Исследование структуры железного кинжала гуннского времени из Центрального Казахстана

В предлагаемой статье в научный оборот вводятся результаты изучения структуры железного кинжала из кургана с «усами» Назар (Каркаралинский р-н, Карагандинская обл., РК). Памятник обнаружен А.З. Бейсеновым в 2001 г., раскопки проводились в 2011 г.1 Кинжал найден в кургане-спутнике и в публикации памятников урочища Назар был отнесён к гунносарматской эпохе с предполагаемой датой IV—V вв. н.э. (подробнее о кургане см.: Бейсенов 2016).

Памятников гуннского времени, содержавших захоронение человека, предметы сопроводительного инвентаря, как и «кладов», отдельных вещей в Центральном Казахстане до сих пор выявляют очень мало (Бейсенов, Веселовская 2013; Бейсенов, Китов 2013, Бейсенов и др. 2018). Публикуемые данные представляют собой первые результаты металлографического изучения железного изделия гуннского времени из Центрального Казахстана. В предыдущих публикациях авторов были освещены результаты металлографического изучения железных кинжала и топора из памятников сакской эпохи рассматриваемого региона (Бейсенов и др. 2023а; 2023б).

Общая длина изделия 320 мм (рис. 1: a ), обоюдострого клинка, линзовидного в сечении, — 270 мм. Кинжал без перекрестия и навершия. Клинок с параллельными лезвиями сужается к концу, переходит в рукоять под прямым углом, расширяясь и образуя упор шириной 34 мм. Ширина клинка в средней части равна 28 мм. Судя по сохранившемуся виду, штыревидная рукоять имеет длину 50 мм. Толщина рукояти 2,8 мм, наибольшая толщина клинка в месте перехода в клинок — 5 мм, в средней части — 4 мм. Толщина клинка ближе к концу незначительно увеличивается и в 50 мм от острия достигает 4,1 мм.

Представленные ниже результаты изучения структуры кинжала и выводы получены в Институте металлургии и обогащения НАО «Казахский национальный исследовательский технический университет имени К.И. Сатпаева», где проводились исследования.

Поверхность кинжала (рис. 1) повреждена сильной неравномерной язвенной коррозией с формированием рыхлых слоёв коррозионных отложений на поверхности, контактирующей с атмосферой. Заметны также слои с плотной структурой вблизи с поверхностью металла. Это свойственно для коррозионных слоёв, формирующихся на поверхности низкоуглеродистых сталей и железа, при их длительном контакте с низкоагрессивной средой.

Исследование структуры металла, из которого изготовлен кинжал, осуществляли после шлифовки и полировки участка, указанного на рисунке 1. Исследование структуры проводили на металлографической рабочей станции на базе инвертированного микроскопа Leica DM

№ 18. 2024

из Центрального Казахстана

IRM при увеличениях от 75 до 1500 крат. Неметаллические включения, слой коррозионных отложений изучали до травления, структуру металла — после травления. Для выявления структуры использовали химическое травление реактивом: раствор 5 мл HNO3 в 100 мл этилового спирта. Травление осуществляли протиранием ватным тампоном.

Рентгеновский снимок кинжала (рис. 1: a4 ) выполнен в лаборатории Казахского аграрного исследовательского университета (г. Алматы, Казахстан). Оператор — заведующий рентгеновским кабинетом КазАИУ, профессор Ж. Казиев. Как показал рентгеновский снимок, следы кузнечной сварки, а также какие-либо отверстия, трещины, образовавшиеся в процессе изготовления оружия или же после этого, отсутствуют.

Кинжал изготовлен из единого куска металла. В структуре оружия выявлены единичные оксидные неметаллические частицы размером до 20 мкм (рис. 1: b , тёмные области) и множественные неметаллические частицы размером менее 1,5 мкм (рис. 1: c , тёмные точки). В структуре коррозионного слоя, прилегающего к поверхности металла, выявляются включения белого цвета, глобулярной формы. Эти включения на рисунке 2: b обозначены цифрой 1. Размер этих включений варьируется в широком диапазоне от 1 до 10 мкм. Их распределение неоднородно (рис. 2: a ). В структуре слоя коррозионных отложений на отдельных участках также обнаруживаются неметаллические включения тёмного цвета сечением до 10 мкм. На рисунке 2: b они обозначены цифрой 2.

