ГлавнаяМорской архивИсследованияБиблиотека












Логин: Пароль: Регистрация |


Голосование:
Вам нравится наш сайт?


Отличный сайт!
Хороший сайт
Встречал и получше
Совсем не понравился





» » » Античная техника. Возникновение горного дела, металлургии и металлообработки (4 тыс. до н.э. - V в.). Наступление эпохи металлов
Античная техника. Возникновение горного дела, металлургии и металлообработки (4 тыс. до н.э. - V в.). Наступление эпохи металлов
  • Автор: Malkin |
  • Дата: 01-07-2017 20:49 |
  • Просмотров: 148

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

 

Читайте также: