(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Бронза

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 23-05-2014

Метки: , , , , , ,

Открытие металлургии оказало самое благотворное влияние на развитие множества технологий, которые можно назвать базовыми, основополагающими в истории цивилизации. В самом деле, можно вспахать поле и деревянной сохой, но гораздо эффективней сделать это металлическим плугом. Можно вытесать из древесного ствола доску и каменным топором, но металлические орудия значительно облегчают эту тяжелую работу. А как представить себе дом, построенный без единого гвоздя, или боевое оружие, изготовленное только из дерева?

Другое дело – какой это был металл. Медь обладает прекрасной пластичностью, устойчива к коррозии, медные изделия долговечны и прекрасно выглядят. Но в то же время медь плавится при высокой температуре, значит, для ее выплавки нужна специальная печь. Медные орудия труда быстро приходят в негодность – ножи и лемехи притупляются, молоты деформируются, заступы и рычаги гнутся. Выход очевиден, нужно заменить медь более легкоплавким и прочным металлом. Это и произошло в конце четвертого тысячелетия до нашей эры, когда в Месопотамии была изобретена бронза – первый в истории человечества сплав разнородных металлов.

Бронза — сплав меди с оловом, свинцом, алюминием, бериллом или иным металлом. При этом основой сплава является медь, а другие металлы используются в качестве добавок. В зависимости от применяемой добавки бронзу называют оловянистой, алюминиевой, бериллиевой и так далее. А сплав меди с цинком называется уже не бронзой, а латунью. Латунь обладает иными свойствами, чем бронза. Если бронза тверже меди, то латунь мягче, пластичней. Отсюда и применения этих сплавов. Бронза используется там, где нужна прочность, латунь – где нужна пластичность.

Первая бронза изготовлялась из меди, олова и свинца. Применение в сплаве других металлов позволило упростить технологию производства металла и, как следствие, сделать металлические орудия более доступными. Повсеместное распространение бронзовых орудий труда заняло два тысячелетия и длилось, по крайней мере, до конца первого тысячелетия до нашей эры. Эта эпоха была настолько важна для развития мировой цивилизации, что получила название «бронзовый век». Именно благодаря изобретению бронзы первобытные сообщества, существовавшие на территории современной Индии и Китая, превратились в древние государства.

Каждое новое открытие можно сравнить со ступеньками лестницы, ведущей к вершине развития человеческого общества. Первые орудия труда были изготовлены путем изменения формы того или иного предмета. Например, каменный топор – это обтесанный булыжник. Деревянное копье – заточенный ствол тонкого деревца. Лук – обработанный деревянный хлыст с натянутой на его концы тетивой.

Следующая ступень — медные орудия труда, которые изготовлялись путем изменения физического состояния металла. Содержащаяся в колчедане медь выплавляется из руды, затем расплавленный металл заливается в форму и остужается. Таким образом, медь переходит из твердого состояния в жидкое, а затем снова переводится в твердое состояние. При этом металлическому слитку можно придать любую форму – клинка, наконечника копья, чаши. Остывший металлический предмет подвергают механической обработке, спиливают заусенцы и неровности, затачивают рабочую поверхность лезвия или полируют стенки металлической чаши.

Примерно то же самое происходит и с глиной. Ее размачивают, увеличивая пластичность, вылепляют из глины какой-либо предмет (например, кухонный горшок), а затем обжигают, придавая глине твердость и прочность. При этом частицы глины спекаются между собой, и пластичный природный материал приобретает новые качества.

И в том, и в другом случае речь идет об изменении физического состояния природного материала. Бронза же — материал, которого в природе не существует. Отдельно медь, олово и свинец обладают совершенно различными свойствами. Свинец очень пластичен, тяжел и плавится при относительно небольшой температуре. Олово прочней, легче  и обладает большей тугоплавкостью. Медь относительно прочна, плавится при высокой температуре. Но соединенные в сплаве эти металлы приобретают совсем другие свойства.

По сути, бронзовый сплав – первый в истории человечества искусственный материал. Взяв за основу хорошо известные металлы, древний ремесленник изготовил то, что никогда ранее не видел и о свойствах чего не мог даже догадываться (раз не видел). Скорее всего, изобретение бронзы произошло случайным опытным путем. Неудовлетворенный мягкостью и тугоплавкостью меди, металлург древней Месопотамии решил проверить, что будет с разными металлами, если их соединить в одной печи. А может, сплав получился сам по себе, когда в тигель с расплавленной медью по ошибке влили расплавленный свинец.

В пользу случайности изобретения бронзы говорит тот факт, что на протяжении двух тысячелетий бронзовые предметы появились в обиходе сообществ, которые никак не могли общаться между собой – например, в древних государствах Азии и в Южной Америке. Как бы там ни было, но бронза стала первым и далеко не последним искусственным материалом, изобретенным по воле счастливого стечения обстоятельств и по причине возникшей в этом материале потребности.

