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.
Определение источников железа по никелю и кобальту
Попытки установить источники железа археологических находок предпринимались неоднократно, в основном по химическому составу микроскопических шлаковых включений. Этот метод дал хорошие результаты. Е. Пясковский анализировал концентрации Р, Mn, Ni, Si.
Изучение микропримесей никеля и кобальта также продуктивно. Одним из первых обратил внимание на концентрации никеля Б.А. Колчин: уже в 1953 г. он сделал попытку применить анализ на никель для определения источников железа. Им установлено, что небольшие примеси никеля в изделиях характерны для района Смоленска, в частности, для вещей из Гнездовских курганов X в. Из 15 исследованных образцов 9 содержали никель. Поскольку никель является природной примесью, Б.А. Колчин считал, что все эти находки относятся к одной геологической зоне. Поскольку уже тогда считалось, что гнездовские находки местного производства, следовательно, предполагалось использование местных смоленских руд. Что касается других регионов, то здесь ситуация иная. По одному случаю присутствия никеля отмечено на юге и на севере Древней Руси, еще по одному — в материалах Владимирских и Михайловских курганов. Отсюда возникло предположение Б.А. Колчина об импортном характере михайловского меча (из района Смоленска), поскольку местные железные руды не содержат никеля (рис. 5).
Изучая железные изделия Великой Моравии и более раннего периода (VIII–X вв.), Р. Плейнер выделил 8 групп материала в соответствии с химическим составом металла и описал соответствующие рудные источники, которые могли использоваться в ту эпоху. Он также учитывал группу материала с повышенным содержанием никеля. Находки, для которых характерны повышенные концентрации никеля (0.07-0.3 % Ni), а также предметы с повышенным содержанием никеля и фосфора (0.12-0.3 % Ni и 0.09-0.27 % Р) могли изготавливаться из железных руд с повышенным содержанием никеля, известных на западе Моравии в районе Брно. Изделия с высокими показателями никеля и меди (0.04-0.27 % Ni и 0.08 0.86 % Си), или никеля, меди и фосфора (0.05 -0.35 % Ni, 0.06-0.94 % Cu и 0.06-0.53 % Р) могли быть изготовлены из руд восточной части Малых Карпат на юго-западе Словакии. При этом Р. Плейнер отмечал, что его выводы имеют предварительный характер, учитывая трудность определения источников металла. То же относится и к упоминавшейся работе Б.А. Колчина.
Следует упомянуть работу Р.Ф. Телекота о железных изделиях из Швеции. Хольмквист выделил четыре статистических группы находок, исходя из концентрации никеля и кобальта: I — Ni < 0.03 %; Со < 0.015 %; II — Ni < 0.03 %; Со = (0.015 to 0.04)%; III — Ni < 0.03 %; Со > 0.04 %; IV — Ni < 0.1 %; Со > 0.04 %. Установлено, что товарные крицы с территории Северной Швеции соответствуют группе IV, на Готланде присутствуют крицы группы II. В целом, характер распределения групп I, II и III нечеткий. Не вызывает сомнения, что товарные крицы IV группы скорее всего изготовлялись из местных руд, хотя точно локализовать месторождения пока не удалось.
Как показал Р. Плейнер, низкие концентрации никеля в древних и средневековых железных изделиях встречаются часто (рис. 6). Отмечу, что в коллекциях средневековых предметов из Праги XIV–XV вв., а также из памятников Градишко в Давле — Секанка (XIII в.) и Мутейовице (XIII в.) преобладают изделия с содержанием никеля ниже 0,1 %. На более ранних памятниках (Латен — XI в.) доли изделий с содержанием никеля как ниже, так и выше этой границы, как показывает статистический бинарный анализ, приблизительно равны.
До 2000 г. в Чехии не уделялось достаточного внимания изучению структур с повышенным содержанием никеля и кобальта. В настоящее время на ряде памятников выявлено по крайней мере по одной находке с участками повышенной концентрации никеля, обычно в виде полос (рис. 7). Практически в любой количественно представительной коллекции имеются предметы с повышенным содержанием никеля в сварных швах. Попытки определить происхождение находок по количеству никеля, ширине, твердости, форме швов не принесли результата.
