CeROArt

Tekijä kiittää Artesis-yliopiston metallien konservoinnin ja restauroinnin osaston professoria ja johtajaa Patrick Stormea, Seerp Visseriä, Dirk Anthierensia, Gotscha Lagidsea ja Zaqro Nonikashvilia arvokkaista kommenteistaan, ideoistaan, käytännöllisestä tietämyksestään ja avustuksestaan tässä yhteenvedossa esitetyssä tutkimuksessa.

Esittely

1Raudalla on ollut erittäin tärkeä rooli ihmisen evoluutiossa siitä lähtien, kun sitä käytettiin ensimmäisen kerran. Metallurgisen tieteen kehittyminen ja tieto, jota esi-isillämme oli raudasta ja teräksestä, olivat ratkaisevia kansojen nousun ja tuhon kannalta. Tämän materiaalin tunnetuimmista ja kiehtovimmista historiallisista lajeista Damaskus- tai Damaskos-teräs on tunnetuin. Damaskoteräs tuli tunnetuksi ominaisuuksistaan, joiden uskottiin olevan lähes maagisia. Nykyaikainen, yleisemmin hyväksytty nimi tälle teräkselle on upokkaateräs, koska teräs sulatettiin suhteellisen pienissä upokkaissa ennen kuin se taottiin korkealaatuisiksi esineiksi.

2 Lyhyesti sanottuna upokkaateräs on kovaa ja silti joustavaa ja sillä on erityinen ulkonäkö. Sen fysiikka voidaan selittää sen erityisillä mikrorakenteilla, joita kuvataan yksityiskohtaisemmin tämän artikkelin kohdassa 2.1. Ulkonäölle on ominaista kiillotetun ja syövytetyn teräksen pintaan muodostuva kuvio, joka muodostuu näistä mikrorakenteista. Kuva 2, kuvassa 1 esitetyn upotusteräksestä valmistetun sapelissa oleva Damaskin kuvio. osoittaa tyypillistä upokkaateräksen kuviointia sapelin pinnalla.

3Tuliteräksen historia on pitkä ja mielenkiintoinen, ja sitä kattaa laaja kirjallisuus. Yleisesti hyväksytään, että tämä legendaarinen teräs on peräisin Intiasta (Verhoeven, 2003) tai Pakistanista (TR Anantharamu, 1999), jossa sitä tuotettiin ensimmäisen kerran aikakautemme alussa. Myöhemmin sitä tuotettiin myös joillakin Keski-Aasian alueilla, kuten nykyisessä Turkmenistanissa ja Uzbekistanissa. Yleisesti uskotaan, että upokkaassa valmistetun teräksen valmistustekniikka katosi jossain vaiheessa 1900-lukua (Fedosov, 2007). Kirjoittajien tietojen mukaan ensimmäiset henkilöt, jotka onnistuivat valmistamaan terästä uudelleen sen jälkeen, kun sen tekniikan uskottiin kadonneen kokonaan, asuivat entisessä Neuvostoliitossa: V.I. Basov Venäjältä (Fedosov, 2007) ja Prof. Dr. Badri Amaglobeli Georgiasta (Amaglobeli, 1984). Jälkimmäinen kirjoitti hyvin yksityiskohtaisen, mutta länsimaissa tuntemattoman väitöskirjan aiheesta vuonna 1984. Vain vähän myöhemmin dr. John Verhoeven ja seppä Alfred Pendray, jotka eivät todennäköisesti olleet tietoisia Neuvostoliitossa tehdyistä tutkimuksista, tekivät omia tutkimuksiaan aiheesta suurella menestyksellä (Verhoeven ja Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998).

5 Tutkittaessa intensiivisesti upokkaiden teräksen historiallista todistusaineistoa voitiin päätellä, että monet alkuperäisiä tuotantomenetelmiä koskevat tiedot olivat joko vääriä, epätäydellisiä tai epäluotettavia. Tietyt tuotantotekniikoista nykyisin tietämämme tosiasiat ovat peräisin pääasiassa muutamista historiallisista kertomuksista, joita ovat laatineet 1800-luvun matkustajat, kuten Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) ja Voysey (Voysey, 1832), sekä länsimaisten tiedemiesten John Verhoevenin ja Alfred Pendrayn valtavasta määrästä aihetta koskevia tutkimuksia (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven ja Pendray, 1992). Ensin mainitut matkailijat kuvaavat kaikki prosesseja, joilla terästä valmistettiin Intiassa, ja kirjoittajien tietojen mukaan Keski-Aasiassa käytetyistä valmistusmenetelmistä on vain yksi henkilökohtainen kuvaus, Masalaskin vuonna 1841 (Khorasani, 2006). Muut tiedot löytyvät laajalle levinneistä metallografisista (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov ja Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) ja arkeologisista (TR Anantharamu, 1999; Rehren ja Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994) tutkimuksista.

6Esitetyssä tutkimuksessa tutkitaan syvällisesti eräitä ratkaisevia vaiheita upokkaassa käytettävän teräksen valmistusprosessissa. Tässä arkeometallurgisessa tutkimuksessa käytettiin historiallisia, havainnollisia ja kokeellisia käytännön tekniikoita.

Kokeellinen arkeometallurginen tutkimus

7Kokeellisessa arkeologiassa arkeometallurginen tutkimus on suhteellisen uusi tieteenala. Siinä käytetään tyypillisesti kokeita tutkimuskysymykseen vastaamiseksi. Kokeiden avulla voidaan selvittää uutta tietoa siitä, miten esi-isiemme on täytynyt elää, työskennellä ja ajatella. On tärkeää korostaa, että nämä tekniikat eivät useinkaan anna todellisia todisteita tai kovaa dataa tietyn teorian puolesta, mutta ne voivat tarjota uusia oivalluksia. Toisin sanoen kokeet voivat antaa pohdintaa historiallisista kertomuksista.

8Kokeellisia arkeometallurgisia tekniikoita käyttäviä akateemisia laitoksia ovat muun muassa Hullin yliopisto ja Exeterin yliopisto Isossa-Britanniassa, Universidad Autonoma de Madrid Espanjassa ja Groningenin kuninkaallinen yliopisto Alankomaissa.

Kokeellinen teräs ja kokeellinen tutkimus

9Tähti puhtaimmillaan ei ole mitään muuta kuin raudan ja hiilen yhdistelmä, ja siksi sitä kutsutaan ”hiiliteräkseksi”. Hiilellä on erityinen vaikutus teräksen kovuuteen ja sitkeyteen, ja yleisesti voidaan todeta, että mitä enemmän hiiltä, sitä kovempi (ja hauraampi) teräs, aina 6,76 %:n hiilipitoisuuden rajaan asti. Tämän rajan jälkeen seos halkeaa ja jauhautuu; sillä ei ole enää kestävyyttä (Budinsky ja Budinsky, 2005). Upotusteräs on huomattavan puhdasta runsashiilistä terästä, jonka hiilipitoisuus on 1-2 painoprosenttia, ja sitä käytettiin mieluiten erittäin arvokkaisiin aseisiin, panssareihin ja työkaluihin. Kuvassa 1: KLM-MRA:n kokoelmasta löytyvä upokkaasta teräksestä valmistettu sapeli (Klaas Remmen) esittää ”shamshiria”, asetta, joka valmistettiin usein upokkaasta teräksestä. Tämä tyypillinen hypereutektoidinen koostumus pystyy muodostamaan erityisiä mikrorakenteita, jotka ovat vastuussa sekä teräksen erinomaisista leikkauskyvyistä että syövytetyn pinnan esteettisestä ulkonäöstä.

