Е. Черных - Археология и естественнонаучные методы. Сб. статей

• Название: Археология и естественнонаучные методы. Сб. статей
• Автор: Е. Черных
• Издательство: Языки славянской культуры
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2005
• ISBN: 5-9551-0099-7

Сборник научных статей посвящен итогам конференции «Археология и естественнонаучные методы», которая состоялась в Институте археологии РАН 1–3 ноября 2004 г. Конференция была посвящена памяти основоположника нового направления в археологии Борису Александровичу Колчину (1914–1984). В статьях сборника рассмотрены новейшие достижения в таких направлениях применения естественнонаучных методов как древняя металлургия и металлообработка, дендрохронология, палеоботаника, палеозоология.

---

Перевод Л.И. Авиловой

Введение

В ходе археометаллургических исследований ранних железных предметов с территории Чехии выявлено значительное число находок, у которых между перлитными и мартенситными структурами расположены сварные швы. Структуры этих швов обычно обогащены никелем и в меньшей степени кобальтом. Сварные швы легко различимы при микроскопическом исследовании и хорошо поддаются химической обработке, в результате чего могут быть получены данные, характеризующие использованное сырье и технологические приемы его обработки, что крайне важно при археометаллургических исследованиях.

Никель в сварных швах

Присутствие никеля в сварных швах объясняется достаточно просто. Железо в разогретом металле окисляется интенсивнее, чем такие элементы, как никель, кобальт, мышьяк или медь. Эти более благородные, чем железо, металлы находятся в дисперсном состоянии под окисленной поверхностью предмета. В процессе сварки двух разогретых полос железа повышенная концентрация никеля может проявиться в сварном шве, однако впоследствии, при многократном нагреве поковки, концентрация никеля понижается в результате его диффузии. Кроме никеля, швы обычно обогащены углеродом. Поскольку содержание никеля понижается при температуре перехода к структуре аустенита, углерод переходит из участков феррита, где никель отсутствует, в структуру аустенита, обогащенную никелем, в результате чего формируется структура перлита или даже мартенсита. Так, мартенсит (без дополнительной закалки) возникает при концентрации никеля в железе свыше 7 %. Никель часто сопровождается кобальтом, но в менее высоких концентрациях. Распределение этих элементов в сварных структурах неодинаково. Их содержание нарастает от краев обогащенной зоны к ее центру, где достигает максимума, Ni 1-10 % (рис. 1). Известны сварные швы с содержанием Ni свыше 15 % и даже 20 %. Концентрация кобальта обычно не превышает 2 %. Высоконикелевые зоны обычно имеют вид полос, часто встречаются и зоны неправильной формы. Участки с наибольшей концентрацией никеля могут располагаться на различных отрезках сварных швов.

На рис. 2 показаны высоконикелевые швы. Топор из Бреслав-Поганско (IХ-Х вв.) имеет однолинейный шов с 11.2 % Ni (рис. 2,1), сверло из того же памятника (рис. 2, 2) демонстрирует шов в виде нескольких линий с 19.2 % Ni и 1.2 % Со. В подкове из Ровенско (около XV в.) концентрация никеля варьирует: в сварном шве (рис. 2, 3) 3.4 % Ni и около 1 % Со, на другом участке того же шва (рис. 2, 4) уровень содержания этих элементов ниже порога чувствительности микроскопа ЕВАХ. Обломок железного предмета из замка Троски имеет 28.5 % Ni в поверхностном слое (рис. 2, 5), тогда как внутренние сварные швы содержат не более 10 % Ni (рис. 2, б). Локальное содержание никеля может достигать сверхвысоких значений, как на проушном топоре из Ветржно-Бобрка (Польша) — 39.1 % Ni на одном из участков.

Рис. 2. Сварные швы с высоким содержанием никеля в железных предметах с крршории Чехии: 1, 2 — гонор и сверло из Гжеелава-Поганско (IХ-Х вв.); 3. 4 подкова из Роненско под Тросками (около XV в.); 5, 6 фр;н — менг железного крепежа из замки Троски (средневековье или позднее средневековье).

Метеоритное железо

Наиболее ранние находки железных изделий известны на Ближнем и Среднем Востоке. Находки, датируемые до 3000 г. до н. э., имеют, как правило, высокую концентрацию никеля (до 7.5 %). Имеются веские основания полаг ать, что эти предметы изготовлены из мегеоритного железа. В III тыс. до н. э. число высоконикелевых предметов уменьшается по сравнению с железными предметами, не содержащими этого элемента; последние, по-видимому, изготовлены из металлургического железа. Таким образом, спорадическое использование метеоритного железа отмечается значительно раньше, чем начинается массовое металлургическое производство этого металла. По-видимому, сходная ситуация складывается и в Европе, Восточном Средиземноморье, Египте и Юго-Восточной Азии. Идентифицировать предметы, изготовленные из метеоритного железа, можно на основании ряда признаков. Так, Фотос установил, что концентрации никеля в таких находках варьируют от 5 до 12 %, достигая в отдельных случаях 60 %. Содержание микроэлементов (Co, Cu, P, C) в совокупности не превышает 2 %; концентрация кобальта обычно составляет 0.3–0.6 %, фосфора — около 0.25 %. Метеоритное железо состоит, прежде всего, из камасита (a-Fe, феррита, и 5–7 % Ni), причем камасит и теанит (α-Fe, аустенит, 30–50 % Ni) образуют видманштеттную структуру. С помощью электронного микроскопа различаются обе фазы камасита, теанит и фосфорные включения (Fe, Ni3P), сульфиды (FeS), карбиды (Fe, Ni3C) и силикаты. Последние по составу отличаются от силикатов, наблюдаемых в кричном железе. По этим признакам можно определить железо метеоритного происхождения даже в полностью корродированных предметах.

