Сварка железа и стали, была широко распространенным технологическим приемом в древней Руси. Кузнечной сваркой называется процесс получения неразъемного соединения двух кусков нагретого и находящегося в пластическом состоянии металла путем применения механического воздействия — ударов молотом.
Сварочная техника древнерусских кузнецов уже в X в. стояла на высоком техническом уровне[2]. Об этом говорят древнерусские мечи, ножи и другие изделия из погребений дружинников. Хорошо освоенная и тонко разработанная технология сварки железа и стали дала возможность древнерусским ремесленникам изготовлять высококачественные орудия труда, оружие и инструмент.
Основой древнерусской технологии изготовления режущего лезвия, 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.
Сварить железо с железом или железо с малоуглеродистой сталью (до 0,3% С) нетрудно. Труднее свариваются стали с содержанием углерода 0,4—0,6%. Очень трудно сварить сталь с содержанием углерода 0,8—0,9% и особенно трудно сварить эту сталь с железом.
Чтобы привести металл в пластическое состояние, при котором могла бы произойти сварка, необходим нагрев при высокой температуре. Для железа и стали с разным содержанием углерода температуры нагрева будут разными. Для чистого железа эта температура колеблется около 1425—1475°, для стали с содержанием углерода 0,4%—около 1300—1350° и для стали с 0,8% углерода — около 1200—1250°. 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.
Как показывает микроструктура сварочных швов, подавляющая их масса на древнерусских изделиях имеет очень чистое и тонкое строение, а, следовательно, и прочное соединение. Обращает на себя внимание прочность и чистота швов при сварке железа и высокоуглеродистой стали. Большинство швов почти не имеет шлаковых включений.
Все это говорит о том, что древнерусский кузнец умел очень точно определять степень нагрева металла, что в условиях древней Руси было возможно только по цветам каления, а для железа и каждого сорта стали этот цвет разный. Нужно было очень хорошо знать свойства и состав свариваемых металлов (железо или сталь, и какая именно сталь), чтобы для них определять необходимый цвет каления.
При нагреве металл окисляется, покрываясь окалиной, которая препятствует сварке. Окалину необходимо удалять, для чего применяют особые вещества, называемые флюсами, которыми посыпают места сварки. При высокой температуре флюс, соединяясь с окалиной, образует слой жидкого шлака, который защищает свариваемую поверхность от дальнейшего окисления и легко может быть удален в момент сварки (встряхиванием изделия и выжиманием из шва при ударах молотом). Таким флюсом у древнерусских кузнецов служил кварцевый песок. О том, что кузнец применял флюс очень умело, говорят микроструктуры сварочных швов.
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 2—5 мм. Не намного толще были свариваемые полосы в многослойных лезвиях кожей. Нагреть одновременно полоску железа и полоску стали толщиной 2—5 мм до сварочного жара и не сжечь металл (а он быстро начнет искрить, т. е. гореть) представляет большую техническую трудность.
Для науглероживания железных изделий, т. е. для придания сталистых поверхностей, и для дополнительного науглероживания наваренных стальных лезвий, например, в мечах. В древней Руси применялась цементация. Цементации подвергались напильники, ножи, мечи, копья, резцы и другие изделия. Цементация была известна уже в X в.
В историко-технической и этнографической литературе описаны два способа цементации железа твердым карбюризатором. Первый способ: цементация металла уже в готовой среде — древесном угле. Второй способ: цементация, при которой процесс образования цементирующей массы происходит непосредственно при нагреве (сгорание органического вещества) в соприкосновении с металлом.
О технологии цементации можно судить по сообщениям Теофила и русским этнографическим материалам ХIХ в. Процесс цементации железного напильника Теофил описывает следующим образом: «После того как напильники опробованы..., их сматывают старым свиным салом и обматывают ремешками, нарезанными из козлиной кожи, и затем обвязывают льняными нитками. После этого их тщательно покрывают предварительно размешанной глиной, оставляя свободным черенок. Когда глина высохнет, надо их положить в горн и раздуть его настолько, чтобы кожа сгорела. После этого их освободить от глины и охладить в воде и высушить равномерно над огнем».
Другой способ применяли русские кустари ХТХ в. Они делали особую железную трубочку с одним дном, в нее вставляли железный напильник и оставшееся пространство наполняли мелкими роговыми стружками. Затем несколько трубок с напильниками клали в железный ящик, наполненный доверху мелким углем, ставили его в горн и нагревали в терние 1,5—2 час. После этого напильники вместе с трубками охлаждали в воле. Этим же способом древнерусские кузнецы могли цементировать напильники, ножи, резцы и другие изделия. Обращает на себя внимание сложность и трудоемкость работ при цементации мечей.
Термическая обработка. В древней Руси ремесленники по обработке железа и стали, 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. Микроструктура подавляющей массы термически обработанных изделий показывает, что при термической обработке стали изделие подвергали нагреву в интервале 800—950°.
Очень важным элементом технологии термической обработки, говорящим о высокой технической культуре древнерусского кузнеца, является дифференцированный подход к выбору режима закалки и отпуска исходя из технических условий того или иного вида изделий.
К изделиям, подвергающимся ударным нагрузкам, как например топоры, применялся высокий отпуск. Большая часть изученных нами топоров закалена на сорбит (13 образцов). Высокому отпуску подвергались также копья. Серпы и косы подвергались среднему отпуску (на троостит), ножницы — среднему отпуску (троостит и троостит с сорбитом). Ножи в подавляющей массе закаливались на мартенсит отпуска; напильники только закаливались на мартенсит или мартенсит и троостит без последующего отпуска. Соответственно отпуску дифференцировалась на изделиях и мягкая закалка. Все указанные выше режимы полностью удовлетворяли условиям эксплуатации изделий.
Многим технологическим операциям кузнеца сопутствовали разнообразные обряды, заговоры и т. п. Особенно таинственно должна была происходить — 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.
Строительные технологии
По совершенству архитектурных решений и художественному оформлению наши церкви, часовни, монастыри занимали в старину исключительное положение. Расположение их отличалось глубокой продуманностью. Благодаря высокому строительному искусству того времени многие их них выстояли, несмотря на тяжелые испытания временем[3].
Одним из важнейших компонентов грунтов под живопись, штукатурок и кладочных растворов служила известь, получаемая путем обжига природного камня - известняка.
В результате соединения извести с водой гашения получали пластичную массу - известняковое тесто. Известняковое тесто высыхает, сильно уменьшается в объеме и трескается, поэтому к нему добавляется наполнитель, чаще всего - кварцевый песок, который служил скелетом, препятствующим изменению объема.
В качестве добавок использовали измельченную просеянную керамику - цемянку, толченый древесный уголь, известняк, измельченный до тонкости обычного кварцевого песка, измельченные растительные волокнистые добавки - лен, пеньку, солому, костру, волокна пакли.
На протяжении столетий составы кладочных и штукатурных растворов, применяемых при возведении храмов, менялись.
Техника изготовления кладочных и штукатурных растворов, успешно развивавшаяся в Древней Руси на основе преимущественно византийских традиций, с монгольским нашествием пришла в упадок. Постепенное их улучшение связано со временем возникновения централизованного Московского государства и проходило первоначально с участием иноземных, чаще итальянских, мастеров.
Как правило, на Руси при возведении храмов использовались местные сорта извести с их характерными особенностями, которые часто диктовали своеобразную, несколько отличную у различных мастеров технологию. Поэтому сведения о строительных материалах, дошедшие до нас, кажутся противоречивыми.
В строительной технике Великого Новгорода первоначально применялись известково-цемяночные растворы с добавками измельченного льна, соломы. К крупнейшим памятникам этого периода относится Софийский собор.
