Как делали мечи русских воинов

Поставив себе задачу изготовить настоящий меч XIII века по аутентичной технологии, мы вынуждены были повторить весь путь древних металлургов — начиная от построения сыродутной печи, восстановления железа из железной руды и переплавки полученного металла в сталь, пригодную для изготовления меча.
Дмитрий Мамонтов
23
81490
  • Известный кузнец-оружейник Василий Иванов специализируется на японском оружии — он руководит мастерской исторического оружия Ishimatsu. Но к просьбе редакции «Популярной механики» изготовить по исторически аутентичной технологии меч XIII века он отнесся с большим энтузиазмом. Задача построения домницы и получения сыродутного железа его совершенно не смутила
    Известный кузнец-оружейник Василий Иванов специализируется на японском оружии — он руководит мастерской исторического оружия Ishimatsu. Но к просьбе редакции «Популярной механики» изготовить по исторически аутентичной технологии меч XIII века он отнесся с большим энтузиазмом. Задача построения домницы и получения сыродутного железа его совершенно не смутила
  • Уголь, руда, огонь и воздух Сыродутная печь представляет собой конусовидное сооружение, куда слоями загружается древесный уголь и шихта — смесь руды с флюсом. Поддув воздуха позволяет достичь высокой температуры, железо восстанавливается из руды и образует в нижней части печи слиток — крицу. Отверстие в нижней части служит для слива шлака
    Уголь, руда, огонь и воздух Сыродутная печь представляет собой конусовидное сооружение, куда слоями загружается древесный уголь и шихта — смесь руды с флюсом. Поддув воздуха позволяет достичь высокой температуры, железо восстанавливается из руды и образует в нижней части печи слиток — крицу. Отверстие в нижней части служит для слива шлака
  • Магнетит В качестве железной руды мы использовали относительно богатый магнетит из района Курской магнитной аномалии, предварительно обогащенный с помощью магнитной сепарации. После восстановления в печи получается крица — пористый слиток сыродутного железа, неоднородно насыщенный углеродом
    Магнетит В качестве железной руды мы использовали относительно богатый магнетит из района Курской магнитной аномалии, предварительно обогащенный с помощью магнитной сепарации. После восстановления в печи получается крица — пористый слиток сыродутного железа, неоднородно насыщенный углеродом
  • После разбивания крицы на фрагменты и предварительной сортировки на мягкое железо, углеродистую сталь и чугун куски, пересыпанные флюсом из доломитовой муки, песка и соды, помещают в керамические тигли и в горне переплавляют в сталь с нужным содержанием углерода
    После разбивания крицы на фрагменты и предварительной сортировки на мягкое железо, углеродистую сталь и чугун куски, пересыпанные флюсом из доломитовой муки, песка и соды, помещают в керамические тигли и в горне переплавляют в сталь с нужным содержанием углерода
  • Историческая сталь Сталь, полученная после переплавки кричного железа в глиняном тигле. Реальный слиток, найденный при археологических раскопках городища близ Новгорода
    Историческая сталь Сталь, полученная после переплавки кричного железа в глиняном тигле. Реальный слиток, найденный при археологических раскопках городища близ Новгорода
  • Подготовка пакетов Из полученных после переплавки сталей собираются пакеты, которые послужат деталями клинка. Справа — прокованная заготовка лезвия из высокоуглеродистой стали, закаленная и затем сломанная для оценки твердости, хрупкости и красноломкости
    Подготовка пакетов Из полученных после переплавки сталей собираются пакеты, которые послужат деталями клинка. Справа — прокованная заготовка лезвия из высокоуглеродистой стали, закаленная и затем сломанная для оценки твердости, хрупкости и красноломкости
  • Пакетная схема Наш клинок будет собран из семи пакетов, каждый из которых выполняет свою задачу
    Пакетная схема Наш клинок будет собран из семи пакетов, каждый из которых выполняет свою задачу
  • Анатомия клинка Заготовка для клинка — полоса размерами 1,2х2,5х50 см и массой примерно 1,5 кг — собрана из семи пакетов
    Анатомия клинка Заготовка для клинка — полоса размерами 1,2х2,5х50 см и массой примерно 1,5 кг — собрана из семи пакетов
  • Проковка пакетов Полосы стали вытягивают, разрезают, складывают пополам и проковывают, сваривая их с помощью кузнечной сварки в единое целое. Затем этот процесс повторяют несколько раз, увеличивая количество переплетаемых слоев. Это как раз и есть техника «узорной сварки». В зависимости от количества слоев и видов стали на готовом изделии может проявиться узор. Такую сталь называют узорчатой (дамасской)
    Проковка пакетов Полосы стали вытягивают, разрезают, складывают пополам и проковывают, сваривая их с помощью кузнечной сварки в единое целое. Затем этот процесс повторяют несколько раз, увеличивая количество переплетаемых слоев. Это как раз и есть техника «узорной сварки». В зависимости от количества слоев и видов стали на готовом изделии может проявиться узор. Такую сталь называют узорчатой (дамасской)

