Металлургия бронзового века (статья)

Древнейшие металлоносные культуры Евразии, заро­дившиеся в среде культур каменного века, расширяли свои территориальные границы в эпоху Бронзового века, который охватывает период III и II тысячелетий до н.э. За это время «металлическая цивилизация» распространи­лась на территорию свыше 40 млн км2. Последовавшие эпохи железа и средневековья почти не раздвинули её границ. Все основные события и революционные сдвиги в сферах технологии и социального развития совершались по преимуществу внутри этого обширного, но четко огра­ниченного пространства [1].
 
Ключевыми революционными техническими преоб­разованиями Бронзового века принято считать освоение ирригационного земледелия и полного металлургическо­го цикла производства металлов, включая добычу руды, выжиг древесного угля, подготовку материалов, выплав­ку и рафинирование чернового металла, литьё, ковку, волочение проволоки, другие виды металлообработки и рециклинг металлолома. В Бронзовом веке были освое­ны технологии выплавки и обработки металлов, получив­ших название «семь металлов Древности»: меди, золота, свинца, серебра, железа, ртути и олова [2-8].
Были изобретены новые технологии для добычи и обработки камня. В строительном деле началось широ­кое применение металлических инструментов и орудий труда: кирок, кайл, сверл, молотов, тесел, резцов.
 
Возникновение цивилизации Древнего мира потре­бовало развития транспорта. Для этих целей использова­лись естественные водные магистрали и многочисленные водные каналы, прокладывались дороги для колесных повозок.
Первое изображение колесного транспорта, отно­сящееся к III тысячелетию до н.э., обнаружено на терри­тории бывшего Шумера (рис. 1) [2-6]. Появились легкие боевые колесницы - древнейший вид военной техники. Колесни­цы составляли главную силу всех армий Древнего мира вплоть до наступления позднего Железного века (т.е. до середины I тысячелетия до н. э). Для них требовалось легкое колесо, изготовить которое можно только с ис­пользованием специального металлического инструмен­та (рис. 2) [9].
 
Общепризнано, что определяющую роль в техниче­ском прогрессе в бронзовую эпоху сыграло появление ли­тых топоров, мечей и мотыг — основных видов орудий труда и оружия [4-6, 8-10]. Основой цивилизации стала металлургия меди.
 
Для производства меди повсеместно использовались как окисленные, так и сернистые руды. Месторождения медной руды обычно делятся на две зоны. Верхняя часть, находящаяся над уровнем грунтовых вод, представляет собой зону окисления, содержащую легковосстановимый оксид, а нижняя, основная, часть месторождения явля­ется зоной цементации, состоящей из сульфидных руд, в основном халькопирита (CuFeS,) или халькоцита (Cu9S) [11-13].
Содержание меди в сульфидных рудах намного ниже, чем в окисленных. После истощения верхних слоев начали использовать более бедные медью сульфиды. Это потре­бовало более высокого уровня горно-металлургических технологий, применения предварительного обжига, опе­раций по очистке различного рода штейнов и рафиниро­ванию «черновой» меди.
 
Металлургические печи, наиболее характерные для бронзового века, были обнаружены в Австрии (Миттеберг), в Азербайджане (Мингечаур), на Сардинии. Четы­рехугольные или цилиндрические печи имели толстые стенки, высоту до полуметра, были сложены из камня и изнутри обмазаны глиной (или целиком глинобитные). На поду печи имели небольшое углубление для сбора ме­талла. Передняя стена внизу была снабжена отверстием, через которое мехами осуществлялась подача дутья и вы­пускался из печи шлак.
Выплавленные из руды слитки меди содержали зна­чительное количество шлаковых включений. Их отде­ляли ударами молотов. Рафинирование черновой меди осуществляли в тиглях и небольших горнах. При этом на расплавленную черновую медь дутьевыми трубками подавали воздух, основная масса оставшихся в ней при­месей, кроме благородных металлов (золота и серебра), окислялась и формировала шлак [7, 8,15].
В бронзовую эпоху высокого уровня достигли техно­логии холодной ковки и литья.
Ковка - древнейший способ обработки металлов давлением. Освоение способа обработки самородного металла ковкой базировалось на накопленных навыках и опыте изготовления каменных орудий труда путем «обив­ки» камня каменным же молотом [15,16].
 
Самородная медь, которую первобытные люди вна­чале тоже считали разновидностью камня, при ударах ка­менного молота не давала характерных для камня сколов, а изменяла свою форму и размеры без нарушения сплош­ности материала. Это замечательное технологическое свойство «нового камня» явилось мощнейшим стимулом добычи самородного металла и использования его чело­веком. Кроме того, было замечено, что ковка повышает твердость и прочность металла.
В качестве молота вначале применяли обычные куски твердого камня. Первобытный умелец, зажимая камень в руке, наносил им удары по куску самородного или вы­плавленного из руды металла. Эволюция этого простей­шего способа ковки привела к созданию прообраза куз­нечного молота, снабженного рукояткой [3-6].
 
