оружия и металлобработки настолько мифилогизирована, что иногда не подобрать слов, кроме ругательных, чтобы это описать. Прочитайте цитату ниже, посидите минуты две и подумайте, кого в описании не хватает. Великая тайна дырки на топоре перестанет быть тайной если вы вспомните о недостающем и почему-то забытым главном персонаже нашей истории.

«Для многих боевых топоров характерна дырочка на лезвии. Долгое время ее назначение было неопределенным. Отверстие на лезвии считали то магическим знаком, то украшением, то производственным клеймом; думали, что в дырочку вставлялся железный стержень, чтобы топор не слишком глубоко врезался при ударе, или продевалась проволока, с помощью которой притягивалась обратно секира, брошенная в цель.

В действительности дырочка предназначалась для пристегивания к лезвию матерчатого чехла, «до ся чловек не обрежет». Возможно, что это отверстие использовали также для подвешивания топора к седлу, на стену и т. п. Сле¬ довательно, наличие отверстия на лезвии является признаком дорожного или походного топора. Конечно, таким топором обзаводились не только воины, но и охотники, лесорубы, землепроходцы. Имели дырочку и некоторые рабочие топоры. Вообще же дырочка является далеко не обязательной деталью каждого бое вого топора. Ее имеет только 15% сохранившихся «военных» секир (78 от 494)».

(АН А.Н. Кирпичников. Древнерусское оружие. 1966)

Подумали, кого не хватает среди магов, жонглеров, воинов, лесорубов, землепроходцев и прочей веселой братии? Уверен, что не вспомнили кого.  В описании не хватает кузнецов. Именно кузнецам необходимо технологическое отверстие в лопасти топора, без которого этот самый топор в те времена очень трудно было сделать.

Не маги, не воины, не землепроходцы на начальных этапах развития металлообработки определяли форму и размер оружия. Это делали кузнецы и делали только потому. Что по-другому – никак. Этот простой момент не вкурить нашей ученой братии, но что поделать – такова жизнь. Позже – да, идеи стали преобладать над возможностями, а до некоторых пор принцип был простой: что смогли сделать – тем и пользуйтесь.

Однако это тема другой статьи про топоры, великие инструменты, условия, технологии и технологический уклад. Прошу меня простить за столь длинное вступление к разговору об Африке, но дело в том, что русские технологии обработки железа IХ-Х веков почти никак не отличались от африканских технологий того же и более раннего периода.

Если бы у кузнецов была библия она начиналась бы словами: «В начале была полоса». Не устану повторять эту фразу.

В те далекие от нас времена форму изделия определяла технология изготовления, а точнее условия в которых работали мастера. Ну не было у них железных брусков из качественного железа и по всем физическим законам не могло быть.

Вернее были, конечно, но делать качественный брусок в то время это такой лютый лишний гимор, что гораздо проще сделать топор из полоски. Да что там про IХ или Х век говорить – мне сейчас проще одному сделать топор из куска напильника (полосы), чем прошивать брусок прошивнями.

Это еще одна интересная тема, в довесок к теме кукри и его форме. Ведь этот нож тоже не задумка кого-то, а необходимость – выше головы не прыгнешь - сделаем то, что можем сделать. Так и в истории с нашим топором с «вырезным» обухом – сделали то, что могли, то есть по-другому – никак.

Незнание технологий и неумение сопоставить условия и возможности кузнецов, породили великое множество неточностей и мифов, которые приходится разгребать. Хотя кому интересно как делался топор в Х веке без тисков, прошивней, подставок, напильников, клещей, наковальни и болгарки?  Понимаете? Нет, уверен. Грустно это.

Смотришь ролики из Сети и недоумеваешь. Делают товарищи древний топор из бруска на наковальне, прошивая заготовку несколькими прошивнями с помощью пневмомолота. Расковывают проушину на роге наковальни, потом вырезают форму болгаркой и радостно объявляют:

- Нате, вот он топор десятого века.

Какие прошивни, какая наковальня... Тут остается только тяжело вздохнуть и продолжить, надеясь, что кто-то все же задумается.

Чем еще интересен этот, в свое время самый распространенный тип топора? А тем, что технология его изготовления перекликается с технологией изготовления африканской пинги или ножа-молнии. Хотя у меня язык не поворачивается назвать это изделие ножом.

Это что угодно: топор, бумеранг, материализовавшийся ночной кошмар кузнеца, продукт его инициации, но не нож. Хотя, если говорить серьезно, эта пинга служит доказательством мастерства кузнеца. Она своего рода экзамен на класс, звание. Причем повторять чужую форму не всякий хотел и выдумывал свою – оттого такое разнообразие видов этого причудливого оружия.

Подумайте, как оно делалось без применения кузнечной сварки. Подумайте, как делался топор из полосы без кузнечной сварки.

Фото чтобы не сомневались, что топор сделан без сварки из напильника шириной 35 мм и толщиной 7 мм. Диаметр проушины 35 мм.

Если мы многое не знаем о европейских технологиях Х-ХI веков, то что говорить об африканских? Вот это затянутое вступление и было нужно, чтобы читатель проникся той глубиной невежества, в котором погрязла наша «история металлобработки. Может, конечно, и перегнул, но не намного.

Нет, согласен, что где-то века с ХV - ХVI все разложено по полочкам по причине хорошо сохранившихся письменных источников. А вот то, что было раньше - покрыто толстым слоем мути, которую сочиняют все кому не лень. Я выше привел цитату из академического издания. Да я и в прошлых статьях примеры такие приводил.

А зачем нужная дырка на топоре, могу как-нибудь рассказать. Мне она точно нужна. Если опять буду делать топорик из полоски, то одной из первых операций будет пробивка или просверливание отверстия в заготовке.

Вообще африканцы ввиду сложившихся условий сварились в собственном соку. Черный африканский гений не нашел себе выхода, не смог реализоваться и вырваться на оперативный простор, хотя все условия были: сырье, технологии, рабочие руки.

Короткая цитата из Вики: «Есть свидетельства того, что в Центральной Африке производство железа могло быть известно ещё 5 тыс. лет назад. Выплавка железа была известна в области между озером Чад и Великими Африканскими озёрами между 1000 и 600 годами до н. э., гораздо раньше, чем в Египте. К 500 году до н. э. культура Нок на плато Джос уже знала железо».

Но география – это приговор. Великая Сахара закупорила африканцев в середине континента и всё ушло в свисток, породив вместо паровых машин – пингу.

На вопрос, почему в Центральной Африке не появилась технически развитая цивилизация, хотя в технологиях получения железа и стали на первых порах они не только не уступали европейцам, но и в чем-то превосходили их, можно ответить просто: а зачем?  Сытно, тепло, да и великих полководцев, решивших завоевать весь мир не наблюдалось. Сиди под пальмой ешь банан - красота.

Помните анекдот про бизнесмена и негра под деревом? Может в этом причина? А может в другом – резком изменении климата и опустынивании обширных пространств. Мало того, что леса стали сами по себе стали заменяться саваннами, так еще и металлурги помогли.

Европейцы столкнулись с той же проблемой и только запрет на перевод древесины на уголь помог леса сохранить. Угля африканцам требовалось немало, а вот с густыми лесами напряг вышел.

Говорят, что и на острове Пасхи тоже всю растительность аборигены извели.

Большинство ученых сходится во мнении,  что развитие металлургии в Африке затормозила и обратила вспять именно вырубка лесов.

«Микроскопический анализ кусочков древесного угля, найденных в основании печей раннего железного века, показывает, что древние металлурги тщательно выбирали сырье. Они предпочитали использовать такие деревья, как унаби (Zizyphus sp.), имеющее твердую древесину и высокое содержание двуокиси кремния, чем обусловлено ее относительно медленное горение. Анализ древесного угля, найденного в печах раннего железного века, показал, что дерево добывалось в прилегающем районе — травянистой саванне, а не в удаленных горных лесах.

Для получения железа требовалось большое количество древесины. Интенсивная добыча древесины могла в конечном итоге привести к изменению местной окружающей среды. В 1978 г. был проведен эксперимент по получению железа в районе Кабуйй, близ города Гисагара.

На растопку небольшой экспериментальной печи ушло около 95 кг древесного угля. Для получения такого количества угля потребовалось 15 деревьев диаметром 14—16 см. Этот пример показывает, что интенсивная добыча древесины на протяжении нескольких столетий (наряду со скотоводством и земледелием) могла привести к обезлесению.

Из-за отсутствия древесины в результате обезлесения стало невозможным получение железа, и этим можно объяснить, почему в Кабуйе не было найдено печей, относящихся ко времени после 500 г. н. э. Возможно, люди оставили этот район, когда деревья были уничтожены».

(Scientific American. Издание на русском языке). Август 1988. Стр. 72-79. Френсис Ван Нотен, Ян Рэймакерс.)

