Co možná nevíte o oceli

Chtěl bych trochu přiblížit složitou výrobu slitin železa a jiných kovů, které odedávna sloužily nejenom k výrobě zbraní. Taktéž souhlasím s Merlinem, že žánr fantasy mimo jiné stírá všechny časové rozdíly a spojuje tak dohromady různá historická období a v podstatě vytváří novou fiktivní historii, která pak může být tím více matoucí, čím více se "blíží" té naší skutečné. Zapomeňme tedy na chvíli na mitrilové meče a dýky ze zlata a podívejme se na zoubek výrobě praktičtějších materiálů.

Než nahlédneme do historie, zmiňme alespoň nejpodstatnější fakta ze současnosti. Železo jako prvek je po hliníku nejhojnějším kovem v zemi. Vyskytuje se přirozeně v mnoha nerostech a rudách (magnetit Fe3O4, hematit Fe2O3, krevel, hnědel, aj.). Ocel se ze železné rudy vyrábí dvoustupňovým procesem (nepřímou metodou). Nejprve se železo extrahuje z rudy ve vysoké peci a poté se čistí a upravuje na ocel. Ve vysoké peci se ohřátý vzduch obohacený o kyslík prohání vrstvami koksu a železné rudy, přičemž reakcí s koksem vzniká oxid uhelnatý CO a teplo, které zvedá teplotu v peci až na 1900 oC (teplota tavení čistého železa je kolem 1539 oC). Dále reaguje oxid uhelnatý s roztavenou rudou a zbaví ji chemickou reakcí všeho kyslíku (redukuje ji). Vzniká oxid uhličitý CO2 a tavenina o čistotě asi 95% železa, která se slévá do ingotů. Ve druhé fázi postupuje tavenina do konvertorů, kde se nejprve kyslíkovým hořákem vypálí zbylý uhlík a poté se při odlévání do taveniny zpětně přidá potřebné množství uhlíku a příměsí.

Nyní je na čase prozradit si velké tajemství oceli. Co je to vlastně ocel? Ocel je slitina železa (prvku) s uhlíkem (a popř. jinými příměsemi) do obsahu uhlíku 2,14%. Nad tuto hodnotu jsou slitiny nazývány litinami (do 6,6%), ale to už není podstatné. V dnešní době lze příměsemi a správnými postupy chladnutí vyrobit např. lesklou nerezovou ocel aj.. Je zřejmé, že výroba oceli není snadná, dosahované potřebné teploty nejsou z nejnižších a bude proto zajímavé sledovat, jak postupovali naši prapředci při zpracování železné rudy. Železo (čistý prvek) se samo o sobě v přírodě nevyskytuje a pokud by bylo chemicky extrahováno a vystaveno přírodním podmínkám, okamžitě koroduje (oxiduje). Přesto se často můžeme setkat s takovými výroky jako: "Železné brány hradu se leskly na slunci.", nebo "Kam jdeš s tím kusem železa?". V souvislosti s označením daného materiálu jako "železo" je třeba zopakovat, že v souladu s dnešní terminologií, definující slitinu železa s uhlíkem do obsahu 2,14% uhlíku jako ocel, by bylo správnější i v našem případě mluvit o oceli. Odborná literatura se však stále v historických pojednáních přidržuje názvu železo a ocelí nazývá pouze kalitelný materiál používaný na zbraně a vybrané nástroje. Přidržme se nadále i my této zjednodušené terminologie. Železo s malým obsahem uhlíku do 0,2% má ještě jednu vítanou vlastnost - kovářskou "svařitelnost v ohni". Proto se kdysi takové železo nazývalo "svářkové".

Prvním kovem, který člověk extrahoval byla víceméně čistá měď. Pravděpodobně se tak stalo náhodou, poprvé krátce před rokem 5000 př. n.l. v Přední Asii. Brzy se naučil rozpoznat měděnou rudu a zpracovával ji vědomě odléváním a později i výhodnějším způsobem - kováním, téměř výhradně na ozdoby a zbraně vyvolených.

Náhodě lze připsat i objev druhého, historicky mnohem významnějšího kovu - bronzu. Jednou se prostě přehmátl a roztavil rudu, která vedle sloučenin mědi obsahovala i sloučeniny dalších kovů, převážně arsenu a cínu. Období mezi lety 3800 - 2500 př. n.l opět Přední Asie. Jelikož bronz je slitina, má nižší teplotu tavení, než výchozí ryzí kov a bylo jej tedy možné lépe zpracovávat litím. Bronz je navíc výborně slévatelným a má výhodnější mechanické vlastnosti než měď, proto se také uplatnil v mnohem větší šíři.

