Показать все теги
Металлы появились у человека не вдруг, не в результате какого-то революционного скачка в развитии общества - они постепенно входили в его жизнь в течение некоторого переходного периода между каменным веком и веком металлов.
Нельзя точно установить, когда люди начали добывать и обрабатывать металлы, можно лишь предположить, что первыми привлекли внимание людей те, которые встречаются в природе в чистом, самородном виде. И прежде всего должны были обратить внимание людей своим блеском золотые самородки.
Самые древние золотые вещи, найденные археологами в Египте, были изготовлены более 8 тыс. лет назад. Уходит в глубокое прошлое также использование самородного серебра, меди и метеоритного железа. Скорее всего человек поначалу принимал эти самородки за мягкий камень и пытался обрабатывать уже известным методом обивки, постигая тем самым процесс ковки.
Также случайно люди обнаружили, что при помощи холодной ковки металлу не только можно было придать необходимую форму, но и сделать его более прочным и твердым. А нагревая такое упрочненное изделие на огне, можно снова вернуть ему первоначальную мягкость и пластичность. Так. люди, сами того не ведая, еще задолго до наступления эпохи металлов, уже овладели процессами ковки, упрочнения и отжига (отпуска) металлов.
Эпоха металлов наступила лишь тогда, когда человек сознательно освоил процессы выплавки металлов из руд, их ковки и литья. Так, прошли многие сотни лет после знакомства с медью, прежде чем люди научились плавить и отливать ее в формы. Первый найденный медный топор, отлитый в открытую форму, датируется 4 тыс. лет до н. э., но только в середине 3-го тысячелетия до н. э. медь в Египте стали получать из руды, добытой шахтным способом.
Поначалу медь, а потом и бронза, были очень дороги и их не хватало, особенно в первой половине бронзового века, поэтому каменные орудия еще долгое время имели широкое применение. Оценивая наступление эпохи металлов, Ф. Энгельс писал: «Из достижений этой ступени в области промышленной деятельности особенно важное значение имеют два: первое - ткацкий станок, второе - плавка металлических руд и обработка металлов. Самыми важными из них были медь и олово, а также выплавляемая из них бронза, бронза давала пригодные орудия и оружие, но не могла вытеснить каменные орудия; это было
под силу только железу, а добывать железо еще не умели*. (Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 37. С. 229).
Первые железные изделия начали изготовлять 6 тыс. лет тому назад из самородного железа земного и метеоритного происхождения. Самородное железо мало чем отличалось от меди и не оставило заметного следа в жизни людей, а свою истинную роль оно стало играть, когда были широко налажены его выплавка и науглероживание, давшие человеку невиданный по прочности и твердости материал.
Таким образом, приход эпохи металлов непосредственно связан с зарождением новой области техники, науки и отрасли промышленности, называемой металлургией (от греч. metallurgeo - добываю руду, обрабатываю металлы). В настоящее время металлургия охватывает процессы получения металлов из руд и др. материалов, изменения химического состава, структуры и свойств металлических сплавов, а также придания металлу определенной формы литьем и давлением. Металлургия подразделяется на черную, охватывающую получение чугуна, стали и стального проката, а также цветную, включающую производство большинства остальных металлов и сплавов.
Освоение металлургии меди и изготовление медных орудий
Медь (лат. Cuprum - от названия о .Кипр), очевидно, раньше всего начали добывать в Средиземноморье. В самом начале, как уже отмечалось, использовалась самородная медь, которая могла быть расплавлена и на костре, но металлургия возникла лишь со времен ее получения из руды, в 5-м тысячелетии до н. э. Скорее всего, металлургия, и прежде всего цветная, возникла на Земле независимо и одновременно сразу в ряде мест и осваивалась различными народами в разное время.
Сначала медную руду добывали из поверхностных ее залеганий, которые обнаруживали по выступающим пятнам окислов. Разработка велась вручную кремневыми, а потом и медными кирками, молотками и заступами. Потом руду транспортировали в кожаных мешках, дробили, перебирали (обогащали) и предварительно обжигали на костре.
Плавку руды в смеси с древесным углем производили вначале в неглубоких ямах, а затем в примитивных глиняных горнах, похожих на большие горшки. Раздувку поначалу осуществляли ртом с помощью трубок через специальные воздуходувные отверстия в стенках горна силой легких.