Меч XIII века — не первый эксперимент «ПМ» в области исторической реконструкции холодного оружия. Во время изготовления шашки Федорова по технологии начала XX века (см. «ПМ» № 1'2007) был накоплен значительный опыт, но оказалось, что к текущей задаче его применить практически нереально. В случае с шашкой в качестве исходных материалов мы использовали современные аналоги существовавших в начале 1900-х годов видов стали (рельсовая, пружинная, подшипниковая). Но вот только сделать то же самое с мечом XIII века невозможно: в то время никаких стандартов на сталь не существовало и в помине. Поэтому основная проблема, с которой мы столкнулись, — это необходимость повторить древний металлургический процесс восстановления железа из руды. Что мы и сделали под руководством известного кузнеца-оружейника Василия Иванова, руководителя мастерской исторического японского оружия Ishimatsu.

От руды до крицы

До XIV века основным процессом получения железа было восстановление его из руды в сыродутной печи (домнице). Такая печь имела форму, близкую к усеченному конусу высотой примерно 1,2 м и диаметром 60−80 см в основании и 30 см в верхней (колошниковой) части, складывалась из камня или огнеупорного кирпича и обмазывалась глиной. В печи была предусмотрена фурма — труба для подачи воздуха от мехов диаметром в несколько сантиметров, отверстие для слива шлака в нижней части, а также иногда разборная часть для извлечения слитка железа после окончания процесса. После высыхания печь протапливали с помощью дров, чтобы обжечь глину, а также для образования золы, которая в дальнейшем служила подстилающим «антипригарным» покрытием и выполняла роль одной из составляющих частей флюса (зола содержит соду и поташ). Эта часть технологии не вызвала у нас никаких особых затруднений, и после сооружения домницы и прошествии нескольких дней, которые потребовались на высыхание глины и обжиг, мы приступили к первой части процесса — восстановлению железа. Читать далее

В качестве исходного материала мы взяли богатую (и к тому же обогащенную) руду — магнетит (FeOFe2O3) из района Курской магнитной аномалии. Технология достаточно проста: в печь до половины загружают древесный уголь, разжигают, после чего сверху засыпают смесь руды с флюсом (в качестве которого мы использовали вполне исторически аутентичную смесь доломитовой муки, песка и соды). Поверх насыпают еще слой угля, и затем по мере его прогорания добавляют слои руды с флюсом и угля. Такой цикл повторяют несколько (до пяти) раз. При этом на протяжении нескольких часов требуется постоянный поддув воздуха с помощью мехов, чтобы температура в печи достигла 1400−1500 С (тут мы были вынуждены немного отступить от технологии, поскольку использовали электрический поддув из-за нехватки работников).

В сыродутной печи происходит несколько процессов. Во-первых, порода при высокой температуре отделяется от руды и стекает вниз в виде шлака. Во-вторых, оксиды железа угарным газом и углеродом восстанавливаются до железа, зерна которого сплавляются между собой, образуя слиток — крицу. Когда уголь почти полностью прогорает, шлак через отверстие в печи сливают, а затем, после остывания, разбирают часть стенки и извлекают крицу — пористый железный слиток.

От железа к стали

Эффективность сыродутного процесса невелика: значительная часть железа уходит в шлак, и из 120 кг руды мы получили всего около 25 кг крицы. Причем это пока еще только сырой исходный материал, очень неоднородный по своему качеству. Во время своего нахождения в печи крица насыщается углеродом весьма неравномерно и в результате содержит фрагменты мягкого железа почти без углерода (0−0,3%), углеродистой стали (0,3−1,6% углерода) и чугуна (с содержанием углерода выше 1,6%). Это совершенно разные материалы, с разными свойствами, поэтому первым делом нужно провести первоначальную сортировку. «Крицу разбивают на небольшие куски, которые по механическим свойствам — хрупкость и пластичность — сортируют на три кучки с различным содержанием углерода, — объясняет Василий Иванов. — Если кусок мягкий и ковкий, то содержание углерода низкое, если твердый — высокое, если куски хрупкие и легко раскалываются, обнажая характерный излом, — это чугун».

