Основу разнообразной и сложной технологии обработки черного металла составляли: всевозможные приемы свободной кузнечной ковки; сварка железа и стали; цементация железа и стали; термическая обработка стали; резание металла на точильных кругах и напильником; пайка железа и стали; покрытие и инкрустация железа и стали цветными и благородными металлами; полирование железа и стали; художественная кузнечная ковка.
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 во второй половине XIX в. были основными технологическими приемами, которыми изделию придавали требуемую форму. Процесс ковки разделяется на ряд элементарных кузнечных операций: а) вытяжка; б) высадка, осадка; в) рубка, обрезка; г) пробивка и прошивка отверстий; д) изгиб, скручивание; е) обжатие, штампование. Все эти операции в Древней Руси были хорошо известны и широко применялись кузнецами.
Обработка перечисленными операциями, так называемая горячая обработка, может происходить только с металлом, находящемся в пластическом состоянии. В такое состояние обрабатываемый металл приводится путем нагрева в кузнечном горне. Температура ковки колеблется для железа между 900-1300° и для стали — между 775-1050°. И, как показала структура металла исследованных предметов, кузнец всегда работал при этих температурах. Контролем температурного режима нагрева были цвета каления железа и стали.
Кузнечная сварка, т. е. процесс получения неразъемного соединения двух кусков металла, особенно сварка железа и стали, была широко распространенным технологическим приемом. Основой древнерусской технологии изготовления режущего и рубящего лезвия, которое было главной рабочей частью у большинства орудий труда и оружия, являлось сочетание двух материалов — железа и стали — путем соединения сваркой. Чтобы привести металл в пластическое состояние, при котором могла бы произойти сварка, как известно, необходим нагрев до высокой температуры. Для железа и стали с разным содержанием углерода температура нагрева разная. Для чистого железа эта температура колеблется около 1400–1450°; для сталей в соответствии с содержанием углерода температура понижается. При недостаточности нагрева или сильном перегреве металла сварки не произойдет, поэтому нагрев металла — наиболее важная операция при сварке; малейшее упущение, недосмотр при нагреве сказываются на ее качестве.
Как показывает микроструктура сварочных швов, подавляющая их масса на древнерусских изделиях имеет очень чистое и тонкое строение, а следовательно, и прочное соединение. Швы при сварке железа и высокоуглеродистой стали отличаются прочностью и чистотой; большинство швов почти не имеют шлаковых включений. Это говорит о том, что древнерусские кузнецы умели очень точно определять степень нагрева металла. Нужно было очень хорошо знать свойства и состав свариваемых металлов (железо или сталь, и какая именно сталь), чтобы определять необходимый для них цвет каления.
В сварочной технике поражает умение кузнецов работать с очень малыми объемами металла. Например, огромную трудность представляла сварка железа и стали в замочных пружинах. Пружины толщиной от 0,8 до 2 мм сваривали из двух полос железа и стали: следовательно, каждая половина имела толщину от 0,4 до 1 мм. Если считать, что кузнец сваривал болванки пружин более толстого сечения и потом их вытягивал, то все железные и стальные заготовки не могли превышать в толщине 2–5 мм. Нагреть одновременно полоски железа и стали такой толщины до сварочного жара и не сжечь металл (а он быстро начинает искрить, т. е. окисляться) представляет большую техническую трудность. Сварочная техника древнерусских кузнецов стояла на высоком уровне. Хорошо освоенная и тонко разработанная технология сварки дала возможность древнерусским ремесленникам изготовлять высококачественные орудия труда, оружие и инструменты.
Эмпирически осмыслив многие свойства стали и влияние на эти свойства разных режимов нагрева и охлаждения, ремесленники создали практическую, тонко разработанную технологию термической обработки стали. Из 800 с лишним исследованных стальных или со стальными лезвиями древнерусских изделий более 90 % сохранили термическую обработку. На этих изделиях были обнаружены структуры мартенсита, мартенсита и тростита, тростита и сорбита (Колчин Б.А., 1953; 1959).
Микроструктура подавляющей массы термически обработанных изделий из стали показывает, что их подвергали нагреву в интервале 800–950°. Лишь в некоторых экземплярах наблюдается крупноигольчатый мартенсит, говорящий о том, что температура закалки была выше нормы; также единичны структуры неполной закалки, которые получаются, когда закалку производят при недостаточно высоком нагреве.
Структура мартенсита свидетельствует о применении быстрого охладителя, каким могла быть вода при нормальной температуре. Структура тростита и сорбита указывает на использование закалочных сред, дающих более медленное охлаждение, чем вода. Такими средами могли быть подогретая вода и разные смеси растительных и животных масел. Кузнецы применяли и разные приемы охлаждения предмета. Многие изделия закаливали целиком, т. е. совсем опускали в воду или жидкость. Другие изделия закаливали частично — только рабочую часть.