10Suuri hiilipitoisuus muodostaa teräkseen erittäin kovia ja hauraita rakenteita, joita kutsutaan sementiitiksi. Korkean hiilipitoisuuden vuoksi upokkaassa teräksessä muodostuu paljon sementiittiä, joka ei olisi kovin käyttökelpoinen särmikkäissä aseissa tai työkaluissa, koska särmä lohkeaisi pois voimaa käytettäessä. Käyttämällä monimutkaisia taontasyklejä muinaiset sepät saivat kovat sementiittirakenteet pallottumaan ja ryhmittymään linjoiksi valmiissa tuotteessa, kun taas kovaa sementiittiä ympäröivä pehmeämmän teräksen matriisi muuttui sitkeämmäksi. Valmis tuote oli sitkeä ja pystyi vastustamaan iskuja, kun taas samassa linjassa olevat sementiittihiukkaset toimivat kuin mikrosaha esineen leikkuureunassa. Muinaisten upokkaiden teräsesineiden kiillotetussa ja syövytetyssä pinnassa näkyvät sementiittihiukkasryhmät muodostavat valkoisia, kiemurtelevia viivoja. Näitä viivoja kutsutaan joskus teräksen ”damaskiksi” (J.D. Verhoeven, 2001), ja niitä on havainnollistettu kuvassa 2. Damaskia kuvassa 1 esitetyssä upokkaasta valmistetussa teräksessä.

11Aloitettiin sarja kokeita, joissa upokkaasta valmistettua terästä valmistettiin eri tekniikoita käyttäen, jolloin tutkittiin eri vaiheita ja näkökohtia. Yksi tekniikoista oli niin sanottu georgialainen upokkaaterästekniikka. Tämän tekniikan on kehittänyt georgialainen mestariseppä Zaqro Nonikashvili, joka on kokeillut upokkaita yli kymmenen vuoden ajan. Marraskuussa 2010 hän esitteli ystävällisesti tekniikkaansa Antwerpenissä Belgiassa pidetyssä upokkaiden teräksen symposiumissa. Kuten muissakin tunnetuissa mekanismeissa, joilla saadaan upokkaaseen terästä, tässä tekniikassa käytetään vähähiilistä rautaa ja hiililähdettä, jotka yhdistyvät pyrokemiallisissa olosuhteissa ja muodostavat terästä suljetussa upokkaassa. Georgialaisen tekniikan toimintatapa on kuitenkin selvästi erilainen kuin muiden tunnettujen upokkaiden teräksen valmistustapojen. Tässä asiakirjassa esitellään tekniikka ja esitetään joitakin historiallisia pohdintoja arkeologisista löydöistä. Sen jälkeen kuvataan menetelmä, jota käytettiin kokeellisessa tutkimuksessa.

Georgialainen upokas-terästekniikka

12Georgialaisessa upokas-terästekniikassa tietty määrä vähähiilistä rautaa jaetaan kahteen yhtä suureen osaan. Kokeissa käytettiin puhdasta rautaa. Puolet rautapaloista laitettiin saviastiaan ja peitettiin hiekalla tai lasilla, jonka keskimääräinen sulamispiste on noin 1200 °C. Tämän päälle lisätään kerros puuhiiltä. Toinen puolikas raudasta ladotaan nyt myös upokkaaseen vuorotellen rauta- ja puuhiilikerroksina, joista viimeisen tai ylimmän kerroksen tuli olla puuhiiltä. Sitten upokas suljetaan kannella, jonka keskellä oli pieni reikä. Kuvio 3: Upokkaan ja sen täytön leikkaus (Seerp Visser). Kuvassa mustat osat kuvaavat puuhiiltä, punaiset osat rautaosia ja vihreät osat lasia tai hiekkaa.

13Kun upokas poltetaan hiili- tai kaasu-uunissa, lämpötila upokkaassa nousee 1200 °C:een, ja hiekka tai lasi alkaa sulaa ja muodostaa tahmeaa massaa rautapatruunan alimman puoliskon päälle. Tämä tahmea massa, joka on pohjimmiltaan pelkkää sulaa lasia, suojaa raudan alimman puoliskon hiiltymiseltä yläpuolella olevaan hiileen. Lasin yläpuolella oleva rautalatauksen ylempi puolisko alkaa Fickin lain mukaisesti ottaa hiiltä ympäröivästä hiilestä nopeammin lämpötilan noustessa (Ashby, Shercliff ja Cebon, 2007).