Казалось бы, мы  уже совсем  далеко ушли от булата, но это только кажется, ведь булат это плавка стали. Европейцы плавить сталь начали только в 17 веке, об этом я в прошлой статье рассказывал. А вот африканцы, по некоторым данным, могли выплавлять сталь непосредственно из руды еще до нашей эры. Это кажется бредом и фантастикой, так как такого способа получения стали определенного химсостава человечество не знает до сих пор.

Понимаете? Какие-то голозадые африканцы тысячу или более лет назад придумали технологию получения стали, которую европейцы не знают до сих пор.

Все современные способы получения стали основаны на получении из руды или железа, или чугуна – это промежуточный процесс. А потом уже различными способами из железа или чугуна получают сталь.

Кому интересно можете почитать материалы по этой теме я лишь дам картинку.

Помните цитату исследователя Влада Серошевского из одной прошлой статьи том, что ножи подобные якутским встречаются… да везде они встречаются. Это опять к тому, что где бы и когда бы ни пытался человек получать сталь и изделия из нее, он идет одним и тем же путем: законы физики - это приговор. Но на конечный результат влияют сложившиеся условия.

Вот сейчас есть замечательные условия у реставраторов чтобы сварить настоящую, качественную, да что там говорить – легендарную сталь. Бери руду, бери уголь, бери материалы – все есть в свободной продаже на выбор – не надо искать, копать, готовить, подключай электрическую воздуходувку и вари. И варят. Железо – не сталь.

То, что делают на кузнечных фестивалях – это всё первый и самый простой этап. Но и эту, по сути примитивную работу, современные прошаренные в металлургии и всесторонне образованные фестивальщики выполняют гораздо хуже африканцев. Вынут из печи какие-то черные огарки и показывают:

– Вот это надо теперь как-то сварить в кучу. А потом из этого может быть что-то и получится.

Получится, но это не точно и нет гарантии, что этот гвоздь не развалится на куски от первого же удара. Как случалось такое с железными гвоздями изготавливаемыми крестьянами в ХVI веке.

Представление о том, как это делалось раньше можно конечно получить на этих фестивалях, только вот на таких мероприятиях все в лучшем случае заканчивается на стадии получения крицы. А вот дальше и начинаются основные трудности, если мы желаем изготовить качественную полосу железа, не говоря уже о стали.

Очень редко, да почти никогда, наши фестивальщики не могут поднять температуру в печи выше температуры когда шлак становится жидкотекучим - это где-то 1100-1200 С - и его можно выпустить из печи очистив от него нашу крицу. , Запомните слово «жидкотекучесть» - ниже оно нам очень пригодится.

А вот на одном африканском «фестивале» - видел ролик – местные мастера не только выпустили шлак, они еще и отковали из полученного железа рабочий инструмент – мотыжку, которую вручили приглашенному «начальству». Этот ролик, уверен, должен быть обязателен к просмотру всем, кто желает иметь хоть какое-то представление о получении железа в древности. Пожалуй, дам краткое содержание ролика.

Кто-то организовал для важных персон демонстрацию производства железных орудий способом «как наши предки». Пригласили самих выскопоставленных лиц африканской наружности, охрану и местных умельцев, которые еще не забыли как это делается. Эти умельцы, тут же из говна и палок весело слепили фурмы, меха, печи и запустили процесс, давая всем желающим в нем поучаствовать – покачать воздух.

Получив крицу, аборигены, отрубив от нее кусок, на сооруженном примитивном горне его расковали, изготовили инструмент, насадили на черенок и вручили еще не успевшему заскучать высокому гостю. Потом спели и сплясали, как умели, и довольные разошлись. Самое прикольное, что инструмент действительно получился и рабочим, и как у предков.

Однако это все ерунда, потому как железо – не сталь. И вот в этом месте технологической цепочки я конкретно задумался, а как же мне получить массу хорошей углеродистой стали из такого вот железа. Вариантов было не так и много: расковать в полосы, рафинировать, многократно сваривая, цементировать, а потом опять сваривать. То есть, идти стандартным известным европейским путем или попытаться сварить все это в тигле – пойти путем азиатским.

Тут оговорюсь, что европейцы до ХV века точно не варили сталь в тиглях, а вот азиаты «европейскими» технологиями пользовались. Европейскими в кавычках, потому как это были общеизвестные в то время технологии.

Все говорило о том, что надо идти путем индийцев и азиатов – так быстрее и проще, однако эта технология не позволяла получить в примитивной печи слитки стали большого размера. Я долго думал, пока не вспомнил про жидкотекучесть и в итоге  решил, что изобрел новую технологию получения стали непосредственно из руды. Сейчас расскажу, можете патентовать, но меня упомянуть не забудьте.

И так мне мечталось, пока не наткнулся на одну статью о получении железа в Центральной Африке. Похоже, я опять «изобрел велосипед». Пусть тысячу лет назад забытый, пусть неизвестный общественности, пусть новой конструкции, но все же африканцы были немного быстрее. Пусть всего на три тысячи лет быстрее, но все же… Вполне возможно что я многое повторил из их технологий - а куда денешься, если работаешь в реальности где все ограничено известными законами физики, а магии нет?

Любое племя, любой народ отделенный друг от друга пространством и временем будет использовать схожие технологии и делать схожие вещи. Вытекающей из металлургии истории оружия нет эволюции. Копис не стал кукри, русский топор Х века не стал пингой и наоборот – все эти схожие по виду или по технологии изготовления вещи рождались самостоятельно.

Если вас закрыть где-нибудь на острове и заставить на практике проходить историю металлургии, все это у вас появится. Рано или поздно.

Мой метод получения стали был схож с методом непрерывной разливки стали. Кстати, Павел Петрович Аносов, на каком-то этапе своих экспериментов по получению качественной стали, тоже пришел к похожему способу. Испробовал его и забыл, не добившись нужного результата.

«Таким образом, устройство шестка, герметически запираемого во время выливки, и снабжение тигля дырою на дне с железным гвоздем не имело успеха, ибо, хотя возможно было сделать устройство для вынутая гвоздя, но тигель во дне часто повреждается и металл прежде времени вытекает».( Горный журнал. 1841. Часть 1. Кн. 2. С 157-245)

Ошибка Аносова состояла в том, что он пытался получить в тигле однородный по химическому составу расплав, а потом перелить его в изложницу, открыв дырку в днище тигля. Я и, похоже,  древние африканцы пошли другим путем – взялись получать однородную сталь не в расплаве, а в изложнице (таре). Это можно сделать благодаря изменяющейся от количества углерода жидкотекучести стали.

«Жидкотекучесть — способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, четко воспроизводя контуры ее и поверхность (способность расплава свободно течь в литейной форме, заполняя ее и точно воспроизводя все контуры).

Жидкотекучесть определяют по стандартной пробе в виде канала определенной длины и диаметра с литниковой чашей. Жидкотекучесть равна по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Чем длиннее путь-пруток, тем больше жидкотекучесть».

Например, медь имеет очень низкую жидкотекучесть. Если вы расплавите ее небольшой кусочек, она так и останется выпуклой капелькой. А если добавить в медь немного олова, то жидкотекучесть резко увеличится. Бронза - сплавы меди с другими металлами - имеет прекрасные литейные свойства  Так и с железом – чем выше содержание в нем углерода, тем выше литейные свойства, тем с меньшей толщиной стенок можно получить отливку. То есть, чем выше содержание углерода в стали, тем в меньшую щель или отверстие она может просочиться.

Хорошо разогретый расплав стали с содержанием 1,8% углерода прекрасно протекает в отверстие даже меньше миллиметра. А сталь с содержанием 0,3% в него не пройдет. Многое зависит от высоты столба расплава, его температуры, но это все уже не так и важно. Все нюансы отрабатываются на практике в имеющихся условиях.

После небольших экспериментов, я определил необходимый диаметр отверстия в дне тигля, которое позволило получать качественную ковкую сталь в больших объемах. С помощью тигля объемом 350 мл. я получил слиток стали весом около 7 кг.

Науглеродившись до определенного состояния  и получив некую степень жидкотекучести, сталь просачивалась из верхнего тигля, стоящего в области высоких температур (выше 1300 С) в нижний тигель, где температура была значительно ниже.

Конечно, процесс имеет свои нюансы но, повторюсь, отделить из расплава сталь с неким содержанием углерода и не дать ей превратиться в чугун – возможно.

Восстановление железа может происходить различными путями, поэтому упростим процесс до простого восстановления углеродом. Окислы железа восстанавливаются углеродом при температуре от 800 до 1000 градусов, хотя в реальности процесс может начинаться уже при 600 градусах. Поэтому никакой плавки железа в печи не происходит и не может происходить физически.

FeХOY+C=Fe+CO2.

