Вступление
Современная наука характеризуется усилением тенденции к интеграции знаний разных дисциплин. Это явление получило название «междисциплинарность». С одной стороны, междисциплинарность открывает большие возможности для исследователей и огромные поля для исследований. С другой стороны, междисциплинарность заставляет учёного становится специалистом сразу в нескольких областях знаний. Хорошо, когда эти области имеют смежный характер. Гораздо сложнее разобраться в области знаний, которая лежит вдалеке от собственных научных интересов.
В данной статье встретится история и металлургия. В частности, будет сделана попытка разобраться использовании медных сплавов римлянами для производства вооружения в период от кризиса республики в I в. до н.э. до падения Западной Римской империи в V веке.
Немного вспомогательной исторической информации
Периоды римской истории:
VI – III вв. до н.э. – ранняя республика.
III – I вв. до н.э. – поздняя республика.
I в. до н.э. – III в. – ранняя империя.
III – V вв. – поздняя империя.
Некоторые римские доспехи, упоминаемые в тексте:
Шлем типа монтефортино – имел форму несколько вытянутой полусферы, использовался с IV в. до н.э. по средину I в., считается римской копией кельтского шлема. Назван по месту находки в одноимённом кельтском захоронении в Северной Италии.
Шлем типа колю – имел полусферическую форму, использовался с III в. до н.э. до I в., считается подражанием кельтским шлемам. Часто в литературе его называют «кулус», но название получил по месту находки в департаменте Колю во Франции.
Шлем типа нидербибер – получил распространение со второй половины II века, считается вершиной эволюции имперских шлемов периода ранней империи. Согласно археологическим находкам, шлемы этого типа могли изготовляться как целиком из медного сплава или стали, так и из стали с медными элементами. Назван по месту археологической находки в районе города Нойвид в Германии.
Лорика сегментата – римский пластинчатый доспех. Первое изображение такого доспеха датируется 14 г. до н.э. Снята с вооружения в IV веке. Название придумано в XVI веке.
Орихалк
После того как Гай Юлий Цезарь Октавиан Август реформировал римскую монетную систему (а может быть и чуть раньше), для изготовления монет в Риме стали использовать сплав под названием орихалк. Обычно под этим термином подразумевают латунь. Вероятно, это был сплав меди и цинка (собственно латунь) в соотношении от 80% на 20% до 90% на 10%. Возможно орихалком также считался сплав меди, свинца и цинка или меди, олова и цинка (оловянная бронза) в соотношении, примерно, 88% на 10% на 2%.
Из орихалка чеканили римские монеты: сестерции, дупондии и семисы.
Государство имело монополию на выплавку этого металла. Вполне возможно, что причиной тому было опасение относительно фальшивомонетчиков.
Орихалк также использовался для изготовления большинства предметов вооружения из медных сплавов в начале раннего имперского периода. Этот сплав был твёрже чистой меди, но мягче бронзы (сплав меди и олова), поэтому с ним было легче работать и его можно было использовать для создания предметов сложных форм.
В период поздней Римской империи орихалк всё ещё использовался, например, для изготовления шлемов, таких как шлемы типа нидербибер. Анализ обнаруженных в районе Лондона поясных деталей, датируемых IV веком, показал, что они также были отлиты из орихалка, а затем вырезанный узор был обработан холодным способом с помощью долота.
Бронза
Единственным предметом, использовавшимся римскими воинами в I веке, который обычно изготавливали из бронзы, были патеры – неглубоки чаши (или глубокие блюдца) для религиозных целей. Патеры поставлялись в войска частными производителями из Италии, а позже и из Галлии.
В отдельных случаях бронза и другие медные сплавы могли использоваться для изготовления элементов чешуйчатых доспехов, но это не было регулярной практикой.
Сплавы и их свойства
Медь имеет золотисто-красновато-жёлтый оттенок, цинк – голубовато-белый, свинец – голубовато-серебристо-серый, олова – серебристо-белый. Соответственно, сплавы меди имеют золотисто-жёлтый цвет. Сплавы с большим содержанием меди имеют более красноватый оттенок. Чем меньше меди, тем цвет сплава более бледный.
Выделяют три типа орихалка:
1. Сплав с соотношением меди и цинка 80% на 20%. Такой использовался, например, для изготовления фурнитуры для пластинчатых доспехов типа лорика сегментата – застёжки, петли, пряжки, крючки, кольца.
2. Сплав с более высоким содержанием меди – от 85% на 15% цинка до 90% на 10% цинка. Более высокое содержание меди означало, что сплав был мягче и, следовательно, лучше подходил для изготовления заклёпок – крепежа фурнитуры к пластинам доспехов и пластин доспехов друг к другу.
3. Сплав меди, свинца и цинка. Этот сплав использовался для производства литых изделий. Наличие в составе свинца улучшало текучесть при заливании в форму.
Такая типизация медных сплавов была бы вполне логична для римских металлургов. На практике же широко применялось повторное использование металлического лома, поэтому заявленные пропорции металлов выдерживались далеко не всегда.
Наличие медных сплавов в деталях стальных доспехов приводило к появлению эффекта электромеханической коррозии из-за различия электрохимических потенциалов железа и меди. Потенциал железа ниже, чем у меди. Медь – более благородный (менее активный) металл. Когда влага попадает на места соприкосновения металлов, она начинает действовать как электролит. Электролит обеспечивает миграцию ионов. На стали происходит окисление: железо растворяется, отдавая электроны, а его ионы переходят в раствор, а на меди происходит восстановление окислителя.
Цементация
В Риме орихалк получали методом цементации. Суть метода заключается в том, что смесь металлической меди с цинковой рудой (оксид или карбонат цинка – каламин или смитсонит, соответственно) и древесным углём плавили в закрытом тигле из обычной (не огнеупорной) глины. По сравнению с прямым сплавлением металлов цементацию можно производить при более низких температурах (около 900˚C), что экономило время и материалы. При нагреве цинковые пары поглощались медью, в результате и получался орихалк.
Метод цементации позволял получать орихалк с содержанием цинка до 28%. Эта цифра подтверждается археологически – например, анализ римского слитка орихалка найденного в юго-восточной Англии показал содержание цинка 26,8%.
Однако частые переплавки ухудшали качество сплава, так как цинк при нагревании испаряется, и свойства орихалка ухудшаются.
Обработка металла
Предание металлу нужной формы, размера и свойств производилось либо обработкой давлением (ковка), либо расплавлением и отливкой (литьё).
Ковка
Бронзовые шлемы периода республики обычно изготавливались методом горячей ковки, но к началу раннего имперского периода чаши шлемов типа монтефортино и типа колю стали производиться методом холодной ковки – ротационной вытяжкой. Принципиальная разница процессов состоит в следующем: при горячей ковке обработка металла давлением осуществляется после его нагрева до ковочной температуры, а при вытяжке заготовка металла обрабатывается давлением без предварительного нагревания.
Недостатком второго метода является то, что он легко может привести к ослаблению металла. На сохранившихся римских шлемах, изготовленных методом ротационной вытяжки, часто видны повреждения в области чаши. Кстати, умбоны щитов также изготавливались методом вытяжки на протяжении всего римского периода.
Литьё
Литьё снаряжения могло производиться одним из двух основных методов: либо методом литья по выплавляемым моделям, либо методом литья в разборные формы.
Первый метод заключается в том, что создаётся восковая модель, заливается формовочной смесью, после застывания формы воск выплавляется, а на его место заливается металл. Такой способ, вероятно, требовал меньших трудозатрат для обработки отлитой заготовки, но имел существенный недостаток – форму можно было использовать только один раз, так как её нужно было разбить, чтобы извлечь изделие.
Римские керамические формы для изготовленные элементов конской упряжи методом литья по выплавляемым моделям найдены в большом количестве во время раскопок на месте римского лагеря в районе древней Алезии во Франции, а также в районе голландского города Неймеген.
Метод литья в разборные формы подразумевает использование глиняных или каменных форм, состоящих их двух частей, скрепляемых между собой. Такие формы были многоразовыми и могли быть проверены с помощью пробной отливки (из свинца), но всё равно постепенно изнашивались при частом использовании. К тому же изделия, полученные таким способом, требовали большей обработки из-за неизбежного образования облоя.
Римские составные формы, недоделанные отливки и свинцовые пробные образцы нередко встречаются среди археологических находок.
При раскопках римского поселения на горе Ауэрберг в предгорьях Баварских Альп были обнаружены элементы военной техники, в частности – формы для изготовления крепежа (шайб) метательных машин.
Исследования показали, что для изготовления четырёх шайб, необходимых для одной метательной машины, от начала создания восковой модели до окончательной отливки, потребовалось бы два человеко-дня. Для изготовления каждой шайбы потребовалось бы около 2 кг металла, который разогревался бы в нескольких тиглях от 30 до 45 минут.
Итог
Постепенно Римская империя шла к своему упадку и гибели в конце V века (Восточная Римская империя – Византия – продержалась до XV). Политические, экономические, социальные изменения в Европе оставили свой след на развитии металлургии вообще и обработке меди в частности. Достаточно сказать, что после падения Рима упоминания орихалка из источников пропадают.