14Prosessin aikana upokkaassa oleva rauta poimii yhä enemmän hiiltä ja kokonaislämpötila nousee +-1500 °C:een. Lopulta alkuperäisistä vähähiilisistä rautakappaleista tulee valuraudan luokkaa oleva runsashiilinen seos. Koska rauta-hiiliseoksen sulamispiste laskee, kun seoksessa on enemmän hiiltä, nämä valurautakappaleet sulavat. Kun rautaseos on sulanut, se alkaa valua alas puuhiilen ja lasin läpi ja edelleen alas upokkaan pohjalle. Toisin kuin kevyempi hiili, tämä sula valurauta pystyy menemään sulan lasin ”suodattimen” läpi ja asettuu rautapatruunan alaosan ympärille. Korkean lämpötilan vuoksi panoksen alaosa alkaa nyt ottaa hiiltä sitä ympäröivästä sulasta valuraudasta ja sulaa lopulta itsekin.

15Puolentoista tunnin kuluttua tämä polttoprosessi on päättynyt ja koko rautapatruunan yläosa sijaitsee upokkaan pohjalla. Upokaspanos koostuu nyt upokkaan pohjalla olevasta sulasta teräspanoksesta, jonka päällä on kerros sulaa lasia, joka toimii edelleen suojana, joka suojaa sulaa terästä reagoimasta jäljelle jääneen puuhiilen kanssa. Jäähtymisen jälkeen teräs muodostaa tyypilliset upokkaiden teräsrakenteet, ja siinä on yli 0,8 painoprosenttia hypereutektoidista hiiltä. Kuvassa 4: Upokasteräksen poikkileikkaus jäähdytyksen jälkeen (Klaas Remmen)

Prills and metallographic studies

16Nonikašvilin tekniikka todettiin ensimmäisten kokeilujen jälkeen suhteellisen helppokäyttöiseksi. Teräksen valmistuksen metallurginen jäännös koostui viidestä eri osasta; upokkaasta jääneistä jäänteistä, hiilijäämistä, kiinteästä teräsharkosta ja kuonakerroksesta, jossa oli pieniä rautaseoksen pisaroita. Upokas ja hiili jätettiin pois, koska pääpaino oli muissa osissa. Saadusta teräsharkosta ja rautahiutaleista tutkittiin rakenteet ja koostumus metallografialla.

17Näytteet leikattiin jäähdytetyllä timanttisahalla ja upotettiin tavalliseen kiinnityshartsiin. Ne kiillotettiin 1 µm:n tasoon käyttäen tavanomaisia metallografiatekniikoita, minkä jälkeen ne syövytettiin Nitalilla. Harkoista otetuissa näytteissä oli selvästi havaittavissa hypereutektoidinen koostumus, jossa oli helmiäismatriisi ja neulamaisesti muodostunutta Widmanstätten-sementiittia, kuten kuvassa 5: Raakateräksen rakenne.

18 Nämä mikrorakenteet ovat tyypillisiä raa’alle upokkaalle teräkselle, ja niitä voidaan helposti verrata muinaisesta upokkaasta teräksestä tehtyihin metallografisiin tutkimuksiin (M L Wayman, 1999), kuten nähdään kuvassa 6: SEM-kuva, jossa näkyy muinaista Sri Lankan upokkaasta terästä (M L Wayman).

19Joidenkin tämän rakenteen omaavien näytteiden takomisen jälkeen teräksessä näkyi sementiittikaistaleita (kuten kuvassa 7), jotka aiheuttavat valkoiset merkinnät tai damaskit syövytetyssä pinnassa (kuten kuvassa 8).

20Jähmettyneen harkon päällä on systemaattisesti upokkaasta löytyvä lasikerros, joka lisättiin tarkoituksellisesti materiaaleja ladattaessa. Tämä lasikerros jää usein kiinni harkkoon, kun taas yläosaa peittävät tuhka ja puuhiilen palat, joita ei ole kuluttanut upokkaassa oleva ilma eikä sitä ole käytetty teräksen hiiltämiseen. Lisäksi jokaisessa Dr. Nonikashvilin tekniikkaa käyttäneessä kokeessa havaittiin lasin sisään juuttuneita pallomaisia rautaprillejä, kuten kuvasta 9 nähdään.

