Прыжок в прожлое. Эксперимент раскрывает тайны древних эпох

Малина Ярослав

Открытие, вероятно, состоялось — как это иногда случается — в результате какой-то неудачной операции. Ну, например, так: доисторическому земледельцу потребовалось пополнить запас каменных пластинок и топоров. Из кучи заготовок, лежавшим у его ног, он выбирал камень за камнем и умелым движениями отбивал одну пластину за другой. А потом в его руки попал какой-то блестящий угловатый камень, от которого, сколько он ни бил по нему, ни одна пластинка не отделялась. Более того, чем усерднее он дубасил по этому бесформенному куску сырья, тем больше тот начинал походить на лепешку, которую в конце концов можно было мять, крутить, вытягивать в длину и свивать в самые удивительные формы. Так люди впервые познакомились со свойствами цветных металлов — меди, золота, серебра, электрона. При изготовлении первых, очень простых украшений, оружия и инструментов им было достаточно самого распространенного технического приема каменного века — удара. Но эти предметы были мягкими, легко ломались и затуплялись. В таком виде они не могли угрожать господству камня. А кроме того, металлы в чистом виде, поддающиеся обработке камнем в холодном состоянии, в природе встречаются крайне редко. И все-таки новый камень им понравился, поэтому они экспериментировали с ним, комбинировали приемы обработки, ставили опыты, думали. Им пришлось,

естественно, пережить много неудач, и прошло очень много времени, прежде чем им удалось открыть истину. При высокой температуре (ее последствия они хорошо знали по обжигу керамики) камень (который мы сегодня называем медью) превращался в текучее вещество, принимавшее вид любой формы. Инструменты могли обрести очень острую режущую кромку, которую к тому же можно было затачивать. Сломанный инструмент не надо было выбрасывать — достаточно было его расплавить и снова отлить в форме. Потом они пришли к открытию, что медь можно получать обжиганием различных руд, которые встречаются куда чаще и в большем объеме, нежели чистые металлы. Конечно, они не узнали с первого взгляда металл, скрытый в руде, но эти ископаемые, несомненно, привлекали их своей пестрой окраской. А когда к этому после длинного ряда случайных, а впоследствии сознательных количественных экспериментов прибавилось открытие бронзы — твердого золотистого сплава меди и олова, длившееся миллионы лет господство камня пошатнулось в само своем основании.

В Центральной Европе медные изделия впервые появились в единичных случаях на закате неолита, несколько чаще они встречались в энеолите. Однако уже раньше, в седьмом — пятом тысячелетиях до н. э., более развитый Ближний Восток начал получать медь плавкой пригодных для этой цели окисных (куприт), карбонатных (малахит), а позднее и сульфидный руд (медный колчедан). Самой простой была плавка окисных руд, полученных из выветрелых медных месторождений. Такие руды можно при температуре 700–800 град. восстановить в чистую медь:

Cu2 O + CO → 2Cu+CO2

Когда древние литейщики прибавили к этому продукту олово (вспомним о египетском рецепте), возник сплав, который по своим свойствам далеко превосходил медь. Уже полпроцента олова повышает твердость сплава в четыре раза, 10 процентов — в восемь раз. Одновременно снижается точка плавления бронзы, на пример при 13 процентах олова почти на 300 °C. Отрылись врата в новую эпоху! За ними мы уже не встретим то старое однородное общество, где каждый делал почти все. Изготовлению предмета из металла предшествовал долгий путь — поиски рудных месторождений, добыча руды, плавка в плавильных ямах либо печах, разливка в изложницы; все это требовало целого комплекса специальных знаний и навыков. Поэтому среди ремесленников начинается дифференциация по специальностям: горняки, металлурги, литейщики и, наконец, торговцы, род занятий которых необходим остальным и потому ими высоко ценится. Не каждый мог успешно заниматься всем комплексом столь сложной деятельности. Со многими неудачами и трудностями столкнулись и современные экспериментаторы, когда попытались повторить некоторые технологические приемы доисторических металлургов и литейщиков.

Сергей Семенов обнаружил трассологическим методом и экспериментально подтвердил тот факт, что на заре бронзовой эры люди использовали для добычи и дробления руд весьма грубые каменные орудия из гранита, диорита и диабаза в виде мотыг, дубинок, наковален и дробилок.

Плавку малахитовой руды экспериментаторы опробовали в небольшом углубленном горне без использования воздушного дутья. Горн они высушили и обложили каменными плитами таким образом, что возникла круглая амбразура с внутренним диаметром около одного метра. Из древесного угля, использовавшегося в качестве топлива, в горне сделали конусообразное сооружение, в середину которого положили руду. После нескольких часов горения, когда температура открытого пламени достигала 600–700 °C, малахит расплавился до состояния оксидической меди, то есть металлическая медь не образовалась. Аналогичный результат был достигнут и в следующей попытке, когда вместо малахита использовали куприт. Причина неуспеха заключалась, по всей вероятности, в избытке воздуха в горне. Новый тест с малахитом, накрытым перевернутым керамическим сосудом (весь процесс протекал так же, как и в предыдущих случаях), принес в итоге медь губчатого вида. Небольшое количество цельной меди экспериментаторы получили лишь тогда, когда малахитовую руду перед плавкой раздробили. Сходные опыты были проведены в Австрии, альпийские руды которой имели огромное значение для доисторической Европы. Однако в печь экспериментаторы нагнетали воздух, благодаря чему достигли температуры 1100 °C, которая восстанавливала окислы в металлическую медь.

В одном из опытов экспериментаторы использовали для отливки бронзового серпа сохранившуюся из находок у Цюрихского озера половину оригинальной каменной формы, к которой изготовили парную сторону. Обе части формы высушили при температуре 150 °C и лили бронзу при 1150 °C. Форма осталась неповрежденной, отливка была хорошая. Тогда решили опробовать уже бронзовую двухстворчатую форму для топора, найденную во Франции. Она была тщательно просушена при температуре 150 °C. Потом ее залили бронзой при температуре 1150 °C. Было получено изделие великолепного качества. При этом не было обнаружено ни малейшего повреждения на бронзовой форме, что стало самым важным результатом эксперимента. Дело в том, что перед экспериментом некоторые исследователи высказывали мнение, что горячий металл, по всей вероятности, соединится с материалом формы.

При производстве предметов более сложной конфигурации древние литейщики использовали технику литья с потерей литейной формы. Восковую модель они обмазывали глиной. При обжиге глины воск вытекал, и его потом замещала бронза. Однако, вынимая бронзовую отливку, формы приходилось разбивать, так что рассчитывать на ее вторичное использование не приходилось. Экспериментаторы отрабатывали этот метод, исходя из технологической инструкции XVI века по изготовлению золотых и серебряных бубенчиков. Во время опытов они заменили золото медью, чтобы одновременно проверить возможность замены драгоценных металлов обычными. Температура плавления золота равна 1063 °C, меди — 1083 °C. В качестве образца была выбрана отливка медного бубенчика из стоянки первого тысячелетия до н. э. Форму изготовили из смеси глины и древесного угля, а модель — из пчелиного воска. Малое ядро сделали из смеси глины и молотого древесного угля и поместили в него маленький камешек — сердце бубенчика. Воск нанесли вокруг ядра тонким слоем, равным толщине стенки будущей

отливки, и прилепили восковое кольцо, образующее подвесок будущего бубенца. Восковую бобышку в форме рукоятки прикрепили над кольцом таким образом, чтобы она служила бункером для расплавленного металла во время разливки, затвердевания и усадки металла в отливке. В восковой оболочке на нижней части бубенца вырезали отверстие, чтобы формообразующая смесь из глины, древесного угля и воска заполнила отверстие и зафиксировала положение ядра после выплавки восковой модели и во время литья. Обернутую форму в верхней части проткнули несколькими соломинами, которые позже либо сгорели, либо просто были удалены. Через возникшие отверстия из формы во время литья выходил горячий воздух. Всю модель покрыли несколькими слоями размолотой глины и древесного угля и в течение двух дней сушили. Потом ее еще раз покрыли слоем угля и глины (для прочности формы) и над бобышкой прикрепили воронкообразный заливочный бункер из той же формообразующей смеси. Бобышку прикрепили слегка наискось, чтобы форма отливалась в наклонном состоянии. Это должно было обеспечить беспрепятственное стекание расплавленного метла по нижней части ее лицевой стороны, в то время как по противоположной стороне должен был происходить отток вытесняемого металлом воздуха до полного наполнения всей формы расплавленным металлом. Перед плавкой в бункер закрытый крышкой бросили обломки медной руды. После сушки форму поместили в печь, оборудованную каналом, обеспечивающим тягу. Печь заполнили четырьмя с половиной килограммами древесного угля и разогрели до температуры 1200 °C. Восковая модель и восковая бобышка расплавились и выпарились, медь расплавилась и стекла в форму, где и образовала металлический бубенчик. Потом внешнюю «рубашку» разбили, металлическую бобышку удалили, а глиняное ядро, образовавшее полую часть бубенца, выковыряли — остался только камешек.

