Железо: как его делали? Часть IVa — стальная воля
На этой неделе мы продолжаем цикл из четырёх с половиной частей о досовременном производстве железа и стали (I, II, III, IVa, IVb, дополнение). В прошлый раз мы разобрали, как кузнец превращает губчатую железную крицу сначала в удобную заготовку, а потом в полезный предмет вроде инструмента. Но, как уже отмечалось, кузнецу необходимо управлять не только формой железа, но и его твёрдостью и пластичностью.
На этой неделе мы увидим, как эти свойства — вместе с множеством других, более сложных характеристик металла, которые ради простоты оставим в стороне, — изменяют химический состав железа, легируя его другим элементом: углеродом. А поскольку статья разрослась, а времени стало мало, в следующий раз закончим рассказ механическими воздействиями — наклёпом — и термообработкой.
Как всегда, если вам нравится прочитанное, поделитесь статьёй; если нравится очень, можете поддержать меня на Patreon. А чтобы узнавать о новых публикациях, подпишитесь на рассылку или следите за мной в Twitter (@BretDevereaux), где я также время от времени рассуждаю о древней истории, внешней политике и военном деле.
Что такое сталь?
Начнём с самых основ: что такое сталь? Сталь — это сплав железа и углерода. Большинство современных разновидностей стали со сложным составом мы можем не рассматривать. Например, нержавеющая сталь, в которую добавляют хром, досовременным кузнецам была неизвестна и могла получиться лишь случайно. Природные сплавы такого рода, особенно с марганцем, порой возникали там, где местная руда содержала примеси других металлов. Возможно, отсюда пошло распространённое у древних и средневековых авторов представление, будто железо из одних областей превосходит железо из других. Так, в римскую эпоху славилась сталь из Норика; свидетельства приводит Бухвальд (указ. соч.). Впрочем, химических исследований, которые это доказали бы, я не видел.
Поэтому ограничимся углеродом и железом. По логике видеоигр нужно взять одну «единицу» углерода, одну «единицу» железа и хорошенько стукнуть их друг о друга в огне — получится сталь. Как мы увидим, настоящий процесс хотя бы немного сложнее. Но главное, пропорции здесь совершенно неверны. Сталь действительно состоит из железа и углерода, однако вовсе не в равных долях. В общих чертах границы выглядят так — систем классификации несколько, но категории у них примерно одинаковы:
- При содержании углерода ниже примерно 0,05 % перед нами просто железо. Небольшое количество углерода почти всегда попадает в него при выплавке и ковке.
- От 0,05 до 0,25 % — мягкая, или низкоуглеродистая, сталь.
- Примерно от 0,3 до 0,6 % — среднеуглеродистая сталь, хотя такое обозначение встречается мне нечасто.
- От 0,6 до примерно 1,25 % — высокоуглеродистая, она же пружинная, сталь. Для большинства доспехов, оружия и инструментов это «то что надо» — с оговоркой о пакетной сварке ниже.
- От 1,25 до 2 % — сверхвысокоуглеродистая сталь, которая, насколько я могу судить, почти не применялась в древности и Средневековье.
- Выше 2 % — чугун, или передельный чугун. Избыток углерода делает материал слишком твёрдым и хрупким для большинства задач.
Тему трудно иллюстрировать, а интернет существует ради фотографий кошек, поэтому перед вами чугунная статуэтка кошки эпохи Мин из Британского музея, XV или XVI век. В Китае производство чугуна открыли намного раньше, чем в большинстве других областей мира, однако чугунные изделия были хрупкими и обычно не подходили для тяжёлой работы.
Я не хочу погружаться в химические подробности того, как углерод меняет металлическую структуру железа; при желании о них можно прочитать отдельно. По мере роста содержания углерода меняются основные свойства железа — в частности, пластичность и твёрдость. Чистое железо под сильным ударом обычно деформируется, то есть гнётся и тем самым поглощает энергию: оно мягкое и пластичное. Углерод повышает твёрдость, поэтому металл лучше сопротивляется изгибу и дольше держит режущую кромку — именно твёрдость определяет сохранение заточки при работе. При правильном содержании углерода сталь становится упругой: гнётся, принимая удар, но быстро возвращается к прежней форме. А если углерода слишком много, сталь выходит слишком твёрдой и недостаточно пластичной — то есть хрупкой.
Среди доступных в досовременном мире материалов для инструментов и оружия высокоуглеродистая пружинная сталь была настоящим чудо-материалом. Она намного твёрже железа: хороший стальной клинок глубоко врубается в железный, сам почти не повреждаясь. Кроме того, хорошая сталь принимает достаточно мощные удары, изгибается, поглощая энергию, и возвращается в исходную форму. Железо же испытывает пластическую деформацию: гнётся и остаётся согнутым — всё же лучше, чем сломаться, но ненамного. Что касается доспехов, то, как вы, возможно, помните по нашему разбору пробивания стрелами, стальная пластина намного лучше сопротивляется проколу, чем железная той же толщины. Бронза, к слову, работает примерно на уровне железа, если оба металла упрочнены наклёпом. Разным задачам, конечно, подходит разное содержание углерода: например, для доспехов оно обычно было несколько ниже, чем для клинка меча.
Иногда утверждают, что древние не различали железо и сталь. Этот довод в основном филологический и опирается на то, что древние языки редко проводят между ними техническую границу. Латинские авторы часто обозначают и железо, и сталь словом ferrum — «железо»; греки сходным образом употребляют σίδηρος (sideros, «железо»). Проблема в том, что высокая литература древнего мира — а почти только она до нас и дошла — вообще решительно избегала технических терминов. Знатному писателю было незачем хвастаться знаниями, более подобающими ремесленнику, чем сенатору. И всё же в нескольких местах латинские авторы называют сталь, в отличие от железа, словом chalybs — от греческого χάλυψ.
Но куда важнее другое: элитные авторы, в лучшем случае любители-наблюдатели, могли не понимать разницы, зато древние ремесленники её явно понимали. Как отмечает Тайлекот (указ. соч.), поверхностное науглероживание инструментов отчётливо встречается в Леванте и Египте уже около 1000 года до н. э., хотя ржавчина и повреждения мешают установить, насколько широко и намеренно его применяли. С галльской металлургией по меньшей мере латенского периода — 450–50 годы до н. э. — и римской примерно с 200 года до н. э. такой проблемы нет. Кузнецы совершенно сознательно меняли содержание углерода в разных частях клинка: больше у кромок, меньше в сердцевине. Они добивались этого пакетной сваркой, которая оставляет на клинке характерный полосатый узор. Такой узор можно подделать, но подделывать его незачем, если покупатели не считают его признаком лучшего оружия. Несомненно, кузнец, приваривавший стальную кромку к железной сердцевине, знал, что кромка чем-то отличается. Он не мог каждый раз точно измерить твёрдость, как мы, а значит, должен был знать способ, который обычно даёт более твёрдый металл, и исходить из этого знания. Правильно изготовленная высокоуглеродистая сталь, как мы ещё увидим, действительно бывает намного твёрже железа.
Так называемый «меч Тиберия» из Британского музея: римский гладиус майнцского типа начала имперской эпохи, около 15 года н. э. У меча сердцевина из мягкой стали, кромки из высокоуглеродистой и тонкий слой высокоуглеродистой стали на плоскостях. Почти наверняка кромку с более высоким содержанием углерода приварили к сердцевине при изготовлении — наглядный пример сознательного применения кузнецом разных сортов стали.
Разумеется, древние и даже средневековые кузнецы не понимали химии процесса. Воздействие науглероживания и способы использовать его для лучших инструментов открывали опытом и экспериментом, а не теорией. Знание переходило от мастера к ученику, лишь понемногу меняясь в каждом поколении. При этом приёмы явно могли быстро пересекать культурные границы: кузнецу с худшей технологией достаточно было подражать лучшей.