Наша задача — получить в конечном итоге три вида стали с более-менее нормированным содержанием углерода. Первый вид — низкоуглеродистая (до 0,3%) сталь (так называемое деловое железо — из него изготавливали различные бытовые изделия типа гвоздей, обручей и т. п.), второй — со средним (0,3−0,6%) содержанием углерода, третий — высокоуглеродистая (0,6−1,6%) сталь. Отсортированные куски складываем в керамические тигли, пересыпав тем же флюсом, который мы использовали ранее, ставим в горн, наполненный древесным углем, и включаем поддув. В зависимости от расположения тигля в горне и интенсивности поддува воздуха можно либо насыщать углеродом сталь (в восстановительной зоне — верхней части горна над горящим углем), либо выжигать его избыток (в окислительной зоне — нижней части горна, где подается воздух) и таким образом получать нужные нам материалы. Стоит также отметить, что мы изначально использовали относительно «чистую» руду, наша сталь не содержит значительного количества вредных примесей — в основном серы и фосфора. Разумеется, никаких легирующих добавок типа хрома, молибдена, марганца или ванадия мы не использовали (кроме тех небольших количеств, что изначально присутствовали в руде), так что историческая аутентичность соблюдена.

После плавки Василий извлекает из тиглей слитки стали и оценивает полученный результат, проковывая их в полосы. «При необходимости в ходе дальнейшего процесса можно выжечь избыток углерода из полосы прямо в горне, — объясняет он. — Или науглеродить, поскольку при ковке часть углерода — до 0,3% - неизбежно выгорает».

Мягкость и твердость

В результате вышеперечисленных операций мы получили три примерно трехкилограммовых заготовки из разных видов стали в форме полос. Однако от этих полос до меча еще довольно далеко. По словам Василия, «это пока еще не детали клинка, а лишь материал, из которого они будут сделаны».

Одним из способов создать твердую режущую кромку оружия в XIII веке была цементация — поверхностное упрочнение, то есть науглероживание поверхности изделий, изготовленных из относительно мягкой стали. Изделие помещали в закрытый сосуд, заполненный органическим веществом — карбюризатором, в роли которого чаще всего выступал уголь, толченые рога или их смесь. Затем сосуд помещали в печь, где при температуре свыше 900 С без доступа воздуха карбюризатор обугливался и поверхность изделия постепенно насыщалась углеродом. Этот способ достаточно широко применялся для науглероживания топоров и клинков (более-менее массовых изделий). Но цементация — это упрочнение поверхностного слоя определенной глубины; когда этот слой стачивался, режущая кромка переставала держать заточку, и оружие приходилось подвергать новой процедуре цементации. А при увеличении глубины цементации возрастал риск сделать поверхность слишком хрупкой. Так что этот способ мы отвергли, поскольку он все-таки не позволяет достичь нужных нам качеств. Ведь «совершенный клинок» XIII века (равно как и любого другого времени) должен быть упругим, гасить колебания при ударах, вязким, а не хрупким, но в то же время режущая кромка лезвия должна быть твердой и хорошо держать заточку. Создать такой меч из гомогенного материала практически невозможно, поэтому мы решили прибегнуть к композитной технологии того времени, используя пакетную схему и «узорную сварку» (pattern welding). Наш меч будет «построен» из семи пакетов трех видов, каждый из которых выполняет свою задачу.

Первый пакет изготавливается из мягкого низкоуглеродистого (до 0,3% углерода) железа. Из вытянутых полос этого мягкого железа составляем шестислойный «сэндвич», проковываем его (при этом слои свариваются в единый пакет), разрубаем и складываем пополам, вновь проковываем, повторяя этот процесс восемь раз и получая в итоге пакет из относительно мягкой дамасской стали, насчитывающий примерно 1500 слоев. Этот пакет будет «становым хребтом» нашего меча — его сердцевиной. Такая вязкая сердцевина работает на сжатие, воспринимает ударные нагрузки и гасит колебания, не давая мечу сломаться при сильных ударах. Она также связывает все окружающие пакеты, выполняющие другие задачи, в единое целое.

Второй пакет — это будущее лезвие. Для его изготовления мы использовали два полученных нами ранее вида стали — среднеуглеродистой и высокоуглеродистой. Чередуя полосы этих двух видов так, чтобы среднеуглеродистый материал оказался «снаружи», складываем сэндвич из семи слоев и, пересыпав флюсом, свариваем их в единый пакет. Затем разрезаем, складываем пополам и вновь проковываем. Повторяем операцию еще 14 раз. Легко подсчитать, что в итоге при таком складывании мы получим… более 200 000 слоев! Учитывая, что финальная толщина пакета составляет 6 мм, можно вычислить толщину слоя — около 30 нм. «Фактически средневековые нанотехнологии! — смеется Василий. — На самом деле, конечно, это весьма условные ‘слои' - при таком перемешивании структура стали получается близкой к гомогенной». Лезвие в итоге должно быть твердым и хорошо держать заточку.

Пружинки

Третий пакет — это будущие обкладки, их четыре. Они изготавливаются из мягкой низкоуглеродистой и среднеуглеродистой стали. Начинается этот пакет с семислойного сэндвича (низкоуглеродистой сталью наружу), который с помощью горна и молота свариваем в единый пакет. Как и два других пакета, разрезаем, складываем пополам и вновь проковываем. Повторяем операцию еще девять раз, получая в итоге полосу из дамасской стали, состоящую из 7000 слоев.

Но это еще не все! Для того чтобы клинок меча в итоге лучше противостоял поперечным изгибающим нагрузкам, а также продольному скручиванию, обкладки торсируют, то есть каждую скручивают на 20 оборотов, получая стальной витой «канат». Такие обкладки после закалки станут более упругими и будут дополнительно гасить колебания, не позволяя ударам «отдаваться в руку». Поскольку обкладок четыре, направления закручивания их должны «компенсироваться» попарно — иначе при малейшей ошибке во время закалки меч «пойдет винтом». Упругие обкладки-торсионы работают в клинке меча на растяжение и фактически выполняют ту же роль, что и арматура в железобетоне, то есть упрочняют тело клинка.

Заготовка для клинка

Но вот наконец все семь пакетов готовы и начинается финальная подготовительная стадия — изготовление заготовки клинка. Все пакеты скрепляются проволокой, Василий разогревает их в горне, просыпает флюсом и начинает процесс кузнечной сварки. Как и при подготовке самих пакетов, он использует пневматический молот, и это еще одно небольшое отклонение от средневековой технологии: «Конечно, можно было бы не отступать от оригинальной технологии, но для этого мне бы понадобилась пара молотобойцев… — И ехидно предлагает: — Хотите попробовать?» Фотограф делает вид, что очень занят процессом съемки, а я начинаю расспрашивать Василия о каких-то мельчайших деталях происходящих процессов.

Тем временем заготовка приобретает вид бруска размерами 1,2х2,5х50 см и массой примерно 1,5 кг. Если вспомнить, что для ее изготовления нам понадобилось переработать 120 кг руды и примерно две недели времени, процесс выглядит не слишком эффективным (впрочем, из этого количества руды мы получили не одну, а две заготовки). Однако такова реальность — именно так и происходил процесс изготовления заготовок для высококачественного холодного оружия в Средние века. Теперь остается самое главное — выковать из этой заготовки, внешне напоминающей слегка ржавую монтировку, наш «идеальный меч». Но об этом — в следующем номере «ПМ».

Получение уклада

Переплавка крицы в тиглях — не единственный способ получения стали из кричного железа. Еще один способ — это получение так называемой сырцовой стали, или уклада. Метод состоял в следующем: кричное мягкое железо разогревали в горне, в горящем угле, насыщая поверхность слитка углеродом. Затем слиток резко охлаждали водой или снегом, в результате поверхностный слой закалялся и становился хрупким. При ударах эта «скорлупа» углеродистой стали отделялась от слитка в виде пластинок. Затем крицу вновь разогревали и повторяли вышеописанную операцию, пока весь слиток не превращался в такие пластинки. Затем пластинки разогревали в горне и сваривали между собой, получая стальную заготовку, пригодную для изготовления различных изделий. Уклад вполне подходил для изготовления холодного оружия. Для улучшения качеств такое оружие часто изготавливалось по пакетной схеме — как в нашем случае. Чаще всего количество пакетов сокращалось до двух: в тело клинка из мягкой или сырцовой стали вваривались (или наваривались) лезвия из высокоуглеродистой стали, полученные с помощью цементации железа или сырцовой стали.

Статья «Железный век» опубликована в журнале «Популярная механика» (№76, февраль 2009).

Комментарии

23 комментария