21 Nämä pisarat olivat poikkileikkaukseltaan 0,1-5 mm:n kokoisia, ja ne sijaitsivat kaikkialla kuonakerroksessa ja sen päällä. Lasikerroksen eri kohdista peräisin olevia pisaroita tutkittiin metallografialla. Näiden prillien rakenne osoitti olevan runsashiilistä rautaseosta, jonka hiiliprosentti oli reilusti valuraudan alueella. Prillin rakenne näkyy kuvassa 10: Kuonasta löydetyn rautaseosprillin rakenne (Klaas Remmen), jossa näkyy valuraudalle tyypillisiä harmaita grafiittilamelleja.

Keskustelu

22Erityisen mielenkiintoisiksi osoittautuivat Nonikashvilin tekniikkaa seuraavien kokeiden tulokset. Huomattavaa yhdennäköisyyttä on havaittavissa muinaisen upokkausteräksen valmistuspaikan arkeologisten löytöjen kanssa Mervissä, Turkmenistanissa (Feuerbach, 2002). Tehdään objektiivinen vertailu, jossa esitetään väitteitä, joiden mukaan pidetään mahdollisena, että muinaisen Mervin metallurgit olisivat voineet käyttää Nonikashvilin tekniikan kaltaista tekniikkaa. Vertailu tehdään Feuerbachin toimittamiin tietoihin, jotka ovat saatavilla hänen väitöskirjassaan: ”Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins” (University College London, 2002).

The prills

23Asekaivaustulokset osoittavat, että Mervin upokkaat olivat erityisen suuria ja että jähmettyneen harkon päällä oli suhteellisen ohut lasikerros. Tuotetussa teräksessä oli hypereutektoidinen mikrorakenne. Lisäksi työpajasta saadut jäänteet osoittivat, että lasikuona, jota löytyi harkkojen päältä, sisälsi myös pieniä prillejä rauta-hiiliseoksesta, jossa oli korkea hiilipitoisuus ja jonka rakenne oli hypereutektoidisen raudan ja valuraudan väliltä.

24Kun otetaan huomioon, että käytettävissä on vain hyvin vähän alkuperäisiä omakohtaisia kuvauksia upokkaissa käytettävän teräksen valmistuksesta erityisesti Keski-Aasian alueella, ei ole varmuutta siitä, mitä tekniikkaa upokkaissa käytettävän teräksen valmistukseen on voitu käyttää tällä alueella. Muinaisten metallurgien on täytynyt käyttää rautaa, jonka hiilipitoisuus on suhteellisen alhainen, sekä jotakin hiililähdettä, joka sulatetaan suljetussa upokkaassa. Tohtori A. M. Feuerbachin mukaan on hyvin epätodennäköistä, että hiililähteenä olisi käytetty valurautaa, jonka hiilipitoisuus on korkea, toisin kuin muissa tunnetuissa tekniikoissa, joilla upokkaassa terästä valmistetaan. Feuerbach esittää hypoteesina, että kuonakerroksesta löytyneet prillit olivat mahdollisesti jääneet lasikerrokseen kiinni prosessin aikana sen jälkeen, kun ne olivat sinkoutuneet sulasta metallista ”teräksen hiilidioksidikiehumisen” vuoksi. Tämä kiehuminen on hyvin tunnettu ja kuvattu reaktio, joka tapahtuu teräksen jähmettyessä ja sen kyky sitoutua happeen heikkenee. Kun happi jäähtyessään sitoutuu hiileen, se muodostaa hiilidioksidikuplia, jotka saavat sulan teräksen kiehumaan (Verhoeven, 2007). Teräksen palaset jäävät loukkuun kuonakerrokseen sekä upokkaan seinämiin. Monet tutkijat ja upokkaateräksen harrastajat noudattavat tätä teoriaa.

25Jos nämä prillit olisivat kuitenkin peräisin nestemäisestä upokkaateräksestä, niiden täytyisi lisätä hiilipitoisuuttaan, jotta ne saisivat valurautarakenteen, sen jälkeen, kun ne olivat sinkoutuneet ulos nestemäisestä massasta. Tämä tarkoittaa, että ilmakehän olisi täytynyt olla pelkistävää, kun taas kuonakerroksen sanotaan olevan lisätty estämään nestemäisen teräksen hapettumista. Lisäksi missä tahansa muussa tunnetussa upokkaassa käytettävän teräksen valmistusmenetelmässä upokkaaseen missä tahansa muodossa syötetyn hiilimäärän lasketaan kuluvan kokonaan teräkseen. Teoriassa prilleille pitäisi jäädä vain vähän hiiltä, jonka kanssa ne voisivat reagoida, kun ne ammutaan upokkaan tähän osaan. Toisaalta arkeologiset prillit ovat hyvin pieniä, eivätkä ne tarvitsisi niin paljon hiiltä muuttuakseen runsashiilisestä teräksestä valuraudaksi. Kuonaan joutuneet prillit eivät olisi kyenneet reagoimaan yläpuolella olevan ilmakehän kanssa.

