Учёные рассказали RT о металлургических технологиях средневековой Руси

Викинги принесли на Русь особую технологию изготовления оружия — когда лезвие составлялось из трёх слоёв разного по составу металла и скреплялось ковкой в единый «пакет». Эта технология доминировала на Руси с X по первую половину XII века, но одновременно в глубинке существовали и собственные методы ковки орудий с наварными стальными лезвиями. В дальнейшем именно этот подход вытеснил скандинавскую технологию. Такие данные были получены в результате изучения археологических артефактов современными естественно-научными методами. Об этих методиках в интервью RT рассказали ведущий научный сотрудник лаборатории естественно-научных методов Института археологии РАН, доктор исторических наук Владимир Завьялов и главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, доктор химических наук, профессор РАН Андрей Ширяев.

— Какие сведения могут дать археологам и историкам современные естественно-научные методы анализа артефактов?

Владимир Завьялов: С Андреем Альбертовичем Ширяевым и ИФХЭ РАН мы начали сотрудничать в 2019 году. Сначала мы исследовали артефакты, найденные при раскопках, а потом пришли к выводу, что наиболее интересную информацию о производстве металлов дают металлургические шлаки. По их составу и структуре мы многое узнаём как о процессе производства, так и об источнике руды.

По-настоящему плавить железо научились только в XIX веке, потому что для этого нужна температура от 1540 °С. Ранее умели достигать температур 1100—1300 °С. При этой температуре железо в жидкое состояние не переходило, однако для удобства я буду называть этот процесс «плавкой».

Железные руды можно условно разделить на руды с высоким или низким содержанием фосфора. Фосфор оказывает большое влияние на свойства железа, поэтому известны случаи целенаправленного применения железа с высоким содержанием этого элемента. Если после «плавки» оставались высокофосфористые шлаки, то можно предполагать, что таким же было и железо, и руда, послужившая сырьём для его изготовления.

Так, когда мы провели металлографические исследования (метод изучения закономерностей образования структуры металла. — RT) изделий, найденных в знаменитом археологическом комплексе Гнёздово (относится к концу IX — началу XI века. — RT) под Смоленском, оказалось, что многие ножи были произведены с использованием именно фосфористого железа.

При этом среди других предметов — серпов, кос, шильев — предметов из фосфористого железа оказалось немного. Большая часть таких артефактов была сделана из железа с низким содержанием фосфора. Когда же мы исследовали шлаки, оставшиеся от металлургического производства, оказалось, что фосфора в них тоже мало.

Этим фактам можно предложить два объяснения. Либо все ножи попали на Русь из других мест: технология производства металлоизделий с использованием высокофосфористого железа, по всей видимости, зародилась в Скандинавии в VI —VII веке. В исследуемую эпоху (конец IX — начало XI века) она была широко распространена и на территории Восточной Европы.

Вторым объяснением присутствия в коллекции из Гнёздова железных предметов как из фосфористого, так и из «обычного» железа может быть то, что в поселении существовала ещё одна, пока ещё не открытая археологами мастерская, которая работала с фосфористыми рудами. Тогда возникает вопрос: почему в одном месте появляется руда такого разного состава? Металлургические комплексы всегда строились возле рудопроявлений. Руду издалека никто не возил.

— Как проводится металлографический анализ артефактов?

В. З.: Это достаточно трудоёмкий процесс. Из исследуемого предмета нужно выпилить образец, заплавить его в специальный состав, отшлифовать, отполировать, протравить, посмотреть под микроскопом, сфотографировать структуру, измерить микротвёрдость. И он требует разрушения образца, поэтому в Европе его применяют редко, да и у нас есть большие трудности с музейными коллекциями. Мы для исследования всегда старались брать предметы с изъяном — не имеет значения, целый нож или надломанный.

За 50 лет у нас накоплен самый большой в мире банк металлографических анализов — 14,5 тыс. единиц. Но современное музейное дело негативно относится к отбору даже небольших по размерам образцов. В информационной системе фиксируется полная информация о каждом образце, включая размер. Но ведь вещи со временем всё равно корродируют и рассыпаются даже в музеях. Процесс коррозии неостановим, если предмет не реставрировать или хотя бы не законсервировать специальными ингибиторами. Образец, изъятый из среды, где он хранился 1 тыс. лет, может полностью деградировать за два десятилетия. Когда предметов тысячи, как в крупных музеях, всё отреставрировать невозможно.

— А какие есть исследовательские методики, которые позволяют изучить структуру и состав артефактов, не разрушая их?

Андрей Ширяев: Все учёные согласны с тем, что металлография — единственный метод, который может дать информацию о способе создания предмета. Однако существуют и другие методики, у которых есть свои преимущества, — всё зависит от конкретной задачи.