Изготовление стали
В современном производстве главная проблема — избыток углерода. Выплавленная в доменной печи сталь обычно содержит его слишком много, поэтому значительная часть современной металлургии сводится к тому, чтобы удалить лишний углерод и довести его долю до полезного уровня. Древние кузнецы подходили к задаче с противоположной стороны: начинали почти с чистого железа и искали способы добавить достаточно углерода, чтобы получить сталь.
Как же ввести углерод в железо? Хорошая новость: основной принцип очень прост. Горячее железо поглощает углерод из окружающей среды, хотя в твёрдом состоянии — а в этих процессах оно никогда не плавится — это происходит довольно медленно. Возможностей для такого поглощения несколько, а значит, и способов превратить железо в сталь существует несколько.
Распространено мнение — отчасти потому, что долгое время его разделяли учёные, — будто железо можно хотя бы частично науглеродить многократной перековкой. Эксперименты по воспроизведению процесса показывают, что это неверно; обзор споров см. у Крэддока (указ. соч., с. 252). Первая проблема — время. Горячее, но твёрдое железо, например полоса в горне, поглощает углерод сравнительно медленно, часами. В одном эксперименте полное науглероживание железа толщиной 3 миллиметра заняло около трёх часов, причём с ростом толщины нужное время увеличивается непропорционально быстро. В горне же железо обычно лежит считаные минуты, и даже если углерод успеет проникнуть, он затронет лишь тончайшую поверхность. Просто оставить железо надолго тоже нельзя: оно «перегорит», если не снизить температуру — а тогда горн нельзя использовать для обычной работы — или не убрать весь кислород, к чему мы скоро вернёмся. В лучшем случае огонь горна создаст на железной полосе лишь чрезвычайно тонкую стальную оболочку, около 0,03 миллиметра.
Многократная перековка не компенсирует медленность, потому что одновременно действуют два источника обезуглероживания. Первый — воздух. Как мы видели при обжиге руды, если нагреть железо — металл или руду — в богатой кислородом O₂ среде, кислород связывает свободный углерод и образует CO₂. То же происходит с науглероженным железом, разогретым для ковки. В кузнице должен быть воздух, ведь кузнецу нужно дышать, и часть углерода уходит из наружного слоя. Хуже того, кислород окисляет, то есть заставляет ржаветь, само железо. При ударах ржавый слой, как мы обсуждали в прошлой части, отлетает в виде окалины. Поэтому небрежная ковка способна обезуглеродить кромки. Металлографический анализ некоторых древних предметов показывает, что такое действительно случалось: содержание углерода у кромки оказывалось ниже, чем в сердцевине, а это, скажем прямо, совсем не то, чего добивался кузнец.
Главная наша проблема — кислород. В горне он заставляет железо гореть, вызывает окисление и крадёт свободный углерод ради образования углекислого газа. Чтобы ввести в железо значительное количество углерода, нужно нагреть его в богатой углеродом среде, где почти или совсем нет кислорода. Для этого подходят два этапа.
Первый способ — науглероживание крицы. В производстве железа уже есть этап, на котором жизненно важна бедная кислородом среда. Можно ли ввести углерод прямо при выплавке? Да. Если сильно увеличить отношение древесного угля к руде, после прогорания угля в печи останется стальная крица. По-видимому, так работали некоторые традиционные африканские сыродутные процессы (Craddock, указ. соч., с. 236) и японский способ татара-буки (Sim & Kaminski, указ. соч., с. 59). Подобным образом толкуют и некоторые европейские находки железного века, но, насколько я понимаю, здесь остаётся много вопросов; письменные свидетельства не подтверждают широкого применения такого сыродутного способа в Европе.
Знакомая нам современная реконструкция простого сыродутного горна. Если, по сути, перегрузить такую печь древесным углём, бедная кислородом среда со временем науглеродит крицу до стали.
Другой способ вводит углерод уже после того, как железо превратилось в полосу; он называется цементацией. Её также называют поверхностной или горновой закалкой, хотя английское case hardening может означать любое поверхностное упрочнение и потому не вполне точно. При нагреве примерно выше 900 °C — визуально до красного каления — железо начинает поглощать углерод, если находится в контакте с его источником и изолировано от кислорода. О том, как это делали в Средневековье, сохранилось немало свидетельств (см. Craddock, указ. соч., с. 252).
Железные полосы — сначала выплавленные крицей, затем выкованные — обкладывали богатыми углеродом материалами. Это мог быть сам древесный уголь, а также растения, копыта, рог или кожа. Всё вместе запечатывали в керамический сосуд. Его нагревали до нужной температуры и держали так несколько часов, пока железо поглощало углерод. Внутри почти не было кислорода, поэтому опасность «пережечь» железо оставалась невелика и можно было поддерживать сильный жар. Полосы намеренно делали довольно тонкими — 1–2 сантиметра, — чтобы науглероживание шло быстрее. Полученный металл, иногда называемый цементированной, или пузырчатой, сталью, мог содержать до 2 % углерода в зависимости от тщательности процесса. Долгая практика, несомненно, научила кузнецов определять, сколько времени и при каком жаре обрабатывать заданное количество железа, чтобы получить нужное содержание углерода.
Ясно одно: и получение стали прямо в сыродутной печи, и цементация требовали столько топлива и времени, что сталь стоила дорого. Тайлекот (указ. соч., с. 278) отмечает, что в Средневековье она нередко была примерно вчетверо дороже железа. Поэтому с самого начала европейского железного века железные и стальные предметы существовали бок о бок; примеры, в частности, приводит Крэддок. Железо предпочитали более дешёвым дереву, камню и коже лишь тогда, когда при малом весе требовалась большая прочность. Так и сталь, особенно высококачественную, применяли вместо железа там, где нужна была предельная эффективность. Но даже разные части одного предмета не обязаны иметь одинаковые свойства, и это подводит нас к следующей теме.
Пакетная сварка!
Как сказано выше, удобнее всего науглероживать довольно тонкие железные прутья: углерод проникает через поверхность. Кроме того, и в крице, и при цементации он часто распределяется неравномерно — снаружи его больше, в сердцевине меньше.
Для рабочих инструментов это можно использовать с помощью наварки стали. В прошлой части мы уже видели головку топора, приспособленную именно для неё. Основу инструмента куют из железа, возможно слегка науглероженного, а ближе к концу работы на его рабочую часть — лезвие, боёк молота, остриё кирки, словом, туда, где твёрдость нужнее всего, — кузнечной сваркой наваривают сталь. Получается цельный и прочно соединённый предмет, разные части которого содержат разное количество углерода. Делать это можно по-разному. Стальная пластина может стать сердцевиной, вокруг которой сваривают железное тело, а затем лишнее железо стачивают, открывая сталь; насколько я понимаю, этот способ чаще применяли для топоров — именно его мы видели раньше. В других случаях стальной кромкой оборачивали железную сердцевину или накладывали её сверху.
Крупный план филиппинского меча баронг. После травления и полировки на клинке проступает полосатый узор сварных соединений между разными частями железа.
Если требовалась более однородная сталь, применяли пакетирование — иногда его ошибочно называют «дамаскированием». Стальную полосу вытягивали в довольно тонкий прут, складывали и сваривали с самой собой, часто многократно, добиваясь более равномерного состава. Ныне это заблуждение по большей части ушло в прошлое, но долгое время многие верили, будто такой способ был уникален для Японии. Это не так. Разумеется, он требовал много времени и труда, а повторная кузнечная сварка означала новые потери металла из-за окисления и выбивания — особенно когда после нескольких складываний шлака почти не оставалось.
