История железа
Железные сплавыПравить
Более-менее общеизвестно, что материал, в обиходе называемый железом, даже в простейшем случае представляет собой сплав собственно железа, как химического элемента, с углеродом. При концентрации углерода менее 0.3% получается мягкий пластичный тугоплавкий металл, за которым и закрепляется название его основного ингредиента — железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.
При концентрации углерода более 0,3%, но менее 2,14% сплав называется сталью. В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке, — при резком охлаждении сталь приобретает большую твердость, — замечательное достоинство, однако, почти совершенно сводимое на нет благоприобретенной в процессе той же закалки хрупкостью. Представление о древней стали сейчас можно составить швырнув о каменный пол старый, советского производства, напильник.
Наконец, при концентрации углерода свыше 2,14% мы получаем чугун. Хрупкий, легкоплавкий, хорошо пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой, металл.
Первым шагом в зарождающейся черной металлургии было получение железа путем восстановления его из окиси. Руда перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. При высокой температуре создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем, который был связан с атомами железа.
После выгорания угля в печи оставалась так называемая крица, — комок не поймешь чего, но с примесью восстановленного железа. Крицу потом снова разогревали и подвергали обработке ковкой, выколачивая железо из шлака. Долгое время в металлургии железа именно ковка была основным элементом технологического процесса, причем, с приданием изделию формы она было связана в последнюю очередь. Ковкой получался сам материал.
Сталь производилась уже из готового железа путем науглероживания последнего. При высокой температуре и недостатке кислорода углерод, не успевая окисляться, пропитывал железо. Чем больше было углерода, тем тверже оказывалась сталь после закалки.
Как можно было заметить, ни один из перечисленных выше сплавов не обладает таким свойством, как упругость. Железный сплав может приобрести это качество, только если в нем возникает четкая кристаллическая структура, что происходит, например, в процессе застывания из расплава. Проблема же древних металлургов заключалась в том, что расплавить железо они не могли. Для этого требуется разогреть его до 1540 градусов, в то время как технологии древности позволяли достичь температур в 1000−1300 градусов. Вплоть до середины XIX века возможным считалось расплавить до жидкого состояния только чугун, так как плавкость железных сплавов возрастает по мере увеличения концентрации углерода.
Таким образом, ни железо, ни сталь сами по себе для изготовления оружия не годились. Орудия и инструменты из чистого железа выходили слишком мягкими, а из чистой стали — слишком хрупкими. Потому, чтобы изготовить, например, меч, приходилось делать бутерброд из двух пластин железа, между которыми закладывалась стальная пластина. При заточке мягкое железо стачивалось и появлялась стальная режущая кромка.
Такое оружие, сваренное из нескольких слоев с разными механическими свойствами, называлось сварным. Общими недостатками этой технологии являлись излишняя массивность и недостаточная прочность изделий. Сварной меч не мог пружинить, вследствие чего неизбежно ломался или гнулся при ударе о непреодолимую преграду.
Отсутствием упругости недостатки сварного оружия не исчерпывались. В дополнение к упомянутым недостаткам, его, например, невозможно было толком заточить. Железу можно было придать какую угодно остроту (хотя и стачивалось оно со страшной скоростью), но и тупилась мягкая режущая кромка из железа почти мгновенно. Сталь же точиться не желала, — режущая кромка крошилась. Здесь налицо полная аналогия с карандашами, — мягкий грифель легко сделать очень острым, но он сразу затупится, а твердый до особой остроты не доведешь, — десять раз сломается. Так что, бритвы приходилось делать из железа и затачивать заново ежедневно.
В целом же, сварное оружие не превосходило остротой столовый нож. Уже одно это обстоятельство требовало делать его достаточно массивным для придания удовлетворительных рубящих свойств.
Единственной мерой позволяющей достичь сочетания остроты и твердости в рамках технологии сварки была закалка изделия уже после его заточки. Применим же этот метод становился в случае, если стальная режущая кромка приваривалась просто к железному обуху, а не заключалась в «бутерброд» из железа. Либо, закалены после заточки могли быть клинки, у которых железный сердечник оковывался снаружи сталью.
Недостатком такого метода было то, что заточка оказывалась возможна лишь однажды. Когда стальное лезвие иззубривалось и тупилось, весь клинок приходилось перековывать.
Тем не менее, именно освоение техники сварки, — несмотря на все ее недостатки, — произвело настоящий переворот во всех сферах человеческой деятельности и привело к огромному возрастанию производительных сил. Сварные орудия были вполне функциональны и, при том, общедоступны. Только с их распространением каменные орудия оказались окончательно вытеснены, и наступил век металла.