Например, электронная микроскопия точна, но не очень представительна, поскольку исследуется небольшая область. Рентгеновская флуоресценция (регистрация флуоресценции, которая возникает в процессе облучения образца фотонами с высокой энергией. — RT) захватывает большую зону и не разрушает образцы, но всё равно часто необходима пробоподготовка, иначе мы рискуем исследовать не сам материал, а продукты его коррозии на поверхности. При этом рентгенофлуоресцентный анализатор позволяет с относительно маленькой площади — 1 мм и меньше — получить данные о химическом составе образца. Например, если мы возьмём неоднородный образец, то мы можем сделать не валовый, не усреднённый по всему изделию анализ, а рассмотреть конкретные области.

— Может, мастера сами вносили какие-то примеси в железо?

В. З.: Внести примеси можно в жидкий расплав. Поэтому есть разные сорта бронзы. А при сыродутном процессе (известная с II тысячелетия до н. э. технология получения тестообразного железа в горне. — RT) в металл ничего внести нельзя — в железо мог проникать только углерод. Все другие примеси, включая фосфор, находились в руде изначально.

— А когда древние мастера догадались, что в железо можно вносить углерод и получать сталь? И как это делалось?

В. З.: Это большой исторический вопрос. Науглероживание железа открыли, вероятно, в XII веке до н. э. Железо науглероживается, когда руду нагревают вместе с древесным углём при металлургическом процессе в сыродутном горне. В результате кузнецы получали так называемую крицу, из которой при ковке удаляли шлаки.

Мы считаем, что металл, который тогда производили, был не чистым железом, а сырцовой сталью, получавшейся в ходе восстановления железной руды. Дело в том, что соблюсти точную пропорцию руды и угля, чтобы получить чистое железо, очень сложно. К тому же разные руды имеют разный состав и содержат разные примеси. Поэтому чистое железо древние металлурги получать, скорее всего, не могли. Они получали малоуглеродистый, неоднородный металл, в котором, конечно, могли быть участки чистого железа. Но в целом это была хотя и малоуглеродистая, но сталь, клинки из которой, по мнению зарубежных учёных, превосходили клинки из лучшей бронзы. Чистое железо научились производить только в раннем Средневековье.

— Какие технологии изготовления орудий труда и оружия применялись на Руси в Средние века?

В. З.: Викинги принесли на Русь очень интересную технологию так называемого трёхслойного пакета. Железные изделия состоят из трёх частей: по краям железные полосы, а в центре сталь. Но когда у нас накопился большой объём анализов, выяснилось, что существовало два варианта трёхслойного пакета. Первый, так называемый североевропейский, выглядит следующим образом: по бокам изделия, например ножа, расположены пластинки из фосфористого железа, а середина — высокоуглеродистая сталь. Именно эта технология зафиксирована в Скандинавии в VI—VII веках.

Второй вариант — восточноевропейский. Там либо железо обычное, а не фосфористое, либо в центре сырцовая сталь с неравномерным содержанием углерода или низкоуглеродистая. По форме такие ножи отличаются от скандинавских. Это можно объяснить так: со скандинавами на Русь приходили мастера, владевшие технологией. Восточноевропейские мастера восприняли эту технологию, но по-своему. Фосфористое железо требует специальных приёмов обработки, мастера могли их не знать.

Однако во второй половине XII века трёхслойный пакет исчез, его сменила технология наварки, когда на основу ножа наваривалось стальное лезвие. Она была известна у западных славян в VII—VIII веках. На нашей территории она появилась примерно в VIII веке и потом полностью не исчезала даже на фоне популярности трёхслойного пакета. И если в городах того периода наварные изделия встречались редко (порядка 5% находок), то в сельских памятниках IX—XI веков обнаружилось до 15% орудий с наварными лезвиями.

Скорее всего, сельские кузнецы сохранили старинные славянские технологии, тогда как в городах использовали «модные» скандинавские. Но в середине XII века о скандинавах уже никто не говорит и трёхслойный пакет сменяется наваркой.

Так что трёхслойный пакет появляется взрывным образом, распространяется широко, доходит даже до Приуралья, но существует короткое время. Наварка, напротив, применялась очень долго.

У меня были орудия XVIII века из поморских посёлков на Шпицбергене, и среди них были ножи с наварным лезвием. Значит, даже в индустриальную эпоху в сельских кузницах использовалась технология наварки.

— В чём преимущества каждой из технологий?

В. З.: Наварное лезвие можно заменить, если оно стёрлось. А трёхслойный пакет используется до полного стачивания лезвия, он ремонту не подлежит. Мы находим очень узкие клинки, почти в 1 см шириной — так сильно сточили их лезвие.

Борис Александрович Колчин (советский историк и археолог, основатель лаборатории естественно-научных методов Института археологии РАН) считал, что наварка — это развитие трёхслойного пакета. Нет, это совершенно разные технологии.