«Старинные славянские технологии»: российские учёные — о металлургии и оружейном деле на Руси в Средние века

— 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. 

• Экспериментальный сыродутный горн в работе
• © Владимир Завьялов

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.

Также по теме

«Старались комбинировать разные материалы»: российские учёные выяснили секрет ковки мечей в средневековой Европе

Российские исследователи использовали методы металлографии, чтобы выяснить, каким образом средневековым кузнецам удавалось создавать...

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.

• Экспериментальная ковка археологической крицы
• © Владимир Завьялов

— 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.

Также по теме

«Колоссальные возможности»: специалист ГИМ — об инновациях в современной археологии

15 августа в России — День археолога. Профессиональный праздник пока не имеет официального статуса, но это не мешает археологическому...

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.

• Сыродутный горн в поселении «Истье-2» (Рязанская обл.)
• © Владимир Завьялов

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.

Мы проводили серии анализов, которые показали, что некоторые изделия были выполнены из руд, полученных из разных источников. Обнаружив примеси: марганец, магний, титан, — можно выйти на источник руды. Например, судя по анализам, во всех изделиях присутствует много марганца, и вдруг в каком-то артефакте его нет — значит, в данном случае использована руда из другого месторождения.

— 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.

Также по теме

«Ремесленные традиции разных стран»: археолог — о раскопках столицы Золотой Орды в Астраханской области

Золотая Орда, хотя и была степным государством кочевников, имела также развитую городскую культуру. По мере завоевания новых...

— 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.

• Рукояти мечей викингов
• Gettyimages.ru
• © Werner Forman/Universal Images Group

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.

Отмечу, что на Руси технология трёхслойного ножа появилась фактически в одночасье. Все подобные артефакты, которые были обнаружены во время раскопок, датированы позднее рубежа IX—X веков. Трёхслойный пакет очень быстро завоевал популярность и стал основой городского древнерусского ремесла. Во всех древнерусских городах с X по первую половину XII века трёхслойный пакет доминирует. Его много и в сельских памятниках.

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.

• Реконструкция средневекового скандинавского меча
• Gettyimages.ru
• © DeAgostini

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.

По моей просьбе кузнец-экспериментатор проводил работу по созданию трёхслойного пакета. Он показал, что сделать трёхслойный пакет проще, чем наварить лезвие. При создании пакета железные заготовки с двух сторон обхватывают стальную пластину и держат её. Чтобы наварить лезвие, его нужно каким-то образом на пластине закрепить, и это непросто, потому что изделие длинное, ударишь по одному краю — отойдёт другой.

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.