Выполнила: Макарова Кристина Ученица 11 класса МОУ СОШ с. Дубовый Мыс Проверила: Попова. Е. А

Около 300 древнерусских изделий из черного металла были подвергнуты нами микроструктурному, макроструктурному, рентгеноструктурному и спектральному анализам и была измерена твердость и микротвердость металла этих изделий. Основным методом исследования в изучении технологии производства послужил металлографический анализ, для которого у каждого исследуемого изделия нами вырезался образец. В подавляющей массе образцы брались из рабочей части изделия в поперечном сечении. Так как большинство изделий в своей рабочей части представляет собой режущее или рубящее лезвие, то шлиф, сделанный на образце в поперечном сечении, выявлял наиболее полно структуру изделия от острия до обуха клинка.

При микротравлении и макротравлении на шлифе выявились зоны с различными структурными составляющими ( структуры чистого железа, сварочных швов, переходных слоев, железо - углеродистых сплавов, стали в отожженном или термически обработанном состоянии и т. п.). При нанесении этих зон на чертеж шлифа обычно в масштабе 10:1 мы получали схему технологического строения изделия. Для проверки однородности технологического строения всего изделия ( лезвия ) на некоторых предметах образцы для шлифов были взяты из разных мест лезвия. Во всех этих случаях на каждом отдельном изделии шлифы повторяли одну и ту же технологическую схему, что позволило в дальнейшем на основании одного шлифа на одном образце судить о строении всей рабочей части ( клинка ) изделия.

В итоге комплексного исследования большого количества орудий труда, оружия, ремесленного инструмента, утвари и прочих металлических изделий стало возможно обобщить отдельные технические характеристики и выявить разнообразные технологические приемы обработки металла в древней Руси. Основным видом обработки была обработка металла давлением (обработка в горячем состоянии путем ковки и штамповки). Наряду с этим существовали операции обработки металла резанием (опиловка напильником, обточка на точильном кругу, рубка зубилом и т. п.), которые в большинстве случаев имели доводочное назначение.

Свободная ковка (Механическая обработка нагретого металла давлением при помощи ударов молотом при свободном течении металла в современной технике называется свободной ковкой.) Со времени появления железа до введения сталелитейной техники свободная ковка была основным технологическим приемом, которым изделию придавали требуемую форму. Процесс ковки разделялся на ряд элементарных кузнечных операций: а) вытяжка; б) высадка, осадка; в) рубка, обрезка; г) пробивка и прошивка отверстий; д) изгиб, скручивание; е) обжатие. Все эти операции в древней Руси были хорошо известны и широко применялись древнерусскими кузнецами.

Как известно, кузнечную ковку ( так называемую горячую обработку ) можно производить только с металлом, находящимся в пластическом состоянии, в которое обрабатываемый металл приводится путем нагрева в кузнечном горне. При нагреве металла очень важно достичь наиболее рациональной температуры поковки, повышение или понижение которой отрицательно влияет на строение металла, а значит, и ухудшает качество. Нагревая металл до очень высоких температур, кузнец может получить пережог, а при недостаточной температуре нагрева происходит так называемый наклеп металла, в результате чего понижаются вязкость и прочность металла ( наклеп повышает твердость ) и, кроме того, металл гораздо труднее обрабатывать. Нормальная температура ковки, при которой не происходит таких явлении, колеблется для железа между 90U1300° и для стали ( например, при С 0,9%) между °, и, как показала структура металла исследованных предметов, древний кузнец всегда работал при этих температурах. Контролем температурного режима нагрева служили цвета каления железа и стали.

Деформирование нагретого металла производилось путем ударов молотом. Как уже говорилось выше, известные нам молоты имеют вес более 1,5 кг. Для поковок изделий малых и средних размеров такого веса вполне достаточно, но при изготовлении лемеха, чересла, косы, меча, топора и т. п., возможно, применяли и более тяжелые молоты весом до 2,5 кг.

Кузнечная сварка ( Кузнечной сваркой называется процесс получения неразъемного соединения двух кусков нагретого и находящегося в пластическом состоянии металла путем применения механического воздействия ударов молотом ), особенно сварка железа и стали, была широко распространенным технологическим приемом в древней Руси. Основой древнерусской технологии изготовления режущего лезвия, которое у большинства древнерусских орудий труда и оружия было их основной рабочей частью, являлось сочетание в лезвии двух материалов железа и стали путем соединения их сваркой. Существовало два вида такого соединения : первый изготовление многослойных лезвий, второй вид наварка на железную основу изделия стального лезвия. В древней Руси технология сварки была хорошо разработанным и освоенным технологическим приемом при обработке железа и стали.

Чтобы привести металл в пластическое состояние, при котором могла бы произойти сварка, как известно, необходим нагрев при высокой температуре. Для железа и стали с разным содержанием углерода температуры нагрева будут разными. Для чистого железа эта температура колеблется около °, для стали с содержанием углерода 0,4% около ° и для стали с 0,8% углерода около °. При недостаточности нагрева или сильном перегреве металла сварки не произойдет, поэтому нагрев металла является наиболее важной операцией при сварке ; малейшее упущение, недосмотр при нагреве сказываются на ее качестве.

Главная трудность сварки железа с высокоуглеродистой сталью заключается в необходимости очень точного определения наилучших сварочных температур того и другого металла (а эта температура находится в очень небольшом интервале), а также необходимости быстро производить сварку, иначе соединения металлов не произойдет. Со всем этим древнерусский кузнец справлялся достаточно умело, примером чего служит наварка высокоуглеродистых лезвий у таких изделий, как ножи, ножницы, косы, мечи и т п. В сварочной технике древней Руси поражает умение кузнецов работать с очень малыми объемами металла. Например, огромную трудность представляла сварка железа и стали в замочных пружинах. Пружины толщиной от 0,8 до 2 мм сваривались из двух полос железа и стали, следовательно, каждая половинка имела толщину от 0.4 до 1 мм. Если считать, что кузнец сваривал болванки пружин более толстого сечения и потом их вытягивал, то все же железные и стальные заготовки не могли превышать в толщине 25 мм. Не намного толще были свариваемые полосы в многослойных лезвиях кожей. Нагреть одновременно полоску железа и полоску стали толщиной 25 мм до сварочного жара и не сжечь металл (а он быстро начнет искрить, т. е. гореть) представляет большую техническую трудность.

Цементация (Цементацией называется процесс науглероживания железа или стали на некоторую глубину от поверхности для придания металлу сталистой структуры, а следовательно, и высокой твердости). Непременным условием цементации является нагрев железного предмета до температуры не ниже 910°. У сталей эта температура соответственно снижается. Практически для железа температура должна быть не ниже 1000°. В древней Руси цементация применялась как для науглероживания железных изделий, т. е. для придания сталистых поверхностей, так и для дополнительного науглероживания наваренных стальных лезвий, например, в мечах. Цементации подвергались напильники, ножи, мечи, копья, резцы и другие изделия. Цементация была известна уже в X в.

1 способ: цементация металла уже в готовой среде древесном угле. 2 способ: цементация, при которой процесс образования цементирующей массы происходит непосредственно при нагреве (сгорание органического вещества) в соприкосновении с металлом.

Термическая обработка (Термической обработкой называется нагрев металлических сплавов (для древней Руси сплава железа с углеродом углеродистой стали) до температур, при которых происходят фазовые превращения, выдержка при этих температурах и последующее быстрое или медленное охлаждение). В древней Руси ремесленники по обработке железа и стали «кузнеци железу», эмпирически осмыслив многие свойства стали и влияние на эти свойства разных режимов нагрева и охлаждения, создали практическую, тонко разработанную технологию термической обработки стали. Из исследованных нами более 200 цельностальных или со стальными лезвиями древнерусских изделий термическую обработку сохранил 91 % изделий. Остальные изделия находились в отожженном состоянии. Микроструктурное исследование, подтвержденное рентгеноструктурным анализом и измерением микротвердостей образцов, находящихся в термически обработанном состоянии, показало, что к 27% изделий был применен режим термической обработки закалки, а к 73% изделий режим термической обработки закалки с последующим отпуском. Из структур закалки были обнаружены структуры мартенсита закалки, мартенсита и троостита закалки, троостита закалки и сорбита закалки. Из структур отпуска обнаружены мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбит отпуска и феррит.

Структура мартенсита закалки свидетельствует о применении быстрого охладителя, каким может быть вода при нормальной температуре. Подобная структура при большом увеличении представлена на фиг 24, 1. Структура троостит и сорбит закалки свидетельствует о применении закалочных сред, дающих более медленное охлаждение, чем вода. Такими средами могли быть подогретая вода, растительное масло или животный жир. Кроме разнообразных охлаждающих жидкостей, древнерусский кузнец применял и разные другие способы охлаждения предмета. Многие изделия закаливались целиком, т. е. совсем опускались в воду или жидкость. К числу таких относятся ножи, напильники, серпы. Другие изделия закаливались частично только в рабочей части. К их числу относятся топоры, долота, копья, зубила и ряд подобных изделий. При такой закалке возможны два варианта обработки: нагрев всего изделия и частичное охлаждение (только лезвия), или нагрев только закаливаемой рабочей части, что возможно на больших и длинных предметах долотах, топорах, и последующее охлаждение всего изделия. При обоих способах получалось твердое лезвие, мягкое тело изделия и плавный переход между ними. Особенно важна была такая закалка на цельностальных изделиях.

