Я стадия — это освоение метеоритного железа и выработка из него первых железных изделий до открытия рудного железа и сыродутного процесса.

Теоретически можно было использовать и теллурическое, т.е. земное самородное железо (его появление, преимущественно в базальтовых скалах, объясняется взаимодействием оксидов железа с органическими минералами). Но практически использование теллурического железа невозможно, ибо оно встречается крайне редко, причем в мельчайших зернах. Метеоритного железа значительно больше. Метеоритную природу тех или иных железных изделий металловеды определяют по повышенному содержанию никеля: если никеля более 4%, то сырье считают метеоритным, ибо в метеоритном железе в среднем содержится от 5 до 10% никеля, тогда как в рудном — не более 0,2%.

В связи с высоким содержанием никеля метеоритное сырье обрабатывалось преимущественно холодной ковкой — по аналогии камнем, и из него делали в основном единичные украшения. Однако последние годы в науке появилось вполне обоснованное мнение, что некоторые изделия из метеоритного железа были получены результате применения горячей ковки.

По последним данным, наиболее ранние железные изделия появились на Ближнем Востоке и датируются еще V тыс. до н.э. Это предметы из одного из погребений культуры Самарра в Северном Ираке: 14 небольших изделий типа бусинок или сферических шариков с семипроцентным содержанием никеля — вещи, несомненно сделанные из метеоритного железа, а также какой-то четырехсторонний инструмент, который, по мнению исследователей, был сделан из рудного железа (это, конечно, исключительный случай).

2-ая, важнейшая стадия процесса в освоении железа — это открытие и совершенствование сыродутного процесса, позволявшего восстанавливать железо из руд. Этот процесс осуществлялся в специальных печах, куда загружались железная руда (гематит или магнетит) и древесный уголь, разжигавшийся при подаче воздуха, имеющего атмосферную температуру (отсюда название «сыродутный»). Первоначально сыродутный процесс осуществлялся в ямах, обложенных огнеупорной глиной или в каменном очаге, затем стали строить шахтные печи из камня или кирпича, с использованием глины или земли. Сыродутные печи могли работать на естественной яге (в особенности если они сооружались как небольшие пещеры в клонах холмов), но с развитием металлургии все чаще применялось накачивание воздуха мехами через керамические сопла. В открытые ямы этот воздух поступал сверху, в печи — через отверстие, оставленное в нижней части конструкции.

Сначала разжигали уголь, насыпанный на дно горна или печи, затем сверху загружали попеременно слои руды и того же угля. В результате горения угля выделялся газ — окись углерода, которая, проходя через толщу руды, восстанавливала окислы железа. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения t плавления железа (1537 градусов по Цельсию), а максимально доходил до 1200 градусов (это была своего рода «варка» железа).

Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака (при этом в более совершенных вариантах сыродутных печей жидкий шлак выпускали из горна по желобу). Из крицы, которую в раскаленном виде извлекали из печи, можно было изготавливать изделия только после предварительного деления этой шлаковой примеси и устранения губчатости.

Поэтому непосредственным продолжением сыродутного процесса были холодная и, главное, горячая ковка, состоявшая в периодическом прокаливании кричной массы и ее проковывании. В результате создавались крицы-заготовки.

Исследователи полагают, что открытие сыродутного процесса произошло в результате того, что при выплавке меди или свинца из руд в плавильную печь, помимо медной руды и древесного угля загружались (в качестве флюсов) железосодержащие породы, в первую очередь гематит. В связи с этим уже при медеплавильном процессе могли получаться первые крицы, и не исключено, что медеплавильные печи могли иногда приобретать и вторую функцию — сыродутную.

Наиболее ранние случаи использования сыродутного процесса связаны с территорией Передней Азии, в особенности Малой Азии. При этом производство изделий из метеоритного железа продолжалось.

Открытие сыродутного процесса — важнейший шаг в освоении железа, ибо его руда, в отличие от медной и оловянной, встречается повсюду, но получить железо из руд значительно сложнее, чем медь. Сыродутный процесс постоянно совершенствовался: увеличивались объемы печей, интенсифицировалось дутье и т.д. Но железные вещи еще долго уступали бронзовым в твердости, поскольку кричное железо почти не содержало углерода, и поэтому предметы из него были слишком мягкими. Даже после очистки от шлака кричное железо лишь немногим тверже чистой меди, а чтобы сделать его тверже бронзы, требовалась многочасовая ковка, и поэтому оно использовалось в основном для украшений и отдельных орудий труда, пока не был достигнут прогресс в обработке кричного железа.

Прогресс же этот состоял в появлении технологии цементации — т.е. намеренного науглероживания кричного железа, а также навыков закалки и термического отпуска. Открытие этих технологий можно считать 3-ей стадией процесса освоения железа, после которой непосредственно начинается ЖВ. Первоначально была освоена цементация, которая на первых порах достигалась прокаливанием железного изделия или заготовки в костном угле; затем стали использовать другие органические вещества, содержащие углерод. Так появились первые, весьма примитивные стали. При этом глубина науглероживания была прямо пропорциональна высоте температуры и длительности нагревания железа. Науглероженное железо было тверже бронзы, что затем усиливалось холодной копкой.

Вслед за этим был открыт эффект закаливания, состоящий в охлаждении раскаленной вещи из науглероженного железа в воде, в снегу или в какой-либо другой жидкости, в результате чего резко возрастает твердость вещи. Даже если не использовать жидкость, а просто оставить такую вещь на открытом воздухе, может образоваться низкоуглеродистая сталь перлитной структуры, причем чем холоднее воздух, тем она тверже.

Освоение операции термического отпуска позволило снизить хрупкость изделия недостаток, присущий закаленной стали. Отпуск состоял внагрева ми изделия до I не выше 727 град. т.е. уровня трансформации структуры.

В целом освещение операций цементации, закалки и отпуска — это длительный и очень сложный процесс (местами он шел до тысячи лет). Большинство исследователей полагают, что районом, где раньше всего произошло открытие этих операций (как и самого сыродутного процесса) и где их совершенствование шло быстрее всего, была Малая Азия, и прежде всего район проживания хеттов и связанных с ними племен — в первую очередь горы Антитавра, где уже в середине II тыс. до н.э. начали делать качественные стальные изделия.

Именно совершенствование технологии обработки кричного железа решило проблему конкуренции между железом и бронзой. Это означало действительное наступление эпохи железа, начало которой в истории человечества определяется использованием рудного железа для производства основных форм орудий труда и оружия и широким распространением железной металлургии и кузнечного дела.