Не можливо точно визначити, коли почали добувати і обробляти метали.
Можливо лише припустити, який з металів першим знайшов практичне застосування. Вірогідно це були метали, які зустрічались у природі у чистому вигляді - у самородках. Мова йде про мідь та золото. З золота не можливо було виготовити знаряддя праці або озброєння, але знайомство з ним надало людям досвід, що став корисним їм при обробці інших металів. Залізо зустрічалось у чистому вигляді в метеоритах, але надзвичайно рідко.
Людство пройшло три етапи свого розвитку: в кам'яному, бронзовому та залізному століттях. Дослідженням встановлено, що виготовлення та застосування бронзового литва відноситься до третього-другого тисячоліття до н.е., хоча археологами виявлена мідна сокира, яка відливалась близько чотирьох тисяч років тому до н.е. Необхідно відмітити, що розвиток металообробки в Америці, до її відкриття Колумбом, як і в Європі, починався з золота та міді. Ця паралель у розвитку народів різних континентів можливо пояснюється тим, що обидва названих метали зустрічаються у відносно чистому вигляді. Доведено, що племена, які жили поблизу озера Верхнього у Північній Америці, вже приблизно три тисячі років до н.е. добували мідь, та способом холодного кування виготовляли з неї зброю, інструменти, а також прикраси. Технології плавки та обробки їм були відомі. Археологічні знахідки нічого не повідомляють про застосування заліза в бронзовий вік. Його почали використовувати лише 700 років до н.е. До нас дійшли відомості про високе мистецтво індіанських майстрів металургів. Прикладом може служити сплав золота та міді з назвою "тумбага", який складався з 82% золота, та 18% міді і мав температуру плавлення 880 градусів С, в той час коли золото має 1065o С, мідь - 1083o С. При холодній обробці сплав "тумбага" збільшує міцність, твердість та пружність.
У Єгипті знайшли самий давній виріб з заліза (датований четвертим тисячоліттям до н.е.) - намисто з метеоритного заліза, хімічний склад якого становив: 8-10% нікель; 0,5% кобальт; фосфор, сірка, вуглець, хром, мідь до 1,0% разом узятих. Метеоритне залізо оброблялось, як і мідь, куванням на холодну. У такий спосіб виробу надавали необхідну форму, міцність та твердість. В давнину метеоритне залізо називали "небесною міддю".
Але залізо не стало замінником бронзи. В залізному віці бронзових виробів було навіть більше, ніж у бронзовому. Пояснення цьому: залізо коштувало дуже дорого, у 15-20 разів дорожче бронзи. Є відомості, що один з ассірійських царів, який жив 3000 років тому, пишався своїми залізними виробами, які для нього були дорожче золота.
В історії народів Сходу теж можна розрізнити бронзовий і залізний віки. Войовничі кочівники Середньої Азії мали металеві (бронзові) обладунки і залізне озброєння. Як розповідають легенди, колискою монголів та туркменів були багаті поклади Алтайських гір, а народи, які прийшли зі сходу, внесли великий вклад у розвиток та розповсюдження металургії та металообробки.
У Китаї залізний вік почався пізніше ніж в інших країнах, котрі були розташовані на заході. З руди китайські ковалі отримували не залізо, що кується, а чавун, з нього потім виготовляли сталь або відливки. В Китаї чавун був розповсюджений значно більше ніж в інших країнах, а ливарна техніка досягла високого рівня та досконалості. У першому тисячолітті до н.е. китайці вже виготовляли надзвичайно великі відливки, деякі з них збереглися до наших днів, наприклад, чавунний дзвін, висотою чотири метра, діаметром три метри та вагою майже 60 тон, який був відлитий приблизно в 1000-му році н.е.
Вражаючи шедеври виготовляли і металурги давньої Індії, які навчилися виготовляти великі поковки. В Делі знаходиться відома Кутубська колона вагою 6 тон, висотою 7,5 м, діаметром 40 см. Вражає те, що колонна не іржавіє. Виготовлена вона приблизно у 380-330-му році до н.е. М. Беккерт робить припущення , що колона виготовлена з окремих криць, зварених в ковальському горні, а не ржавіє , на думку деяких вчених тому, що колона в своєму хімічному складі має фосфор, який з киснем утворює сполуку Р2О5 і плівка з цієї сполуки захищає колону від іржі. Майстри давньої Індії виготовляли мечі із сталі, які цінувалися дуже дорого. Мечі виготовляли з так званої булатної сталі.