Позднее воздуходувную трубку стали вставлять в шейное отверстие снятой с животного шкуры. Полученное воздуходувное устройство стало называться мехом и приводилось в действие вначале вручную, а потом ногой, как сейчас рыбаки надувают резиновые лодки.
Температура в первых горнах обычно не превышала 700-800 С и не достигала температуры плавления меди - 1083”С. Поэтому руда не плавилась, а превращалась в губчатую массу, содержащую значительное количество примесей. Для придания полученному куску сплава необходимой формы его после остывания подвергали ковке, при которой медь освобождалась от наиболее грубых примесей и уплотнялась.
Позже для улучшения качества полученной сырой меди ее стали переплавлять в тиглях с последующей заливкой в формы. Вначале использовали простейшие открытые формы, полученные выдавливанием в сырой глине, с последующими сушкой и обжигом. Полученную в такой примитивной форме отливку отжигали и отпускали при температуре 500-700°С для повышения пластичности, а затем подвергали ковке. Позднее была освоена отливка в более точные разъемные формы, при которой заготовки, как правило, не требовали последующей механической обработки.
Первоначально медь использовалась для изготовления украшений, затем из нее стали изготовлять орудия труда и оружие. Благодаря широкому применению медных инструментов получило широкое распространение строительство из мягкого камня - известняка. Применение медного литья позволило изготовлять более сложные по форме инструменты и оружие, которые легче подвергались заточке и исправлению путем перековки и переплавки.
Но при всех своих достоинствах медь была весьма мягким материалом, поэтому изготовленные из нее орудия и инструменты быстро тупились. К тому же медь, так же как и хорошо известное в то время золото, был чрезвычайно дорогим и малодоступным материалом, нашедшим применение в основном в производстве украшений и домашней утвари.
Освоение металлургии бронзы и литья бронзовых изделий
Бронза (от фр. bronze) представляет сплав меди {90% с оловом {10%) или другими элементами {мышьяком, 'сурьмой, свинцом, алюминием, бериллием и др.)·
По сравнению с медью бронза имеет целый ряд преимуществ: более низкую температуру плавления (880- 1015°С), лучшие литейные свойства, большую твердость и прочность, меньшую окисляемость.
Естественно, бронза прежде всего появилась там, где соседствовали залегания медных и оловянных руд, в частности в Иране. Сначала из бронзового сплава, как и из чистой меди, делали украшения и оружие, потом перешли к изготовлению сельскохозяйственных и других орудий типа мотыг, серпов, молотков, ножей и др.
Процесс получения бронзовых отливок в принципе мало отличается от литья медных и золотых изделий, которое были освоены раньше. К этому времени для дутья стали применяться более производительные ножные меха, что позволило добиться полного расплавления металла, повышения его чистоты и качества литья.
В эпоху бронзы был освоен способ литья по выплавляемым (восковым) моделям, который в наше время получил широкое распространение в усовершенствованном виде в качестве точного вида литья, называемого литьем «по выплавляемым моделям*.
Для выполнения такого литья из воска делалась модель предполагаемого изделия, обмазывалась глиной, высушивалась и нагревалась для вытапливания воска. Полученная оболочковая форма обжигалась для прочности и заливалась металлом, а после его застывания и охлаждения разрушалась. Извлеченная из формы отливка при необходимости обрабатывалась с помощью зубила и напильника.
Тогда же с целью экономии дорогостоящего металла было освоено литье полых отливок. Для получения полости в форму закладывали «шишку* (стержень), который после остывания отливки удалялся. Так зародилось литье с помощью закладных стержней, которое сейчас широко используется для получения сложных пустотелых отливок.
Освоение металлургии железа и чугуна
Первые железные предметы, которыми люди стали пользоваться в глубокой древности, были сделаны из метеоритного железа. Изделия из железа земного происхождения, обнаруженные в Ираке, были выполнены _ в 3 тысячелетии до н. э. Их нетрудно отличить, так как в метеоритном железе содержится 9-10 процентов (по весу) олова, которое отсутствует в земном.
Метеоритное железо обрабатывали, как и медь, путем свободной ковки, после чего оно приобретало нужную форму и одновременно упрочнялось (наклепывалось), а после отжига на огне вновь приобретало пластичность.
