Kilka słów o metalurgii, czyli o wykuwaniu broni:

Zdjęcia pochodzą z wioski średniowiecznej na Świętym Krzyżu.

Przyszło mi do głowy, że temat wykuwania broni może być interesującym zagadnieniem. Tak więc dziś zajmiemy się tym, jak w dawnych czasach produkowano przedmioty do ucinania rąk i nóg przeciwnikom, a dokładniej jak pozyskiwano metal do ich produkcji.

Broń z brązu:

Masowo broń z metalu pojawiła się bardzo dawno, bowiem około roku 1700 przed narodzeniem Chrystusa, w epoce brązu. W tamtych czasach proces produkcji broni był raczej nieskomplikowany. Generalnie brąz jest stopem miedzi i cyny, którego receptura jest mało precyzyjna. W czasach, o których mowa używano dwóch głównych typów tej substancji. Był to „brąz klasyczny”, składający się z miedzi z około 10 procentową domieszką cyny, dość twardy, używany do produkcji narzędzi i broni oraz „brąz miękki”, gdzie dodawano o połowę mniej cyny, używany do produkcji ozdób. Brąz miękki był obrabiany poprzez jego kucie, zarówno na zimno, jak i na gorąco. W wypadku twardszego brązu klasycznego stosowano nieco bardziej skomplikowany proces. Otóż: materiał ten topiono, temperatura topienia brązu jest relatywnie niska, zależnie od receptury wynosi około 900 do 1000 stopnic Celsjusza, co może wydawać się wysokie, jednak daje się uzyskać za pomocą drewna. Konieczna jest jednak dobra wentylacja oraz zasilanie ognia miechem, jednak przy odrobinie wysiłku i umiejętności odpowiedni tygiel można wybudować w domu.

Następnie płynny brąz wlewano do przygotowanych wcześniej, glinianych form i czekano, aż ostygnie. Gdy do tego doszło usuwano za pomocą pilnika nadlewki, wygładzano głownię i ją ostrzono, w efekcie czego broń była gotowa.

Oręż taki ma wady jak i zalety. Największą zaletą jest to, że potrzebuje on relatywnie niewielkiej konserwacji. Brąz nie rdzewieje i nie podlega korozji, aczkolwiek pokrywa się patyną zmieniając kolor na zielony. Nie zmienia to faktu, że współczesne znaleziska archeologiczne, które nierzadko spędziły w ziemi całe tysiąclecia dziś wystarczyłoby po prostu podostrzyć i dalej nadawałyby się do użycia.

Wadą tego materiału jest jego niewielka odporność na zużycie. Historyczny brąz posiadał twardość rzędu 30-80 według Skali Vicersa, podczas gdy żelazo miało ją między 60 a 260. Oznacza to, że narzędzia takie łatwo się zużywają: łamią, odszkałcają, powstają w nich szczerby… Dotyczy to w szczególności powierzchni tnących, które zwyczajnie szybko tracą ostrość.

Drugim problemem związanym z tym stopem jest fakt, że wykorzystywane do jego produkcji składniki występują dość rzadko. Przykładowo około 2000 roku przed naszą erą cynę wydobywano na terenach dzisiejszej Francji, Wielkiej Brytanii i Hiszpanii, a następnie eksportowano w region Morza Śródziemnego, skąd trafiała na obszary Mezopotamii. Najważniejszym jej źródłem była jednak Sardynia. Pewne ilości sprowadzano z Afryki Subsaharyjskiej, w szczególności z obszarów współczesnego Sudanu. O rozmiarach tego handlu świadczą znaleziska. Przykładowo archeolodzy natrafili na wybrzeżu Turcji na wrak statu handlowego z okolic roku 1300 p.n.e. zawierający 10 ton cyny. Na tamte czasy była to ilość kolosalna.

Wszystko to sprawiało, że prawdopodobnie broń, a nawet narzędzia z brązu były drogie i bardzo elitarne, nawet w stosunku do cen uzbrojenia w innych epokach.

Broń z żelaza:

Ruda darniowa.

Około roku 800 p.n.e. rozpowszechniły się metody pozwalające na produkcje broni z żelaza. Miało to dość dalece idące konsekwencje, bowiem na okres ten przypada też zjawisko czasem w archeologii nazywane „Wielką katastrofą”: nagłe wyludnienie głównych ośrodków miejskich i zniknięcie wielu z nich oraz upadek wielkich cywilizacji. Prawdopodobnie miało ono związek z upadkiem szeregu największych cywilizacji. Uważa się, że zniszczone zostały one przez najazdy uzbrojonych w żelazną broń barbarzyńców.

Żelazo, mimo że jego obróbka jest dużo trudniejsza niż brązu ma wobec niego szereg zalet. Po pierwsze jest materiałem o większej twardości i mimo że dość łatwo się utlenia, to narzędzia wykonane z niego zużywają się w mniejszym stopniu. Jego główną zaletą jest jednak to, że występuje w skorupie ziemskiej około 500 razy częściej niż cynk lub miedź. W efekcie wytwarzanie z niego narzędzi, mimo że jest bardzo pracochłonne, jest zwyczajnie tańsze.

Zakłada się więc, że po prostu jakieś, bliżej nieznane ludy, żyjące do tej pory na oberżach cywilizacji i zbyt biedne, by uczestniczyć w wielkim handlu cyną odkryły w pewnym momencie, jak wytwarzać żelazo. Odkrycia tego dokonały być może właśnie dlatego, że poszukiwały taniego surowca, który mógłby być alternatywą dla brązu, którego miały za mało. Następnie, uzbroiwszy w skuteczny i tani oręż hordy chłopów, czy też raczej: pastuchów (bo to byli koczownicy) najechały bogate ziemie swych, bardziej cywilizowanych kuzynów i rozniosły w strzępy ich małe, arystokratyczne armie.

To co działo się potem opisuje stella grobowa Ramzesa III:

Obce ludy uczyniły na swych wyspach spisek. Żaden kraj nie oparł się ich broni. Hatti, Kode, Karkemisz, Arzawa i Alaszija znikły, jakby ich nigdy nie było. Rozbili obóz w jakimś miejscu w okolicach Amurru. Zniszczyli jego lud, a kraj zmienili w pustynię. Ich związek składał się z Filistynów, Zekrów, Szekeleszy, Denenów i Weszeszów. Położyli ręce na krajach całego świata, a ich serca były pełne wiary i dufności. Szli na Egipt, a fala ognia szła przed nimi.

Żelazo może być pozyskiwane z wielu źródeł. Tak więc:

Żelazo rodzime: jest to bardzo ciekawy materiał, jeśli ktoś poszukuje surowca na oręż do gry fantasy. Żelazo rodzime jest rzadkim minerałem spotykanym w niewielkich ilościach. Napotkać je można w Europie Środkowej, Francji, na Wyspach Brytyjskich, w Ontario, na Pustyni Negew i w południowym Uralu. Jego największe depozyty mieszczą się jednak na Genlandii. Posiada dwa typy: pierwszy składa się z żelaza z 0,5-4 procentową domieszką niklu oraz 2-6 procentową domieszką węgla. Typ drugi ma podobny skład chemiczny, ale nie zawiera węgla.

Z żelaza takiego broń wykonywano już prawdopodobnie w Epoce Miedzi, jednak ma ono kilka wad jako surowiec. Tak więc:

• Jeśli pominąć Grenlandię, gdzie zdarzają się bloki żelaza rodzimego o wielkości od kilku do kilkudziesięciu ton minerał ten jest spotykany rzadziej od złota.

• Tym pierwszy jest też niezwykle twardy i trudny do obróbki nawet z użyciem współczesnych narzędzi. Nadaje się w zasadzie tylko na prymitywne młotki lub kowadła.

Żelazo meteorytowe: drugim, najwcześniej stosowanym źródłem żelaza do kucia broni i innych przedmiotów były meteoryty. Posiadają one skład podobny, jak żelazo rodzime, jednak w odróżnieniu od niego są częściej (co nie znaczy często) spotykane. Metalowe przedmioty wykonane z tego materiału występowały już w epoce brązu, a być może korzystano z nich nawet w epoce miedzi. Wynika to z tego, że obróbka tego materiału nie jest specjalnie skomplikowana, w odróżnieniu od innych ród żelaza. Wystarczy tylko go rozgrzać i okładać młotkiem. Najsłynniejszym artefaktem tego rodzaju jest żelazny sztylet z grobu faraona Tutanchamona.

Mimo rozpowszechnienia tego rodzaju broni w settingach fantasy nic mi nie wiadomo o celowym wykonywaniu broni z meteorytów po zakończeniu epoki brązu. Nie zmienia to faktu, że zarówno żelazo rodzime, jak i meteorytowe stanowi bardzo ciekawy materiał na broń. Wynika to z faktu, że faktycznie posiada ono specjalne właściwości. Otóż: duża domieszka niklu sprawia, że metal taki jest odporny na korozję i bardzo wytrzymały.

Palenisko w kuźni.

Rudy magnetytowe i goethtytowe: magnentyt jest obecnie najchętniej wykorzystywanym typem rudy żelaza. Występuje najczęściej pod postacią czarnego minerału odkładającego się w skałach magmowych, osadowych i metamorficznych, czasem pod postacią żył, zwykle w skupieniach ziarnistych. Wykazuje też silne właściwości magnetyczne. Rzadszą jego postacią jest czarny piasek, powstający wskutek erozji magnetytu.

Goethtyt jest podobnym minerałem, aczkolwiek twardszym, który pojawia się często w złożach ród darniowych, tworzy się też spontanicznie w stertach korodującego żelaza.

Obydwa minerały posiadają ponad 70 procentową zawartość żelaza, co czyni je bardzo pożądaną rudą. Niestety mają też wady. Goethytu po prostu nie ma dużo i stanowi on relatywnie niewielką domieszkę do innych, mniej wartościowych rud, aczkolwiek, podobnie jak rudy darniowe sukcesywnie się odtwarza. Największe źródła magnetytu natomiast znajdują się zamknięte w skałach, przez co dostęp do nich jest utrudniony.

Nie zmienia to faktu, że obydwa minerały faktycznie wykorzystywano do wytwarzania metalu. Goethyt po prostu znajdowano w niewielkich ilościach, a łatwo dostępne złoża magnetytu gdzieniegdzie istniały (np. w okolicach starożytnego miasta Magnesia).

Ruda darniowa: Tym, co tak naprawdę zdecydowało o sukcesie żelaza są rudy limolitowe i hematytowe, a w szczególności najpospolitsza odmiana tych pierwszych: ruda darniowa. Zawierają one do 40 procent żelaza i są bardzo, ale to bardzo pospolite. Ruda darniowa tworzy się samoczynnie na podmokłych łąkach, torfowiskach, na dnie jezior i w zakolach rzek. Obecnie nie jest ona eksploatowana, ale jeszcze na początku XX wieku wydobywano ją bardzo intensywnie, a do lat 60-tych wliczano ją do zasobów strategicznych wielu państw (w tym Polski).

Obecnie materiał ten wydobywany jest głównie w krajach trzeciego świata, a jego globalne zasoby kurczą się z powodu melioracji łąk. Niemniej jednak jest on bardzo szeroko dostępny, natomiast złoża odnawiają się po kilkunastu latach. Złoża darniowe występują oczywiście z różnym natężeniem, jednak napotkać je można na całym świecie. W zasadzie jedyne miejsca, gdzie się nie trafiają to pustynie i półpustynie.

Żelazo złomowe: jednakże materiałem, który najchętniej wykorzystywany był przez kowali było żelazo pochodzące ze zniszczonych, zużytych narzędzi. Materiał taki, mimo brzydkiej nazwy wcale nie jest zły, posiada dużą zawartość żelaza bez zbędnych domieszek i jest łatwe oraz tanie w obróbce.

