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».