Не случайно шумеры считали, что оно происходит с неба, и называли железо «небесной медью». Одно из самых древних железных изделий, относящихся к 4-му тысячелетию до н„ э», является ожерелье, выполненное из прокованных полосок метеоритного железа.
Первыми начали выплавлять железо из руд в достаточном количестве и были, соответственно, основателями черной металлургии халибы, жившие в Закавказье около 1500 г. до н. э. Месторождения железных руд встречались значительно чаще, чем других металлов, поэтому наладить производство железа, особенно в лесистых районах, где не было проблемы с древесным углем, оказалось проще, и оно постепенно стало вытеснять медь и бронзу.
Вслед за оружием и инструментами из железа стали изготовлять и сельскохозяйственный инвентарь (лемешные плуги, мотыги, заступы, бороны и др.), что позволило существенно повысить производительность труда в земледелии. Расширилось и применение железа для производства различных механизмов для подъема и перемещения тяжестей: катков, клиньев, рычагов, воротов, блоков, полиспастов и др.
Первый и самый древний процесс получения железа из руд в виде крицы назывался сыродутным. Он возник во втором тысячелетии до н. э. и просуществовал вплоть до 14 в., пока не был вытеснен кричным переделом. Многократной проковкой выплавленной крицы получали мягкое, хорошо поддающееся сварке железо. Но широкое практическое применение оно получило лишь тогда, когда научились его науглероживать и производить закалку полученной стали.
Для производства сыродутного железа смесь железной руды с древесным углем (шихту) засыпали в глиняный горн или в обычную яму, плотно закрывали, поджигали, а затем раздували, используя вначале естественную тягу, а позднее искусственное дутье. Температура в такой примитивной печи не превышала 1100-1350°С и была недостаточной для полного расплавления железа, которое происходило при 1530°С. Поэтому удавалось добиться лишь его восстановления и получить тестообразную пористую массу, так называемое губчатое железо, или крицу, загрязненную примесями. Для удаления примесей крица подвергалась 5-6-кратной проковке, в результате чего получалось мягкое сварочное железо.
В 1580 до н. э. в Египте появились первые искусственные воздуходувки, позволившие существенно повысить производительность сыродутного процесса. 1400 лет до н. э. способы получения сварного железа и поверхностной закалки стали получили распространение в Армении; 1000 лет до н. э. железо было освоено скифами Причерноморья и распространилось в Европе. В 9-7 вв. до н. э. железный век полностью вступил в свои права - началось повсеместное распространение металлургии железа и изготовления железных орудий и оружия.
Но даже к концу железного века железо не смогло полностью вытеснить бронзу, напротив, бронзовых изделий изготовлялось даже больше, чем железных. Дело в том, что сыродутный процесс получения железа был чрезвычайно длительным и трудоемким, а полученный при этом металл ценился дороже золота.
Большой вклад в распространение металлургии железа и металлообработки внесли воинственные кочевые племена монголов и туркменов с Востока, пришедшие с богатых рудами Алтайских гор и вооруженные прочным стальным оружием и доспехами. С 6-5 вв. до н. э. славились своими сортами стали многие районы Греции и Малой Азии, которые во времена Александра Македонского подразделялись на: лаконийскую - для изготовления сверл и напильников, лидийскую - для мечей и др. видов холодного оружия, синопскую - для плотницких инструментов и т. п. Лучшие сорта римских сталей содержали, как правило, больший процент углерода, чем греческие.
Славились своим мастерством обработки железа и своей сталью кельтские (галльские) племена, населявшие во второй половине первого тысячелетия до н. э. территорию Западной Европы. Для получения прочной, твердой и однородной стали кельтские кузнецы закапывали откованные из кричного железа полосы в землю и давали им проржаветь, а затем снова проковывали для удаления ржавчины, которая разрушала в первую очередь наиболее мягкие фракции железа.
Секреты науглероживания железа и получения из него твердой стали древние мастера держали в строжайшем секрете. Именно к таким, впоследствии утерянным секретам древности, и относится способ получения дамасской стали (булата), который был вновь открыт научным путем русским металлургом П.П. Аносовым. Этим искусством первыми овладели индийские металлурги, поэтому их холодное оружие из настоящей дамасской стали чрезвычайно ценилось в древности.