A jak się zaraz przekonamy ta nie jest sprawą trywialną.

Wytop i obróbka żelaza:

Dymarka.

Dymarki: najwcześniejszą produkcji żelaza z rudy były tak zwane dymarki. Były to relatywnie niewielkie piece, składające się z wyłożonego gliną zagłębienia w ziemi, które służyło za palenisko, oraz nadziemnej nadbudówki, wysokości około metra. Do zagłębienia nasypywano węgla drzewnego i podpalano, dostarczając od czasu do czasu powietrza dzięki miechom. Na górze umieszczano natomiast rudę żelaza.

Taka metoda produkcji żelaza pojawiła się około 2.000 lat przed naszą erą, a w wielu krajach świata stosowana jest po dziś dzień (w Europie była jednak zapomniana od średniowiecza). Pozwala ona wyprodukować około 50 kilogramów materiału zwanego żelazem gąbczastym i jeśli mamy szczęście oraz dostęp do bardzo dobrej rudy: 0,5 do 5 kilogramów w miarę czystej surówki.

Po zakończeniu produkcji dymarka była burzona. Sam materiał musi jednak nadal być obrabiany, żelazo gąbczaste jest bowiem mieszanką żelaza i żużlu. By nadawało się do użycia konieczne jest oczyszczenie go z owego żużlu. Robi się to za pomocą młotków, rozgrzewając materiał, a następnie wielokrotnie rozkuwając na cienkie blaszki i skuwając z powrotem w sztabki. W efekcie sztabki te posiadają wiele tysięcy, zespawanych ze sobą warstw.

Proces ten jest bardzo czasochłonny i dość kosztowny. W żadnym momencie temperatura wewnątrz pieca nie osiągała punktu topnienia żelaza, zanieczyszczenia usuwano poprzez ich stopniowe utlenianie, w efekcie czego cały proces zajmował 24 do 48 godzin, a w jego trakcie, celem wyprodukowania owych 50 kilogramów półproduktu zużywano 500-600 kilogramów węgla drzewnego.

Oczyszczenie żelaza gąbczastego z żużlu pochłaniało kolejne kilka tygodni.

Nic więc dziwnego, że gdy pojawiły się lepsze metody proces ten uległ zapomnieniu.

Wielkie piecie i piece pudlarskie: gdzieś na początku XI wieku, w Skandynawii dokonano wynalazku, który na długo odmienił zasady produkcji żelaza. Były to wielkie piece. Wielki piec, jak sama nazwa wskazuje jest wysoką, glinianą konstrukcją. U podstawy umieszcza się paliwo, na górze natomiast rudę. Następnie doprowadza się do niego powietrze (a we współczesnych czasach: czysty tlen), dzięki czemu znacząco wzmaga się ogień. Temperatura w piecu przekracza temperaturę topnienia żelaza, dzięki czemu produkuje się w dużej mierze surówkę (oraz pewne ilości żelaza gąbczastego i żużlu). Co więcej, dzięki izolacji od paliwa (najwyższa temperatura uzyskiwana jest bowiem poprzez spalanie substancji lotnych) uzyskany materiał jest znacznie czystszy niż ten produkowany w dymarkach. Największą zaletą tego typu rozwiązania jest wydajność, średniowieczne wielkie piece potrafiły bowiem wyprodukować od pół tony do kilku ton półproduktu.

Surówka jednak nadal nie jest dobrym materiałem, zawiera bowiem bardzo dużo zanieczyszczeń, które należy usunąć.

Początkowo w tym celu stosowano oczywiście proces polegający na rozkuwaniu i ponownym skuwaniu materiału, który, mimo że pracochłonny zabierał mniej czasu, niż w wypadku żelaza gąbczastego. Działo się tak z prostej przyczyny: surówka mimo wszystko była mniej zanieczyszczona. Z czasem ułatwiono ten proces stosując tak zwane hamernie lub kuźnice. Były to poruszane kołem wodnym młoty, w których, dzięki maszynom oczyszczano żelazo. Zastosowanie tego typu urządzeń, z uwagi na większe siły pracujące na półprodukt znacząco ułatwiło produkcje zdatnego do użycia materiał.

