Загадка булатного узора
Шрифт:
Когда же человек научился получать железо из руды? Ответить на этот вопрос трудно: ведь железный век наступил отнюдь не сразу и не благодаря отдельному открытию одной выдающейся личности в одном месте, как это полагали древние и как до недавнего времени считали многие историки металлургии. Археологические находки железа, относящиеся к II тысячелетию до нашей эры, а также упоминания о нем в древних документах довольно часты. Около 1800 года до нашей эры царь Пурушханды передал хеттскому правителю Аниттасу символы верховного владычества — железный трон и железный скипетр. Сохранилось письмо Тушратты, царя северомессопотамского государства Митании, фараону Аменхотепу III (XV век до нашей эры), извещающее о посылке ему в дар кинжала с железным клинком.
Г. Е. Арешнян из Ереванского государственного университета сравнительно недавно сделал интереснейший анализ упоминаний железа в «Илиаде» и «Одиссее». Сам Гомер жил в железном веке, но его эпос относится к Микенской Греции бронзового века. Поэтому оружие всех гомеровских героев, в том числе и то, что Гефест лично кует для Ахилла, — медное железо, как замечает Г. Е. Арешнян, у Гомера несет три основные нагрузки. Во-первых, оно фигурирует в качестве «небесного металла», «металла богов» — ось колесницы Геры и Ворота Тартара (олимпийского ада) сделаны из железа. Во-вторых, железо — сокровище. Троянские вожди, попав в плен, предлагают за себя выкуп «много и меди и злата и хитрых изделий железа». В-третьих, железо, так же как и в наше время, используется для сравнений. Гекуба обращаясь к Приаму, восклицает: «У тебя ль не железное сердце?»
Таким образом, греки бронзового века и народы Древнего Востока были хорошо знакомы с железом. Но было ли это железо, полученное из руды? Установлено, что в природе все же встречается самородное железо. Крупное скопление его найдено, например, на южном берегу острова Диско у берегов Гренландии. Оно залегало в базальте в виде блесток, зерен и даже мощных глыб. В отличие от метеоритного железо самородное содержит гораздо меньше никеля, очень мало углерода.
И все-таки Г. Е. Арешнян утверждает, что древние греки получали железо из руды. Он обращает внимание, что Гомер постоянно прилагает к железу элите который Н. И. Гнедич переводит как «хитрое изделие», «красивое изделие», но дословно оно означает «многотрудное», изготовленное с большим трудом. Есть и другие доказательства в пользу распространения вы плавки железа из руд в конце бронзового века.
Несмотря на то что процесс изготовления железа был, безусловно, известен во II тысячелетии до нашей эры, железный век начался гораздо позднее. Известно, что первое железо было часто мягче бронзы. Потребовалось еще много сотен лет, чтобы люди нашли способ сделать железо более твердым и заменить им каменные, деревянные и бронзовые орудия.
На Переднем Востоке, в Закавказье и в Восточном Средиземноморье переход к массовому железному производству произошел только в XII–XI веках до нашей эры. С этого времени и начинается «век железа», который продолжается до сих пор. Правда, к массовому производству железа в разных странах приступали в разные времена. В Египте полная смена каменных орудий железными произошла в 671 году до нашей эры после завоевания его Ассирией. Примерно в то ж время начался железный век в Индии, а через 101 лет — ив Китае. На территории Советского Союза широкое производство железа началось в VII веке до нашей эры и в V–IV веках до нашей эры достигло расцвета.
Трудно найти другой какой-либо металл, с которым так тесно был бы связан технический прогресс. Уже несколько веков производство железа, чугуна и стали является показателем технического и экономического развития государства, его общей культуры.
От крицы к слитку
Железо — тугоплавкий металл, температура его плавления 1539 °C. Такой высокой температуры долгое время достигнуть не могли. Предпосылкой широкого распространения железной металлургии было открытие сыродутного процесса, осуществляющего восстановление железа из руды при температуре порядка 900 °C. Для перехода от меди и бронзы к железу это имело большое значение. Выплавка меди из руды представляла более сложный процесс, чем выплавка железа: она требовала более высоких температур и необходимости выпуска жидкого шлака из печи. Кроме того, медные рудники были уже очень сильно истощены и не могли обеспечивать металлом потребности общества. Железные руды к этому времени были хорошо известны, они находились на поверхности земли. Это были бурые железняки, озерные, болотные и другие легко восстанавливающиеся руда.
Для приготовления железа руда дробилась и обжигалась на открытом огне. После этого руду и древесный уголь слоями складывали в яму или каменный горн, в который продували воздух. В связи с тем что «сырой» (неподогретый) воздух продувался через порцию руды 1 угля, процесс уже в наше время назвали сыродутным. Продувку в древние времена осуществляли так. Брали длинные полые стебли лотоса или бамбука, вставляли их в отверстия внизу горна и, напрягая легкие, дули изо всех сил. Но человеческие легкие оказались слишком слабыми, чтобы обеспечить нужный поток воздуха, поэтому со временем вместо дутьевой трубки начинают применять мехи, сшитые из шкур животных.
Сгорая в потоке воздуха, уголь нагревал руду и частично восстанавливал ее до железа. Оставшаяся часть окислов железа вместе с окислами других примесей плавилась и образовывала жидкий шлак. В результате этого на дне горна получали комок пористого, тестообразного, пропитанного жидким шлаком металла. Этот комок называли крицей. Первое время масса получаемой крицы была от одного до нескольких килограммов. Многократной проковкой крицы в горячем состоянии «выжимали» шлак и получали железную поковку, представляющую собой так называемое сварочное, ковкое железо, или мягкую сталь. Содержание углерода в такой стали составляло 0,12–0,26 %; серы, фосфора и других примесей, как правило, было очень мало.
В настоящее время известно, что железо никогда не бывает чистым, оно всегда содержит примеси. Фосфор и сера относятся к вредным примесям, так как вызывают хрупкость металла. Техническим железом называют сплав железа и углерода, который содержит 99,8–99,9 %, железа, 0,1–0,2 % примесей и до 0,02 % углерода. Сплавы железа с большим количеством углерода называют сталью или чугуном. Чугун — сплав, содержащий более 2 % углерода, сталь — менее 2 %. Если в стали 0,6–1,2 % углерода, ее называют высокоуглеродистой, при содержания 0,25–0,6 % углерода — среднеуглеродистой, а если углерода меньше 0,25 % — низкоуглеродистой.
Как же из сварочного железа в прошлом получал углеродистую сталь? Археологические находки говоря о том, что уже в глубокой древности был известен способ цементации (науглероживания) железа. Для получения высокой твердости и прочности углеродистую сталь необходимо закалить. Древние знали и это.
В средние века секреты многих способов цементаци железа были утеряны, но в XVII веке они вновь начина ют широко применяться. Один из первых патентов в мире был выдан английским королем Яковом в 1617 год лондонским ремесленникам Вильяму Эллиоту и Матис Мейсею — на изобретенный ими способ переработки железа при помощи цементации.
В Древней Руси наряду с железом часто применяли углеродистую сталь. Наибольшее распространение получили способы изготовления ее в кузнечном горне. В обычный кузнечный горн клали железную крицу, засыпали ее древесным углем и нагревали. Начиная с температур 700–900 °C, углерод диффундировал (проникал) в железо. Кузнец вынимал крицу и быстро охлаждал ее в воде или снеге. Сталистая поверхность крицы охрупчивалась и при ударах молота отделялась. Подобную операцию проделывали до тех пор, пока вся криц; не превращалась в стальные пластины. Полученные пластины отжигали и сваривали между собой.