26Kokeiden kuonakerroksesta löytyneillä prilleillä oli todennäköisesti erilainen alkuperä. Loogisesti oletetaan, että nämä prillit ovat peräisin upokaspanoksen yläosasta eivätkä päässeet kulkemaan sulan lasin läpi ennen kuin prosessi oli päättynyt ja täysin jähmettynyt.

Kuona

27Kuona, joka löytyi kaivauksissa, osoittautui hyvin samankaltaiseksi kuin lähellä sijaitsevien raudan sulatusjätteiden kuona. Tämä viittaa siihen, että ruiskuteräksen valmistukseen käytetty rauta saatiin läheiseltä sulatusalueelta, ja se sisälsi kuonaa kontaminaationa, joka erottui prosessin aikana. Toinen vastaus voisi olla kuonan tarkoituksellinen lisääminen upokkaaseen, jotta se toimisi virranlähteenä tai kenties suodattimena edellä kuvatun kaltaisessa itseään sisältävässä prosessissa. Kuonaa otettiin säännöllisesti tuolloin käytössä olleista kuilu-uuneista. Kuiluuunien kuonan kierrättäminen olisi hyödyllistä, koska se on tiivistä ja vie vähemmän tilaa upokkaassa, kun sitä lisätään, toisin kuin hiekkaa käytettäessä. Lisäksi kuiluuunin kuonan sulamispiste on sopivalla alueella toimimaan kuvattuna suodattimena, koska se otettiin uunista, kun sen sisällä oleva rauta oli puoliksi sulassa tilassa, noin 1200-1250 °C:n lämpötilassa (Ouden, 1988).

Yksinkertaisuus

28Kaikki tunnetut tekniikat upokkaiden teräksen valmistamiseksi vaativat laskutoimituksia tai kokemusperäistä tietämystä määristä, joilla halutun harkon hiilipitoisuus saataisiin oikealle tasolle. Vain muutaman painoprosentin hiilipitoisuusero tekee eron korkealaatuisen upokkaiden teräksen ja työstökelvottoman valuraudan (2 % hiiltä tai enemmän) välillä (Budinsky ja Budinsky, 2005). Tohtori Nonikashvilin itsesäätelyjärjestelmä on melko yksinkertainen käyttää, eikä se tarvitse tarkkoja laskelmia hiilitasojen tehokkuudesta. Oikealla tavalla toteutettuna on vain pieni mahdollisuus päätyä rakenteisiin, joissa on liikaa hiiltä.

Johtopäätökset

29Kokeelliset tulokset osoittavat yksinkertaisen tekniikan upokkaiden teräksen valmistukseen, joka soveltuu hyvin prislattujen materiaalien saamiseen. Kokeista saadut metallurgisen toiminnan jäännökset sopivat hyvin yhteen Mervin arkeologisten löytöjen kanssa. Tämä havainto antaa vaikutelman, että muinaisessa Mervissä on saatettu käyttää samanlaista itsesäätyvää tekniikkaa.

30Koska esitelty tutkimus tehtiin osana yksivuotista masterprojektia ja se aloitettiin pilottiprojektina, ei ollut riittävästi aikaa eikä resursseja tehdä enemmän vertailua eri tekniikoiden välillä. Tiedämme esimerkiksi, että myös upokkaiden panostyypeillä ja polttotekniikoilla on keskeinen rooli prosessissa, ja niillä on suuri vaikutus materiaalin ominaisuuksiin (sekä fyysisesti että esteettisesti). Tulevat tutkimukset voivat varmasti tarjota vankempia faktoja eri teorioista.