Чем выше печь, тем выше в ней температура, тем дольше происходит контакт восстановленного железа с углеродом, и тем выше в нем содержание углерода, а значит меньше температура плавки. И чем выше содержание углерода, тем лучше жидкотекучесть. Если вязкое железо никуда не может течь, то чугун прекрасно льется. Но даже высокоуглеродистая сталь способна просочиться сквозь небольшую дырочку. А вот сталь с низким содержание углерода течет очень плохо. Поэтому изменяя диаметр отверстия, через которое должна протечь сталь, мы можем контролировать степень ее науглероженности. В тигле или печи с карбюризатором, науглероживаемое железо, превратившись в сталь утечет сквозь небольшое отверстие, не успев превратиться в чугун.

Фото и описание процесса я выкладывал на форумах в Сети.  Много фото и описаний процесса утрачено за давностью лет. Ну не знал я тогда, что буду писать статью на эту тему. Кое-какие фотографии сохранились, как где-то сохранились и образцы этой стали. Из части слитков были сделаны клинки. Так как меня интересовали только узорчатые клинки, большая часть полученной стали пошла в переплавку.

Хорошо видно, что в вернем тигле часть недоуглероженной стали не вытекла в нижней тигель, хотя и расплавилась полностью.

Слиток, «ножка» и не вытекшая часть расплава. По поверхности со следами дендритов видно, что верхняя часть была жидкой.

Могу сказать, что вследствие различных процессов, в частности нагрева печи, нижняя часть слитка отличалась по количеству углерода и структуре  от верхней части. Выяснив, что таким путем хоть и возможно получить сталь с узором, но узор значительно отличается от классического булатного, опыты по этой теме я прекратил. Клинки с таким узором уехали в США, где, наверное, и находятся по сей день, если их не сломали или не потеряли.

Я нигде не видел  информации о таком способе разделения  стали по углероду. Всем известен метод «сухого» разделения разноуглеродистого слитка. Для этого слиток нагревали, закаливали и дробили на части. Сталь откалывалась в виде кусков или чешуек. Способ основан на различии в хрупкости закаленной и не закаленной стали. Сталь с большим содержанием углерода закаливается и становится хрупкой, с меньшим – остается вязкой. Поэтому ударом можно отделить закаленную сталь от вязкой низкоуглеродистой. Ниже на фото клинки сделанные из части слитка полученного таким способом: сепарации расплава по углероду.

Нечто подобное получила в 30-х годах прошлого века сотрудница золингеновской фирмы «Хенкельс» Кети Харнекер.

«Очень чистое железо подвергали цементации в древесном угле при температуре 1100 градусов Цельсия в течение 12-14 суток, а затем медленно охлаждали…Несмотря на высокое(1,5% С) содержание углерода, клинки обладали высокой упругостью и остротой».(Секреты булата. Л. Архангельский 2007)

Как видим, африканцы могли получить сталь идентичную булату Харнекер гораздо раньше и гораздо быстрее. Если сталь с такой структурой у них получалась (а почему бы и нет судя по технологии), то родиной булата можно считать Центральную Африку.

И теперь об африканской технологии получения стали. Здесь приведу большую выдержку из статьи бельгийских исследователей.

«Даже если нам не удастся полностью объяснить происхождение этой замечательной технологии, мы можем установить ее сущность на основе как археологических, так и этнографических исследований. В основе этнографических исследований лежат ранние этнографические записи о получении железа в указанном районе, а также метод реконструкции первоначальных способов получения железа в железном веке, с помощью местных жителей. Такая этнографическая реконструкция возможна в Центральной Африке, поскольку эти способы еще сохранились в памяти стариков. Во время второй мировой войны, когда остро ощущалась нехватка импортируемого железа, благодаря старожилам в некоторых местах была возрождена технология железного века».

«Высокая печь для получения железа, построенная народом фипа в Танзании. Под шахтой, сооруженной из глины, находится большая яма. Глиняные трубки у основания шахты (фурмы), служили для подачи в печь воздуха. Такие печи, впервые появившиеся в Центральной Африке в VII в. до н. э., использовались в некоторых районах и в 1914 г. Фотография, сделанная бельгийским этнографом Р.П. Уикертом, относится именно к этому времени». (Scientific American. Издание на русском языке). Август 1988. Стр. 72-79. Френсис Ван Нотен, Ян Рэймакерс.)

На фото мы видим печь, которая в Европе появилась только в XIII веке, то есть, через две тысячи лет. В какой-то момент истории человечества в области черной металлургии европейцы отставали от африканцев на две тысячи лет. Как бы могла пойти наша история, если бы африканцам хватило леса?

«Так, примерно в XIII веке, обычная небольшая сыродутная печь превратилась в штукофен. Принцип работы штукофенов был практически такой же, однако, благодаря высокой шахте (она обычно достигала 3,5 метров), выплавка проходила медленнее и равномернее, что увеличивало КПД самой руды. Для нормальной работы штукофенов требовалось очень сильное дутье..»

В этих печах применяли две фурмы и меха с водяным приводом. Африканцы использовали несколько фурм, что позволяло обходиться без механизации.

Штукофен. В этих печах уже легко получался чугун. Значит и африканцы в седьмом веке до нашей эры чугун могли получать.

«Значительная часть нашей работы проводилась в Южной Руанде, в месте, называемом Кабуйя, где концентрация печей была необычайно большой: на территории радиусом всего 3 км были раскопаны 23 печи. Все они обнаружены случайно в результате эрозии почвы или в ходе строительных работ. После раскопок остатков печей у них были выявлены одни и те же характерные особенности и предметы: горн (часто с обожженным краем), обломки кирпичей, глиняные трубки, называемые фурмой, шлак, древесный уголь и в некоторых случаях немного железной руды. Иногда в той же печной яме находили фрагменты керамики, выполненной в стиле железного века». (Scientific American. Издание на русском языке). Август 1988. Стр. 72-79. Френсис Ван Нотен, Ян Рэймакерс.)

Нам очень интересен один момент: в развалинах печей находили фрагменты керамики – остатки некой посуды. Для чего она там была нужна? На этот вопрос археологи тоже ответили.

«В Бишанге в Киву (Восточный Заир), Иерно и Маке обнаружили в центре горна глиняные черепки. Они предположили, что черепки были остатками горшка, служившего для собирания железа со дна печи».

Конечно железо в горшок попасть никак не может. В такой печи температуру в 1580 градусов не получить. Но даже если железа расплавить, оно вряд ли куда потечет из-за низкой жидкотекучести. В таких горшках мог собираться чугун, а при создании необходимых условий – высокоуглеродистая сталь.

Однако, наверное, испугавшись своих выводов и того что придется местами переписывать историю металлургии ученые быстренько изменили свое мнение и обозвали такие горшки «ритуальными», что вполне в духе нашей науки.  

(Окончание в следующем посте. Введение в булат. Опять тайны. Глава 5 (Часть 1.))

Введение в булат. Опять тайны. Глава 5 (Окончание. Начало в предыдущем посте)

Конструирование изделий, которое осваивалось в течение нескольких тысяч лет, потребовало развития пространственного мышления и выработки принципиально новых навыков изготовления составных, из нескольких деталей и соединительных элементов, орудий труда. Но и в этом случае перед глазами мастера был исходный материал природного происхождения. Даже в процессе освоения производства керамики имитировались естественные процессы обжига глины в пламени костра. Изготовление изделий из рудного металла – технология революционная, технология, которую невозможно было «подсмотреть» в природе! Это первая в истории цивилизации полностью искусственная технология. Каким же образом человек научился получать и обрабатывать металлы? Рассмотрим современную версию этого удивительного процесса.

Что общего у панциря омара и «суперстали» ближайшего будущего? Ученые установили, что хитиновая основа панциря, состоящего из углерода, водорода и азота, представляет собой сотовую конструкцию из полимерных кристаллов с размерами порядка нанометра, свободное пространство которой заполнено протеином. Это позволяет материалу одновременно, и плавать в воде, и иметь прочность выше, чем у многих марок стали специального назначения. Остается изучить и применить природную технологию на практике. Итак, анализ природных процессов и конструкций – ключ к успеху инновационных технологий XXI века. Однако этим ключом человек научился владеть в глубокой древности, и освоение металлургических технологий – наглядный тому пример.

Самородные металлы

Неолитической цивилизации предшествовали длительное формирование и медленное развитие использовавшихся человеком орудий труда и инструментов. История первобытного человеческого общества была неразрывно связана с камнем. Самые примитивные каменные изделия представляли собой обыкновенную речную гальку, оббитую с одного края. Возраст древнейших каменных орудий датируется периодом около 2,5 млн. лет. Важнейшим событием стало освоение кремневых орудий труда.

В кремне была впервые найдена и воплощена форма таких основополагающих для технического прогресса изделий, как топор, серп, нож, молоток. Использование самородных металлов началось, скорее всего, в эпоху мезолита (среднего каменного века), т.е. несколько десятков тысяч лет назад. К этому времени мастерство поиска, добычи камней и изготовления из них не только орудий труда, но и украшений для первобытного человека стало делом обыденным и превратилось в своеобразную индустрию.

Предметы из неолитических поселений: 1 – костяной гарпун; 2, 4 – кремневые резцы; 3, 8 – кремневые наконечники стрел; 5, 10 и 11 – кремневые скребки; 6, 9 – кремневые «пики»; 7 – обломок глиняного сосуда

Именно в процессе поиска камней, подходящих для изготовления новых изделий, человек и обратил внимание на первые самородки металлов, по-видимому, медные, которые имеют гораздо большее распространение в природе, чем самородки благородных металлов – золота, серебра, платины. Самородную (теллурическую, от латинского слова «теллус» – земля) медь и сегодня находят во многих регионах мира: в Малой Азии, на Индокитае, Алтае, в Америке. До сих пор встречаются медные самородки массой несколько килограммов. Крупнейшим проявлением самородной меди считается сплошная медная жила, обнаруженная на полуострове Кьюсиноу (озеро Верхнее, США). Ее масса оценивается примерно в 500 т.

Не только благородные металлы могут в земных условиях присутствовать в самородной форме. Известно, что в природе обнаруживаются самородки железа, ртути и свинца, гораздо реже – самородки таких металлов и сплавов, как цинк, алюминий, латунь, чугун. Они встречаются в виде мелких листочков и чешуек, вкрапленных в горные породы, чаще всего в базальт. Самородное железо в ХХ веке находили, например, на острове Диско вблизи побережья Гренландии, в Германии (у города Кассель), во Франции (департамент Овернь), в США (штат Коннектикут). Оно всегда содержит значительное количество никеля, примеси кобальта, меди и платины (от 0,1 до 0,5 % масс. каждого элемента) и, как правило, очень бедно углеродом. Известны находки самородного чугуна, например, на островах Русский (на Дальнем Востоке) и Борнео, а также в бухте Авария - Бэй (Новая Зеландия), где самородный сплав был представлен когенитом – железоникелькобальтовым карбидом (Fe, Ni, Co)3C.

Наблюдение за изменением формы самородков под ударами твердых камней натолкнуло человека на мысль использовать их для изготовления мелких украшений путем холодной ковки. Ковка – древнейший способ обработки металлов давлением. Освоение способа обработки самородного металла ковкой базировалось на навыках и опыте изготовления каменных орудий труда путем «обивки» камня каменным же молотом. Самородная медь, которую первобытные люди сначала тоже считали разновидностью камня, при ударах каменного молота не давала характерных для камня сколов, а изменяла свои размеры и форму без нарушения сплошности материала. Это замечательное технологическое свойство «нового камня» стало мощнейшим стимулом поиска и добычи самородного металла и использования его человеком. Кроме того, было замечено, что ковка повышает твердость и прочность металла.

В качестве молота сначала применяли обычные куски твердого камня. Первобытный умелец, зажав камень в руке, наносил им удары по куску самородного, а впоследствии – выплавленного из руды металла. Эволюция этого простейшего способа ковки привела к созданию прообраза кузнечного молота, снабженного рукояткой. Однако обработка металла холодной ковкой имела ограниченные возможности. Таким способом можно было придать форму лишь малым по величине предметам – булавке, крючку, наконечнику стрелы, шилу. Позднее была освоена технология ковки самородков меди с предварительным нагревом – отжигом.

Большие возможности для развития первых технологий металлообработки давали самородки золота – металла намного более пластичного, чем медь. Золото сыграло выдающуюся роль в становлении горно-металлургического производства цивилизации. Первыми золотоносными месторождениями, освоенными человеком, были россыпные. Золотые самородки находили в массе аллювиальных песков и гравия, представлявших собой продукты разрушения горных золотоносных пород, которые в течение длительного времени подвергались воздействию речных потоков. По-видимому, древнейшими украшениями из золота были самородки, обработанные в форме бисеринок холодной ковкой. Эти отшлифованные бусинки выглядели как цветные камни, нанизывавшиеся вместе в различных сочетаниях.

При добыче золота из жил были созданы технологии, применявшиеся затем при разработке месторождений других древних металлов. Золото стало первым металлом, из которого научились отливать изделия, получать проволоку и фольгу, золото впервые подвергли рафинированию. По существу, все металлургические технологии, применявшиеся в эпоху Древнего мира к серебру, меди, свинцу, олову, были первоначально отработаны на золоте.

Тем не менее, основой цивилизации вплоть до 3-го тысячелетия до н. э. оставался камень. Характерным признаком ранней неолитической техники стал переход к крупным каменным орудиям. Их появление связано с развитием новых технологических приемов обработки камня – сверления, пиления, шлифования. Были изобретены составные («вкладышевые») орудия, в которых каменный материал использовался только для рабочей части, а рукояти изготовлялись из дерева, рога или кости. Постепенно получил развитие ремонт орудий – их подправка по мере изнашивания рабочей части. Возникли горные разработки, в которых для разрушения горных пород стали использовать огонь. Удивительным техническим достижением людей эпохи неолита является добыча кремней в шахтах с вертикальным стволом глубиной до 10 м и короткими штреками. Таким образом, в начале неолитической революции люди обладали разнообразными знаниями о природных веществах и материалах, методах их обработки.

Термические технологии Неолита

Важнейшим отличительным признаком производящего неолитического хозяйства является создание запаса пищи. При решении проблемы изготовления посуды для его хранения изобретаются керамические изделия и постепенно развиваются термические технологии. Первыми изделиями из керамики были корзины из прутьев, обмазанные глиной и обожженные на костре. Затем были созданы специальные печи для обжига – горны.

Неолитическая печь, приспособленная для естественного дутья

Современные реконструкции воспроизводят неолитический способ обжига керамических изделий следующим образом. Горн строился в обрывистом берегу реки, в стенах оврагов или холмов и состоял из двух рукавов. Горизонтальный рукав служил топкой, а вертикальный заполнялся горшками. Когда горн был наполнен предварительно высушенными горшками, его верх засыпали горшечным ломом и разводили слабый огонь, использую сырые дрова. Такой огонь поддерживался, пока не прекращалось отделение паров, после чего огонь усиливали до красного каления. В этом огне горшки находились не менее 6 ч. Потом верх горна засыпали песком, топку замазывали глиной и оставляли агрегат в таком состоянии в течение нескольких суток. После этого в топке делали отверстие и постепенно его увеличивали. Наконец, раскрывали верх горна и вынимали готовые горшки. Такие древнейшие печи для обжига керамики обнаружены в Месопотамии, Северной Африке, Восточной Европе. Температура нагрева изделий в них достигала 1100 °С.

Для освоения металлургической технологии извлечения металла из руды, требующей надежного обеспечения высоких температур, была необходима печь с искусственным дутьем. Впервые такие печи были созданы для гончарного производства. Таким образом, с рудным металлом человек знакомился во время обжига глиняных горшков. Происходил процесс восстановления металла из веществ, нанесенных на стенки гончарных изделий для их раскраски. Известно, что карбонаты меди – малахит и лазурит, сульфид ртути – киноварь, желтые, красные и коричневые железные охры представляют собой яркие минеральные краски, а нанесение цветных узоров на изделия из керамики является одним из древнейших видов искусства.

Процесс постепенного освоения цивилизацией новых металлов и материалов

Первым рудным металлом, освоенным человеком, стала медь. Произошло это, по-видимому, около 10 тыс. лет назад. Древнейшими изделиями из рудной меди в настоящее время считаются булавки, шила, сверла, бусинки, колечки и подвески, найденные в поселениях Чайоню-Тепеси и Чатал-Хююке, которые расположены на плоскогорье Конья в Турции. Эти находки датируются 8–7-м тысячелетием до н. э.

Начало эры металлов

Настоящая эра металлов началась в Евразии в 5-м тысячелетии до н. э. Ее характеризуют раритеты, обнаруженные на севере Балканского полуострова и в Карпатском регионе. В археологии эти территории принято относить к важнейшей Балкано-Карпатской металлургической провинции меднокаменного века.

В начале 70-х годов прошлого столетия там были открыты невероятно богатые и выразительные памятники: Варненский «золотой» некрополь и громадный рудник Аибунар, где, по расчетам, было добыто не менее 30 тыс. т медной руды. В Варненских захоронениях найдено более 3 тыс. разнообразных золотых и около 100 медных изделий. Особое внимание привлекают золотые украшения и предметы, декорированные сложными орнаментами, однако не меньший интерес у специалистов вызывают массивные медные орудия, инструменты и оружие.

