Для изучения конструкции и технологии производства древнерусских напильников 16 напильников были подвергнуты микроструктурному исследованию (Колчин Б.А., 1953, с. 67; 1959, с. 18). Из этих напильников 12 экз. оказались цельностальными, два с цементованной поверхностью и два напильника трехслойные — в середине проходила полоса малоуглеродистой стали, а крайние полосы были сделаны из стали с содержанием углерода 0,8 %. Все напильники находились в термически обработанном состоянии. Основной структурой на большинстве напильников был мартенсит с троститом, т. е. напильники имели твердую закалку с небольшим отпуском. Микротвердость закаленных напильников колебалась от 650 до 830 единиц, по Виккерсу; это очень высокая твердость.
Технология изготовления стального напильника распадается на четыре самостоятельных операции, из которых две последние являются довольно сложными технологическими приемами. Технология изготовления напильника заключается в отковке полотна с черенком, обточке поверхности на точильном кругу, насечке зубьев и термической обработке. В напильниках с цементированной поверхностью к этим приемам прибавляется еще операция цементации зубьев насечки. В известном трактате Теофила «Записка о разных искусствах», относящемся к X–XI вв. и посвященном технике различных ремесел, имеется глава, описывающая изготовление напильника. Приведем ее полностью. «Тяжелые и средние напильники изготовляются из однородной стали. Они бывают четырехгранные, трехгранные и круглые. Делают еще и другие, более тяжелые напильники. Тогда они должны быть сделаны внутри из мягкого железа, а снаружи покрыты сталью. После того как напильники соответствующих размеров изготовлены мастером, они выравниваются на круглом точиле, а потом насекаются посредством молотка, заостренного с обеих сторон. Другие напильники насекаются зубилом, о котором мы говорили выше. Такие напильники служат для обработки предмета, после того как его предварительно опиливают более грубым способом. После того как напильники опробованы со всех сторон ударом, производят закалку» (Theobald W., 1933). В другой главе говорится о производстве совсем маленьких напильников из железа с последующей цементацией зубьев насечки и термической обработкой.
Микроструктурный анализ древнерусских напильников раскрыл технологию изготовления, которая полностью совпадает с описанной Теофилом.
Наиболее сложными операциями при изготовлении напильника являются насечка зубьев и термическая обработка. Насечка зубьев на отожженной стали, согласно описанию Теофила, производилась зубилом или зубильным молотом. Оба инструмента представлены в археологическом материале. О зубилах мы говорили выше. Зубильный молот найден на городище Родень в слоях XI–XII вв. Он представлял собой молоток с двумя поперечными лезвиями, очень похожими на зубило (табл. 94, 7). Длина молотка 9,5 см, ширина режущих лезвии по 2,6 см. В середине головки молота имеется прямоугольное отверстие для рукоятки.
В X–XI вв. напильники изготовлялись с однорядной прямой или косой насечкой. В XII в. в связи с развитием специализированных слесарных работ с холодным металлом появляется более совершенная конструкция насечки — перекрестная. Зуб напильника стал мельче, стружка более дробной — таким напильником было легче работать и изготовлять более гладкие и тонкие поверхности.
Итак, напильник — основной инструмент холодной обработки металла, черного и цветного, в Древней Руси уже в X в. делается из стали и обрабатывается термически (закалка на мартенсит). В XII в. он приобретает вполне современную форму и качество. Напильники из Новгорода, Вышгорода или Райковецкого городища абсолютно ничем не отличались от напильников кустарной промышленности XIX в.
Обзор инструментария древнерусского ремесленника по обработке черного металла на примере многочисленных археологических находок показал, что инструмент кузнеца и слесаря имел развитые, рационально разработанные формы и конструкции. Древнерусские кузнецы не позднее IX в. выработали такие формы инструмента и оборудования, которые в русской металлической промышленности просуществовали многие сотни лет. Созданные в конце I тысячелетия н. э. эмпирическим путем технические элементы и конструкции в разнообразных видах металлообрабатывающего инструментария сохранились до современности.
Для определения конструктивных атрибутов и технологических схем всех видов древнерусских изделий из железа и стали более 1000 предметов X–XIV вв. были подвергнуты всестороннему микроструктурному анализу (Колчин Б.А., 1953; 1959; Хомутова Л.С., 1973).
В итоге комплексного исследования большого количества орудий труда, оружия, ремесленного инструмента, утвари и прочих металлических изделий стало возможным обобщить отдельные технические характеристики и выявить разнообразные технологические приемы обработки металлов в Древней Руси. Основным видом обработки в X–XIV вв. была обработка металла давлением в горячем состоянии путем ковки и штамповки. Кроме того, существовали операции обработки металла резанием — опиловка напильником, обточка на точильном кругу, рубка зубилом и т. п.
Основу разнообразной и сложной технологии обработки черного металла составляли: всевозможные приемы свободной кузнечной ковки; сварка железа и стали; цементация железа и стали; термическая обработка стали; резание металла на точильных кругах и напильником; пайка железа и стали; покрытие и инкрустация железа и стали цветными и благородными металлами; полирование железа и стали; художественная кузнечная ковка.
Механическая обработка нагретого металла давлением при помощи ударов молотом в современной технике называется свободной ковкой. Операции свободной ковки со времени появления железа до введения сталелитейной техники во второй половине XIX в. были основными технологическими приемами, которыми изделию придавали требуемую форму. Процесс ковки разделяется на ряд элементарных кузнечных операций: а) вытяжка; б) высадка, осадка; в) рубка, обрезка; г) пробивка и прошивка отверстий; д) изгиб, скручивание; е) обжатие, штампование. Все эти операции в Древней Руси были хорошо известны и широко применялись кузнецами.
Обработка перечисленными операциями, так называемая горячая обработка, может происходить только с металлом, находящемся в пластическом состоянии. В такое состояние обрабатываемый металл приводится путем нагрева в кузнечном горне. Температура ковки колеблется для железа между 900-1300° и для стали — между 775-1050°. И, как показала структура металла исследованных предметов, кузнец всегда работал при этих температурах. Контролем температурного режима нагрева были цвета каления железа и стали.
Кузнечная сварка, т. е. процесс получения неразъемного соединения двух кусков металла, особенно сварка железа и стали, была широко распространенным технологическим приемом. Основой древнерусской технологии изготовления режущего и рубящего лезвия, которое было главной рабочей частью у большинства орудий труда и оружия, являлось сочетание двух материалов — железа и стали — путем соединения сваркой. Чтобы привести металл в пластическое состояние, при котором могла бы произойти сварка, как известно, необходим нагрев до высокой температуры. Для железа и стали с разным содержанием углерода температура нагрева разная. Для чистого железа эта температура колеблется около 1400–1450°; для сталей в соответствии с содержанием углерода температура понижается. При недостаточности нагрева или сильном перегреве металла сварки не произойдет, поэтому нагрев металла — наиболее важная операция 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. Швы при сварке железа и высокоуглеродистой стали отличаются прочностью и чистотой; большинство швов почти не имеют шлаковых включений. Это говорит о том, что древнерусские кузнецы умели очень точно определять степень нагрева металла. Нужно было очень хорошо знать свойства и состав свариваемых металлов (железо или сталь, и какая именно сталь), чтобы определять необходимый для них цвет каления.
