Древние металлурги

К I тысячелетию до н. э. выплавка металла получила широкое распространение в различных уголках земли. Использование металла имело революционное значение: в отличие от камня ему можно было придать любую форму, а поломанные изделия можно было починить.

Поначалу люди использовали самородные медь, золото, серебро, олово. Из них изготавливали всякие мелкие предметы, украшения и ножи, а из меди — еще и орудия труда. Медь обрабатывали холодной ковкой, но, нагретая, она легче поддавалась обработке. Ковка делает металл хрупким; его пластичность можно восстановить с помощью отжига, когда изделие нагревают, а потом медленно охлаждают, но это уменьшает его прочность.

Выплавка и литье

Медь также получали из руды, в первую очередь легко плавящихся окисленных и карбонатных руд (горных пород, содержащих соединения металла в смеси с другими минеральными веществами). Выплавка металла состояла в нагревании размельченной руды с углем в глиняной печи. Воздух, подаваемый с помощью мехов в печь через специальные отверстия, позволял существенно повысить температуру в печи. Углерод вытеснял металл из оксида или карбоната и выделялся в виде углекислого газа (С02), оставляя в печи спекшиеся примеси (шлак) и чистый металл, который накапливался на дне. При отсутствии окисленных и карбонатных руд использовались сульфидные руды, которые перед плавкой приходилось отжигать на открытом огне для удаления серы, выделявшейся в виде газообразных оксидов.

Отливка происходила следующим образом: медь расплавляли (при температуре 1083°С) и выливали в форму из камня, обожженной глины или в отпечаток детали в сыром песке. Сначала формы были открытыми, они позволяли получать изделия простой формы, плоские с одной стороны. Позже стали использоваться разборные формы, состоящие из двух половинок; в них можно было отливать изделия округлой формы. Предметы более сложной формы отливали методом «потерянного» («утраченного») воска: сначала модель лепили из воска, затем покрывали ее глиной и обжигали, так что нагретый воск вытекал наружу. В полученную глиняную форму заливали металл, а когда отливка была готова, форму просто разбивали.

Использование сплавов

Медь — относительно мягкий металл и не подходит для изготовления многих орудий труда, например топоров. Если же смешать ее с другими металлами, она становится тверже. Древние металлурги предпочитали медные руды с содержанием мышьяка. Добавление к меди 5-10% олова позволяло получить превосходный сплав — бронзу.

Олово встречалось редко, поэтому, когда ок. 3000 г. до н. э. началась выплавка бронзы, потребность в нем стала основным стимулом развития торговли. Бронза широко использовалась для изготовления орудий труда и оружия, но она была не единственным сплавом. Для отливки декоративных деталей, от которых не требовалось особой прочности, к меди добавляли свинец, чтобы расплав стал более жидким.

Железо

Железные изделия появились довольно поздно. Проблема состояла в том, что железо плавится при температуре 1535°С, а в древности такой температуры смогли добиться только китайские мастера: их шахтные печи из жаропрочной глины могли выдерживать высокие температуры, а поршневые меха, работающие от водяной турбины, обеспечивали поступление достаточного количества кислорода.

Когда в печь загружали железную руду и уголь и нагревали до 1100-1150 °С, это, конечно, позволяло избавиться от некоторых примесей, но значительная часть шлаков смешивалась с железом, образуя тестообразную массу, так называемую крицу. Чтобы добыть из нее железо, ее приходилось неоднократно нагревать и снова подвергать ковке. Аналогичный процесс использовался для придания формы железным изделиям и для соединения кусков железа. Дальнейшее усовершенствование печей и мехов позволило получить расплавленное железо — чугун, а последующее нагревание чугуна с углем сделало из мягкого чугуна твердую сталь (сплав железа с углеродом). Твердость стали увеличивали закалкой (нагретое до белого каления стальное изделие быстро охлаждали в воде), которая делала ее более хрупкой. Этому противостоял отпуск (нагревание и последующее медленное охлаждение), который уменьшал и хрупкость, и твердость. Правильная технология требовала разумного баланса закалки и отпуска.

Как только технологии получения железа были освоены, этот металл, гораздо более распространенный в земной коре, чем медь или олово, быстро стал основным материалом для изготовления орудий труда и оружия.