Золото и медь Балкано-Карпатской металлургической провинции поставили перед исследователями древнего металла неожиданную проблему: на что были нацелены генеральные усилия этого металлургического производства? На отливку и ковку металлических орудий труда в целях повышения производительности, как излагалось в большинстве известных учебников, или же на что-то иное? Расчеты археологов показали, что уже с первых шагов горнометаллургического производства подавляющая доля его энергии была направлена на создание тех изделий, которые обслуживали символические сферы общественной жизни, – украшения, атрибуты власти и ритуальные предметы. Гигантская часть металла служила своеобразным свидетельством социальной значимости умерших. Таким образом, в течение нескольких тысячелетий металлы выполняли главным образом социальную, а не производственную функцию.

В 5-м тысячелетии до н. э. на большей части территории Евразии активно разрабатывались окисленные медные руды, жилы которых выходили на поверхность. Горные выработки представляли собой узкие щели, которые формировались в результате выемки породы рудоносных жил. Если рудокоп наталкивался на мощную рудную линзу, на месте выработки щель превращалась в полость. Старейшие медные рудники обнаружены на территории Месопотамии, Испании и Балканского полуострова. В эпоху античности одним из крупнейших месторождений меди стал остров Кипр, от его позднелатинского названия «купрум» произошло современное название меди как химического элемента. Русское название металла происходит от древнеславянского слова «смида», обозначавшего металл вообще. Отметим, что термин «смида» восходит к тем древнейшим временам, когда предки славян и германцев были еще единым индоарийским народом. Впоследствии в германских языках термин «смида» стал употребляться для обозначения человека, работающего с металлом, и закрепился в форме «смит» (англ.) или «шмидт» (нем.) – «кузнец».

Разработка подземных рудных месторождений была освоена в 4-м тысячелетии до н. э. Глубина шахтных выработок достигала 30 м и более. Для раздробления горной породы применяли огонь, воду и деревянные клинья. Около разрабатываемого участка разводили костер, породу накаливали, а затем быстро охлаждали, обильно поливая водой. В образовавшиеся трещины вбивали деревянные клинья, которые также поливали водой. Разбухая, клинья раскалывали горную породу. Обломки рудной породы снова нагревали в пламени костра, резко охлаждали и дробили молотами и кирками непосредственно в шахтах. Раздробленную руду извлекали из шахт в кожаных мешках или плетеных корзинах. Затем ее толкли в больших каменных ступах до размера гороха. В качестве топлива для выплавки металла древние металлурги применяли древесный уголь, плотные породы дерева, кости.

Наиболее древним способом переработки медной руды является тигельная плавка: руду смешивали с топливом и помещали в тигли, изготовленные из глины, перемешанной с костной золой. Размеры тиглей были небольшими, их высота составляла 12–15 см, в крышке предусматривались отверстия для выхода газов. В описанных выше гончарных очагах времен неолита достигалась температура (до 1100 °С), достаточная для получения меди, содержащей до 2 % масс. естественных примесей мышьяка, никеля, сурьмы. Впоследствии для выплавки меди стали устраивать ямные печи. В этом случае глиняный тигель с рудой и углем помещали в неглубокую яму с насыпанным поверх него слоем древесного угля. Особое значение имел выбор места плавки, которое должно было обеспечивать интенсивный приток воздуха в агрегат для раздувания огня и достижения необходимой температуры.

Количество меди, производимое в тиглях, было небольшим и составляло, как правило, несколько десятков граммов, поэтому постепенно перешли к производству меди в ямах непосредственно из руды. Для этого медную руду, перемешанную с древесным углем, помещали в ямы глубиной до 30 см, дно которых было выложено камнями. Над слоем шихты насыпали еще некоторое количество древесного угля, а сверху укладывали ветви деревьев и небольшое количество земли таким образом, чтобы не препятствовать притоку воздуха внутрь кучи. Место плавки старались располагать на склонах холмов, чтобы использовать естественное движение воздуха. Таким был первый «промышленный» металлургический агрегат.

По завершении плавки несгоревшее топливо убирали, а полученный металл дробили на удобные для использования куски. Это делалось сразу после затвердевания металла, так как на этой стадии медь особенно хрупка и легко разбивается на куски молотком. Для придания сырцовой меди товарного вида ее подвергали холодной ковке. Очень рано было обнаружено, что медь представляет собой мягкий и ковкий металл, легко уплотняющийся и освобождающийся от грубых включений при простейшей механической обработке.

При многих преимуществах медь, даже природно-легированная, имела очень существенный недостаток: медные инструменты быстро затуплялись. Износостойкость и другие свойства меди были не настолько высоки, чтобы медные инструменты и орудия могли полностью заменить каменные. Поэтому на протяжении медно-каменного века (4-е тысячелетие до н. э.) камень успешно конкурировал с медью, что и нашло отражение в названии эпохи. Решающий шаг в переходе от камня к металлу был сделан после изобретения бронзы.

Мышьяковая бронза

Существует большое количество видов бронз: свинцовая, сурьмяная, мышьяковая, никелевая, висмутная, бериллиевая и пр. Наиболее известна оловянная бронза, и долгое время считалось, что именно она была первым медным сплавом, который научился производить человек. Однако в настоящее время достоверно установлено, что первые бронзы были мышьяковыми.

Минералы мышьяка (как правило, это сульфиды) часто присутствуют в медных месторождениях. Они обладают ярким цветом и были известны человеку еще в каменном веке. Реальгар (от арабского «рахьял-чхар» – рудный порох) из-за ярко-красного цвета считался магическим камнем, а аурипигмент (от латинских «аурум» – золото и «пигмент» – цвет) ассоциировался с солнцем. Сплав с некоторым содержанием мышьяка получался естественным путем уже при производстве меди. Вероятно, положительное влияние на качество металла присутствия в шихте минералов мышьяка было рано замечено древними металлургами. Возможно, их добавление в шихту носило ритуальный характер, но в отдельных регионах производство мышьяковых бронз началось еще в 5-м тысячелетии до н. э.

Предположение о применении древними металлургами реальгара и аурипигмента было подтверждено многочисленными опытными плавками. Мастер не мог не заметить, что добавка (присадка) этих минералов в шихту позволяет получить сплав лучшего качества. Изменяя доли используемых минералов, он получал сплавы различных цветов и с хорошими механическими свойствами. Присутствие мышьяка в бронзе в количестве до 6 % масс. существенно (более чем в 2 раза) повышает ее прочность и твердость, улучшает ковкость в холодном состоянии, дает возможность получить более плотные отливки, а также увеличивает жидкотекучесть сплава. Таким образом, использование мышьяковой бронзы облегчало получение плотных отливок в рельефных литейных формах.

Немаловажное значение в древности имел цвет сплава. При добавлении к меди 1–3 % масс. мышьяка получается металл красного цвета, 4–12 % – золотистого, более 12 % – серебристо-белых тонов. Следовательно, из мышьяковой бронзы можно было получать изделия похожие на золотые и серебряные. Особенно часто этим приемом пользовались при производстве украшений: археологами найдены литые бусы, подвески, кольца, содержащие до 30 % мышьяка. Древнее оружие из бронзы никогда не содержит более 6 % мышьяка.

Металлургия мышьяковой бронзы в 3-м тысячелетии до н. э.

В 3-м тысячелетии до н. э. бронзы производились в металлургических центрах Евразии и Северной Африки практически повсеместно. Поражает сходство технологии производства бронз, способов литья орудий и оружия, а также внешнего вида металлических изделий на всей этой огромной территории в условиях существования в ее пределах резко различающихся земледельческих и скотоводческих культур. Из-за неравномерного распределения по различным географическим регионам металлических руд выделяются народы – производители и народы – потребители металлов, зависевшие от их поставок. Таким образом, важнейшим следствием становления металлургии стало формирование международного разделения труда еще в доисторическую эпоху. А ведь ранее его возникновение относили к эпохе великих империй Древнего мира – Римской и Китайской.

Международное разделение труда в Европе при производстве металлов было развито столь сильно, что в раннем бронзовом веке около половины всего выплавленного земледельцами юга металла, как показали расчеты, экспортировалось на север степным скотоводам. При этом отливка и металлообработка тяжелых орудий и оружия на севере велась более совершенными методами. По этой причине именно степным кочевникам мир обязан изобретением колесной повозки, для изготовления которой требовались высококачественные металлические инструменты. О широком распространении в степной зоне древнейшего колесного транспорта теперь хорошо известно по многим десяткам курганных погребений знати.

В начале 3-го тысячелетия до н. э. на территориях, некогда занятых неолитическими культурами, быстро вошли в употребление бронза, колесный транспорт, получило развитие коневодство.

Человечество вступило в бронзовый век и эпоху Древнего мира.

Продолжение следует...

Источник: Энциклопедия «Металлургия и время», Голубев О.В., Карабасов Ю.С., Коротченко Н.А., Черноусов П.И.