Артур Питч провел целую серию экспериментов, посвященных чеканке бронзы: выделке проволоки, спирали, листа, сплошного кольца и профильного прута. Приобретенный опыт был использован им при изготовлении реплик бронзовых крученых колец дуринской культуры, относящейся к раннему железному веку. Всего сделал он семнадцать реплик, каждую из которых снабдил описанием археологического оригинала, перечнем использованных инструментов и приспособлений, анализом вещественного состава и, наконец, объяснением отдельных операций и указанием на длительность технологического процесса. Менее всего времени было затрачено на реплику номер два — двенадцать часов. Наибольшее — шестьдесят часов — потребовала реплика номер четырнадцать.

На протяжении бронзового века стали постепенно выявляться и неудобства, связанные с производством, прежде всего ограниченное наличие в природе сырьевых источников и истощение известных к тому времени месторождений. Это, безусловно, было одной из причин, почему люди искали новый металл, который мог бы удовлетворить постоянно возрастающие потребности. Этим требованиям отвечало железо. Сначала судьба его напоминала судьбу меди. Первое железо, метеоритного происхождения, либо полученное случайно, появилось уже в третьем и втором тысячелетиях до н. э. в Восточном Средиземноморье. Более трех тысячелетий назад стали работать металлургические печи в Передней Азии, Анатолии и Греции. У нас они появились в гальштатскую эпоху, но окончательно привились только в латенскую эпоху.

Среди сырья, применявшегося в древнем железоплавильном деле (окислы, карбонаты, силикаты). Наиболее распространенными были окислы: гематит, или железный блеск, лимонит, или бурый железняк, — смесь гидроокисей железа и с большим трудом восстанавливаемый магнетит.

Восстановление железа начинается уже приблизительно при температуре 500 °C. Вы, вероятно, сейчас зададите вопрос, почему железо стало применяться на столетия или тысячелетия позже меди и бронзы. Это объясняется условиями его тогдашнего производства. При тех температурах, которые достигались первыми металлургами в их горнах и печах (около 1100 °C), железо никогда не переходило в жидкое состояние (для этого необходимо хотя бы 1500 °C), а скапливалось в виде тестообразной массы, которая в благоприятных условиях сваривалась в крицу, пропитанную шлаком и остатками горючих материалов. При такой технологии в железо из древесного угля переходило ничтожно малое количество углерода — около одного процента, поэтому оно было мягким и поддающимся ковке даже в холодном состоянии. Изделия из такого железа не достигали твердости бронзы. Острия легко загибались и быстро затуплялись. Это было так называемое прямое, непосредственное производство железа. Оно сохранялось вплоть до XVII столетия. Правда, в некоторых доисторических и раннесредневековых печах можно было получить железо с более высоким уровнем углеродистости, то есть некое подобие стали. Только с XVII столетия стали применяться печи, где железо производилось в жидком состоянии и с высоким содержанием углерода, то есть твердое и хрупкое, из которого отливался слиток. Для получения стали необходимо было высокоуглеродистому железу придать ковкость путем удаления части содержащегося углерода. Поэтому такой метод называется непрямым производством железа. Но и доисторические кузнецы путем экспериментов расширяли свой опыт. Они обнаружили, что, нагревая железо в кузнечном горне, когда температура от древесного угля достигнет 800–900 °C, можно получать изделия с гораздо лучшими свойствами. Дело в том, что на их поверхности образуется тонкий слой с более высоким содержанием углерода, который придает предмету качества низкоуглеродной стали. Твердость железа возросла, когда был открыт принцип закалки и стали использоваться его преимущества.

Вероятно, самый ранний эксперимент в изучении древней металлургии распорядился провести около ста лет назад граф Вурмбранд. Его рабочие-металлурги в простейшем горне диаметром полтора метра использовали древесный уголь, обожженную руду и в процессе плавки улучшали условия горения слабым нагнетанием воздуха. Через двадцать шесть часов они получили приблизительно двадцатипроцентный выход железа, из которого выковали различные предметы. Сравнительно недавно плавку железной руды в аналогичном устройстве провели и английские экспериментаторы. Простой плавильный горн они реконструировали по подобию горна, обнаруженного на одной древнеримской стоянке. Оригинальный горн имел диаметр 120 см и глубину 45 см. Перед плавкой английские исследователи обожгли руду в окислительной среде при температуре 800 °C. После зажигания древесного угля в горн постепенно добавляли новые слои руды и древесного угля. В ходе эксперимента было использовано искусственное дутье фурмой. Для того, чтобы один слой руды, восстановленный окисью углерода, проник в под, требовалось около четырех часов. Рабочая температура доходила до 1100 °C, и железо скапливалось около устья фурмы. Выход в процессе плавки составил 20 процентов. Из 1,8 кг руды было получено 0,34 кг железа.