Inną metodą było zastosowanie tak zwanych pieców fryszerskich. Początkowo wyglądem przypominały one dymarki, potem kształt zmieniono na skrzynie. Umieszczano w nich żelazo i węgiel drzewny, a następnie, po rozpaleniu ognia dostarczano powietrze miechami. Celem całej procedury było utlenienie zanieczyszczeń zawartych w surówce. Proces nie był w stu procentach efektywny, nadal wymagał usunięcia części zanieczyszczeń za pomocą młotów, jednak zaletą była szybkość i wysokość produkcji. Dzięki zastosowaniu pojedynczego pieca fryszerskiego w ciągu doby dawało się obrobić nawet pół tony surówki.

Nawęglanie:

Po wyprodukowaniu wysokiej jakości żelaza i uformowaniu go w pożądany kształt należy zadbać o jego odpowiednie właściwości fizyczne: twardość, sprężystość i wytrzymałość. Robi się to za pomocą dwóch procesów: nawęglania i hartowania.

Nawęglanie polega na wzbogaceniu żelaza w węgiel. Generalnie im większa zawartość węgla w stali, tym jest ona odporniejsza, jednak, gdy zawartość rośnie powyżej 2 procent w metalu zaczynają tworzyć się ziarna węglowe, których obecność nie tylko nie wpływa dodatnio na wytrzymałość narzędzi, ale wręcz przeciwnie, obniża ją. Dlatego też nadmiarowa ilość węgla usuwana była w procesie młotkowania żelaza lub wypalana w piecach pudlarskich.

W efekcie powstaje jednak stop o niskim lub w najlepszym razie niewielkim nawęgleniu, aczkolwiek możliwe jest takie obkucie żelaza, by to od początku miało optymalną zawartość węgla. Taki materiał jest jednak trudny w obróbce.

Prostszą metodą jest nadanie obiektowi pożądanego kształtu, a następnie nawęglenie go. Współczesną metodą, najbardziej zbliżoną dla osiągalnych historycznie jest umieszczenie go w miale węglowym, wymieszanym z substancjami przyśpieszającymi nawęglanie (takimi, jak węglan baru lub sodu) i rozgrzanie go do temperatury 900-950 stopni.

Współcześnie temperaturę żelaza określa się dzięki przyrządom pomiarowym, ongiś jednak robiono to obserwując kolor. Ten zmienia się w zależności od stopnia nagrzania metalu i wygląda następująco:

• 200 stopni: słomkowy

• 300 stopni: niebieski

• 360 stopni: szary

• 550 stopni: ciemnoszary

• 700 stopni (minimalna temperatura kucia): ciemno czerwony

• 900 stopni: jasnoczerwony

• 1000 stopni: pomarańczowy

• 1100 stopni: żółty

• 1200 stopni: jasnożółty

• 1300 stopni: białożółty

• 1400 stopni (maksymalna granica do kucia żelaza): rażąco biały

Historycznie do nawęglania stosowano sproszkowany węgiel drzewny oraz mniej naukowe metody, takie, jak moczenie przyszłych ostrz we krwi.

Hartowanie:

Po nawęgleniu produkt należy zahartować. Hartowanie polega na doprowadzeniu żelaza do temperatury, w której zaczną weń tworzyć się pożądane przez nas mikrostruktury, a następnie gwałtownym ochłodzeniu, tak by struktury te utrwaliły się w metalu. Zwiększa to twardość i wytrzymałość i sprężystość metalu kosztem zwiększenia jego kruchości i spadku plastyczności.

Jako, że zahartowany metal jest bardzo trudno obrabiać proces ten zwykle jest ostatnim krokiem. Osiąga się go zwykle rozgrzewając przedmiot do temperatury około 720 stopni, a następnie zanurzając w wodzie lub oleju mineralnym.