Приходилось мне перекаливать и подсевшие заводские ружейные пружины, да мало ли когда пригодятся знания по термической обработке… Сделать и закалить шило, резец, рыболовные крючки, кстати, раньше крючки часто перекаливали: то перекал с завода – ломаются, то недокал –разгибаются. Купят сотню на донки или перемет и всю партию в перекалку. А где перекаливали? Да в гараже на паяльной лампе или на кухне на газу.

Сейчас такое «непотребство» стали забывать – проще новое купить, а старое выкинуть. Сменился технологический уклад. Это произошло как-то не слишком  заметно для тех, кто в мегаполисах живет, а вот кто в деревнях или небольших городах - прочувствовали это сразу. Сварочники разных видов, пилы, точила, станки по дереву и металлу, гриндеры,  болгарки и всевозможные насадки к ним появились сразу и у всех. Вчера еще рубили ленту на пилу-лучкову, а сегодня уже мощный электролобзик фигурно режет твердую древесину.

Самодельный сварочный аппарат.

Теперь даже по дереву не часто вырезают руками, а покупают станок ЧПУ, который выпиливает почти любой рисунок.

Уже не надо идти к знакомому мужику в гараж, что-то выточить на его точиле. А помнится не так и давно точила делали сами, как и сварочные аппараты.  Я сам как-то делал, а один такой самодельный работает у меня до сих пор. Тянет даже четверку-электрод.

А если у кого была наковальня и горн, то он мог почувствовать себя в шкуре настоящего деревенского кузнеца.

Тащили в кузницу все – от сломанных шумовок, до перил и оград. По этой причине деревенский кузнец был специалистом широчайшего профиля и делал очень многое от лужения кастрюль и ковки кочедыков, до починки часов. Один такой гад, починил трофейные старинные настенные часы, привезенные дедом из Германии в сорок пятом. Часы пошли, но завод уменьшился основательно – отрубил деревенский кузнец часть пружины на свои кузнечные нужды.

Но не всякий деревенский кузнец мог подковать лошадь – тут совсем другая специализация и подход. Да и закаливать подковы не нужно – смысла нет.

Жизнь идет вперед, быстро меняя свой вид. Уходят в прошлое старые технологии не оставляя следа. Вот, например, так называемая «дулька» на ноже. Откуда она взялась? Нет, это не для удобства заточки – это след технологии изготовления. Или «чо» («чойл») на кукри – тоже след старинной техны. Она забыта, а традиция делать – осталась, как и в случае с «дулькой». Нам конечно "знатоки" расскажут, что альтруист-кузнец, озаботившись удобством пользователя своей продукции решил как-то отметить зону заточки. А что, годная версия - тот кто покупает ножи тупой и слепой обычно, не видит где и откуда точить. Кстати, это выемка иногда очень мешает - цепляется за нее все, но делают иногда. Традиция. А может она клинок укрепляет? Подумайте на досуге.

В общем, реальность из неспешной, когда для звонка в другой город нужно было идти на почту заказывать разговор, чтобы в определенный день, человек в другом городе пришел на свою почту там, и вы смогли пару минут поболтать о жизни, растворилась во времени. В нашу жизнь ворвался агрессивный маркетинг в прямом смысле этого слова.

Слова «продать» и «купить» стали самыми популярными. Забейте в поиск – проверьте. Со сменой уклада на нас обрушилась и масса информации. Теперь не нужно идти к какому-нибудь мастеру и спрашивать, как он что-то делает. Сейчас можно почитать статью на каком-нибудь сайте и сделать все самому. И все бы хорошо, вот только информация часто очень сильно искажена, потому как сайты порой наполняются «контентом от фрилансеров». Очень хорошо знаю парочку таких. Работать их на этом поприще жизнь заставила. Кстати, вот вам совет от одного из них, если и вы захотите влезть в эту шкуру.

«Не вкладывай душу, иначе быстро сгоришь».

Это - если хочешь стать настоящим профессионалом  и писать быстро и много, надо писать «на отвяжись». И писали они статьи на разные темы, от починки и обустройства канализации, от приготовления изысканных блюд, до советов влюбленным.

Понимаете, какого качества эти статьи? А тысячи таких висят где-то на сайтах, так как были приняты заказчиком и оплачены. А теперь читаются и откладываются в мозгах заглянувших. А потом эти читатели, впитав в себя ересь  про утерянные секреты булата, до хрипоты мне доказывают, что булат «рубил камни и самозатачивался от крови врага». Кстати, это цитата с такого сайта.

Более того, многие читатели перестали читать длинные статьи – сил, наверное, нет.  Надеюсь, до этих строк добрались не все и остались только самые терпеливые – вредный я.

Итак, перехожу к теме закалки.

Давайте пофантазируем и представим себя не в роли упомянутого деревенского кузнеца. А в роли прошаренного современного исследователя-металлурга, способного в своей лаборатории создать по желанию любую сталь.

Берем чистое железо и начинаем постепенно добавлять в него углерод – 0,1%, 0,2%, 0,3%  - и проверять сталь на закаливаемость. Вот, дошли до 0,35 или даже 0,4% углерода. Если до этого момента никаких особо заметных изменений не происходило, то при 0,4% С  сталь после закалки вдруг стала гораздо крепче и тверже. Что случилось, если углерод до этого момента тоже в железе присутствовал?

Помните из прошлой статьи доэвтектоидные стали и почему они так называются? В стали «не хватает» углерода, и чтобы наш застывший раствор получился без мягких комков его надо хорошо перемешать перед этим.  Что делает строитель, если в смеси мало цемента? Он тщательно ее перемешивает, до тех пор, пока все частички песка не будут связаны частичками цемента. Только в этом случае застывший бетон получится крепким и однородным.

Броуновское движение помните со школы? А диффузию? В нашем случае диффузия – это проникновение атомов одного элемента в кристаллическую решетку другого. Чем выше температура, тем быстрее работает углеродомешалка  – диффузия. Диффузия нам заменяет бетономешалку. Чем быстрее ее обороты, тем меньше времени уйдет на создание качественной смеси-раствора.

Как вы помните, перемешивание или образование раствора в углеродистой стали начинается при 727 градусах. Если очень долго ждать, то когда-нибудь, в теории, мы и получим этот качественный раствор, но это не точно. Поэтому чтобы процесс создания раствора шел быстрее, нужно, как вы понимаете, поднять температуру.

Раствор – это в прямом смысле раствор. Раствор углерода в раскаленном железе называется аустенитом. Могли бы назвать и просто – горячим раствором, но тут дело в том, что при определенных условиях этот горячий раствор может сохраняться в холодном виде. Тут у нас оксюморон получается, поэтому такой горяче-холодный раствор назвали остаточным аустенитом.

Пусть вас не пугает название аустенит. Раствор углерода в горячем железе назвали по фамилии англичанина его описавшего У.Робертса-Остина (W.Roberts-Austen). Если бы эту структурную составляющую сталей открыл бы Иванов, раствор назвали бы, наверное, иванитом. Ведь холодный пересыщенный раствор углерода в железе мартенсит назвали в честь немца Адольфа Мартенса, поэтому ничего такого особо умного в этих словах нет. Нам главное помнить, что есть горячий раствор и холодный раствор. И чтобы получить нужный нам очень твердый холодный, необходимо хорошо перемешать углерод в горячем. Вот это и есть вся основная «тайна» закалки любых, повторяюсь – любых сталей. Конечно тех, где  есть углерод в достаточном количестве.

Как примерно определить сколько его в углеродистой стали  я писал в прошлой статье.

То есть, чтобы закалить нашу сталь с 0,4 углерода, надо ее основательно прогреть, чтобы углерод и феррит растворились в горячем железе (аустените) полностью и равномерно. Поэтому, температура закалки доэвтектоидных сталей («с нехваткой углерода»), немного выше, чем температура закалки заэвтектоидных («с избытком углерода»).

Теперь сварим сталь с углеродом 0,6%. Как вы уже поняли, температура закалки этой стали будет немного ниже, чем стали с 0,4% С – диффузию-углеродомешалку, сильно зависящую от температуры уже не нужно включать на такую высокую мощность.

Сталь с 0,8% С потребует для закалки еще меньшей температуры нагрева – углерода больше, «перемешивать» его особо тщательно уже не нужно. Это хорошо видно на схеме закалочных температур. Берем температуру в 727 градусов, при которой начинает появляться раствор, чтобы долго не ждать добавляем 50 градусов сверху и получаем температуру закалки У8 – 760-780 градусов. Но эта схема работает только для сталей с избытком углерода, доэвтектоидные стали надо греть немного выше – углерода мало.