Из некоторых областей применения бронза вытеснила медь, в других областях – ее дополнила. Орудия труда и оружие стали изготовлять не из меди, а из более твердой бронзы. Посуда же и предметы искусства остались медными. Бронзовые предметы не имеют такого эффектного вида, как предметы из меди. В силу своих свойств бронза быстро окисляется и покрывается тусклым слоем окисла – патиной. Медь тоже окисляется, но слой медного окисла светлей и легко очищается. На парусных судах, на которых детали оснастки изготавливались из меди, для приведения корабля в парадный вид металлические кнехты, колокол (на «морском» языке – рынду) и другие медные части было принято начищать до блеска. Этот обычай сохранился до сих пор, правда, медных деталей на современных кораблях заметно меньше, и вместо «надраивания» кнехтов их просто окрашивают свежей краской.

Кстати, в кораблестроении медь бронзе свое место не уступила. Кроме оснастки, медь применялась для крепления досок обшивки корпуса корабля к шпангоутам – поперечным ребрам, придающим корпусу судна форму. То есть корабельные гвозди были медными, поскольку медь не поддается коррозии в соленой морской воде.

И все же со временем бронза, как основной материал для изготовления металлических орудий труда, утратила свое значение. С открытием железа и изобретением высокопрочных сплавов – разного рода сталей – бронза отошла на второй план. В качестве материала для изготовления украшений она уже не годилась, поскольку эстетические вкусы человеческого сообщества изменились в пользу драгоценных металлов – золота и серебра. Какими-либо особыми физическими качествами, как, например, легкоплавкие свинец и олово, медные сплавы тоже не обладали. Поэтому им остались «незначительные роли».

Где и как бронза применяется сегодня? В области искусства – раз. Для изготовления предметов парадной символики (тоже, кстати, вид прикладного искусства) – два. В различных технических устройствах – три. Легко пересчитать по пальцам. Между тем, современные города украшены бронзовыми памятниками и монументами. Скульптура из бронзы ценится не меньше, чем скульптура из благородного мрамора. Покрывающая поверхность бронзового изваяния патина — лучшее доказательство древности скульптуры. Прикасаясь к прохладным скульптурам, украшающим улицы Москвы, Санкт-Петербурга, десятков российских городов, мы чувствуем дыхание истории. Даже сам медный всадник – памятник Петру Первому – вовсе не медный. Он — бронзовый.

Ни одна церемония награждения государственными, церковными или спортивными наградами не обходится без бронзовых медалей. Сама по себе бронза ценности не представляет. Это не золото или серебро, предмет из которого можно переплавить в слиток и не потерять при этом в стоимости (если речь, конечно, не идет о предметах исторических или представляющих культурную ценность). Но бронза была и остается символом благородства и гордой скромности. Бронзовая медаль третья по достоинству, после серебряной и золотой. И, тем не менее, это медаль. Знак благодарности и знак особой почести.

А что касается техники, то бронзу можно обнаружить повсюду. Из нее изготовляются подшипники трения – бронзовые втулки, обладающие малым коэффициентом трения, поскольку бронза, как и медь, хорошо притирается к поверхности, образуя едва ли ни идеальную пару с сопрягаемой деталью. К тому же бронзовые втулки достаточно долговечны, медь в подшипниках трения длительное время эксплуатации вряд ли выдержит. В двигателе любого автомобиля содержится добрый килограмм бронзовых втулок. А в ходовой части – еще столько же.

Вот и выходит – шесть тысяч лет бронзе, а заменить ее до сих пор не чем.

Медь

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 18-04-2014

Метки: , , , , ,

Первый металл, который человек научился выплавлять из руды и применять для своих нужд, была медь. Древнейшие изделия из меди, найденные археологами в верховьях реки Тигр, относятся к десятому тысячелетию до нашей эры.

Это была эпоха позднего каменного века. Человек научился обрабатывать землю и разводить скот. Для обработки земли и вырубки лесов под поля примитивные каменные топоры подходили плохо. Металлические орудия – мотыги для обработки земли, топоры и ножи – позволили людям более эффективно трудиться и защищаться от стихийных бедствий. Немалую роль сыграло и совершенствование общественного уклада. Междоусобные войны, разгоравшиеся среди древних племен, требовали более грозного оружия, чем каменные топоры, примитивные копья и луки.

Как бы там ни было, а люди освоили технологию добычи металла из руды. В природе медь, пластичный металл красивого красновато-розового цвета, чаще всего встречается в виде медного колчедана – руды, содержание меди в которой достигает 30 процентов. Существует множество других медных руд – ковеллин, халькозин, борнит. Очень редко медь встречается в виде самородков – природных слитков.