Необходимо отметить, что в Китае железный век наступил с некоторым запозданием, но зато там раньше научились получать чугун. С 4 в. до н. э. в усовершенствованных горнах с искусственным дутьем китайские мастера стали выплавлять чугун и наладили производство чугунных отливок. Там чугун был распространен гораздо шире и уже к 1-му тысячелетию до н. э. литейная техника у китайцев была доведена до высокого совершенства. В это же время в Китае был открыт способ получения стали науглероживанием железа путем помещения железных изделий в чугунный расплав. Но в те времена производство стали еще не обособилось в отдельную, самостоятельную отрасль металлургии.
Успешному решению проблемы производства чугуна в Китае способствовали следующие благоприятные факторы. Использование руды с высоким содержанием фосфора, имеющей пониженную температуру плавления, мощных поршневых воздуходувок, каменного угля вместо древесного, тигельного способа плавки, при котором руда и уголь не смешивались. С 2357 до н. э. в Китае путем кричного передела стали перерабатывать чугун в мягкое железо и сталь.
Высокая трудоемкость получения железа и изготовления из него стальных изделий делали их в 15-20 раз дороже бронзовых, поэтому новый материал вначале применялся исключительно для изготовления оружия.
Из него выковывали мечи, кинжалы, наконечники копий, а также защитные доспехи (щиты, шлемы, панцири).
Позднее из железа стали производить металла и деревообрабатывающие инструменты: резцы, пилы, напильники, сверла, проушные топоры, стамески, лезвия рубанков. В результате воины и охотники получили оружие, а ремесленники - инструмент, которые по прочности, твердости и режущим свойствам намного превосходили бронзовые, а тем более медные.
Производство металлов и изделий из них, требующее высокого мастерства, превратилось в один из важнейших видов ремесленного производства. Наряду с мастерскими по производству каменных орудий и керамических изделий появились мастерские умельцев-литейщиков по производству металлических изделий: оружия и доспехов, орудий труда и инструментов, украшений и домашней утвари. Особенно большие успехи были достигнуты в области художественного литья из меди и ее сплавов.
Вначале руду для выплавки металлов добывали открытым способом из земли, потом со дна водоемов (болотную, озерную руду). Со временем эти запасы исчерпались и стал использоваться подземный способ разработки, который ранее применялся для добычи камня.
Возросший спрос на металлы стимулировал распространение подземной добычи руды и развитие горного дела. В современном понимании горное дело - это отрасль науки и техники, охватывающая процессы извлечения (добычи) из земных недр полезных ископаемых открытым и подземным (шахтным) способом, а также их первичную переработку.
Для разработки глубоко залегающих пластов стали создаваться шахты с выходящими на поверхность наклонными или вертикальными стволами (штольнями), соединяющимися подземными галереями (штреками). Глубина шахтных стволов постоянно увеличивалась и стала достигать 130 м. Естественно, что при столь глубоких разработках уже нельзя было обойтись без деревянных креплений, предотвращающих опасность обрушений. Таким образом, шахты по своей конструкции стали приближаться к современным.
Вентиляции в шахтах тогда еще не было, а для освещения использовались глиняные светильники. Поступающая вода удалялась с помощью специальных водоотводных галерей, ведрами, водочерпальными колесами, а также с помощью винтовых насосов («архимедова винта»).
Для разработки часто применялся «огневой способ», состоящий в нагревании породы с помощью костра и быстром охлаждении поливом водой. При этом руда растрескивалась, а затем разрушалась с помощью забивки в трещины сухих деревянных клиньев, которые при намокании создавали огромные расклинивающие усилия. Как известно, этот способ ранее использовался для откалывания каменных глыб в каменоломнях, в частности при строительстве египетских пирамид. Выломанные куски руды затем разрушались с помощью ручного рудничного инструмента (молота, кайла или кирки). Измельченная порода выгребалась заступами и лопатами.
Подъем руды по наклонным штрекам производился в мешках (рюкзаках) за плечами или на тачках, по вертикальным - с помощью лестниц, а также в бадьях с помощью воротов. Руда, доставленная вручную «на гора», перебиралась (обогащалась), обжигалась и подготовлялась к плавке. Для выполнения этой нечеловечески трудной работы широко использовался труд рабов, прикованных навечно к своим орудиям.