Железные орудия решительно расширили практические возможности человека. Стало возможным, например, строить рубленные из бревен дома, — ведь, железный топор валил дерево уже не в три, как медный, а в 10 раз быстрее, чем каменный. Широкое распространение получило и строительство из тесаного камня. Он, естественно, употреблялся и в эпоху бронзы, но большой расход сравнительно мягкого и дорогого металла решительно ограничивал такие эксперименты. Значительно расширились также и возможности земледельцев.
«Железная революция» началась на рубеже I тысячелетия до н. э. в Ассирии. С VIII века до н. э сварное железо быстро стало распространяться в Европе, в III веке до н. э. вытеснило бронзу в Китае и Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии и на Руси. В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.
Увидеть железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако, еще на заре железной металлургии, — в начале I тысячелетия до новой эры, — индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира, эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время.
Более технологичный путь получения упругой стали, при котором не требовались ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был найден в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждой ковке складывая заготовку вдвое, в результате чего получался отличный оружейный материал, называемый дамаском, из которого, в частности, делались знаменитые японские катаны.
С VII века в Китае и с XVI века в Европе получил распространение так называемый передельный процесс в металлургии, — технология, при которой железо еще при получении за счет высокой температуры плавления и интенсивного науглероживания перегонялось в чугун, а уже затем, жидкий чугун, освобождаясь от лишнего углерода при отжиге в горнах, превращался в сталь.
Из передельной стали уже можно было изготавливать кривые мечи (например, сабли), чего не позволяла сделать сварная технология.
Лучшая дамасковая сабля, клинок которой состоял из тысяч или даже десятков тысяч слоев металла, запросто перерубала передельную. Но против рядовых дамасковых клинков, при несравненно меньшей стоимости, мягкая передельная сталь за счет одной своей высокой упругости показала себя конкурентоспособной.
Производство железных сплавовПравить
Первым устройством для получения железа из руды была одноразовая сыродутная печь. При огромном количестве недостатков, долгое время это был единственный способ получить металл из руды.
Древние люди долгое время жили богато и счастливо, — каменные топоры делали из яшмы, а для получения меди пережигали малахит, но все хорошее имеет тенденцию кончаться. Одной из причин краха античной цивилизации Средиземноморья стало истощение минеральных ресурсов. Золото кончилось не в казне, а в недрах, олово иссякло даже на «Оловянных островах». Медь, хоть и добывается на Синае и Кипре до сих пор, но те месторождения, которые разрабатываются сейчас, римлянам доступны не были. Среди прочего, кончилась и пригодная для сыродутной обработки руда. Только свинца еще было много.
Впрочем, варварские племена, заселившие ставшую бесхозной Европу, долгое время не знали, что недра ее истощены предшественниками. Учитывая громадное падение объема производства металлов, тех ресурсов, которыми римляне побрезговали, долгое время хватало. Позже, металлургия стала возрождаться в первую очередь в Германии и Чехии, — то есть, там, куда римляне не добрались с кирками и тачками.
Более высокую ступень в развитии черной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь, — с четырехметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица.
Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а еще до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе.
Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи, — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на ее дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать.
Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века — пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались — так себе.
Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта, — чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому, рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа, — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз.
Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10%, как в штукофене, а 30% выхода составлял чугун, — «свиное железо» ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации.
Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался еще очень неоднородным, — из него выходили только предметы простые и грубые, — кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра.
Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения.
В свое время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Китайцы, а позже и европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.
Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счет увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным, — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась, — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков.
Доменные печи впервые были применены в Китае в VII веке, а на рубеже XV-XVI веков независимо изобретены в Европе. На Ближнем Востоке и в Индии эта технология появилась только в XIX веке (в значительной степени, вероятно, потому, что водяной двигатель из-за характерного дефицита воды на Ближнем Востоке не употреблялся). Наличие в Европе доменных печей позволило ей обогнать в XVI веке Турцию если не по качеству металла, то по валу. Это оказало несомненное влияние на исход борьбы, особенно когда оказалось, что из чугуна можно лить пушки.
С начала XVII века европейской кузницей стала Швеция производившая половину железа в Европе. В середине XVIII века ее роль в этом отношении стала стремительно падать, в связи с очередным изобретением, — применением в металлургии каменного угля.
Прежде всего, надо сказать, что до XVIII века включительно каменный уголь в металлургии практически не использовался — из-за высокого содержания вредных для качества продукта примесей, — в первую очередь, — серы. С XI века в Китае и с XVII века в Англии каменный уголь, правда, начали применять в пудлинговочных печах для отжига чугуна, но это позволяло достичь лишь небольшой экономии древесного угля, — большая часть топлива расходовалась на плавку, где исключить контакт угля с рудой было невозможно.
Устранять серу коксованием научились в Англии в 1735 году, после чего возможность использовать для выплавки железа большие запасы каменного угля, наконец, позволила европейцам обойти даже хитроумных китайцев. Но за пределами Англии эта технология распространилась только в XIX веке.
Потребление же топлива в металлургии уже тогда было огромно, — домна пожирала воз угля в час. Древесный уголь превратился в стратегический ресурс. Именно изобилие дерева в самой Швеции и принадлежащей ей Финляндии позволило шведам развернуть производство таких масштабов. Англичане, имевшие меньше лесов (да и те были зарезервированы для нужд флота), вынуждены были покупать железо в Швеции до тех пор, пока не научились использовать каменный уголь.
Обработка металлаПравить
Самой первой формой организации производства железных изделий были кузнецы-любители. Обычные крестьяне, которые в свободное от обработки земли время промышляли таким ремеслом. Кузнец этого сорта сам находил «руду» (ржавое болото или красный песок), сам выжигал уголь, сам выплавлял железо, сам ковал, сам обрабатывал.
Умение мастера на данном этапе закономерно было ограничено выковыванием изделий самой простой формы. Инструментарий же его состоял из мехов, каменных молота и наковальни и точильного камня. Железные орудия производились с помощью каменных.
Если удобные для разработки залежи руды имелись поблизости, то и целая деревня могла заниматься производством железа, но такое было возможным только при наличии устойчивой возможности выгодного сбыта продукции, чего практически не могло быть в условиях варварства.
Если же, допустим, на племя из 1000 человек имелся десяток производителей железа, каждый из которых за год соорудил бы пару-тройку сыродутных печей, то их трудами обеспечивалась концентрация железных изделий всего порядка 200 граммов на душу населения. И не в год, — а вообще.
Цифра эта, конечно, очень приблизительная, но факт тот, что, производя железо таким способом, никогда не удавалось за его счет полностью покрыть все потребности в самом простом оружии и самых необходимых орудиях труда. Из камня продолжали изготавливаться топоры, из дерева — гвозди и плуги. Металлические доспехи оставались недоступными даже для вождей.
Такого уровня возможностями обладали наиболее примитивные племена бриттов, германцев и славян в начале нашей эры. Каменным и костяным оружием отбивались прибалты и финны от крестоносцев, — а это уже оказывались XII-XIII века. Все эти народы, конечно, умели уже делать и железо, но еще не могли получить его в необходимом количестве.
Следующим этапом развития черной металлургии были профессиональные кузнецы, которые все еще сами выплавляли металл, но на добычу железоносного песка и выжигания угля чаще уже отправляли других мужиков, — в порядке натурального обмена. На этом этапе кузнец, обычно, уже имел помощника-молотобойца и как-то оборудованную кузницу.
С появлением кузнецов концентрация железных изделий возрастала в четыре-пять раз. Теперь уже каждый крестьянский двор мог быть обеспечен персональным ножом и топором. Возрастало и качество изделий. Кузнецы профессионалы, как правило, владели техникой сварки и могли вытягивать проволоку. В принципе, такой умелец мог получить и дамаск, если знал как, но производство дамаскового оружия требовало такого количества железа, что не могло еще быть сколько-то массовым.
В XVIII-XIX веках деревенские кузнецы умудрялись даже изготовлять стволы к нарезному оружию, но в этот период они уже пользовались оборудованием, которое сделали не сами. Некоторого масштаба перенос ремесленного производства из города в деревню становился возможным на таком этапе развития города, когда стоимость даже довольно сложного оборудования оказывается незначительной.
Средневековые же деревенские кузнецы сами делали свои орудия труда. Как умели. По этому рядовой мастер обычно преуспевал в изготовлении предметов простой плоской формы, но положительно затруднялся, когда требовалось изготовить трехмерное изделие, или состыковать несколько изделий между собой, — что, например, требовалось для создания надежного шлема. Изготовить же такое сложное изделие, как спусковой механизм для арбалета, деревенскому кузнецу не грозило, — для этого, ведь, потребовались бы даже измерительные устройства.
Не было у кустарных кузнецов и специализации, — и мечи, и иголки, и подковы делал один и тот же мастер. Более того, во все времена сельские кузнецы были заняты в первую очередь именно изготовлением наиболее необходимых односельчанам простейших производственных и бытовых орудий, но не оружия.
Впрочем, последнее отнюдь не отменяет того обстоятельства, что в примитивных культурах даже самый заурядный кузнец считался несколько с родни колдуну, хотя, более адекватно его можно уподобить художнику. Выковывание даже обычного меча было настоящим искусством.
Теоретически все выглядело просто: надо только наложить одна на другую три полоски металла, проковать их, и клинок готов. На практике, однако, возникали проблемы, — с одной стороны надо было добиться прочной сварки и даже взаимопроникновения слоев, а с другой, нельзя было нарушать равномерность толщины слоя (а она-то и была — с лист бумаги) и, тем более, допустить, чтобы слой разорвался. А, ведь, обработка производилась тяжелым молотом.
