ПЕЧЕРСК
Основой механической обработки железа и стали была техника обработки металла давлением, то есть обработка металла в горячем состоянии путем ковки и штамповки. При этом существовал ряд операций обработки металла резанием (опиловка напильником, обточка на точильном кругу, рубка зубилом и т. п.), но они имели в большинстве случаев еще добавочное назначение.
В основе разнообразной и сложной техники обработки черного металла лежали следующие технологические операции:
1) всевозможные приемы свободной кузнечной ковки;
2) сварка железа и стали;
3) цементация железа и стали;
4) термическая обработка стали;
5) резание металла на точильных кругах и напильником;
6) паяние железа и стали;
7) покрытие и инкрустация железа и стали цветными и благородными металлами;
8) полировка железа и стали.
180
Механическая обработка нагретого металла давлением при помощи ударов молотом в современной технике называется свободной ковкой. Операции свободной ковки со времени появления железа до введения сталелитейной техники были основными технологическими приемами, которыми изделию придавали требуемую форму. Температура, при которой может происходить нормальная ковка, колеблется для железа между 900—1300 градусами и для стали между 775—1050 градусами. Повышение или понижение этой температуры отрицательно влияет на строение металла: его качество ухудшается. И, как нам показала структура металла исследованных предметов, кузнец всегда работал при этих температурах. Контролем температурного режима нагрева являлись цвета каления железа и стали. Деформирование нагретого металла производилось путем ударов молотом. Как мы уже упоминали, известные нам молоты имеют вес более 1,5 кг.
Сварка, особенно сварка железа и стали, была широко распространенным технологическим приемом в древней Руси. Основой древнерусской технологии изготовления режущего лезвия являлось сочетание в лезвии двух материалов — железа и стали путем механического соединения их сваркой. Именно поэтому в древней Руси технология сварки была хорошо разработанным и освоенным техническим приемом.
Сварить железо с железом или железо с малоуглеродистой сталью (до 0,3 процента С) не очень трудно. Труднее свариваются стали с содержанием углерода 0,4—0,6 процента. Очень трудно сварить сталь с содержанием углерода 0,8—0,9 процента и особенно трудно сварить эту сталь с железом. Чтобы сварить металл, необходим очень высокий нагрев. Для железа и стали с разным содержанием углерода температуры нагрева будут разными. Для чистого железа эта температура будет 1425—1475 градусов, для стали с 0,4 С — 1300—1350 градусов и для стали с 0,8 С — 1200—1250 градусов. Как показывает микроструктура сварочных швов, подавляющая их масса на древнерусских изделиях имеет очень чистое и тонкое строение, а следовательно, и прочное соединение. Обращают на себя внимание прочность и чистота швов при сварке железа и высокоуглеродистой стали. Трудность сварки железа и высокоуглеродистой стали заключается в необходимости очень точно определять наилучшие сварочные температуры того и другого металла и быстро производить сварку, иначе соединения металлов не произойдет. Со всеми этим древнерусский кузнец справлялся достаточно умело. Кроме того, в сварочной технике древней Руси нас поражает умение кузнецов работать с очень малыми объемами металла.
Сварочная техника древнерусских кузнецов уже в X веке была на высоком для того времени уровне. Хорошо освоенная и тонко разработанная технология сварки дала возможность древнерусским ремесленникам изготовлять высококачественные орудия труда, оружие и инструмент.
Цементацией называется процесс науглероживания железа или стали на некоторую глубину от поверхности для придания металлу сталистой
181
структуры. Непременным условием цементации является нагрев предмета до температуры не ниже 910 градусов. В древней Руси цементация применялась как для науглероживания железных изделий, то есть для придания им сталистых поверхностей, так и для дополнительного науглероживания наваренных стальных лезвий. Цементация была известна уже в X веке.
Операция обточки металла, относящаяся к технологии холодной обработки металла резанием, была в древней Руси широко распространенным техническим приемом. Технологически она простиралась от придания светлой и гладкой поверхности предмету до вытачивания форм и отдельных элементов в изделиях. Эта операция в технике производства сопровождала изготовление почти каждого предмета. Обточка металла, то есть снятие мелкой металлической стружки, производилась точильными кругами и брусками.
Материалом кругов и брусков являлся естественный камень нескольких видов: песчаник, наждак, корунд. Для более мягкой шлифовки применяли искусственные материалы.