В сталях с избытком углерода его так много, что он выделяется в виде комков-карбидов. Чем карбидов больше, тем до более высоких температур надо греть сталь, чтобы их растворить полностью. (Большой кусок сахара будет растворяться в чае дольше, чем ложка сахарного песка такой же массы). Однако, углерода и так хватает, поэтому карбиды не растворяют полностью, чем еще больше упрочняют сталь после закалки, потому что карбиды самая твердая фаза в стали. Гораздо тверже мартенсита – пресыщенного холодного раствора, который и получается после закалки. (Твердость мартенсита 650-750 Нв, а твердость карбидов около 800 Нв).

Более того, чем больше углерода в таком растворе, тем он тверже. Поэтому твердость заэвтетоидных углеродистых сталей больше твердости доэвтектоидных сталей. Про точку  «S» я писал в прошлой статье.  

Почему так? Да совсем просто.

Как-то видел один короткий смешной советский мультфильм, очень точно иллюстрирующий процессы, происходящие в стали во время закалки. Вы его легко найдете по запросу в Сети «советский мультфильм автобус».

На остановке стоит большая толпа народа. Подъезжает маленький автобус и часть людей впихивается в салон.

- Все влезли? – спрашивает водитель.

- Нет! – орут с остановки в ответ.

Водитель передвигает специальный рычаг и автобус немного растягивается в длину.

- Все влезли?

- Нет!

Рычаг переводится еще на одно деление вниз и автобус еще удлиняется.

- Все?

- Нет!

Водитель давит рычаг в пол и автобус становится похож на длинную колбасу.

- Все?

- Все!

- Поехали, - водитель возвращает рычаг в исходное и автобус сжимается в первоначальный вид.

В общем, в салоне стало очень много твердых, немного искаженных и деформированных пассажиров. Точно так же происходит и в стали.

В раскаленном  состоянии железо способно растворять углерод, а в холодном – нет. Вспомните наш солевой раствор. Кстати, для лучшей аналогии тут посоветовали соль заменить на сахар – так будет точнее. Я не против.

Напихав в кристаллическую решетку железа много атомов углерода, мы резко охлаждаем сталь, чтобы углерод не успел выделиться из раствора как тот сахар (или пассажиры не успели выскочить из сжимающегося мультяшного автобуса). Кристаллическая решетка железа, из-за того, что углерод не может в ней раствориться но и не может выделиться, искажается очень сильно и в стали образуется уже известный нам мартенсит – пресыщенный твердый раствор углерода в железе. Понимаете, почему пресыщенный? Углерод должен был «выпасть в осадок» в виде карбидов или в виде цементита в перлите, но не успел.

Чтобы углерод не успел выделиться, нужна очень большая скорость охлаждения горячего раствора (аустенита). Чем она выше – тем больше углерода останется в холодном железе, тем больше будет искажена кристаллическая решетка, тем тверже станет мартенсит.

По этой причине, закалить раскаленную саблю размахивая ей в воздухе, пусть и на скаку, можно только на очень небольшую твердость. Но по причине того, что сталь раньше часто была хладноломкой, сабли на высокую твердость и не закаливали – поломаются.

Были, конечно, всякие экземпляры, но хорошие и стоили дорого, да и писал я уже об этом.

Короче, моча для получения высокой твердости, как закалочная среда, гораздо лучше горного воздуха. И свет луны тут как бы и ни при чем, а вот слезы девственницы, если горючие и соленые, очень даже подойдут.

Надеюсь, я понятно описал причину, по которой мы вообще нагреваем сталь под закалку. И на этом можно было бы остановиться, если бы не легирующие элементы. Продолжим моделировать нашу фантазийную сталь в следующей статье, а пока разберемся, как определить температуру закалки углеродистых сталей.

Наверное, вам надоели эти унылые черно-белые схемы, поэтому нарисую свою, яркую и веселую. Начну, с модных в нынешнее время всяких там красных линий. Но мелочиться не буду - сделаю красные линии широкими и разных оттенков. (Может в этом и все дело?)

Поначалу я хотел добавить в схему и синих тонов, но это потом сможет сделать каждый, когда дойдем до отпуска. А пока и красного хватит, тем более что некоторые красные линии я буду чертить зеленым цветом.

Первая красная-зеленая линия это линия равная температуре 1100 градусов. Температура взята произвольно, но желательно не нагревать выше неё любую сталь: углеродистую, легированную, нержавеющую. Поэтому эта зеленая линия и красная.

Следующая линия – это линия S.  Слева от которой лежат стали доэвтектоидные, справа – эвтектоидные  - больше она ничего и не обозначает.

Еще одна очень нужная и интересная – линия равная температуре 768 градусов. Это выше температуры, при которой начинается образовываться наш горячий раствор, поэтому при такой температуре можно как-то закалить все углеродистые стали от 0,35-0,4% углерода. А углеродистые стали от 0,8% будут уже прекрасно закаливаться. Зеленая линия в 850 градусов будет красной для всех углеродистых сталей, как доэвтектоидных с нехваткой углерода, так и заэвтектоидных с его избытком. Можно нагреть и выше, но не нужно – ни к чему.

Почему 768 и как определить эту температуру? Можно по цвету каления – на глаз. Сталь цвета спелой вишни будет соответствовать этому нагреву. Цвет спелой вишни… как лирично. Так и просится сюда хокку:

Все холоднее,

Только никак не остыть

Гроздьям рябины.

Определите температуру каления стали по цвету ягод.

Кстати, цвет заходящего солнца у горизонта соответствует примерно 850-900 градусам нагрева стали, поэтому оно у нас и остывающее после раскаленного желтого. Но это не точно, проверяйте сами.

Вообще, определять температуру визуально нужно в полумраке. На ярком свету всегда будет перегрев.

Второй, более надежный способ определения этой температуры – магнит. Выше 768 градусов железо не магнитно. На диаграмме железо-углерод вы найдете эту линию слева в углу. Она там хоть и короткая, но после нагрева выше 768 градусов немагнитны все стали и доэвтектоидные и заэвтектоидные. Только, вот, речь пока идет об углеродистых сталях. В легирующих - своя особенность, с помощью которой их легко можно определить с помощью магнита, потому что наш горячий раствор углерода в железе – аустенит - тоже немагнитен.

Хоть фото ниже и не передает точно цвета, но принцип понятен: при одном нагреве магнит притягивается к напильнику, а при другом – большем – нет.

Углеродка самая простая в закалке сталь. Алгоритм действий здесь прост.

Определяем по искре количество углерода с помощью маркеров или просто на глаз. Если это сталь доэвтектоидная (меньше 0,8%С) Нагреваем сталь до момента, когда магнит перестанет к ней притягивается. Запоминаем цвет каления. Нагреваем чуть выше и закаливаем в воде.

Температура таких сталей на нашей красочной схеме будет лежать слева от линии S в заштрихованной области. Цвет каления красный, светло-красный.

Если сталь заэвтектоидная, например, тот же пущенный на нож напильник, то все еще проще. Нагреваем до момента, когда магнит перестает реагировать на сталь и закаливаем в воде. Можно в масле, если не нужна очень высокая твердость. Температура закалки таких сталей в заштрихованной области справа от линии S.

Закаливать такую сталь можно двумя способами. Нагревать до момента, когда магнит перестанет «прилипать» или остужать до этого момента, нагрев сталь чуть выше.

Второй способ проще и имеет ряд преимуществ – сталь меньше коробит, меньше закалочных трещин, не нужно постоянно вынимать заготовку из горна. Такой способ называется закалка с подостуживанием. Раньше применялся очень широко, сейчас, с появлением у кузнецов муфельных печей почти не применяется, как и «закалка на магнит». Причина тут еще в том, что сменившийся технологический уклад открыл доступ к легированным и высоколегироованным сталям. Углеродистые стали в изготовлении ножей почти перестали применяться.

Действительно, зачем термисту греть печь выше положенной температуры, а потом еще «ловить момент» когда можно нагрев печь, запихнуть туда охапку заготовок калить их точно от заданной температуры. Вот так прогресс меняет технологии и приводит к неожиданным результатам. Если кузнец, закаливающий заготовки по одной может «запороть» одну-две-несколько, то при закалке в муфельной печи в брак может пойти вся партия. В то же время, если термист сделал все правильно – вся партия будет нужного качества.

Однако, при малых объемах закалка в горне выгодней – скорость нагрева больше, тратится меньше времени на закалку малой партии или единичного экземпляра. А при закалке легированных сталей закалка с подостуживанием уменьшает коробление и повышает твердость относительно обычной закалки. Она идеально подходит для закалки тонких и длинных предметов.  Да и сам процесс гораздо проще выходит. Правда магнит в этом деле нам уже не поможет. Но об этом в следующих статьях.

На рисунке состав стали сваренной мной не так давно.