Микроструктура металла кинжала (рис. 3) образована железной матрицей — ферритом с включениями карбида железа Fe3C глобулярной формы (на рис. 3d обозначены под номером 1). Включения карбида железа имеют размер до 15 мкм в сечении. Распределение карбидов неоднородно. Крупные включения образуют протяжённые колонии, ширина которых составляет 25—80 мк, длина до 500 мкм. Между колониями размер карбидных включений преимущественно достигает 4,5 мкм.

В структуре железной матрицы не выявляются границы зёрен, при этом обнаруживаются микрозёрна феррита, соседствующие с дисперсными неметаллическими включениями и микропорами. Размер микрозёрен — до 3 мкм (рис. 2: c ). Это позволяет заключить, что железо получено кричным методом. Подсчёт доли карбида железа, выполненный с использованием программы ImageJ, показал, что она составляет 14,8—15,8 об.%, а в колониях достигает 34 об.%.

Таким образом, на основании проведённых исследований структуры можно заключить, что кинжал изготовлен из кричного железа. Высокое содержание карбидов железа глобулярной формы с неоднородными размерами и распределением указывает на то, что формирование карбидов произошло на стадии получения кричного железа. При этом неоднородное распределение карбидов и формирование колоний карбидов указывает на то, что для восстановления железной руды использовался твёрдый восстановитель (наиболее вероятно — порошок древесного угля), который смешивали с измельчённой железной рудой.

Малое количество неметаллических включений размером более 20 мкм указывает на то, что при восстановлении железной руды температура была недостаточной для образования шлака. При этом в самой руде содержалось небольшое количество пустой породы. Отсутствие в структуре карбидов с пластинчатой структурой и границ зёрен феррита указывает на то, что все операции ковки и термической обработки (спекания) проводились при температуре ниже 727°С, т. е. ниже температуры образования аустенита.

Анализ доли карбидов в железе свидетельствует, что состав металла соответствует стали заэвтектического состава, при этом доля карбидов в колониях достигает уровня доэвтектического чугуна. Измерение твёрдости проводили по шкале Виккерса на твердомере HBV-30A при нагрузке 5 кг. Твёрдость составила 244 HV5.

На основании полученных результатов изучения структуры кинжала из кургана с «усами» Назар можно прийти к следующим выводам.

№ 18. 2024

Высокая доля карбидов сферической формы в сочетании с матрицей из феррита придаёт кинжалу при сравнительно небольшой твёрдости высокую пластичность (Luzginova et al. 2008), коррозионную стойкость и хорошие режущие свойства.

Это кардинально отличает такой металл от современной стали аналогичного состава, в которой структура образована пластинчатым или сферическим перлитом и вторичным цементитом (карбидом железа), или же мартенситом (Zhan-Ling Zhang et al. 2008; Bai et al. 2021). Такая сталь имеет бо́льшую твёрдость, но является существенно менее пластичной и разрушающейся даже при не значительном ударе. Также современная сталь такого состава с пластинчатым цементитом характеризуется низкой коррозионной стойкостью (Shabnam Karimi et al. 2023).

Соответственно, технология термической обработки, которую применил древний мастер, изготовивший кинжал, обеспечила такому металлу высокие эксплуатационные характеристики, повышающие режущие свойства и живучесть оружия при ближнем бое. По всей вероятности, такое оружие при ударе о доспехи может незначительно погнуться, но не сломаться, после этого его можно легко восстановить.

В археологии раннего железного века Центрального Казахстана безоговорочный приоритет принадлежит исследованиям древностей раннесакского времени (Бейсенов 2018; 2021). В отношении памятников позднесакского времени и, в особенности, гуннского периода, дело намного сложнее и это, в первую очередь, связано с малочисленностью самих памятников.

Следует отметить, что полученные данные по структуре железного кинжала гуннского времени из Центрального Казахстана имеют определённое отношение к новейшим результатам исследования металлургии железа таких сопредельных и близких к Казахстану в этнокультурном отношении регионов, как Горный Алтай и Южная Сибирь в целом. Широкомасштабные исследования железоплавильных печей, проведённые во многих пунктах Южной Сибири на основании археологических и радиоуглеродных данных, показали рост металлургии железа с началом экспансии хунну. В результате этих исследований специалисты пришли к выводу о процветании металлургии железа в Южной Сибири в III—VI вв. н.э. (Vodyasov et al. 2023a; 2023b).