Сложнее устроена узорчатая пакетная сварка, которой до начала Нового времени отличались некоторые лучшие клинки по всему миру. Исключением служит, например, булат, или вуц: его не сваривают пакетами, хотя под сбивающим с толку названием «дамасская сталь» его порой смешивают с узорчатой сварной сталью — именно поэтому я стараюсь вовсе не пользоваться этим термином. В основе узорчатой сварки лежит тонкий прут или полоса науглероженного железа. Её многократно складывают, сваривают и вытягивают, получая слоистый прут со сравнительно равномерным содержанием углерода. Затем два или больше таких прутьев скручивают и сваривают в прочную стальную сердцевину. Наконец, к ней обычно приваривают лезвие — нередко науглероженное сильнее ради наибольшей твёрдости, ведь твёрдый металл лучше держит острую кромку.
Рентгеновский снимок меча из Саттон-Ху — раннеанглийского узорчато сваренного клинка VI века. Рентген показывает волнистый узор сварки, который иначе скрыли бы ржавчина и повреждения.
Узорчатая сварка требовала очень много времени и топлива, поэтому её обычно берегли для дорогих престижных вещей. Когда речь шла о железе, почти всегда это были оружейные клинки, прежде всего — хотя и не исключительно — мечи. Существуют сварные ножи, молоты и наконечники копий, но они встречаются реже. Престиж объяснялся отчасти высокими качествами такого оружия, но помогала и внешность: после полировки и травления узор швов был хорошо виден, и есть свидетельства, что его сохраняли именно в таком состоянии. Узорчатая сварка — древний приём: некоторые изделия среднего и позднего латена выполнены великолепно. В Европе она сохранялась в римскую эпоху и Средневековье, хотя, насколько я понимаю, в раннем Средневековье встречалась несколько реже, чем в Римской империи или высоком Средневековье. Искусство, похоже, никогда не «терялось». Однако позднее импортный вуц, а также более крупные и равномерно науглероженные местные стальные крицы — полученные прямо в сыродутной печи, а не цементацией — сделали узорчатую сварку ненужной для клинка достаточного качества, и европейские оружейники стали от неё отходить.
Разумеется, узорчатую сварку можно было «подделать»: выполнить последние операции — скрутить прутья, сварить их и присоединить лезвие, — пропустив предыдущие и даже не науглеродив железо как следует. Иногда клинки с узором из низкоуглеродистого или вовсе безуглеродистого железа считают доказательством того, что мастера не понимали роли углерода и качества металла. По-моему, это неверно: уже в римскую эпоху углерод во многих качественных клинках распределён совершенно сознательно. У Бишопа и Коулстона (Roman Military Equipment, 2006, с. 242) есть защищённая авторским правом схема поперечного содержания углерода в нескольких римских гладиусах, поэтому я её здесь не воспроизвожу. У ряда мечей кромки высокоуглеродистые и твёрдые, а сердцевины низкоуглеродистые и мягкие — именно то, что нужно мечу. По совпадению, так же делали лучшие японские катаны, хотя эти гладиусы примерно на 1300 лет старше древнейшей катаны. Поэтому низкоуглеродистые или железные клинки с узором следует считать попросту «подделками»: они должны были выглядеть как превосходный клинок из качественной узорчатой стали, хотя были сделаны из худших материалов или худшим способом.
Схема сортов железа и стали в высококачественной катане. Здесь необходимо уточнить то, о чём часто забывают: далеко не все японские мечи и даже не все мечи типа «катана» изготовлены с тем качеством и содержанием углерода, которое показывают подобные реконструкции. Неудивительно, что музейными экспонатами обычно становятся дорогие престижные клинки; их сохранилось много, поскольку катана — сравнительно поздняя форма меча, появившаяся в основном после 1300 года.
Антракт
Изначально это должна была быть одна длинная статья, но время заставило меня остановиться здесь. В следующей части мы рассмотрим другие средства, с помощью которых кузнец управлял свойствами железа: наклёп и термообработку — закалку, отпуск и охлаждение.
Если вам понравилась эта статья или у вас есть комментарии, присоединяйтесь к дискуссии в канале Telegram или сервере в Discord.