Процесс добычи меди из медной руды и сегодня далеко не прост. Чтобы из медного колчедана получить чистый металл, необходимо подвергнуть руду многоступенчатой термической обработке. Руду дробят, отделяя куски пустой породы от богатых медью фрагментов. Затем обогащенный таким образом колчедан раскаляют в печи, в которую для повышения температуры нагнетается воздух (нечто вроде кузнечного горна). После обжига получают огарок – твердое вещество с большим содержанием меди. Огарок в свою очередь плавят, отделяя шлак от штейна – сплава меди с железом и другими металлами. Штейн окисляют кислородом, продувая через него воздух, и добавляют песок. В результате примеси (в основном сульфид железа) переходит в шлак и выделяется в виде сернистого газа. Этот процесс называется конвертированием. Полученную после конвертирования черновую медь очищают (рафинируют) снова расплавляя и продувая сжатым воздухом, после чего оставшиеся примеси металлов окисляются и переходят в шлак.

Это крайне упрощенное описание процесса выплавки меди из руды. На самом деле он еще сложней. В современной промышленности медь подвергают еще и электрохимической обработке в серной кислоте, чтобы получить максимально чистый металл, в котором содержание меди доходит до 99,9 процента.

Древняя технология выплавки меди была, конечно, примитивней сегодняшней. Потому медь и ценилась в буквальном смысле на вес золота. Из меди изготавливали орудия труда, оружие, предметы быта (например, посуду), украшения. Но всеобщего перехода на медные орудия труда все же не произошло. Технология добычи меди была сложна и трудоемка, а сам металл не обладал необходимой твердостью. Поэтому медные орудия сосуществовали с каменными – вплоть до наступления бронзового века, когда человек научился соединять расплавленную медь с добавками, получая более твердые бронзовые сплавы.

Медный век, как переходная эпоха между каменным и бронзовым веками, закончился в конце 4 – начале 3 тысячелетия до нашей эры. Но человечество не забыло про медь и широко использует этот металл по сей день.

Во-первых, чистая медь металл очень привлекательный на вид. А потому из меди изготавливали украшения и домашнюю утварь. Позже, с появлением денег, из меди стали чеканить монеты, которые использовались в качестве мелких разменных денег наряду с более ценными серебряными и золотыми монетами.

Во-вторых, медь металл пластичный. Уже после того, как в оружейном деле медь уступила место бронзе, а затем и железу, из меди делали латы для высокопоставленных военачальников и обивать медью щиты для солдат. В отличие от железных лат, медные деформировались, гася энергию удара меча или копья, спасая тем самым владельца лат от тяжких увечий.

В-третьих, медь очень устойчива к коррозии. Поэтому медные гвозди использовались при строительстве кораблей. Парусную оснастку кораблей – блоки, кнехты и прочие детали – делали тоже из меди. Медными гвоздями подбивали обувь (и делают это, между прочим, до сих пор). Найденные на дне морей клады сохранились благодаря тому, что сундуки, в которых перевозились драгоценности, были обиты медью.

Как материал для оружейного производства медь утратила значение в раннем средневековье – с распространением тяжелых луков и арбалетов. Из-за своей пластичности медные латы не могли в должной мере защитить войска от поражения стрелами. Медные латы уступили место железным и стальным.

Промышленная революция снова вывела медь на одно из первых  мест. Сказалось одно полезное свойство меди – чрезвычайно высокая электропроводимость. Сегодня более половины всей добываемой на планете меди используется в электротехнике. Из меди изготавливаются провода и токопроводящие кабели. Медь используется в сердечниках и обмотках электродвигателей, в троллейных линиях общественного электротранспорта, везде, где требуется материал с низким электрическим сопротивлением.

Медь очень широко применяется в микроэлектронике – и в виде чистого металла, и в виде сплава с цинком (латуни). Из медной и латунной фольги производят фольгированный гетинакс – основу печатных плат электронных приборов. Медь служит основой для производства сложных интегральных микросхем и высокопроизводительных микропроцессоров. Сегодня можно сказать, что большинство электронные компонентов  персонального компьютера изготовлено из меди – если не считать материалов, из которых изготовлены корпуса этих компонентов, разумеется.

Но это еще не все. Помимо высокой электропроводимости медь обладает еще и отличной теплопроводностью. Поэтому из меди изготавливают различные устройства охлаждения и теплообмена – теплообменные элементы для холодильников, водяные радиаторы для автомобилей (и, добавим, воздушные радиаторы для микропроцессоров компьютеров).

Как и в глубокой древности, в наши дни медь широко используется в производстве украшений и монет. Из меди делают предметы бижутерии и значки. Привычные нам желтые и белые монеты – «медные» и «серебряные» – изготовлены из сплава меди с алюминием и меди с никелем соответственно. В настоящих серебряных и золотых монетах медь присутствует в качестве обязательной добавки. А медно-никелевые сплавы мельхиор и нейзильбер применяется в производстве столовых приборов.

Медь – один из наиболее широко применяемых человечеством цветных металлов. Да и само название «цветной металл» происходит от меди. Действительно же – цветной.

А отчего происходит название меди? Русское – не очень понятно (возможно от слова «мед», из-за схожего цвета). А латинское Cuprum произошло от названия острова Кипр (Cuprus), где медь добывали с незапамятных времен.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru