CeROArt

Autor by rád poděkoval Patricku Stormovi, profesorovi a vedoucímu katedry konzervace a restaurování kovů na univerzitní škole Artesis; Seerpu Visserovi; Dirku Anthierensovi; Gotsche Lagidse a Zaqro Nonikashvilimu za jejich cenné připomínky, nápady, praktické poznatky a pomoc při zde shrnutém výzkumu.

Úvod

1Železo hrálo velmi důležitou roli ve vývoji člověka od doby, kdy bylo poprvé použito. Rozvoj metalurgické vědy a znalosti našich předků o železe a oceli byly rozhodující pro vzestup a pád národů. Mezi nejznámější a nejzajímavější historické druhy tohoto materiálu patří damašská nebo damašská ocel. Damašská ocel se proslavila svými vlastnostmi, o nichž se věřilo, že se blíží magickým. Moderní, obecněji přijímaný název pro tuto ocel je kelímková ocel, protože ocel byla roztavena v relativně malých kelímcích, než byla vykována do předmětů nejvyšší kvality.

2Krátce řečeno, kelímková ocel je tvrdá a přitom pružná a má specifický vzhled. Její fyzikální vlastnosti lze vysvětlit specifickou mikrostrukturou, která je podrobněji popsána v kapitole 2.1 tohoto článku. Vzhled je charakterizován vzorem, který se vytváří na povrchu leštěné a leptané oceli a je tvořen těmito mikrostrukturami. Obr. 2, Damašek šavle z kelímkové oceli z obr. 1 1 Šavle ze sbírky KLM-MRA vyrobená z tyglíkové oceli

Na obrázku je kozácký šamšír, typická zbraň vyrobená z tyglíkové oceli ze sbírky bruselské KLM-MRA.

Credity : Klaas Remmen

3Historie kelímkové oceli je dlouhá a zajímavá a je popsána v rozsáhlé literatuře. Obecně se má za to, že tato legendární ocel pochází z Indie (Verhoeven, 2003) nebo Pákistánu (TR Anantharamu, 1999), kde byla poprvé vyrobena přibližně na počátku našeho letopočtu. V pozdějších dobách se vyráběla také v některých oblastech Střední Asie, například v dnešním Turkmenistánu a Uzbekistánu. Obecně se má za to, že technika výroby tyglíkové oceli se ztratila někdy ve 20. století (Fedosov, 2007). Podle poznatků autorů by první osoby, které úspěšně obnovily výrobu oceli poté, co byla její technika považována za zcela ztracenou, žily v bývalém SSSR: V. I. Basov z Ruska (Fedosov, 2007) a Prof. dr. Badri Amaglobeli z Gruzie (Amaglobeli, 1984). Druhý jmenovaný napsal v roce 1984 na toto téma velmi podrobnou, ale v západních zemích neznámou doktorskou práci. Jen o chvíli později se dr. John Verhoeven a kovář Alfred Pendray, pravděpodobně neznalí výzkumu v SSSR, provedli vlastní výzkum na toto téma, a to s velkým úspěchem (Verhoeven a Pendray, 1992; J. D. Verhoeven, 1996; J. D. Verhoeven, 1998).

5Intenzivním studiem historických dokladů o tyglíkové oceli bylo možné dojít k závěru, že řada informací o původních výrobních postupech je buď nepravdivá, neúplná, nebo nespolehlivá. Určitá fakta, která dnes víme o výrobních postupech, pocházejí především z několika historických zpráv, které pořídili cestovatelé 19. století jako Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) a Voysey (Voysey, 1832), a z obrovského množství výzkumů na toto téma, které provedli západní vědci John Verhoeven a Alfred Pendray (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven a Pendray, 1992). Všichni první zmínění cestovatelé popisují postupy, jak se ocel vyráběla v Indii, a pokud je autorům známo, existuje pouze jeden osobní popis výrobních metod používaných ve Střední Asii, a to Masalaskiho z roku 1841 (Khorasani, 2006). Další informace lze nalézt v rozšířených metalografických (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov a Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) a archeologických (TR Anantharamu, 1999; Rehren a Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994) studiích.

6Předložená studie podrobně zkoumá některé zásadní kroky výrobního procesu tyglíkové oceli. Pro tento archeometalurgický výzkum byly použity historické, pozorovací a experimentální praktické techniky.

Experimentální archeometalurgický výzkum

7V experimentální archeologii je archeometalurgický výzkum poměrně novou disciplínou. Obvykle využívá experimenty k zodpovězení výzkumné otázky. Prováděním experimentů lze zjistit nové informace o způsobech, jakými naši předkové museli žít, pracovat a myslet. Je důležité zdůraznit, že tyto techniky často neposkytují skutečný důkaz nebo tvrdá data pro určitou teorii, ale mohou přinést nové poznatky. Jinými slovy, experimenty mohou přinést zamyšlení nad historickými výpověďmi.

8Mezi akademické instituce, které používají experimentální archeometalurgické techniky, patří University of Hull a Exeter University ve Velké Británii, Universidad Autonoma de Madrid ve Španělsku a Královská univerzita v Groningenu v Nizozemsku.

Ocel a experimentální výzkum

9Ocel ve své nejčistší podobě není nic jiného než kombinace železa a uhlíku, a proto se nazývá „uhlíková ocel“. Uhlík má zvláštní vliv na tvrdost a houževnatost oceli a obecně lze konstatovat, že čím více uhlíku, tím je ocel tvrdší (a křehčí), a to až do hranice při 6,76 % uhlíku. Za touto hranicí by slitina popraskala a rozprášila se; nemá již žádnou konzistenci (Budinský a Budinský, 2005). Tyglová ocel je pozoruhodně čistá ocel s vysokým obsahem uhlíku s podílem 1-2 % hmotnostních a přednostně se používala pro vysoce ceněné zbraně, brnění a nástroje. Na obr. 1: Šavle ze sbírky KLM-MRA vyrobená z tyglíkové oceli (Klaas Remmen) ukazuje „šamšír“, zbraň, která se často vyráběla z tyglíkové oceli. Toto typické hypereutektoidní složení je schopno vytvářet specifické mikrostruktury, které jsou zodpovědné jak za vynikající řezné schopnosti oceli, tak za estetický vzhled leptaného povrchu.

10Vysoký obsah uhlíku vytváří v oceli velmi tvrdé a křehké struktury, nazývané cementit. Vysoký obsah uhlíku v tyglíkové oceli dává prostor pro tvorbu velkého množství cementitu, který by nebyl tak užitečný pro ostří zbraní nebo nástrojů, protože by se ostří při působení síly odštíplo. Pomocí složitých kovářských cyklů dokázali starověcí kováři dosáhnout toho, že se tvrdé cementitové struktury v hotovém výrobku zakulatily a seskupily do řad, zatímco matrice z měkčí oceli kolem tohoto tvrdého cementitu ztvrdla. Hotový výrobek byl houževnatý a schopný odolávat úderům, zatímco zarovnané částice cementitu působily jako mikropilky na ostří předmětu. Skupiny částic cementitu, viditelné na vyleštěném a vyleptaném povrchu starobylých předmětů z tyglíkové oceli, tvoří bílé, meandrující linie. Tyto linie se někdy nazývají „damašek“ oceli (J. D. Verhoeven, 2001) a jsou znázorněny na obr. 2 Damašek šavle z tyglíkové oceli na obr. 1.

11Začala série experimentů, při nichž byla tyglíková ocel vyráběna různými technikami, byly studovány různé kroky a aspekty. Jednou z technik byla takzvaná „gruzínská“ technika výroby tyglíkové oceli. Tuto techniku vyvinul dr. Zaqro Nonikashvili, gruzínský mistr, který s tyglíkovou ocelí experimentuje již více než deset let. V listopadu 2010 laskavě předvedl svou techniku na sympoziu o tyglíkové oceli, které se konalo v belgických Antverpách. Stejně jako ostatní známé mechanismy získávání tyglíkové oceli využívá tato technika nízkouhlíkové železo a zdroj uhlíku, které se za pyrochemických podmínek spojují a vytvářejí ocel v uzavřeném tyglíku. Způsob, jakým gruzínská technika funguje, se nicméně výrazně liší od ostatních známých způsobů výroby tyglíkové oceli. Tento článek představuje tuto techniku a uvádí některé historické úvahy o archeologických nálezech. Následuje popis metodiky, která byla použita při experimentálním výzkumu.

Georgiánská technika výroby tyglíkové oceli

12Při gruzínské technice výroby tyglíkové oceli se určité množství nízkouhlíkového železa rozdělí na dvě stejné části. Při pokusech bylo použito čisté železo. Jedna polovina kusů železa byla vložena do hliněného kelímku a zasypána pískem nebo sklem s průměrnou teplotou tání přibližně 1200 °C. Na to se přidala vrstva dřevěného uhlí. Druhá polovina železa se nyní také nabírá do kelímku, a to střídavě ve vrstvách železa a dřevěného uhlí, přičemž poslední nebo vrchní vrstvu muselo tvořit dřevěné uhlí. Kelímek se poté uzavře víkem, které mělo uprostřed malý otvor. Způsob nabíjení tyglíku je patrný na obr. 3: řez tyglíkem a jeho náplní (Seerp Visser). Černé části na obrázku představují dřevěné uhlí, červené části představují železné části, zatímco zelené části znázorňují sklo nebo písek.

13Při výpalu tyglíku v uhelné nebo plynové peci dosáhne teplota v tyglíku 1200 °C a písek nebo sklo se začne tavit a vytvoří lepkavou hmotu na vrcholu nejspodnější poloviny železné nálože. Tato lepkavá hmota, v podstatě jen roztavené sklo, chrání spodní polovinu železa před zuhelnatěním uhlím nad ní. Horní polovina železné nálože nad sklem začne podle Fickova zákona s rostoucí teplotou rychleji nabírat uhlík z okolního dřevěného uhlí (Ashby, Shercliff a Cebon, 2007).

14Během procesu železo v kelímku nabírá stále více uhlíku a celková teplota stoupá až na +-1500 °C. Nakonec se z původních kusů železa s nízkým obsahem uhlíku stane slitina s vysokým obsahem uhlíku v rozsahu litiny. Protože teplota tání slitiny železa a uhlíku klesá s tím, jak slitina obsahuje více uhlíku, tyto kusy litiny se roztaví. Po roztavení začne slitina železa stékat přes kousky dřevěného uhlí a skla a dále dolů na dno kelímku. Na rozdíl od lehčího dřevěného uhlí je tato roztavená litina schopna projít „filtrem“ roztaveného skla a usazuje se kolem spodní části železné nálože. Vzhledem k vysoké teplotě začne nyní spodní část nálože nabírat uhlík z roztavené litiny, která ji obklopuje, a nakonec se sama roztaví.

15Po hodině a půl je tento proces výpalu dokončen a celá horní část železné nálože se nachází na dně kelímku. Náplň kelímku se nyní skládá z roztavené náplně oceli na dně kelímku, na níž se nachází vrstva roztaveného skla, která stále funguje jako kryt chránící roztavenou ocel před reakcí se zbytky dřevěného uhlí. Po vychladnutí tvoří ocel typickou strukturu tyglíkové oceli a obsahuje hypereutektoidní uhlík s hmotnostním podílem nad 0,8 %. Na obr. 4: Průřez kelímkovou ocelí po vychladnutí (Klaas Remmen)

Prilly a metalografické studie

16Po počátečních experimentech bylo zjištěno, že Nonikašviliho technika je poměrně snadno použitelná. Metalurgický zbytek z výroby oceli se skládal z pěti různých částí; zbytků z kelímku, zbytků dřevěného uhlí, pevného ocelového ingotu a vrstvy strusky, v níž byly přítomny drobné kapičky slitiny železa. Kelímek a dřevěné uhlí byly vyřazeny, protože pozornost byla zaměřena především na ostatní části. Získaný ocelový ingot a železné prilby byly zkoumány z hlediska struktury a konzistence pomocí metalografie.

17Vzorky byly nařezány pomocí chlazené diamantové pily a zality do běžné montážní pryskyřice. Byly vyleštěny na stupeň 1 µm pomocí standardních metalografických technik a následně vyleptány Nitalem. Vzorky z ingotů zřetelně vykazovaly hypereutektoidní složení s perlitovou matricí a jehličkovitým Widmanstättenovým cementitem, jak je vidět na obr. 5: Struktura surové kelímkové oceli.

18Tyto mikrostruktury jsou typické pro surovou tyglíkovou ocel a lze je snadno porovnat s metalografickými studiemi starověké tyglíkové oceli (M L Wayman, 1999), jak je vidět obr. 6: SEM snímek zobrazující starověkou srílanskou tyglíkovou ocel (M L Wayman).

19Po vykování některých vzorků s touto strukturou se na oceli objevilo páskování cementitu, (jak je vidět na obr. 7), které je zodpovědné za bílé značky neboli damask na leptaném povrchu (jak je vidět na obr. 8).

20Na vrcholu ztuhlého ingotu se systematicky nachází vrstva skla nalezená v kelímku, která byla záměrně přidána při nakládání materiálu. Tato skleněná vrstva často ulpívá na ingotu, zatímco horní část je pokryta popelem a kousky dřevěného uhlí, které nebyly spotřebovány ani vzduchem v kelímku, ani nebyly použity k nauhličování oceli. Rovněž při každém pokusu s technikou dr. Nonikašviliho byly nalezeny zbalené úlomky železa zachycené ve skle, jak je vidět na obr. 9.

21Tyto kapky měřily v průřezu 0,1 až 5 mm a nacházely se v celé vrstvě strusky i na jejím povrchu. Příměsi z různých částí ve vrstvě skla byly studovány metalograficky. Struktura těchto prilů ukázala, že se jedná o slitinu železa s vysokým obsahem uhlíku, přičemž podíl uhlíku značně přesahoval oblast litiny. Struktura prillu je vidět na obr. 10: Struktura prilu ze slitiny železa nalezeného ve strusce (Klaas Remmen), na kterém jsou vidět šedé grafitové lamely, typické pro strukturu litiny.

Diskuse

22Výsledky experimentů podle Nonikašviliho techniky se ukázaly jako mimořádně zajímavé. Pozoruhodná je podobnost s archeologickými nálezy ze starověkého naleziště výroby tyglíkové oceli v Mervu v Turkmenistánu (Feuerbach, 2002). Je provedeno objektivní srovnání, v němž argumenty naznačují, že je považováno za možné, že metalurgové ve starověkém Mervu mohli používat techniku podobnou Nonikashviliho technice. Srovnání je provedeno s údaji, které poskytla Feuerbachová a které jsou přístupné v její disertační práci: ‚Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins‘ (University College London, 2002).

Tyglíky

23Důkazy z vykopávek ukazují, že tyglíky v Mervu byly obzvláště velké a na vrcholu ztuhlého ingotu měly poměrně tenkou vrstvu skla. Vyrobená ocel vykazovala hypereutektoidní mikrostrukturu. Zbytky z dílny navíc ukázaly, že skleněná struska, která se nacházela na vrcholu ingotů, obsahovala také drobné úlomky slitiny železa a uhlíku s vysokým podílem uhlíku, která měla strukturu v rozmezí mezi hypereutektoidním železem a litinou.

24Vzhledem k tomu, že je k dispozici jen velmi málo původních popisů z první ruky o výrobě tyglíkové oceli, zejména ve středoasijské oblasti, není jisté, jaká technika mohla být k získání tyglíkové oceli v této oblasti použita. Starověcí metalurgové museli používat železo s relativně nízkým podílem uhlíku spolu s nějakým zdrojem uhlíku, který se měl tavit v uzavřeném kelímku. Podle dr. A. M. Feuerbacha je velmi pochybné, že by na rozdíl od jiných známých technik výroby tyglíkové oceli byla jako zdroj uhlíku použita litina s vysokým obsahem uhlíku. Jako hypotézu pro zachycené železo Feuerbach popisuje, že prily, nalezené ve vrstvě strusky, byly pravděpodobně zachyceny ve vrstvě skla během procesu poté, co byly vysunuty z roztaveného kovu v důsledku „CO varu oceli“. Toto vaření je dobře známá a popsaná reakce, k níž dochází při tuhnutí oceli, která má menší schopnost vázat se s kyslíkem. Protože se kyslík po ochlazení váže s uhlíkem, vytváří bubliny CO, které způsobují vaření roztavené oceli (Verhoeven, 2007). Kousky oceli se zachycují ve vrstvě strusky i na stěnách kelímku. Touto teorií se řídí mnoho vědců a nadšenců pro tyglíkovou ocel.

25Pokud by však tyto úlomky pocházely z tekuté tyglíkové oceli, musely by po vysunutí z tekuté hmoty zvýšit obsah uhlíku, aby získaly strukturu litiny. To znamená, že atmosféra uvnitř tyglíku by musela být redukčního druhu, zatímco vrstva strusky se prý přidává proto, aby zabránila oxidaci tekuté oceli. Kromě toho se při jakémkoli jiném známém způsobu výroby oceli v kelímku počítá s tím, že množství uhlíku vloženého do kelímku v jakékoli formě bude zcela spotřebováno ocelí. Teoreticky by mělo zůstat jen málo uhlíku, s nímž by mohly reagovat prily, když byly vystřeleny do této části kelímku. Na druhou stranu jsou archeologické prily velmi malé a nepotřebovaly by tolik uhlíku, aby se přeměnily z oceli s vysokým obsahem uhlíku na litinu. Prilly zachycené ve strusce by vůbec nemohly reagovat s atmosférou nad nimi.

26Prilly, které byly nalezeny ve struskové vrstvě při experimentech, měly pravděpodobně jiný původ. Logicky se předpokládá, že tyto prily pocházejí z horní části náplně tyglíku a nemohly projít roztaveným sklem dříve, než byl proces ukončen a zcela ztuhl.

Struska

27Struska, nalezená při výkopech, se ukázala být velmi podobná strusce z nedalekých zbytků po tavbě železa. To naznačuje, že železo, použité k výrobě kelímkové oceli, bylo získáno v blízké hutní oblasti a obsahovalo strusku jako kontaminaci, která se oddělila během procesu. Další odpověď lze nalézt v záměrném přidávání strusky do kelímku, aby působila jako tavidlo, nebo možná jako filtr v samočinném procesu, jak je popsáno výše. Struska se pravidelně odčerpává z tehdy používaných šachtových pecí. Recyklace strusky ze šachtových pecí by byla výhodná, protože je hustá a po přidání by v kelímku zabírala méně místa, na rozdíl od použití písku. Kromě toho je teplota tání strusky ze šachtové pece ve správném rozmezí, aby mohla fungovat jako popsaný filtr, protože se z pece odebírala, když bylo železo uvnitř v polotavém stavu, přibližně při 1200-1250 °C (Ouden, 1988).

Jednoduchost

28Všechny známé techniky výroby tyglíkové oceli vyžadují výpočty nebo empirické znalosti množství, aby se hladina uhlíku v požadovaném ingotu dostala do správného rozmezí. Je to pouze rozdíl několika hmotnostních procent uhlíku, které tvoří rozdíl mezi vysoce kvalitní tyglíkovou ocelí a nezpracovatelnou litinou (2 % uhlíku nebo více) (Budinsky a Budinsky, 2005). Samoregulační systém Dr. Nonikashviliho je poměrně jednoduchý v použití a nepotřebuje přesné výpočty, aby byly hladiny uhlíku účinné. Při správném provedení je pouze malá pravděpodobnost, že ve strukturách skončí příliš mnoho uhlíku.

Závěr

29Experimentální výsledky ukazují jednoduchou techniku výroby tyglíkaté oceli, která je vhodná k získání vysoce prizmatického materiálu. Pozůstatky metalurgické činnosti z experimentů velmi dobře odpovídají archeologickým nálezům v Mervu. Toto pozorování vyvolává dojem, že podobná samoregulační technika mohla být ve starověkém Mervu používána.

30Protože prezentovaný výzkum byl proveden v rámci jednoletého magisterského projektu a začal jako pilotní projekt, nebyl dostatek času ani prostředků na větší srovnání jednotlivých technik. Víme například, že i typy tyglíků a techniky výpalu hrají v procesu klíčovou roli a mají velký vliv na vlastnosti (jak fyzikální, tak estetické) materiálu. Budoucí výzkum může jistě přinést pevnější fakta o různých teoriích.