До разделения труда между городом и деревней годовое производство железа не превышало 100 граммов в год на человека, форма изделий была очень простой, а качество низким, и, когда описывается вооружение какого-нибудь варяга, систематически упускается из вида, что речь идет об оружии вождя, откопанном в его кургане. Варвары, которым курганы не полагались, вооружались существенно проще. На данном уровне развития производительных сил (характерном, например, для галлов, франков, норманнов, Руси X века) тяжелое вооружение могло иметься еще только у аристократии, — не более одного воина в броне на 1000 человек населения.
На новый уровень металлообрабатывающая промышленность вступала только, когда становилось возможным разделение труда и возникновение специальностей. Мастер железо покупал, причем покупал уже нужного качества, мастер покупал себе инструменты — необходимые по его профилю, и нанимал подмастерий. Если уж он делал ножи, то уж сдавал их на реализацию ящиками. Если делал мечи, — то не по два в год, а по четыре в неделю. И, естественно, обладал в соответствующее количество раз большим опытом в их изготовлении.
Но для возникновения специализации непременно требовался город, — хоть на несколько тысяч жителей, — чтобы мастер все мог купить и продать. Даже очень крупные призамковые поселки (а их население тоже иногда достигало нескольких тысяч человек) не давали такой возможности, — ведь, в них не только ни что не производилось на продажу в другие поселения, но и отсутствовал даже внутренний товарообмен.
Очевидно, что чем более развит был обмен, тем больше могло быть мастеров и их специализаций, тем более могло проявиться разделение труда, но для значительно развития обмена непременно требовались деньги и сравнительная стабильность.
Еще больший прогресс мог быть достигнут организацией мануфактуры, но вокруг нее требовалось выстроить уже 50 тысячный город, и еще чтобы несколько таких же было поблизости.
Тем не менее, даже после сосредоточения ремесленного производства в городах, колоритная фигура кузнеца оставалась непременным элементом пасторального ландшафта вплоть до начала, а кое-где и до середины XX века. Долгое время крестьяне просто не имели возможности покупать городские изделия. На ранних этапах развития обмена квалифицированные ремесленники обслуживали только господствующие классы, — в первую очередь военные сословия.
Кустарное производство железа, однако, перестало практиковаться сразу после распространения штукофенов. Кузнецы начали покупать железо в слитках, а еще чаще — железный лом, — на предмет перековки мечей на орала.
Когда же развитие товарности хозяйства сделало ремесленные изделия доступными широким массам, кузнецы еще долго занимались починкой сделанных в городах орудий.
Параллельно с решением организационных моментов улучшение методов обработки металлов требовало и совершенствования техники. Поскольку же основным методом была ковка, то усовершенствованию подлежали в первую очередь молоты.
Дело было в том, что, если ковка осуществлялась ручным молотом, то и размер изделия оказывался ограничен физическими возможностями кузнеца. Человек был способен отковать деталь весом не более нескольких килограммов. В большинстве случаев этого оказывалось достаточно, но при изготовлении, скажем, деталей осадных машин без механического молота, приводимого в движение водяным колесом, мулами или рабочими, было уже не обойтись.
Проблема выковывания массивных (до нескольких центнеров) деталей была решена еще в античности, но в период средних веков она обрела новую остроту, так как крицы, получаемые из штукофенов, тоже нельзя было отковать кувалдой.
Конечно, в принципе, можно было делить их на небольшие части, но, при этом, в каждой оказалось бы свое, причем неизвестное, содержание углерода, а потом, для изготовления мало-мальски крупного изделия полученные куски пришлось бы сковывать обратно.
Все это было крайне невыгодно. Ковать крицу надо было целиком. Потому, штукофен по-хорошему требовалось комплектовать даже не одной, а тремя водяными машинами, — одна качала мехи, другая орудовала молотом, третья откачивала воду из шахты. Без третьей тоже было ни как, — кустарными заготовками штукофен рудой было не обеспечить.
Связь объемов производства железа с технологиями, впрочем, была довольно слабой. Более это зависело от организации труда. Если металлург не отвлекался на другие задачи, то и сыродутных печей он мог наделать целую тучу. Так, в Риме производство достигло 1.5 килограмма на человека в год, и этого не хватало, — железо в Рим возили даже из Китая. В Европе же и Азии даже с использованием штукофенов производство, обычно, не достигало килограмма. Но с появлением доменных печей в Европе этот показатель разом возрос втрое, а в Швеции с XVII века достиг 20 килограммов в год. К концу XVIII века этот рекорд был побит, и в Англии на душу населения стало производиться уже 30 кг железа в год.
В России после петровской индустриализации производство достигло 3 килограммов на душу населения в год и оставалось на этом уровне до конца XVIII века.