Круглое точило встречается в древнерусских городищенских слоях несколько раз. Большое точило очень хорошей сохранности найдено па Екимауцком городище в Молдавии. Точильный круг диаметром 300 мм и толщиной 42 мм имел точно в центре квадратное отверстие для оси. Размер отверстия 40X40 мм. Точило было сделано из очень мелкого песчаника. Подобное точило было найдено в Новгороде в слоях XI века.
Опиловка металла напильником—основная операция слесарной обработки— была также широко распространена. Напильник применяли прежде всего замочники при изготовлении сложных и многообразных замочных механизмов. Употреблялся напильник и при производстве пил, отделке стрел и тому подобных изделий.
Паянием называется процесс, при помощи которого соединяются два или несколько металлических предметов путем ввода между ними более легкоплавкого металла или сплава (припоя). Этот процесс был известен человеку еще в глубокой древности. Техникой паяния хорошо владели уже металлурги бронзового века. В Киевской Руси технология паяния железа и стали была высокоразвитой. Исследования паянных швов (спектральный и структурный анализы) на древнерусских замках и ключах к ним показали, что древнерусский замочник применял для спайки железа и стали твердый припой на медной основе.
Каким же способом производилась спайка деталей замка, то есть каким путем нагревали места пайки до температуры расплавления припоя? Нагретым напильником или паяльной трубкой (их наличие в инструментарии древнерусского ювелира известно археологии) спаять 35 железных деталей замка, иногда с длинным и глубоким швом и широкой поверхностью, совершенно невозможно. Швы на исследованных замках очень прочные, всегда плотные, с малыми зазорами и целиком заполнены припоем (рис. 13). Единственным способом нагрева шва или одновре
182
менно нескольких швов мог-быть нагрев всего изделия или спаиваемых деталей в специальном горне или в специальном огнеупорном сосуде (муфеле), который в свою очередь нагревался в обычном кузнечном горне. Подобная пайка стальных и железных изделий в печах применяется и в современной технике.
Суть процесса заключается в следующем. Детали, очищенные в месте паяния от грязи, жира, окислов и окалины, обмазывают по шву медным порошком или прокладывают между ними медную проволоку или пластинку, затем соединяют, и, если необходимо, то временно чем-либо скрепляют и кладут в горн. При высокой температуре горна медь расплавляется и проникает в нагретое железо. Чем меньше зазор в собранных деталях, тем прочнее шов. Для нас неясно, каким путем мастер в процессе паяния избегал окислов или удалял их с поверхности деталей з месте паяния. В настоящее время в печах создают защитную атмосферу, чего нельзя было сделать в древней Руси. Вероятно замочник, собирая будущий шов, то есть соединяя детали и обмазывая или прокладывая их медью, в то же время вместе с припоем клал в шов и флюс 1, который уже в печи при высокой температуре, соединяясь с окислом железа, очищал шов.
Горновое паяние железа и стали, явившееся крупным техническим достижением древнерусской техники, позволило замочникам получать прочные соединения деталей из железа и стали и изготовлять надежные замочные механизмы, очень часто состоящие из 40 отдельных деталей.
Технологию покрытия цветными и благородными металлами железа и стали в древней Руси применяли оружейники, замочники и другие ремесленники по металлу. Оружейники чаще всего применяли покрытие из благородного металла. Более массовой была технология обмеднения. Особенно широко применяли ее замочники. Большинство древнерусских цилиндрических замков XII—XIII веков были обмеднены.
Технология обмеднения технически очень близка к технологии паяния и основана на тех же принципах. Обмеднение производилось, вероятно, горячим путем в горне. Кроме замков, обмеднялись и другие бытовые предметы, например, ножницы, пряжки, булавки, кресала, разнообразные накладки и т. п. Широко применяли древнерусские кузнецы покрытие железа и стали оловянисто-свинцовыми сплавами. Такие изделия, как, например, всевозможные булавки, пряжки, и т. п., покрывались сплавом целиком. Но иногда сплавом покрывали только часть изделия, в основном элементы украшения.
Полировку железа и стали, то есть придание блестящей поверхности изделию, применяли кузнецы многих специальностей. При производстве мечей и другого оружия они доводили поверхность металла до блестящего, зеркального состояния. Об этом свидетельствует летопись: «Обнажены меча имуще в руках блещащася аки вода».
1 Флюсом называют вещества, которые применяют при сварке или паянии для расплавления окислов металла.
188