Зарождение и развитие металлообработки
Для того чтобы из выплавленного куска металла сделать готовую деталь или законченное изделие ему необходимо придать требуемую форму и обеспечить необходимые механические свойства и качество поверхности.
Получение необходимой формы детали или изделия обеспечивается литьем, обработкой давлением и резанием; необходимые механические, физические и технологические свойства металла - термообработкой; требуемое качество поверхности - механической обработкой и нанесением покрытий; получение неразъемных соединений - сваркой, пайкой, клепкой. Все эти современные технологические способы переработки металла в законченные детали и изделия обычно объединяются одним общим термином - металлообработка.
Первым, основным видом металлообработки, освоенным человеком еще задолго до наступления эпохи металлов, был метод обработки резанием, который первобытный человек стал применять для изготовления изделий из дерева и кости. Этот же принцип формообразования путем снятия стружки был перенесен и на обработку заготовок из металлов, но для этого понадобились более совершенные инструменты и устройства (станки) для обеспечения относительного движения инструмента и заготовки.
При обточке металлических изделий стали широко применяться сверлильные и токарные станки сначала с шнуровым, а с 6 в. до н. э. с лучковым приводом. В предшествующую эпоху они использовались для обработки деревянных и костяных изделий. В 5 в. до н. э. был изобретен токарный станок, который отличался от сверлильного станка с лучковым приводом тем, что во вращение приводилась обрабатываемая деталь. Вначале появились токарные станки с ручным лучковый приводом, затем они были заменены ножными. Вращение в одну сторону (рабочий ход) осуществлялось нажимом ногой на педаль, а в другую (холостой ход) - за счет упругих сил лука, прикрепленного к потолку, или консольной балки (очерпа), вделанной в стену.
Позднее появились станки с кривошипным приводом, в основе которого был заложен коленчатый рычаг - древний коловорот, использовавшийся первобытным человеком для сверления. По утверждению историка Плиния Старшего, в 4 в. до н. э. знаменитый мастер Феодор, житель острова Самоса в Эгейском море, производил обтачивание металлических деталей замков на токарном станке собственной конструкции.
Указанный станок имел стойку, две бабки для крепления заготовки и кривошипный ножной привод. Для заточки инструмента и шлифования служил шлифовальный круг, сидевший на одной оси с заготовкой и выполнявший одновременно функции маховика. Подобный привод обеспечивал непрерывное вращение заготовки в одну сторону и освобождал обе руки рабочего для манипулирования инструментом, что позволило не только повысить производительность труда, но и качество обработки. При всей своей примитивности он уже имел все основные элементы современного токарного станка.
В металлообработке успех обеспечивал не только станок, но и металлорежущий инструмент. Овладев секретами науглероживания и закалки железа, человек стал изготовлять инструмент высокой твердости, прочности, с высокими режущими свойствами. Стало возможным в полном смысле резать металл, а не скоблить, как это было раньше.
Вторым в хронологической последовательности и не менее важным после резания был метод свободной ковки, который был затронут в разделе металлургии. Распространение ковки было связано с совершенствованием кузнечных мехов и кузнечного инструмента, а также появлением специальных приспособлений, таких как «гвоздильная доска*, применявшаяся для высадки головок гвоздей и др.
Получаемое проковкой крицы малоуглеродистое железо обладало хорошей свариваемостью и называлось сварочным. Поэтому уже при получении такого железа был освоен процесс кузнечной (горновой) сварки, который вплоть до появления электросварки был одним из основных способов соединения металлов. Затем был освоен способ соединения клепкой, а в 8 в. до н. э. кузнец Главк из Хиоса (Греция) изобрел метод соединения металлических изделий пайкой вместо клепки.
Широкое распространение, особенно в Греции, получила торевтика (от греч. toreuo - вырезаю, чеканю) - искусство ручной рельефной художественной обработки металлических изделий (чеканки, гравирования, отделки и т. п.) с помощью ручных инструментов.
Для изготовления появившихся к тому времени монет использовались почти все известные тогда способы обработки: литье, штамповка, чеканка и др. При производстве зеркал, золочении и серебрении применялось амальгамирование (от лат. amalgama - сплав) - предварительное покрытие ртутью стеклянной или металлической поверхности.
Дятчин Н.И.
Из книги «История развития техники», 2001