Древнерусские письменные памятники о технике термической обработки стали, кроме лаконических упоминаний, как «каленые сабли» или «каленые стрелы», ничего не сохранили, но в переводной древнерусской литературе XXI вв. имеется два очень интересных замечания. Русский переводчик, очень хорошо понимая смысл греческого оригинала и легко подбирая русскую терминологию, писал: «Пешь искушает оцел во калении» (Печь отпускает каленую сталь), т. е. перед нами предельно копоткая древнерусская формула об отжиге стали. Наиболее интересна вторая рукопись. Переводчик «ХШ слов Григория Богослова» спрашивает «донъждеже горить железо калить» (отчего раскаленное железо холодом закаливается).

Очень интересные сведения о закалке напильников, стальных резцов и других инструментов содержатся у цитированного выше Теофила. Три маленькие главы посвящены описанию закалки. Приведем их полностью. « Закалка напильников. Сожгите на огне бычьи рога и примешайте в массу одну треть соли, основательно все размешав. После этого суньте напильники в огонь и когда они накалятся, насыпьте на них со всех сторон приготовленную смесь. Когда все разгорится, надо огонь раскалить до яркого горения, следя за тем, чтобы калильная масса не отпадала. Выньте потом напильники м охлаждайте их равномерно в воде, вытащив их из воды, слегка подсушите над огнем. Таким способом закалите все напильники, которые сделаны из стали ». Перед нами верно изложенная и технически совершенная операция закалки с отпуском. Смесь жженого рога и соли препятствовала обезуглероживанию поверхности напильника и, в частности, верхушек зубьев. Операция подсушивания на огне есть самый обычный низкий отпуск.

В следующей главе излагается технология частичной закалки острия резца. « Закаливание резцов. Резцы тоже закаливаются, причем следующим образом. Отшлифованные и пригнанные на конце резцы своими передними концами засовываются в огонь. Как только они начинают накаливаться, они вытаскиваются и охлаждаются в воде ».

И, наконец, в третьей главе Теофил приводит еще способ закалки инструмента. « Приводят еще один способ закаливания инструмента, которым режут стекло и мягкие камни. Берут трехлетнего барана, привязывают его и в течение трех дней его не кормят. На четвертый день его кормят только папоротником. Спустя два дня такой кормежки его ставят на следующую ночь в боченок с пробитыми снизу дырами. Под эти дыры ставят сосуд, в который собирается моча барана. Собранная таким образом за две - три ночи в достаточном количестве моча барана изымается и в указанной моче закаливают инструмент ». В этой главе важен состав закалочной среды моча барана, которая дает большую скорость охлаждения, чем вода. Закаленные в ней инструменты могли получать структуру наивысшей твердости. Теофил указывает, что так закаливали инструменты для резания стекла и мягких камней. Вообще история техники сохранила немало способов закалки стали, иногда и фантастических, например, закалку клинков в теле раба, в воздушной струе воздуха, сидя на мчащемся коне, в жидком мучном тесте и т. п.

Пайка ( Пайкой называется процесс соединения двух или нескольких металлических предметов путем ввода между ними более легкоплавкого металла или сплава ( припоя ), чем соединяемые металлы, и взаимного растворения в этом припое частиц поверхности соединяемых металлов ). Этот процесс был известен человеку еще в глубокой древности. Техникой пайки уже хорошо владели металлурги бронзового века. При обработке цветных и благородных металлов процесс пайки с древности до настоящего времени является основным технологическим приемом при соединении отдельных частей изделия.

На территории Восточной Европы еще в античное время пайка широко применялась ювелирами при изготовлении конструктивно сложных украшений из благородных и цветных металлов. В Киевской Руси технология пайки железа и стали была уже высоко развитой и широко применялась. Ею, как основным приемом соединения деталей при обработке черного металла, пользовались в первую очередь замочники. Прочность спаянного шва в основном зависит от вида применяемого припоя. Различают две группы припоев : мягкие, с низкой температурой плавления, и твердые, с высокой температурой плавления. Твердые припои придают соединению большую прочность и твердость. У мягких припоев температура плавления не превышает 300° Наиболее распространенным припоем этой группы являются сплавы на оловянной основе. У твердых припоев температура плавления бывает выше 700°. К ним принадлежат сплавы на медной, серебряной и золотой основе. Последние два припоя употребляются исключительно при работе с благородными металлами. Проведенные исследования паяных швов ( спектральный и структурный анализы ) на замках и ключах к ним показали, что древнерусский замочник применял для спаивания железа и стали твердый припои на медной основе. В двух случаях это была чистая медь, лишь со следами олова и свинца ; в трех случаях медь с примесью олова и свинца. Содержание свинца было до 35%2

Горновая пайка, явившаяся крупным техническим достижением древнерусской техники, позволила замочникам получать прочные, стойкие соединения деталей из железа и стали и изготовлять надежные замочные механизмы, очень часто состоявшие из 40 отдельных деталей.