Již kolem roku 3000 př.n.l. lidé při výrobě mědi a bronzu identifikovali další kov - železo. Jeho cílevědomá výroba se však datuje až do doby mnohem pozdější, řádově 1500 př.n.l.. Opět Přední Asie, přesněji Anatólie, dnešní Turecko. Na našem území se první náznaky výroby železa datují do 7. století př.n.l., kdy tu sídlili Keltové. Výroba probíhala v malých zahloubených redukčních pecích. Pec sama je zcela specializovaným zařízením, které se vyvinulo na podkladě vyhraněných metalurgických zkušeností a které vyžadovalo i doplňkové znalosti v přípravě žárovzdorné hlíny a ve stavbě. V peci se získávala redukcí rudy (krevele) dřevěným uhlím železná houba (příliš nízké teploty na to aby mohla vzniknout tavenina). Po skončení tavby se stěna pece vylamovala a železná houba se odtínala od tuhnoucího slitku strusky. Železo bylo nerovnoměrně nauhličeno a bylo nehomogenní. Houbu bylo nutno mnohokrát žhavit, ohřívat (ve zvláštních výhních) a zbavovat strusky prokováním. To vše se dělo za dalších ztrát kovu, takže teoretický výtěžek 20%, v praxi ještě podstatně klesal. Protože se naznačeným postupem získal přímo použitelný kov, nazývá se tento způsob přímá výroba železa (nepřímá probíhá ve vysokých pecích, kdy dojde k roztavení rudy a vzniklou taveninu s vysokým obsahem uhlíku je nutné dále upravovat). Dokážete si jistě představit tu dřinu. Navíc jedinou mechanizací byly později kovářské měchy s pohonem přes vodní kolo. Tyto nízké pece se zahloubenou nístějí (spodní část pece), které reprezentují techniku východních nebo severovýchodních Keltů (Čechy, Sasko, Malopolsko), měla svůj další vývoj v dobách pozdějších a rozšířila se do severozápadního i severního Německa, Polska, Dánska a do Jižní Skandinávie. Prvními výrobky ze železa byly zemědělské nástroje a samozřejmě zbraně. Kritickým mezníkem bylo období přechodu od zbraní bronzových ke zbraním železným. Příklad Chetitů, kteří za svůj mocenský vzestup vděčí právě užití zbraní z tohoto nového kovu, svědčí nejlépe, jak dopadl bronz při střetu se železem.

Materiál blízký svými vlastnostmi oceli se však v některých lokalitách dařilo vyrábět i jiným způsobem. Stalo se tak opět v Přední Asii v oblasti Sýrie. Specifickým řízením tavby železa, získaného z rudy určitého složení, s dřevěným uhlím a dalšími přísadami se získal kov mimořádných vlastností, známý jako kalitelná damascenská ocel (kalitelnost je schopnost materiálu zvětšit prudkým ochlazením svoji tvrdost - pozn.). Zvětšit obsah uhlíku v železe a získat tak obdobně kalitelný materiál bylo realizováno také žíháním tenkých plátků původně měkkého kujného železa v dřevěném uhlí. Tím docházelo k nauhličování povrchových vrstev, zvanému cementace. Jednotlivé nauhličené plátky se pak spolu s plátky měkkého železa kovářsky v ohni svařily a důkladně opakovaně prokovaly. Takový materiál, nazývaný nepravým damaskem, pak bylo možno rovněž dále zhodnocovat tepelným zpracováním. Obdobným způsobem byl později v Japonsku získáván materiál ke zhotovování proslulých samurajských mečů.

Závěrem snad jen tolik. V následných historických obdobích, římském, stěhování národů i raně slovanském se podstata výroby železa nezměnila. Jen pece poněkud povyrostly. Železo se nadále vyrábělo přímou redukcí až do zdokonalení vysokých pecí, které díky intenzivnějšímu dmychání dosáhli teplot, při kterých vznikala tavenina. Dalším zlomem pak bylo nahrazení dřevěného uhlí, uhlím kamenným (1709 - Abraham Darby) a několik let poté koksem. Tomu se nejvíce přičinila ostrovní Anglie, která si již nemohla dovolit při rostoucí poptávce železa umísťovat do vsázky na 1 m3 rudy 10 m3 dřeva.

Tak se zase chopme mitrilových mečů, do boty dvě tři dýky z meteoritického železa a hurá do boje.

Čerpáno z Pravěkých Dějin Čech (Academia) a z Vývoje techniky (K.Zeithammer).