Медь, скорее всего, была первым металлом, который обнаружили наши далекие предки. До III века до н. э. люди использовали в основном инструменты из камня. Их было тяжело делать, но служили они долго.
В поисках подходящих камней человек столкнулся с самородными медными рудами — медным колчеданом, медным блеском (халькозином) и купритом (красной медной рудой). Попробовав что-то сделать с рудой, мастера заметили, что, если обработать медь ударами каменного молота, она становится тверже. Так появился метод холодной обработки металла, или холодной ковки.
Позже было обнаружено другое интересное свойство руды. Если кусок руды случайно попадал в огонь, он расплавлялся и, остыв, приобретал другую форму. Сначала таким способом изготавливали украшения, а позже стали применять и для производства орудий труда. Со временем для обработки меди придумали специальные печи, которые напоминали гончарные.
Медь намного мягче камня, зато ее легче затачивать. Инструменты проще создавать из меди, чем из камня, который нужно долго оббивать и шлифовать. Поэтому спрос на металлические орудия все время возрастал.
В местах залежей медной руды возникло рудное и шахтное дело, которое развивалось очень быстро. Шахты укреплялись деревянными подпорками, создавалась система вентиляции, освещения, поднятия наверх добытой руды. Медь плавилась в небольших глиняных печах с толстыми стенками. Следующим этапом истории развития металлов стало открытие бронзы.
Бронза
Переход от каменных орудий труда к металлическим изменил и значительно ускорил технический прогресс человечества. Первым металлом, который получил широкое распространение, была медь. В условиях быстрого роста спроса на металлические инструменты человек начал «охотиться» за медной рудой, к тому же оказалось, что она встречается далеко не везде.
К открытию бронзы людей подтолкнул случай, который связан с особенностями обработки меди и производством из нее инструментов. Некоторые медные руды содержат небольшую примесь олова, буквально 2 %. Люди заметили, что медь, полученная из такой руды, намного тверже обычной. Тогда они принялись более пристально изучать характеристики олова и стали специально добавлять его к меди. Так получился первый искусственный сплав — бронза.
При нагревании медь, соединенная с оловом, лучше плавилась, из нее было проще отливать изделия, поскольку расплав был более текучим. Бронзовые инструменты оказались тверже медных, а кроме того, они хорошо и легко затачивались.
Использование бронзы повысило в несколько раз продуктивность труда во всех отраслях деятельности человека. Производить инструменты стало значительно проще. Мастерам не надо было ковать и затачивать, они просто наполняли специальные формы жидким металлом и получали качественный готовый продукт.
Техника литья совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых формах — глиняных или песчаных — это были просто углубления разной формы. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако у открытых форм имелся существенный недостаток: при литье можно было получить только плоское изделие. Для отливки изделий сложной формы нужно было что-то придумывать.
Как мы уже неоднократно повторяли, человек не изобретал ненужного. Когда возникает необходимость — появляется новое изобретение. Таким изобретением в металлургии стали закрытые разъемные формы. Перед процессом литья половинки формы прочно соединялись между собой. Затем через специальное отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл затвердевал и остывал, форму разбирали и получали готовое изделие. Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но для фигурного литья этого было недостаточно. Вскоре и эта проблема была решена.
Сначала стали изготавливать из воска точную модель будущего изделия, ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился и испарялся, а мастер получал точный слепок модели из глины. В полученную форму заливали бронзу. Когда бронза остывала, глиняную форму разбивали, чтобы извлечь готовое изделие. Этот способ называется литье по выплавляемым моделям.
Со временем были открыты новые приемы работы с металлами — волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие ковку и литье.
С развитием металлургии бронзовые изделия начали вытеснять каменные. Конечно, это происходило постепенно. Руды цветных металлов имелись далеко не везде, а олово встречалось куда реже меди. Металлы приходилось перевозить на далекие расстояния, поэтому стоимость изготовленных из них инструментов была высокой. Следующим, вернее параллельным, этапом развития металлургии стало появление латуни.
Латунь
Латунь — это сплав меди с цинком, к которому иногда добавляют алюминий, олово, никель, свинец, марганец или железо. Температура плавления латуни колеблется от 880 до 950 °С в зависимости от состава. С увеличением содержания цинка температура плавления сплава снижается. За свой желтый цвет латунь получила название «поддельное золото».
Известно, что латунь издавна применяли в Индии, Китае, Греции и Риме. Этот металл, как считают ученые, впервые был получен римлянами в начале нашей эры. Для производства латуни цинк завозили из Индии и Китая, где его добывали. Уже самые первые образцы сплава показали его высокие технологические качества — он хорошо поддавался прокатке, сварке, полировке. По сравнению с медью, латунь более устойчива к атмосферному воздействию. Правда, на воздухе поверхность латуни чернеет, но чтобы этого не происходило, ее покрывают лаком.
Латунь — прекрасный материал, который в Средние века использовали для изготовления преимущественно мелких бытовых предметов, а позже стали широко применять в машиностроении.
В ювелирном деле используются четыре вида латунного сплава. Например, томпак — разновидность латуни с содержанием цинка не более 10 %. Этот сплав пластичен и слабо подвержен коррозии. Благодаря золотистому цвету он широко применяется для создания изысканных художественных изделий, знаков отличия, красивых сосудов и ювелирной галантереи.
Железо
Все медные сплавы были невероятным шагом вперед в развитии инструментов труда. Однако только с появлением железа произошла настоящая промышленная революция, превратившая кустарное ремесло в производство.
Свободное самородное железо в земной коре, в отличие от меди, почти не встречается, однако оно входит в состав многих минералов и распространено достаточно широко. В древности его добывали из озерных, болотистых, луговых и других руд. Металлургия железа является сложным процессом, более трудным, чем добыча меди. Однако не будь у человечества опыта в медной металлургии, железо и его сплавы так и не появились бы.
Температура плавления железа — 1539 °С. Древним мастерам такая высокая температура была совершенно недоступна. Поэтому железо вошло в обиход значительно позже меди. Широкое применение железа как материала для изготовления оружия и инструментов началось только в I тыс. до н. э., когда стал известен сыродутный способ восстановления железа.
Самые распространенные железные руды — это магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк. Это все соединения железа с кислородом или гидраты окиси железа. Чтобы получить из них металлическое железо, нужно извлечь кислород из соли железа.
Древние мастера не были знакомы со сложными химическими процессами, происходящими при восстановлении железа, но, наблюдая за плавлением железной руды, они заметили важные закономерности, которые легли в основу простейших методов изготовления железа.
Первой закономерностью было то, что необязательно доводить руду до температуры плавления железа, чтобы получить нужный металл. Его можно получать и при низких температурах, но при этом необходимо использовать больше топлива, чем при выплавке меди, и оно должно быть лучшего качества. Нужно также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Эти наблюдения потребовали создания печи с особым строением и со специальными условиями плавки.
Приступая к плавке железа, древние мастера выкапывали круглую яму, стенки которой обмазывали толстым слоем глины. С наружной стороны к яме подводили «тоннели», через которые нагнетался воздух. Затем сооружали верхнюю конусообразную часть печи. В качестве топлива использовали древесный уголь, который засыпали в яму. На уголь слоями укладывали шихту — измельченную руду и уголь. Затем сверху насыпали толстый слой угля.
Уголь внизу поджигали, и руда сильно нагревалась. Во время нагревания углерод в угле окислялся, и железо восстанавливалось. Тестообразное железо в виде мелких лепестков опускалось вниз, поскольку оно в три раза тяжелее шлака, и оседало в нижней части печи. На дне ямы собирался ком мягкого сварного железа — крица ― смесь мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали крицу.
Дальнейшая обработка крицы происходила в кузнице. Крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлаки. После ковки железо приобретало качества, необходимые человеку.
В чистом виде железо использовать нельзя, поскольку оно слишком мягкое. Для производства необходим исключительно сплав железа с углеродом.
Если в металле содержится от 0,3 до 1,7 % углерода, то такой сплав называется сталью. Отличительной и важной особенностью этого сплава является его способность к закалке. Чтобы закалить, то есть придать дополнительную твердость, изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали. Температура в печи при естественном притоке воздуха не поднималась выше 1000 °С. После закалки сталь становилась твердой, поэтому из нее производили качественные режущие инструменты.
Древние мастера заметили, что из руды можно получить большее количество железа отличного качества, если в печь с помощью мехов нагнетать воздух. Меха изготавливали из шкур и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой (не подогретый) воздух, поэтому процесс называли сыродутным. Однако и при этом способе температура в печи поднималась только до 1200 °С, и из руды добывалась в лучшем случае половина железа, содержащегося в ней.
Став дешевым материалом, железо достаточно быстро стало востребованным во многих отраслях производства. С появлением железного топора и сохи с железным лемехом появилась возможность расчистить и подготовить почву, ранее малопригодную для земледелия. Именно после возникновения железных инструментов земледелие превратилось в важнейшую отрасль производства у большинства народов.
Благодаря железу ремесленники обзавелись инструментами такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни бронза. Качественные инструменты повлияли, в свою очередь, на развитие ремесел.
Главная 