Действительно, мне, как и любому другому мастеру, работающему в «гаражных» условиях очень легко и просто подходить индивидуально к каждому изделию. Любой кузнец может сделать зонную закалку, что не сделают на заводе. Кузнец может острие клинка отпустить на меньшую твердость, может сделать дифферинцированным угол заточки – нет особой разницы с полной равномерной термообработкой или вытачиванием другого клинка. Все это недоступно и невыполнимо в заводских условиях, потому что там сделать это не позволяют технологии. Но это все лирика не относящаяся к данной теме – закалке.

Наверное, самое сложное в термообработке это уяснить, почему одни стали надо греть под  закалку до высокой температуры, а другие – нет.  Зная принципы процесса закалки, и умея определять примерный состав стали примитивными методами, легко и просто закалить сталь даже в гаражных или домашних условиях.  И не нужно будет каждый раз заглядывать в справочник термиста, чтобы понять, что схожие стали закаливаются одинаково.  Как там у Айзека Азимова: «вставь шплинт А в гнездо Б»? Вот так на заводе и работают – по инструкциям. И это не плохо – это условия такие. Обижаться что кузнецы работают в других условиях – глупо.

Понимая принцип закалки самому можно управлять получаемыми структурами. И вот здесь уже закалка из механического повторения инструкции превращается в творчество, в искусство.

Меня в комментариях спросили, для кого и с какой целью я здесь это пишу, так как читатели – люди грамотные и взрослые?  Однако, я не уверен в том, что большинство из читающих этот текст знает о том, о чем прочтет ниже. Слишком далеко ушел вперед прогресс, и сменившийся технологический  уклад  заставляет владельцев печей с программным управлением с презрением смотреть на «рукоблудников» закаливающих сталь «на глаз», то есть определяющих нужную температуру по цветам каления и побежалости.

Очень часто, когда меня спрашивают  до какой температуры отпускать клинок из изготовленной мной стали, называю цвет и тут же получаю встречный вопрос:

- А сколько это в градусах?

Причем спрашивают люди, работающие в больших мастерских с дорогими муфельными печами. Может они и знают про модуль Юнга, а вот на сколько градусов нагрета сталь, если имеет васильковый цвет – точно не все. Что важнее, уметь рисовать диаграмму растяжения, которая никогда вам в жизни не пригодится  или имея под рукой магнит, определить степень легированности, чтобы на коленке сделать себе инструмент? Про это тоже тему создать можно.

Понятно, что одни знания хороши в одних условиях, другие – в других. Однако, есть у этих статей еще одна цель – создать интерес к какому-нибудь делу. Любая работа руками в свое удовольствие, как говорят «излечивает гнев и заполняет время». Я знаю не одного профессора, увлеченных сталью. А один кухонный нож, сделанный руками доктора филологических наук, профессором, давно и успешно работает у меня на кухне. Очень полезный и приятный подарок. Кстати, оборудованию, которое есть в домашней мастерской этого «филолога» может позавидовать не одна профессиональная мастерская. Да и умением прекрасно слесарить профессор гордится.

Другой пример. Ушел военный на пенсию и проводит время где-то в глухой деревне  на отшибе Тверской области. Чем заняться? И начитавшись статей про железо, решил он заняться ковкой. Долго и упорно я объяснял ему с чего начать, имея под рукой молоток, кусок рельса и дровяную печь в бане… А какие кинжалы у него со временем стали получаться – загляденье. Хотите фото?

На фото кинжал откованный у печки в деревенской бане и обработанный с помощью напильника и наждачной бумаги (точила не было).

Вам на заводе такой сделают? Но это всё лирика, поэтому вернемся к нашей песчано-цементной смеси. Только теперь сделаем наоборот – песок у нас будет железом (ферритом, Fe –феррум – железо), а цемент – углеродом. С песком и цементом каждый имел дело, поэтому на такой аналогии объяснять будет проще, а как вы помните, основная структура стали – перлит – имеет похожее строение, только во много раз мельче.

Как и сказал ранее, буду упрощать и говорить о том, что нужно для практики в условиях обычных домашних мастерских.

Берем песок – железо, и начинаем добавлять в него цемент - постепенно создавать нашу стальную структуру. Поначалу цемента будет не хватать для того чтобы связать все частички песка и в смеси, после ее застывания, появятся мягкие участки – там цемента не хватило. Такую структуру до закалки (после отжига) имеют доэвтектоидные стали. Только в роли мягких областей у нас выступает железо – феррит. То есть, в структуре такой стали перлит (смесь) и феррит.

Добавляя постепенно в смесь цемент, мы неизбежно добьемся того момента, когда все наши песчинки будут связаны цементом. То есть, цемента ровно столько, сколько надо, чтобы получить равномерную песчано-цементную смесь без мягких песочных участков. На диаграмме стояния железо-углерод эта точка соответствует точке S и называется точкой эвтектики.

Добавляя далее цемента-углерода в смесь, мы добьемся того, что его количество станет лишним и он будет находиться в смеси в виде комков-карбидов. То есть, точка S разделяет смеси-стали с недостатком и избытком углерода. Стали лежащие до этой точки слева, называются доэвтектоидными, справа – заэвтектоидными по названию самой точки S – точка эвтектики.

Самой точке соответствует сталь У8 с содержанием углерода 0,8%. То есть, в отожженном состоянии в У8 только перлит. В сталях с меньшим количеством углерода – перлит и феррит-железо. В сталях справа, с большим количеством – перлит и карбиды (комки цемента-углерода).

Надеюсь, разжевал полностью, для чего нам это нужно знать, объясню позже, так как пока теории хватит и пора приступать к практике. Действительно, зачем нам знания о кристаллических решетках, напряжениях, модулях упругости, если мы не можем отличить без бирки закаливающую сталь он незакаливающейся на высокую твердость, а легированную от нержавеющей? И вот только после того, как мы сумеем понять, что у нас в руках, можно перейти к вопросам как это закаливать и почему.

Все помнят со школы, что опущенная в кислород железная проволока горит с яркими искрами? Горят в воздухе  и быстро летящие нагретые до высоких температур опилки железа. Сноп искр из-под болгарки видели все.

Однако, так как химический состав сталей разный, то и искры тоже разные.  Проще всего определить сталь с низким или высоким содержанием углерода без легирующих элементов.

На фото сноп искр стали с содержанием углерода 1,8%.

Видите эти пушистые звездочки? Это горит углерод. Чем больше его в стали, тем пушистее хвост искр и тем он короче. Дело в том, что железо с углеродом в потоке воздуха сгорает быстрее, и углеродистый сноп короче малоуглеродистого. Это проверить не сложно, достаточно закрепить в тисках два куска разных по углероду сталей и посмотреть, попипив их болгаркой.

Но легирующие элементы вносят небольшие (если легирующих немного), и очень большие (если их много) изменения в способность углерода гореть. В легированных сталях он связан в карбидах, поэтому даже при одинаковом количестве углерода в сталях, в легированных сноп искр будет отличаться не только по ширине, длине и количестве пушистых звездочек, но еще и по цвету. В низкоуглеродистых сталях искры светлее.

На фото искры стали с примерным содержанием углерода 0,35%

Вы уже догадались, что сноп искр у стали ШХ-15 будет другой.

На фото ниже сноп искр стали ШХ-15. Содержание углерода в ней около 1%.

Заметили, что строчек-линий, которые заканчиваются звездочками в этой стали гораздо больше, чем в стали с углеродом 0,35? А расстояние пролета искр больше чем в стали с 1,8%С? В этой последней все росчерки со звездочками на конце.

В сталях с небольшим содержанием углерода,  строчек оканчивающихся горячей маленькой точкой-капелькой, больше, чем линий оканчивающихся пушистой звездочкой.

Искра высоколегированных и нержавеющих сталей отличается, как писал, еще и цветом. Но есть более надежные способы определения этих сталей, чем определение их по искре. Об этих способах в следующей части, так как они связаны с нагревом стали.

На фото ниже искра «нержавеек» разных классов.

Заметили длинные красные линии, не заканчивающиеся звездочкой? Эта искра совсем непохожа на предыдущие. Но разбираться с нержавейками мы будем позже. Это на графиках все быстро и непонятно, а на практике много чего нужно узнать, чтобы в своей домашней мастерской закалить нож или пружину.

Кстати, здесь, уверен, есть те, кто закаливает пружины для себя, перевивая их из заводских. Слишком убого иногда получается на заводах.  Но это не в пику заводчанам, там просто технологии заточены не под качество, а под количество с приемлемым качеством. Знаний много, а развернуться не дают жесткие рамки заводских условий. Но это опять лирика, и о ней в следующей статье, в которой сами нарисуем такую диаграму, которая понятна домохозяйкам и практически нужна для закалки, а не для балабольства.

В чугуне тоже много углерода, но часть его в форме тех же слаборючих карбидов и вообще негорючего графита.

Определение марки стали по искре древний и довольно надежный способ доступный всем.  Можно найти в Сети материалы по этой теме.

Авторство:

Авторская работа / переводика