Эмпирически осмыслив многие свойства стали и влияние на эти свойства разных режимов нагрева и охлаждения, ремесленники создали практическую, тонко разработанную технологию термической обработки стали. Из 800 с лишним исследованных стальных или со стальными лезвиями древнерусских изделий более 90 % сохранили термическую обработку. На этих изделиях были обнаружены структуры мартенсита, мартенсита и тростита, тростита и сорбита (Колчин Б.А., 1953; 1959).

Микроструктура подавляющей массы термически обработанных изделий из стали показывает, что их подвергали нагреву в интервале 800–950°. Лишь в некоторых экземплярах наблюдается крупноигольчатый мартенсит, говорящий о том, что температура закалки была выше нормы; также единичны структуры неполной закалки, которые получаются, когда закалку производят при недостаточно высоком нагреве.

Структура мартенсита свидетельствует о применении быстрого охладителя, каким могла быть вода при нормальной температуре. Структура тростита и сорбита указывает на использование закалочных сред, дающих более медленное охлаждение, чем вода. Такими средами могли быть подогретая вода и разные смеси растительных и животных масел. Кузнецы применяли и разные приемы охлаждения предмета. Многие изделия закаливали целиком, т. е. совсем опускали в воду или жидкость. Другие изделия закаливали частично — только рабочую часть.

Структура тростита и сорбита отпуска свидетельствует о двухступенчатой термической обработке. Например, структура тростита отпуска показывает, что изделие сначала закалили, т. е. нагрели до 800–950° и охладили в воде, а потом дополнительно нагрели до 500–600°. Подобная обработка придавала металлу дополнительную вязкость. При режиме закалки с отпуском важен контроль за температурой нагрева. При 800–950°, как и при закалке, нагрев улавливается ро цвету каления. Для температуры вторичного более низкого нагрева контролем служили цвета побежалости.

Очень важным элементом термической обработки, говорящем о высокой технической культуре древнерусского кузнеца, является дифференцированный подход к выбору режима закалки и отпуска в зависимости от назначения изделия. К изделиям, подвергающимся ударным нагрузкам, как, например, топоры, применяли высокий отпуск. Серпы, косы и ножницы подвергали среднему отпуску. Ножи в подавляющей массе закаливали на мартенсит отпуска. Напильники закаливали только на мартенсит или мартенсит и тростит без последующего отпуска. Соответственно отпуску дифференцировалась на изделиях и мягкая закалка. Все указанные выше режимы полностью удовлетворяли условиям эксплуатации изделий.

На высоком техническом уровне стояла и технология пайки железа и стали. Пайкой называется процесс соединения двух или нескольких металлических предметов путем ввода между ними более легкоплавкого металла или сплава (припоя), чем соединяемые металлы. Пайкой как основным приемом соединения деталей пользовались в первую очередь слесари, замочники и ювелиры. При исследовании паяных швов (спектральным анализом) на замках и ключах установлено, что замочник применял для спаивания железа и стали твердый припой на медной основе. В некоторых случаях это была чистая медь, лишь со следами олова и свинца, а в других случаях — сплав меди с оловом и свинцом.

Структурные исследования швов замков показали, что замочник производил нагревание места спайки до температуры расплавления припоя в специальном горне. Это позволяло одновременно спаивать на изделии несколько швов. На некоторых замках XI–XIV вв. имелось до 60 паяных швов. Горновая пайка — крупное техническое достижение древнерусской техники — позволила замочнику получать прочные и стойкие соединения деталей из железа и стали.

При горновом паянии детали, подогнанные и очищенные в местах пайки, обмазывали по шву порошком припоя или прокладывали между ними тонкую пластинку из припоя. Вместе с припоем шов заполняли флюсом для удалении окислов, которые возникали при нагреве. Спаиваемые детали временно скрепляли между собой (вставляли в глиняные матрицы или зажимали железными скрепами) и ставили в горн. При соответствующей температуре в горне припой расплавлялся и диффундировал в нагретое железо или сталь. После остывания деталей получался неразъемный шов (Колчин Б.А., 1953, с. 180). Замочники, а также и ювелиры иногда производили паяние с помощью паяльников или паяльных трубок.

Операция художественной ковки в отличие от других технологических операций была комплексной — мастер применял и кузнечную ковку, и сварку, и резание металла зубилом и напильником, и инкрустацию цветными металлами; кроме этого, он должен был еще обладать творческой изобретательностью и художественным вкусом. Эта операция носила, прежде всего, характер орнаментальный. Ее применяли чаще всего при изготовлении бытовых вещей, оружия и конской сбруи. Художественную отделку имели кресала, светцы, всевозможные замки, ключи и личины, всевозможные оковки мебели, оборонительный доспех, поясные пряжки, булавки и многое другое.

Структурный анализ большого числа изделий из черного металла показал, что в основе конструкции и технологии изготовления качественных изделий (к ним относятся инструменты и большая часть орудий труда и оружия) лежал принцип сочетания стальной рабочей части с железной основой. Подавляющая масса этих изделий — режущие или рубящие орудия и оружие. Лезвия у них всегда были стальными.

Для изготовления стального лезвия применяли четыре технологических приема. Первый прием — изготовление многослойного лезвия из железа и стали. На режущую грань всегда выводили стальную полосу. Подобные лезвия сваривали из двух, трех и пяти полос. Второй прием — изготовление наварного лезвия. Третий — изготовление цементованного лезвия, т. е. науглероживание лезвия на готовом изделии; четвертый прием — изготовление цельностального лезвия. Кроме того, применялся комбинированный прием технологии с дамаскированной сталью (табл. 96, 1–6). Самым распространенным технологическим приемом было изготовление наварного лезвия.