На территории Богемии и Моравии нет данных о раннем использовании метеоритного железа. Единственный фрагмент железа XV–XVI вв., найденный в Праге, имеет содержание никеля 4.3 % в зоне темного мартенсита и 19.5 % при слабой протравливаемости полос. Находку следует относить к средневековью, независимо от того, был ли изготовлен предмет из метеоритного или металлургического железа. Концентрация никеля в этом фрагменте находится в пределах, характерных для метеоритного железа, однако, его исследование было проведено недостаточно всесторонне. Следует учитывать, что имеются и другие предметы с подобным содержанием никеля, несомненно относящиеся к средневековью и при этом изготовленные из металлургического железа. Это упоминавшийся топор из Бреслав-Поганско, в котором среди обычного железа (без никеля) выделяется небольшой участок металла в сварном шве с 11.3 % Ni, а в окружающей его перли-ферритной структуре содержится 3.7 % Ni (рис. 2, 1). В этой находке, как и в упоминавшемся фрагменте из Праги, кобальт отсутствует.

Ранние находки изделий из метеоритного железа известны на территории России. Наиболее ранние предметы происходят из Болдырева в Южном Приуралье (Оренбургская обл.). Это долотовидный предмет (рис. 3, 2) с 9.45 % Ni и 0.67 % Со, а также лезвие с 5.5 % Ni и 0.52 % Со, закрепленное в бронзовой рукояти. Находки датируются около 1800 г. до н. э. Железное лезвие из Бичкин Булука в степях Калмыкии имеет концентрацию никеля 3.65 % Ni и 0.5 % Со.

Металлургическое железо с высоконикелевыми участками

Часто участки высокой концентрации никеля спорадически выявляются в сварных швах. Обычно это предметы с многослойной структурой. Такие поковки изготовлены из пакетных заготовок; при шлифовке и травлении может проявляться их красивая структура похожая на дамаск. Одна из наиболее известных находок этого типа — топор из Кьюла (I–IV вв. н. э.). В полосчатой структуре топора присутствует мартенсит с 5 % Ni и 0.7 % Со, а также полосы с 0.6 % Ni и 0.3 % Со. Возможно, что топор изготовлен из заготовки, в состав которой входило металлургическое железо как с высоким, так и с низким содержанием никеля. Существует и другой путь получения такой или близкой полосчатой структуры — пакетование металла, разогретого в горне (при условии, что в железе присутствует никель, хотя бы в небольшом количестве). В Техническом музее Брно проводился эксперимент по выплавке железа и изготовлению ножа из полученной крицы (рис. 4). Концентрации никеля в руде были ниже порога чувствительности приборов, заготовка имела полосчатую структуру, в которой присутствует около 2 % Ni и 1,3 % Со.

Рис. 3. Отобранные предметы, изготовленные из метеоритного железа (/, 2) и железа с высоконикелевыми зонами (3–9): 1 — лезвие из Бичкин Булука (Россия, XVIII в. до н. э.) (Терехова и др., 1997); 2 — железное тесло в медной рукояти (Россия, XVIII в. до н. э.) (Терехова w др. у 1997); 3 — топор-кельт из Кьюла (Швеция, I–IV вв. н. э.) (Hermelin, Tholander, Blomgren, 1979); 4 — топор-кельт из Ветжно-Бубрка (Польша, YIII–VI вв. до н. э.) (Piaskowski, 1969; 1970); 5 — топор из Мстенице (Чешская Республика, X111-XV вв.): 1 — железо, 2 — сталь, 3 — закалённая сталь, 4 — сталь с высоким содержанием никеля/кобальта (Strânsky\ Vrba, 1985,); 6 — железный фрагмент из Троски (Чешская Республика, средневековье или позднее средневековье) (Hasek, 2003b); 7 — фрагмент сверла из Поганско (Чешская республика, IX–X вв.) (Hasek, 2003b); 8 — подкова из Ровенско под Тросками (Чешская Республика, около XV в.) (Hosek, 2003b); 9 — меч из Канина (Чешская Республика, X в.) (Hosek, Marik, 2004).

Операция пакетования была повторена кузнецом 8 раз, однако число различимых полос металла соответствовало 4 или 5 циклам кузнечной сварки. Очевидно, простота процесса способствовала его широкому применению в древности. Можно считать, что получение полосчатой структуры при наличии подходящей руды не составляло трудности. Среди археологических находок с территории Чешской республики сходная полосчатая структура зафиксирована на кельтском долоте из Старе Градиско. Выявлены многочисленные полосы металла с содержанием никеля в полосах перлита от 2,5 % до 3.4 %. Предполагается, что в рудах, использовавшихся кельтами, имелся никель в заметном количестве.