Структура тростита и сорбита отпуска свидетельствует о двухступенчатой термической обработке. Например, структура тростита отпуска показывает, что изделие сначала закалили, т. е. нагрели до 800–950° и охладили в воде, а потом дополнительно нагрели до 500–600°. Подобная обработка придавала металлу дополнительную вязкость. При режиме закалки с отпуском важен контроль за температурой нагрева. При 800–950°, как и при закалке, нагрев улавливается ро цвету каления. Для температуры вторичного более низкого нагрева контролем служили цвета побежалости.
Очень важным элементом термической обработки, говорящем о высокой технической культуре древнерусского кузнеца, является дифференцированный подход к выбору режима закалки и отпуска в зависимости от назначения изделия. К изделиям, подвергающимся ударным нагрузкам, как, например, топоры, применяли высокий отпуск. Серпы, косы и ножницы подвергали среднему отпуску. Ножи в подавляющей массе закаливали на мартенсит отпуска. Напильники закаливали только на мартенсит или мартенсит и тростит без последующего отпуска. Соответственно отпуску дифференцировалась на изделиях и мягкая закалка. Все указанные выше режимы полностью удовлетворяли условиям эксплуатации изделий.
На высоком техническом уровне стояла и технология пайки железа и стали. Пайкой называется процесс соединения двух или нескольких металлических предметов путем ввода между ними более легкоплавкого металла или сплава (припоя), чем соединяемые металлы. Пайкой как основным приемом соединения деталей пользовались в первую очередь слесари, замочники и ювелиры. При исследовании паяных швов (спектральным анализом) на замках и ключах установлено, что замочник применял для спаивания железа и стали твердый припой на медной основе. В некоторых случаях это была чистая медь, лишь со следами олова и свинца, а в других случаях — сплав меди с оловом и свинцом.
Структурные исследования швов замков показали, что замочник производил нагревание места спайки до температуры расплавления припоя в специальном горне. Это позволяло одновременно спаивать на изделии несколько швов. На некоторых замках XI–XIV вв. имелось до 60 паяных швов. Горновая пайка — крупное техническое достижение древнерусской техники — позволила замочнику получать прочные и стойкие соединения деталей из железа и стали.
При горновом паянии детали, подогнанные и очищенные в местах пайки, обмазывали по шву порошком припоя или прокладывали между ними тонкую пластинку из припоя. Вместе с припоем шов заполняли флюсом для удалении окислов, которые возникали при нагреве. Спаиваемые детали временно скрепляли между собой (вставляли в глиняные матрицы или зажимали железными скрепами) и ставили в горн. При соответствующей температуре в горне припой расплавлялся и диффундировал в нагретое железо или сталь. После остывания деталей получался неразъемный шов (Колчин Б.А., 1953, с. 180). Замочники, а также и ювелиры иногда производили паяние с помощью паяльников или паяльных трубок.
Операция художественной ковки в отличие от других технологических операций была комплексной — мастер применял и кузнечную ковку, и сварку, и резание металла зубилом и напильником, и инкрустацию цветными металлами; кроме этого, он должен был еще обладать творческой изобретательностью и художественным вкусом. Эта операция носила, прежде всего, характер орнаментальный. Ее применяли чаще всего при изготовлении бытовых вещей, оружия и конской сбруи. Художественную отделку имели кресала, светцы, всевозможные замки, ключи и личины, всевозможные оковки мебели, оборонительный доспех, поясные пряжки, булавки и многое другое.
Структурный анализ большого числа изделий из черного металла показал, что в основе конструкции и технологии изготовления качественных изделий (к ним относятся инструменты и большая часть орудий труда и оружия) лежал принцип сочетания стальной рабочей части с железной основой. Подавляющая масса этих изделий — режущие или рубящие орудия и оружие. Лезвия у них всегда были стальными.
Для изготовления стального лезвия применяли четыре технологических приема. Первый прием — изготовление многослойного лезвия из железа и стали. На режущую грань всегда выводили стальную полосу. Подобные лезвия сваривали из двух, трех и пяти полос. Второй прием — изготовление наварного лезвия. Третий — изготовление цементованного лезвия, т. е. науглероживание лезвия на готовом изделии; четвертый прием — изготовление цельностального лезвия. Кроме того, применялся комбинированный прием технологии с дамаскированной сталью (табл. 96, 1–6). Самым распространенным технологическим приемом было изготовление наварного лезвия.
Для раскрытия конкретных атрибутов конструкций и технологии массовых изделий древнерусских кузнецов сделаем обзор некоторых из них.