Народи Південної Європи (греки, римляни) спочатку користувалися привозним залізом. Пізніше дорійці почали добувати залізну руду у самій Греції і внесли свій вклад у розвиток металообробки, забезпечивши матеріальну базу для розвитку античного мистецтва. Грецькі архітектори при будівництві застосовували залізні дюбелі. Гермоген із Пріону (близько 200 років до н.е.), один із прославлених зодчих еллінської епохи, збудував храм Артеміди в місті Магнезія. Храм за своїми розмірами та розкішшю поступався лише дідімському та ефеському храмам. Барабани колон скріплювали дюбелями довжиною 130 мм, шириною 90 мм та товщиною 15 мм. Як засвідчила металографія, дюбелі складалися з неоднорідного залізного матеріалу: одні дільниці були стальними, а інші залізні надзвичайної чистоти. Міцність дюбеля дорівнювала 38 кг/мм2, що відповідає міцності сучасних конструкційних сталей.
У Центральній Європі ранній залізний вік приходиться приблизно на 1000-450-ті роки до н.е. Цю епоху називають гельдштатською за назвою міста в Австрії, на околицях якого археологи знайшли багато металевих виробів того часу. Разом з залізним інструментом широко застосовувався і інструмент з бронзи.
У Середні віки були закладені суттєві основи науки про метали. Одним з витоків цієї науки стала алхімія. Арабські металурги першими почали експериментувати та розробили багато лабораторних приладів та технологій, які склали базу для розвитку експериментальної хімії та металургії. Вони розплавляли, перегоняли, випарювали різні речовини. Безумовно в своїх працях алхіміки використовували давні знання (Вавилон, Єгипет). Алхіміки з'явилися у Європі в ХІ-ХІІ сторіччях і дуже вплинули на розвиток природознавства. Вони ознаменували своєю працею ранню стадію розвитку хімічної науки. Найвищою метою алхіміків було створення філософського каменю, також вони намагалися перетворити неблагородні метали в дорогоцінні. Алхіміки розробляли нові хімічні та металургійні методики. Саме вони здійснили багато відкриттів та винаходів - від пороху до фарфору.
Середньовіччя було періодом розвитку багатьох ремесел пов'язаних з металообробкою. Ковалі, жерстяники, ливарники, лудильники та багато інших робітників набували досвіду, працюючи з металами. Саме в цей період у Київській Русі, Західній Європі (Іспанія - Толедо, Німеччина - Золінг) поширюється виготовлення холодного озброєння та домашніх приладів зі зварної - дамаської сталі.
О. Герчиков в статті "Про булат" (журнал "Химия и жизнь", №5, 1980 р.) пише: "Давні майстри вважали, що зовнішні ознаки - візерунок, колір та дзвін - сповна визначає якість булату. Ні хімічного аналізу, ні вимірювань міцності, ні аналізу структури металу тоді не було і ніхто не міг пояснити, чому тим чи іншим властивостям відповідає визначена форма візерунку. Якщо так, то можливо було видати за булатний і який-небудь інший клинок, якби він імітував зовнішні ознаки. Чим вище цінувався справжній булат, тим більше з'являлось підробок. Центрами підробок булату довгий час були Сирія та Єгипет. Звідти клинки вивозили до країн Середземноморья і ще далі, до Центральної та Північної Європи. У наш час дамаська сталь називається зварним булатом. Якщо справжній булат - це лита сталь, то зварний булат робили зі смуг або прутків, складених разом. Їх нагрівали, а потім проковували. Смуги зварювалися між собою. Коли смуги були зі сталі різного складу, то при травленні на клинку з'являвся візерунок схожий на булатний. Проте фахівець визначав зварний булат відразу - візерунок у сусідніх фрагментах повторюється, як на шпалерах, а лінії візерунку коротші та постійної товщини.