Технология кузнечного ремесла была во многом для кузнеца загадочной, а так как «сила железа» и в них самих вызывала страх, то практические технологические приемы обработки железа сопровождались заклинаниями, заговорами и ритуальными обрядами. Этнографический и фольклорный материал разных народов сохранил множество поверий, связанных с кузнечным ремеслом. Индийские металлурги считали, что «божеством, которое покровительствует их профессии, является Лоха-Сур, который, по предположению, живет в плавильных печах и которому они приносят в жертву черную курицу. Они поклоняются своим кузнечным орудиям в день Дасара и в течение Пагун приносят им в жертву домашнюю птицу». Не приносили ли подобную жертву и древнерусские металлурги? В Пскове рядом с сыродутными печами VIII в. были обнаружены жертвенники с большим количеством жженых костей. Приносили жертву кузнечному богу Шашв еще в прошлом столетии кузнецы Абхазии.

Магическая роль кузнеца, связанная с таинственностью его профессии и магической силой его орудий, не ограничивалась только железоделательным и железо- обрабатывающим производством, но распространялась и на ряд других функций общественного порядка. Кузнеца считали лекарем, совершителем браков, колдуном и т. п. Лечебная практика кузнецов заключалась или в ритуальных обрядах силой кузнечного инструмента изгонялись из больного злой дух и болезнь, или в изготовлении лечебных амулетов из железа чаще всего это были браслеты и подвески. Лечебные кузнецы в народной медицине дожили до XIX в. В Белоруссии существовал заговор «на море, на кияни лежит бел камень-латырь, на том белом камне-латыре стоит золотая кузня. В той кузне Кузьма-Демьян, купальный Иван. Имеет у себя Кузьма-Демьян, купальный Иван 12 молотобойцев, 12 молотов. Кузьма-Демьян, купальный Иван бьют побивают, лихую болезнь выбивают...».

О древнерусском языческом боге-кузнеце, покровителе всех ремесел, русские летописи сохранили мало сведений. Только в одном месте (1114 г.) летописец, рассказывая о стеклянных бусах, будто бы падающих в Ладоге из тучи, приводит несколько известных ему историй, в том числе и рассказ о том, что «по немь Феоста (Гефест.Авт.) иже и Соварога нарекоша Егуптяне. Царствующую сему Феоста в Египте, во время царства его, спадоша клеше с небес, нача ковать оружье, прежде бо того палицами и камением бяхуся. Тъ же Феоста закон оустави... единому мюжю едину жену имети и жене за один мужь посагати,аще ли кто переступить, да ввергнуть и в пещь огненну. Сего ради прозваша и Сварогом». (Затем Феоста, которого и Сварогом называли египтяне. В царствование этого Феоста в Египте упали клещи с неба и начали ковать оружие, а до того они палицами и камнями бились. Той же Феоста закон издал... одному мужчине одну жену иметь и жене за одного мужа выходить; если же кто преступит этот закон, да ввергнут его в печь огненную, того ради прозвали его Сварогом.) Из этого отрывка мы узнаем, что Сварог, славянский бог кузнец, являлся изобретателем металлов «нача ковати оружье», первым кузнецом и покровителем семьи. Огонь русские славяне называли сварожичем, сыном Сварога. Эти сюжеты повторяются и в легендах о Кузьме и Демьяне. «Кузьма-Демьян, говорят старые люди, был первый человек у бога когда свет начинался. Этот Кузьма-Демьян первый был кузнец и первый плуг сделал в мире».

Многим технологическим операциям кузнеца также сопутствовали разнообразные обряды, заговоры и т. п. Особенно таинственно должна была происходить наиболее загадочная операция закалка стальных лезвий орудий труда и оружия. В темной кузнице, темнота которой была практически необходима для определения цвета каления металла, произнося заговоры и заклинания, кузнец нагревал изделия и затем опускал их в специально приготовленную жидкость. Производственные мифы, созданные еще в доклассовом обществе о боге-кузнеце, покровительствующем кузнечному искусству, продолжали жить в народном поверье до недавнего прошлого.