Для нужд кузни сложено три печи: горн, печь для цементации и двухкамерная печь для закалки и отпуска. В старой то, всё непосредственно в горне, да в малой печи делалась, а насколько это медленно и неудобно, вы и представить не можете. Горн закрытого типа, со столом, имеется горновое гнездо, фурмы, свод и дымоход кирпичные, центробежная улитка для поддува горячего воздуха, железные дверца и задвижки. Закрытый горн вдвое экономил уголь, в отличие от открытого, КПД которого не превышал десяти процентов. При нашей интенсивности работ уменьшение затрат на топливо важный момент.
Печь для цементации сложили колпаковую, с двойной теплоизоляцией стенок, с песочными и воздушными затворами. Для контроля температуры по цвету каления, в печи предусмотрено несколько щупов для разных зон и малое слюдяное окошко. Если у нас речь про цементацию зашла, то она кузнецам городским известна. Те обычно выдерживали ножи, да наконечники в горшке с углём, имели и более продвинуты рецепты. Добрын смазывал лезвия свиным салом со струганным рогом, обматывал ремешками из козлиной кожи, обвязывал льняными нитками. «Бутерброд» покрывал слоем глины и отправлял в горн, который раздувался до тех пор, пока кожа не сгорала. Результат, естественно, был противоречивый. Приходится учитывать слишком много факторов, нередко изделия получались прочными, но чрезвычайно хрупкими. Не знают ковали про соотношение времени выдержки и толщины закаливаемого слоя, про активаторы. Тонкостей и подводных камней в цементации хватает, не зря только в XVIII веке Рене Антуан де Реомюр подвёл под это дело хоть какую-то научную основу.
Потому местных ковалей продвинул малость. Инструмент укладывали в железный ящик, чтобы он были покрыт углём со всех сторон и не соприкасался друг с другом и со стенками. Ящик замазывали глиной и в печь. Главная фишка в правильной подготовке угля. Его сперва выжигали из дуба, мололи в порошок, просеивали чтобы зерно вышло не больше сантиметра. В качестве активатора применил смесь соли и поташа. Их самую малость нужно, не больше десятой части от массы угля. Соли размешивали в дистиллированной воде, пропитывали получившимся раствором уголь и сушили до влажности семь-десять процентов. Такой карбюризатор выходил не так дёшево, но зато его можно использовать повторно, только нового досыпать, освежить, так сказать.
За час выдержки толщина цементированного слоя вырастет всего на одну десятую миллиметра. Получается вот что. Для получения слоя в один миллиметр, требуется выдержка десять часов! И кто сейчас столько угля будет на это тратить?
В зависимости от нужной прочности цементировали на глубину от шести десятых до двух миллиметров. Цементацию вели при температуре порядка девятьсот пятидесяти градусов. Для крупных деталей использовали густую пасту, включающую сажу, соду, оксолат натрия[2] и столярный клей, как связующее. Использование пасты позволило получить цементационный слой одинаковой твердости и глубины по сечению и по поверхности поковок. Те части, что не нужно цементировать, защищали шамотной смесью из дважды обожжённой белой глины.
Всё, что подсказывал, не выходило за пределы знаний Добрына. И про флюсы, и про цементацию он и без меня знал. Добрын куда лучше меня температуру по цвету каления умел определять, а «чуйка» на температурные режимы вообще выше всяких похвал. И всё же, имелось направление, где он «плавал» словно малый ребёнок. Закалка и отпуск железа. Не только он, а вообще все кузнецы.
Средневековые мастера владели высоким искусством ручной обработки металла, но драгоценный опыт режимов закалки и отпуска они добывали по крупинкам, вслепую, без всякой теории. При этом, ценные наблюдения за изменением свойств металла у них причудливым образом смешивались с суеверными выдумками. Закалка стали была одной из областей металлургии, где господствовали самые нелепые взгляды. Кузнецы думали, что необходимую прочность уклад приобретает путем восприятия чудодейственных свойств различных веществ при закалке. Как-то Добрын растрогался, я ему один за одним секреты раскрывают, а он словно куркуль какой-то. Отозвал, в угол да поведал секретный отцов рецепт:
— Ежели треба железо сделать плавко, аки серебро, надобно взять соку, нажатого из травы золототысячницы и пустоцвету, а также солнцевой травы, вскипятить, остудить и в оное мягкое, да раскаленное до красна железо окунать дюжину раз с особым сказом.
Смотрю на него и спрашиваю:
— И что, сделал плавко?
— Нет, — отвечает, — солнцева трава дюже много стоит.
Что вы думаете? Не пожалел резан, купил тех трав и говорю:
— Давай делай плавко!
Результат сами понимаете какой. Ходил потом, три дня на меня дулся.
Закалка, есть процесс нагрева стали до высокой температуры с резким последующим охлаждением. Главное, чтобы произошедшие фазовые превращения не успели вернуться к исходному состоянию. Разумеется, температуры нагрева, охлаждающая среда и прочие тонкости для каждой марки стали сугубо индивидуальны. Любой нагрев кузнец осуществляет в угольном горне с дутьём, а тот предотвращает выгорание углерода. Опытный мастер легко регулирует процесс, перемещая клинок выше или ниже в слое угля, угадывая температуру исключительно «на глаз», для чего в кузнице и стоял полумрак.
На деле не сложно. Умение приходит с опытом. В средние века профессия кузнеца считалась загадочной, окруженной многочисленными мистическими проявлениями, не зависящими от видимых реальных причин. Интуитивное чутье и элементарная удача всегда предъявляли большие права на конечный результат, нежели пунктуальное соблюдение технологической цепочки. Даже у легендарных японских мастеров, до половины клинков уходит в брак на стадии закалки, несмотря на талант, полувековой стаж и немыслимый опыт. Меня, как заводского технолога, такие цифры могли только насмешить. И не только клинков сие касается, тут каждая вторая поковка шла в утиль, и это считалось нормальным. На это вообще никто внимания не обращал. Продавали дешевле, и всего делов. Надо ли говорить, что такой подход мне претил. Оттого и не торопился. Хотел по уму сделать, ибо «поле чудес» с закалкой и отпуском достало до крайности.
Полный цикл термической обработки стали включает в себя целый ряд категорически обязательных процессов, каждый из которых решает свою задачу и совершенно необходим. Например, применительно к лезвиям рубанков и резцам цепочка выглядит следующим образом: ковка, отжиг, формообразующая обработка (обдирка), отжиг, правка остаточных искривлений, закалка, отпуск.
Отжиг — есть медленное охлаждение раскаленной детали, что выравнивает её кристаллическую структуру, снимает внутренние напряжения, измельчает зерно, ликвидирует последствия перегрева, улучшает механические свойства стали. Отжиг пока используем полный, неполный, изотермический и рекристаллизационный.[2] Для части поковок практикуем возврат, особой отжиг для уменьшения или снятия наклёпа.
Закалка, наоборот, быстрое охлаждение, в ходе процесса измельчается кристаллическая структура, повышается твёрдость, прочность и износоустойчивость. Если проводить закалку в воде, то та очень быстро отбирает тепло у металла. Скорость охлаждения в воде высокая, а вот масло действует куда мягче. Опытные мастера, играющие на тонких оттенках процесса, регулируют скорость охлаждения посредством различных добавок. Уксус, сода или поваренная соль увеличивают теплообмен до двух раз, а растворы мыла, наоборот, снижают. Не спорю травы и жабьи лапки могут регулировать теплообмен, но с тем же раствором соды и близко не сравнятся. Соответственно, жидкое масло охлаждает заготовку интенсивнее, чем загущённое. Ох, как же не хватает термометра, ох как не хватает!
В итоге, для закалки основной части поковок использовали воду с мыльным или солевым раствором. Благо плотность раствора, благодаря весам и ареометру, я мог регулировать довольно точно. Для резцов же и лезвий больше подходило ледяное конопляное масло. Прежде, то охлаждали в леднике с рыбой до минус двадцати градусов. Фишка в том, что при минусовых температурах происходит более полное превращения остаточного аустенита в мартенсит. Механические свойства сталей значительно улучшаются, а твёрдость увеличивается, что особо важно для всяких там мелких щипчиков и штихелей. Не зря в древней Руси самый лучший харалуг ковали только в особо холодные зимы с температурами ниже тридцати градусов. Прежде чем погрузить деталь в воду, ту слегка «подстуживали» на воздухе, уменьшая внутреннее напряжение и коробление. Свёрла же, керны и пробойники подвергали двойной закалке: сперва охлаждали в воде, а после в масле, что ещё больше повышало их твёрдость.