Впервые штукатурные растворы в Софийском соборе появились в первой половине 12 века.
Наполнителем в штукатурках служил тонкомолотый кирпич. В качестве добавок применялись волокна растительного происхождения длиной до 10-20 мм в количестве приблизительно 0,5%.
В 14 в. и в начале 15 в. в Великом Новгороде в штукатурки добавляли древесный уголь в количестве 1-1,5 %. К расцвету этого периода относится церковь Федора Стратилата.
Штукатурные растворы Киевских Золотых ворот (1037 г.), Успенской церкви Печерского монастыря Киевской лавры (1073 г.) имели известково-песчаный состав с добавлением цемянки.
Известково-цемяночные растворы обнаружены в соборах Смоленска, Борисоглебском соборе, Софийском соборе г. Полоцка.
В растворах Дмитриевского собора г. Владимира (12 в.) встречаются наполнители, состоящие на 1/3 из кварцевого песка и на 2/3 измельченного туфовидного известняка.
Штукатурные растворы-грунты за редким исключением наносились в два и реже в один слой. Нижний слой служил подготовкой, обеспечивающей связь с кладкой стены и ее выравнивание. Толщина его в зависимости от характера кладки колебалась от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Верхний слой, служащий непосредственным носителем красочного слоя, был значительно тоньше, но в отдельных случаях доходил до 2 сантиметров. Оба слоя могли быть однородны по основному составу или отличаться добавлением отдельных компонентов, но наружный слой, как правило, всегда был более тщательно подготовлен.
Характер грунта для настенной живописи во многом определялся техникой предстоящей живописи.
Среди древнерусских штукатурных растворов встречаются штукатурки, которые практически не содержат наполнителя или содержат его в небольшом количестве.
В рукописи Нектария рекомендуется добавлять к извести отвар мелкотолченой еловой коры, ячменного зерна и овсяной муки, что было выявлено позднее аналитическим путем в грунтах 15-17 вв. В 18 веке появляются растворы с добавкой гипса (в Санкт-Петербурге).
Следует отметить, что большое внимание в древней Руси уделялось приготовлению известкового теста, которое готовилось очень тщательно. Известковые растворы готовили из старой извести, выдержанной в творильной яме иногда в течение 5-7 лет. Известь ежедневно промывали водой, перелопачивали, зимой давали отлежаться.
Такая обработка извести, в частности, была применена в 1642-1643 гг. под росписи московского Успенского собора.
Используемые кварцевые пески тщательно отмывали от глинистых примесей, ослабляющих сцепление зерен кварца и извести, просеивали. Как правило, для верхних штукатурных слоев использовали более мелкие фракции песка, для нижних - более крупные.
Измельченный древесный уголь, цемянку, кирпичную муку чаще всего добавляли в растворы, находящиеся в условиях повышенной влажности. Кроме того, уголь повышает пористость и уменьшает вес раствора. При этом строго следили, чтобы уголь не содержал недожога.
Измельченные известковые зерна, добавляемые в растворы, способствовали образованию крепкого кристаллического сростка, ускоряли твердение и увеличивали прочность. Цемянка увеличивала водоудерживающую способность, обеспечивала хорошее сцепление с кирпичной кладкой. Растительные волокнистые добавки увеличивали прочность, пористость, способствовали испарению влаги, обеспечивали возможность штукатуркам и кладочным растворам "дышать".
Качество выполнения строительных работ оформлялось договорами. В одном из них записано: «Строить, как мера и красота скажет». В конце 18 в. в договоре на работы в Новоиерусалимском монастыре под Москвой оговаривалось: «Работу производить хорошим мастерством, прочно, крепко и чисто».
Исследования составов штукатурок и кладочных растворов свидетельствуют об умении зодчих того времени подбирать пропорции извести, наполнителей, добавок в зависимости от свойств строительных материалов и места их применения.