Проте треба надати належне і дамаській сталі, вона дуже гарна і її виготовлення також вимагало неабиякої майстерності. Адже важко зварити смуги різнорідної сталі в один суцільний шмат. Треба дуже точно витримувати температуру кування, використовувати особливі флюси, кувати з визначеною силою. Важко отримати і хвилястий візерунок, щоб при цьому клинок був твердим, гнучким та гострим. Виробництво дамаської сталі стало самостійним промислом зі своїми таємницями та традиціями. Спосіб, який дозволяє отримати візерунок куванням та ковальським зварюванням, зараз називають дамаскуванням. В міру того, як виробництво справжнього булату занепадало, його місце займала дамаська сталь. У Західній Європі до XVсторіччя не знали про існування іншого булату крім зварного. У той час виникають нові центри виготовлення металів. Один з них знаходився у Толедо, іспанські зброярі запозичили таємниці дамаської сталі у арабів, які жили на Піренейському півострові. Виготовляли клинки в Толедо і з литої сталі, на якій при травленні виявлявся слабкий візерунок. В зв'язку з тим, що виготовлені клинки були дуже гарні, справжній булат, який завозили з Індії, не був достатньою мірою оцінений у Європі. А потім його виробництво зовсім припинилося.
У XVI-XVIII сторіччі литу сталь виготовляли у багатьох країнах і будь-який клинок зі сталі можливо було видати за булатний, треба було лише навести візерунок. Особливого успіху в цій справі досягли майстри з німецького міста Клінгенталя. Вони наводили візерунок на клинку пензлем та різцем, а потім протравлювали його на полірованій сталі. Але підробка підробкою, а промисловість, котра розвивалась дуже швидко, вимагала все більше сталі кращої якості. Ось тоді і згадали про справжній булат".
У журналі "Клинок" №4, 2005 р. наведені процеси виплавки та охолодження сталі. Трохи менше є відомостей про гартування булату та зовсім мало про кування є в джерелах дослідників, мандрівників та металургів. Проте, існують описання про виготовлення безпосередньо дамаської сталі, а саме - про спосіб кування. Так, наприклад, Манфред Беккерт у книзі "Світ металу" (видавництво Мир, Москва, 1980) згадує про технологію виготовлення шпаг в Толедо. Клинок виготовляли не з одного шматка, а складали разом три смуги: дві стальні ззовні та одну з м'якого заліза всередині. Смуги з'єднували шляхом ковальського зварювання таким чином, щоб середня м'яка смуга трохи виступала з одного кінця, до якого потім приєднували ефес. Іншій кінець заготовки, тобто лезо клинка, відтягували на кувалді спочатку в гарячому стані, а потім на холодну і відпалювали. Якість холодного озброєння дуже залежить від гартування. Клинок, нагрітий до червоного кольору, охолоджували у проточній воді, а для того, щоб він зберіг достатню в'язкість знову нагрівали до невисоких температур, тобто проводили відпуск. Ці технології передавалися з покоління в покоління, і ковалі строго їх дотримувалися. Температуру гартування і відпуску вони визначали по кольору мінливості (кольору, який набуває поверхня стального виробу після нагрівання до визначених температур). Був визначений кут нахилу, під яким треба було занурювати нагрітий клинок в проточну воду. Передбачалася також серія випробувань якості виробу, щоб перевірити рівномірність гартування. Наприклад, для перевірки твердості леза і в'язкості клинка існувала проба на шоломі: випробувач тричі наносив удари клинком по шолому напівкруглої форми. Якщо випробування завершувалися успішно, приступали до завершальної обробки і художнього оздоблення виробу. Клинки, які збереглися до нашого часу, втілюють у собі накопичений століттями досвід отримання та обробки високоякісної сталі. Сьогодні їх виготовлення вже не складає таємниці, технологічні заходи, що застосовувалися давніми майстрами-зброярами, отримали своє наукове пояснення та обґрунтування.
Археологи встановили, що ще на початку нашої ери ковалі Київської Русі виготовляли ножі зі стальними лезами. Їм була відома також технологія виробництва сокир, серпів, ножиць та інших виробів побутового призначення. З великим успіхом давні ковалі Київської Русі виготовляли і холодну зброю. Їм були відомі такі технологічні процеси як зварювання, кування, цементація, обточка, різання, полірування, пайка, інкрустація. Високого рівня складна техніка зварювання заліза з вуглецевою сталлю, яка використовувалася вже у Х ст., давала можливість виготовляти різні інструменти і холодне озброєння, що користувалося великим попитом як в Київській Русі, так і за кордоном. Арабський письменник Ібн-Хордадбех в середині ІХ ст. писав: "Що стосується купців руських - вони є плем'я із слов'ян - вони вивозять хутра видри, хутра лисиць і мечі з віддалених Славонії до Румейського (Чорного) моря". В Х-ХІІ ст. окремі ковалі Київської Русі досконально володіли методами механічної та термічної обробки заліза і сталі. Б. Колчин у книзі "Техніка обробки металу в древній Русі" надає способи одержання криці, заліза і сталі, а також виготовлення холодного озброєння і знарядь домашнього вжитку.
