Цветные металлы

Медные инструменты и оружие соединяют каменный и железный века человеческой эволюции. Первое использование меди относится к 6-му тысячелетию до н. э., и оно не включало плавку. Кусочки металла, образовавшиеся естественным путем, слегка обрабатывали, чтобы сделать из них простые инструменты, или отжигали, чередуя нагревание и ковку (Craddock 1995). Самые ранние доказательства использования самородков (в форме бусин из малахита и меди в юго-восточной Турции) датируются 7250 годом до н. э. (Scott 2002). Плавка и литье металла широко распространились после середины 4-го тысячелетия до н. э. в целом ряде регионов, где было много легкодоступных оксидных и карбонатных руд (Forbes 1972). Многочисленные медные предметы – кольца, долота, топоры, ножи и копья – остались после первых обществ Месопотамии (до 4000 года до н. э.), додинастического Египта (до 3200 года до н. э.), культуры Мохенджо-Даро в долине Инда (2500 год до н. э.) и древнего Китая (после 1500 года до н. э.).

Центры добычи меди в древности находились на Синайском полуострове, в Северной Африке, на Кипре, в сегодняшних Сирии, Иране и Афганистане, на Кавказе и в Центральной Азии. Позже районами ее производства стали Италия, Португалия и Испания. Из-за того, что точка плавления этого металла сравнительно высока (1083 °C), производство было достаточно энергозатратным. Обрабатывали руду с помощью древесины или древесного угля, сначала просто в выложенных глиной ямах, позже в простых, низких глиняных печах шахтного типа с естественной тягой. Первое ясное доказательство использования мехов пришло из Египта XVI века до н. э., но почти наверняка они появились ранее. Загрязненный металл очищали нагреванием в небольших тиглях, после чего выливали в формы из камня, глины или песка. Из отливков делали утилитарные предметы или украшения, отбивая молотом, шлифуя, просверливая и полируя.

Более высокий уровень технологии требовался для получения металла из широко распространенных сульфидных руд (Forbes 1972). Сначала их нужно было измельчить и нагреть, чтобы удалить серу и другие загрязнители (сурьму, мышьяк, железо, свинец, олово и цинк), которые меняли свойства металла. Тысячелетиями руду дробили вручную, молотами, и эта практика сохранилась в Азии и Африке до XX века. В Европе водяные мельницы и привязанные к лебедке лошади постепенно взяли на себя эту работу. Обжиг измельченной руды требовал сравнительно небольшого количества топлива. Плавление отожженной руды в печах шахтного типа сменялось плавкой медного штейна (только 65–75 % меди) и еще одной плавкой, в результате которой получалась черновая медь (95–97 % меди). Этот материал можно было очищать дальше окислением, шлакованием и возгонкой. Вся длинная последовательность требовала немало топлива.

Расчет годовых и общих потребностей в топливе на такую работу с металлом в сущности очень неточен, поскольку результат сильно зависит от оценок общей массы шлака и от предположений о продолжительности экстракции и энергоемкости плавления. Вся эта неоднозначность идеально иллюстрируется данными из крупнейшего древнего плавильного центра, Рио-Тинто в юго-западной Испании, менее чем в 100 км к западу от Севильи (примечание 4.20).

В любом случае, объем римской металлургии оставался непревзойденным полторы тысячи лет. Трактаты, посвященные металлургическому опыту позднего Средневековья (Agricola 1912 [1556]); Biringuccio 1959 [1540]), описывают процесс плавки меди, не отличающийся от такового в Рио-Тинто.

Примечание 4.20. Потребности в древесине для римской плавки меди и серебра в Рио-Тинто

Первое исследование огромных груд шлака в Рио-Тинто дало оценку в 15,3 Мт шлака от добычи свинца и серебра и 1 Мт шлака от добычи меди. На основе этих данных рассчитали (Salkield 1970), что римлянам требовалось валить 600 тысяч взрослых деревьев в год, чтобы добыть топлива на плавку – невозможное количество для южной Испании. Новое исследование (базирующееся на обширном бурении) принесло цифру около 6 Мт шлака, и хотя медь была главным продуктом в римскую эпоху, в доримские времена тут плавили немало серебра (Rothenberg and Palomero 1986). При соотношении шлак/древесный уголь 1 к 1 и дерево/древесный уголь 5 к 1 производство 6 Мт шлака потребовало бы 30 Мт дерева или 75 000 т/г. на протяжении 400 лет крупномасштабного производства.

Добыча топлива путем вырубки естественного леса (обеспечивает не более 100 т/га) потребовало бы очищать в год 750 га леса, эквивалент круга с радиусом около 1,5 км: это было сложной, но решаемой задачей, неизбежным последствием которой стало бы сведение лесов на обширных территориях. Схожим образом столетия плавки меди на Кипре (начались около 2600 года до н. э.) оставили после себя 4 Мт шлака. Очевидно, древняя металлургия была главной причиной уничтожения лесов в Средиземноморье, на Кавказе и в Афганистане, и нехватка дерева в конкретных местностях в конечном итоге ограничила масштаб плавки.

С самого начала добычи меди часть металла использовали для изготовления бронзы, первого практичного сплава, избранного Кристианом Томсеном для ставшего ныне классическим разделения эволюции человека на каменный, бронзовый и железный века (Thomsen 1836). Само собой, это очень общее, лишенное деталей разделение. Некоторые общества, в первую очередь Египет до 2000 года до н. э., прошли через эру чистой меди, а другие, например Африка к югу от Сахары, проследовали прямо из каменного века в железный. Первая бронза появилась в результате случайной плавки медной руды, содержащей олово. Позже ее получали совместной плавкой двух руд, и только после 1500 года до н. э. начали изготавливать, плавя два металла в одном тигле. Олово с его низкой точкой плавления в 231,97 °C производили, расходуя сравнительно малое количество древесного угля, из дробленых оксидных руд. Общие затраты энергии на изготовление бронзы были ниже, чем для той же меди, и при этом сплав обладал лучшими качествами.

Примечание 4.21. Разрывная прочность и твердость широко распространенных металлов и сплавов

Источник: базируется на Oberg and co-workers (2012)

Поскольку доля олова варьировалась от 5 до 30 % (и поэтому точка плавления колебалась между 750 и 900 °C), то невозможно говорить о типичной бронзе. Сплав, который брали для отливки пушек, состоял из 90 % меди и 10 % олова и был в 2,7 раза прочнее и тверже, чем лучшая холоднотянутая медь (Oberg et al. 2012; примечание 4.21). Из бронзы изготовлены первые хорошие металлические топоры, долота, ножи, подшипники и надежные мечи, которые годились и чтобы рубить, и чтобы колоть. Бронза, шедшая на колокола, обычно содержала около 25 % олова.

Латунь была другим важным с исторической точки зрения сплавом меди (ее в латуни содержалось от менее 50 % до около 85 %), на этот раз с цинком. Как и в случае с бронзой, ее производство требовало меньше энергии, чем плавка чистой меди (точка плавления цинка всего лишь 419 °C). Более высокое содержание цинка увеличивало разрывную прочность сплава и его твердость. Для типичного олова они были примерно в 1,7 раза выше, чем у меди, но при этом не снижались пластичность сплава и его стойкость к коррозии. Начало использования олова датируется I столетием до н. э. Сплав стал распространяться в Европе в XI веке, а общее признание он завоевал только после 1500 года.

Назад: Металлургия

Дальше: Железо и сталь