Уже упоминалось о работах Р. Плейнера по металлографическому и химическому исследованию железных предметов из Великой Моравии. Содержание никеля свыше 0.2 % установлено в 11 образцах, но лишь на 7 металлографическое исследование установило сварные швы с повышенным содержанием никеля. Четыре находки были изучены ранее, три — недавно с применением микроскопа ЕВАХ. Сравнение результатов см. в табл. 1. В образцах 149, 140 и 10 наблюдается корреляция повышенной концентрации никеля в швах с его количеством в изделии в целом. Образец 123 показывает, что высокий показатель никеля в швах зависит также и от числа нагревов металла, их продолжительности и температуры. Это подтверждается и исследованием образца, полученного из экспериментальной крицы. Если общее содержание никеля в нем составляло 0.02 %, то в швах оно достигало 2.0 % Ni и 1.4 % Со. Оказалось, что полосы с высокой концентрацией никеля могут образовываться в пакетной структуре при использовании руды с весьма низким содержанием никеля. Еще одна проблема — то, что распределение примесей в кричном железе неравномерно, в результате насыщение сварных швов никелем неодинаково. Поэтому установление связи между высоким показателем никеля в швах и его общим содержанием в изделии и тем более в руде выглядит проблематично. Однако в швах может происходить повышение содержания и других элементов, чаще всего мышьяка, иногда меди и хрома. Мышьяк более надежен в смысле локализации источника металла. Он редко присутствует в сварных швах изделий из Богемии или Моравии, здесь преобладают предметы с высокими показателями никеля и кобальта. Предметы с повышенным содержанием мышьяка приведены в табл. 2 (гвоздь от подковы из Борка — XV в., обломок из замка Троски — средневековье, топор — III в. н. э.).
Участки железа с высоким содержанием мышьяка среди находок из Чехии встречаются редко, однако имеются данные о мышьяке в сварных швах (1–2.8 % As) для других территорий. Приведенным данным по концентрации мышьяка в сварных швах соответствуют характеристики двух сварных пакетованных изделий, полученных из экспериментальной крицы: 1) 2.6 % As, 1.7 % Со и 2.7 % № и 2) 2.9 % As, 1.0 % Со и 1.8 % Ni. Эксперимент проводился на территории Чехии французскими исследователями. Использовался гематит из месторождения Каймар-Авейрон во Франции. К сожалению, остается неизвестным, насколько широко изделия с повышенным содержанием никеля и мышьяка в сварных швах распространены в Европе. Несмотря на то, что повышение концентраций этих элементов в швах не отражает их концентраций в руде, однако сам факт такого их поведения указывает на использование определенных типов руд. Возможно, будущие исследования позволят установить, могут ли высокие показатели никеля и мышьяка в сварных изделиях использоваться для определения рудных источников.
Высоконикелевая сталь как материал, устойчивый к коррозии
По данным современной металлургии, даже небольшая примесь никеля повышает устойчивость железа к коррозии, вызванной атмосферными окислительными процессами. Такие типы стали значительно устойчивее к воздействию кислот и щелочей. Этим объясняется, почему участки высокой концентрации никеля плохо поддаются травлению. Такими свойствами отличается нож из Витебска с повышенным содержанием никеля в сварных швах, опубликованный М.Ф. Гуриным. Здесь процесс коррозии не продвигался в зоны, обогащенные никелем. Могли ли древние и средневековые кузнецы целенаправленно использовать высоконикелевую сталь как материал, устойчивый к коррозии? Это вполне возможно, хотя впервые нержавеющая сталь с 10 % Ni в Богемии получена в 1910 г.
В работах Е. Пясковского неоднократно упоминается сталь, изготовлявшаяся халибами в период античности; ее характерные свойства — серебристый цвет и устойчивость к коррозии. Такая сталь упоминается в трактате «De mirabilimus auscultationibus», приписываемом Аристотелю; упоминается, что ее выплавляли из «черного песка» и камня pyri-machos. Е. Пясковский предполагает, что камень — это хлоантит (FeNCoAs)S2, а черный песок — магнетит в соединении с кварцем, получаемый металл — высоконикелевая твердая сталь. Изделия из высоконикелевого железа известны в Польше в IV–VIII вв., предполагается, что их получали из руд с высоким содержанием никеля. Упоминавшийся топор из Ветржно-Бобрка имеет участки с 8.9-17.8 %, максимально до 39.1 % Ni, а также 0.95-1.07 % Со и 0.24-0.42 % (максимально 1.15 %) As. Два браслета из Ченстохова-Раков содержат 18.3 и 12.5 % Ni (более поздние данные — 17.4 % Ni, 0.6 % Со и 0.5 % As). Поскольку все эти изделия изготовлены из металлургического железа, они подтверждают предположение Е. Пясковского о существовании и целенаправленном применении высоконикелевой стали в Польше в период античности.