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.
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.
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 каче-стве 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».