А зараз зупинимося на процесах збагачення руди - бурого залізняка. Бурий залізняк, в залежності від покладу, зустрічається в трьох видах: власне бурий залізняк, який знаходиться в землі на визначеній глибині, болотна або лугова руда і озерна руда. Металурги Київської Русі широко використовували болотно-лугову руду. Разом з цим добували і бурий залізняк в районі його виходу на поверхню. Землі Київської Русі в основному були рівнинними і мали великі для того часу і легко доступні запаси залізної руди. Для сиродутного процесу, коли повітря подається в горн для згоряння вугілля не підігрітим, і який утворює багато залізистого шлаку, треба використовувати багату залізну руду. Для одержання такого концентрату, насиченого рудою-залізом, треба збагачувати видобуту руду. Тому металурги Київської Русі просушували (вивітрювали), відпалювали, роздрібнювали, промивали, просівали здобуту породу, якого б походження вона не була. Для всіх цих операцій застосовувався дуже простий реманент: для здрібнення руди - дерев'яна колода і ступа, для просівання-промивання - дерев'яні решітки (сітка з прутків). Збагачена таким шляхом руда завантажувалася в піч разом з вугіллям і з неї отримували крицю, сталь чи чавун в залежності від технологічного процесу, попиту населення в тих чи інших виробах, а також державних потреб.
Нижче викладається технологічний процес одержання дамаської сталі та виробів з неї. Треба зазначити, що виготовлення булатної і дамаської сталі в Київській Русі було налагоджено значно раніше, ніж в Західній Європі. Так, наприклад, в героїчній французькій поемі "Рело де Монтабан" згадується "кольчуга, зроблена в Київській Русі".
Технологічний процес виготовлення холодного озброєння в Київській Русі з дамаської сталі виглядав таким чином. При нагріванні метал окислюється, покривається окалиною, яка зашкоджує зварюванню металу. Окалину необхідно віддалити, для чого застосовують особливу речовину, котра називається флюсом (саме їм посипають місця зварювання). При високій температурі флюс з'єднується з окалиною, утворює шар рідкого шлаку, який захищає поверхню від подальшого окислення і легко може бути видалений під час зварювання виробу перед куванням або "вижиманням" з шва під час кування. Таким флюсом у Київській Русі був кварцовий пісок, іноді застосовувався твердий припой на міцній основі, а також м'який припой на олов'яній основі (вони мають температуру плавлення 700 і 300 градусів відповідно). Крім того, застосовувались припої на мідній, срібній та золотій основі, які використовувалися при роботі з благородними металами. Твердий припай мав чисту мідь, лише були сліди олова і свинцю. Сутність процесу полягала в тому, що деталі по шву обмазували мідним порошком або клали між ними мідну пластину, потім з'єднували, скріплюючи дротом або вставляючи в глиняні матриці, і клали в горн. При високій температурі горна (не нижче температури плавлення припою) мідь розплавлялась і дифундувала в нагріте залізо, яке в свою чергу проникало в мідь. Чим менший був зазор в деталях, тим міцніше тримався шов. Яким шляхом видалялись окисли з поверхні деталі в місці пайки? Вірогідно, що разом з припоєм додавали в шов і флюс, який вже в печі при високій температурі з'єднувався з окислами заліза, і тим самим очищував шов. Шви утворювалися чистими, без пористості. Горнова пайка дозволяла майстрам отримувати стійкі з'єднання деталей з заліза і сталі і виготовляти надійні механізми, які часто складалися з 40 окремих деталей.
В Київській Русі крім заліза дуже широко застосовувалася вуглецева сталь. Всі ріжучі знаряддя труда, озброєння, інструменти виготовлялися з заліза і сталі або з однієї сталі. Серед письмових пам'ятників зазначеного історичного періоду є джерело, в якому згадується про різновид сталі, що застосовувалася в Київській Русі при виготовленні холодного озброєння. Це мінералогічний трактат хорезмійського вченого енциклопедиста Аль-Біруні, написаний в 1048 році: "Руси виготовляли свої мечі з шапуркана, а доли посередині їх з нармохана" (шапуркан - сталь, отримана безпосередньо в сиродутній печі або шляхом цементації (томлення) заліза в горні; нармохан - м'яке сиродутне залізо).
Б. Колчин зазначає: зварити залізо з залізом і залізо з маловуглецевою сталлю (до 0,3%) неважко. Важче зварити сталі з кількістю вуглецю 0,4-0,6%. Ще важче зварити сталь з кількістю вуглецю 0,8-0,9% і особливо важко зварити сталь з залізом. Щоб привести метал в пластичний стан, при якому може відбутися зварювання, як відомо, необхідно нагрівати його до високих температур. Для чистого заліза ця температура коливається в межах 1425-1475о С, для сталі з кількістю вуглецю 0,4% - 1300-1350о С, а для сталі з кількістю вуглецю 0,8% - 1200-1250о С.
Неодмінною умовою цементації є нагрівання заліза до температури не нижче 900 град. Цельсія. В сталях ця температура відповідно нижче. Практично для заліза температура повинна бути не нижче 1000о. А ось що пише про цементацію Б. Колчин. Процес цементації залізного терпуга проводиться наступним чином. Терпуг змащують свинячим салом і обмотують ремінцями, нарізаними з козлячої шкіри, а потім обв'язують льняними нитками. Після цього покривають попередньо розмішаною глиною, залишаючи вільним черешок. Коли глина висохне, треба вироби покласти в горн і роздути його так, щоб шкіра згоріла. Інший спосіб застосовували російські кустарі ХІХ ст. Вони робили особливу залізну трубочку з одним дном, вставляли в неї залізний терпуг, а залишковий проміжок між терпугом і стінками трубки заповняли дрібною роговою стружкою. Потім декілька трубочок клали в ящик, заповнений дрібним вугіллям, ставили в горн і нагрівали впродовж 1,5-2 години. Після того терпуги разом з трубками охолоджували у воді. Цим же способом майстри Київської Русі цементували терпуги, різці, ножі та ін. Про гартування Б. Колчин пише, що виріб нагрівають до температури 800-900о С, потім охолоджують у воді. Далі виріб піддається повторному нагріванню. При структурі мартенситу виріб нагрівають не вище 300о, а при структурі троститу - до температури 500-650о. Саме таким чином відбувався відпуск виробу. Не зрозуміло лише одне - яким чином ковалі Київської Русі визначали мікроструктуру і чи взагалі вони мали поняття про мікроструктуру. Скоріше за все в цьому питанні є невідповідність у визначенні температури відпуску, пов'язаної з мікроструктурою, або це припущення Б. Колчин зробив на підставі сучасних знань. Далі - деякі напрацювання автора, пов'язані з отриманням дамаської сталі. Був розроблений технологічних процес, суть якого полягає в наступному: для виготовлення зварної (дамаської) сталі застосовують заготовки заліза, сталі з різною кількістю вуглецю, верхня межа якого складає 1,2%, на контактних поверхнях заготовок наносяться зарубки глибиною до 1 мм, нагрівання заготовок проводиться при температурі 1000-1200о С в захисному середовищі. Між контактними поверхнями засипається пісок, а перед деформуванням заготовки струшують, звільняючи їх від шлаку та окалини. В якості захисного середовища застосовують сажу або графіт, котрі засипають в ящик, де розміщені заготовки.
На підставі розробленого технологічного процесу Назаренко В.Р., Бондаренко Л.І., Яновський В.Ф. і Долгінська М.О. отримали авторське свідоцтво №1575433 АІ від 1988 року.
Я переконався в тому, що при виготовленні дамаської сталі треба мати хист, точніше, володіти майстерністю. Важко зварити складові майбутньої заготовки в один суцільний блок, треба точно витримувати температуру кування, використовувати спеціальні флюси, а не лише пісок, кувати з визначеною силою, а для того, щоб отримати складний візерунок найвищого ґатунку, треба заготовку в процесі кування декілька разів перегинати, потім кувати, витягуючи, знову перегинати і знову витягувати. Застосовують ще скручування заготовки або кування під різними кутами.
Надалі мені довелося впроваджувати булатну сталь у виробництво, тому подальші роботи з дамаською сталлю не проводилися.
|
|