Вторым из древнейших способов обработки металлов стало литье [3-6, 10]. Расплавленный металл при затвер­девании мог принять форму любого предмета. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песча­ных формах. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, и формы, у которых углубление для отливаемо­го предмета находилось в одной створке, а другая была просто плоской, прикрывающей.
Следующим шагом стало изобретение разъемных форм и закрытых форм для фигурного литья. В послед­нем случае сначала лепилась из воска точная модель бу­дущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился, а глина принимала точный отпеча­ток модели и использовалась в качестве литейной фор­мы. Этот способ получил название литья по восковой модели. Мастера получили возможность отливать пусто­телые предметы очень сложной формы. Для образования полости практиковалась вставка в формы особых глиня­ных сердечников (литейных стержней). Несколько позд­нее были изобретены другие, более сложные технологии литья [10,11].
Древние литейные формы делались из камня, метал­ла и глины. Последние, как правило, изготовлялись путем оттиска в глине специально сделанных моделей (из дере­ва и других материалов) изделий. Могли употребляться и сами отлитые металлические изделия. Следует отметить, что формы, вырезанные из камня или же литые металли­ческие, вследствие их большей ценности не всегда служи­ли для получения литых изделий, а могли использоваться для изготовления в них легкоплавких моделей. Например, в некоторых районах Англии было зафиксировано изго­товление свинцовых моделей в бронзовых литейных формах.
Литые мечи и кинжалы раньше других бронзовых из­делий стали произведениями искусства. Древние мечи, найденные при археологических раскопках, часто снаб­жены не только замысловатыми рукоятями с литыми узорами, но и богатой инкрустацией из серебра, золота и драгоценных камней. Они изготовлялись как цельноли­тыми, так и биметаллическими, с использованием техно­логии налива. Это позволяло клинок меча или кинжа­ла отливать из твердых сортов бронзы и проковывать, а рукояти - из мягкой бронзы, с хорошими литейными свойствами и цветом. Биметаллические мечи, как прави­ло, отливали по восковым моделям.
Согласно современным представлениям, ранний бронзовый век - это эпоха безраздельного господства мышьяковой бронзы. Олово пришло на смену мышьяку только во II тысячелетии до н.э. Отметим, что качество изделий из оловянной и мышьяковой бронз примерно одинаково, при этом технология обработки оловянной бронзы заметно сложнее, так как зачастую требует го­рячей ковки (хотя и при низких температурах). Редко на поверхности земли встречаются минералы олова. Тем не менее, оловянная бронза практически повсеместно вы­теснила мышьяковую [8].
Главная причина заключалась в следующем. В древ­ности люди относились к металлическим предметам чрезвычайно бережно, ввиду их высокой стоимости. По­врежденные предметы отправлялись в ремонт или на пе­реплавку. Но отличительной особенностью мышьяка яв­ляется возгонка при температурах около 600 °С. Именно в таких условиях проводился смягчающий отжиг бронзо­вых изделий. Теряя часть мышьяка, металл изменял свои механические свойства в худшую сторону. Объяснить это явление древние металлурги не могли. Однако достовер­но известно, что вплоть до I тысячелетия до н.э., изделия из медного и бронзового лома стоили дешевле, чем из­делия из «первородного» металла [7].
Было и еще одно обстоятельство, способствовавшее вытеснению мышьяка из металлургического производ­ства. Постоянное воздействие ядовитых паров мышьяка на организм приводит к ломкости костей, заболеваниям суставов и дыхательных путей. Неудивительно, что древ­ние металлурги не производили впечатления крепких и здоровых людей. Хромота, сутулость, деформация суста­вов были профессиональными заболеваниями мастеров работавших с мышьяковой бронзой. Недаром в мифах и преданиях многих народов, в древнейших эпосах метал­лурги часто изображаются хромыми, горбатыми, ино­гда - карликами, со скверным, раздражительным харак­тером, косматыми волосами и отталкивающей внешно­стью. Даже у древних греков бог-металлург Гефест был хромым.
Олово стало последним из семи великих металлов древности, ставшим известным человеку. Оно не присут­ствует в природе в самородном виде, а его единственный минерал, имеющий практическое значение, касситерит является трудновосстановимым и малораспространен­ным [12-17]. Тем не менее, этот минерал был известен человеку уже в глубокой древности. Дело в том, что кас­ситерит является спутником (хотя и редким) золота в его россыпных месторождениях. Благодаря высокой удель­ной массе золото и касситерит в результате промывки зо­лотоносной породы оставались на промывочных лотках древних старателей. И хотя факты использования касси­терита древними ремесленниками неизвестны, сам мине­рал был знаком человеку уже во времена неолита.
По-видимому, впервые оловянная бронза была произ­ведена из полиметаллической руды добытой из глубинных участков медных месторождений, в состав которой наряду с сульфидами меди входил и касситерит. Древние метал­лурги, уже располагавшие знаниями о положительном вли­янии на свойства металла реальгара и аурипигмента, до­статочно быстро обратили внимание на новый компонент шихты - «оловянный камень». Поэтому появление оловян­ной бронзы произошло, скорее всего, сразу в нескольких промышленных регионах Древнего мира [1, 7, 8].
 
Несмотря на выдающиеся достижения в металлур­гии меди, самым «технологичным» металлом Бронзового века было золото [4-6]. В III тысячелетии до н.э. жильное золото добывалось на территории Европы и Азии прак­тически из всех известных его месторождений. В древ­неегипетских и шумерских текстах часто можно найти упоминания о разновидностях употреблявшегося в древ­ности золота. Усматривалось различие в его происхожде­нии: «речное», «горное», «скалистое», «золото в камне», а также по цвету. Цвет нерафинированного золота зави­сит от его природных примесей: меди, серебра, мышьяка, олова, железа и пр. Древние металлурги принимали все эти сплавы золота за разновидности самого золота. Ар­хеологами найдены древние золотые изделия, охватыва­ющие большую гамму цветов: от тускло-жёлтого и серого до различных оттенков красного цвета.
Технология очистки (рафинирования) золота от при­месей была известна шумерам уже в начале III тысячеле­тия до н.э. Её описание содержится в рукописях библио­теки ассирийского царя Ашшурбанипала. Согласно этой технологии золото плавили вместе со свинцом, солью и ячменными отрубями в специальных горшках, изготов­ленных из глины, смешанной с костной золой. Образую­щийся шлак впитывался пористыми стенками горшка, а на его дне оставался очищенный сплав золота с серебром. Таким образом, из золота удалялись все примеси, кроме серебра. На Ближнем Востоке и в Египте широко применялось листовое золото - фольга. Фольгой покрывали самые раз­личные предметы: как металлические, так и деревянные. Например, с помощью ковки или органического клея зо­лотая фольга прикреплялась к изделиям из бронзы, меди и серебра. При этом золотое покрытие спасало медь и бронзу от коррозии. Золотой фольгой часто покрывали деревян­ную мебель, прикрепляя ее при помощи маленьких золо­тых заклепок. Более тонкие золотые листы приклеивались к дереву, предварительно покрытому слоем специальной штукатурки [16].
В эпоху Древнего мира широкий размах получи­ло производство ювелирных изделий и шитых золотом одежд. Ювелирные ремесла потребляли огромное коли­чество благородных металлов и их сплавов, прежде всего в виде проволоки. Золотая и серебряная проволока ис­пользовалась также в качестве эквивалента стоимости в торговле.
В первой половине III тысячелетия до н.э. металло­обработка, особенно ювелирное дело, достигла высокого уровня в Месопотамии. Широкое развитие здесь получи­ла обработка золота, серебра и электрона. Особый инте­рес представляет известное погребение царицы Шубад (XXVI-XXVвв. до н.э.). Ее одежда была покрыта бога­тыми украшениями из золота, ляпис-лазури, сердолика. Массивный головной убор состоял из диадемы, венка из золотых листьев, золотых колец и трех золотых цветков. В диадеме использована тонкая золотая проволока диаме­тром 0,25-0,30 мм, свитая в спираль диаметром около 2,38 мм. Считают, что проволока изготовлена волочением.
Наиболее древние образцы проволоки изготовлены либо ковкой, либо разрезкой кованого листового металла. В Абидосе (Египет) найден проволочный браслет, датиру­емый 3400 г. до н.э. Он состоит из двух групп бусинок, со­единенных прядью из свитых вместе золотых проволочек и толстого волоса. Искусно отделанная проволока имела такой же диаметр (0,33 мм), какой был у волоса.
Существовало два основных способа получения ко­ваной проволоки. При первом способе слиток или кусок металла расковывался молотком в пруток заданной тол­щины и профиля. При втором способе из слитка или ку­ска металла ковкой получали лист, а затем разрезали его на полоски, края которых округляли ударами молотка. При циркулярной резке получались длинные куски про­волоки - в этом заключалось её преимущество. Приме­ром практического применения циркулярной резки ме­талла могут служить полоски из золота длиной более 1,5 м, найденные в одной из гробниц Ура [17].
В Уре найдены также сканные (филигранные) из­делия, датированные III тысячелетием до н.э. Сущность сканного производства состоит в том, что из тонкой зо­лотой, серебряной или медной проволоки круглого или четырехугольного сечения выполняются ажурные или напаянные на металлическую основу узоры. Для боль­шей красоты проволока предварительно скручивается в две или три нити и сплющивается. Значительное распро­странение получили у древних народов шитые золотом одежды. Особенность этого вида искусства заключается в умении изготовлять тончайшие нити проволоки, кото­рые с основой материала образуют эластичную ткань.
Попытки производить более изящную и тонкую про­волоку привели к тому, что постепенно был выработан новый способ ее получения. Для сглаживания неровно­стей, калибрования и уплотнения проволоку стали про­талкивать через отверстия в твердых материалах. Образ­цы такой проволоки из золота, датируемые IV тысячеле­тием до н.э., найдены в Египте. Впоследствии эта опера­ция выравнивания поверхности проволоки развилась в волочение [16].
Считают, что в самом примитивном виде способ воло­чения начали применять в древнейший период (еще до по­явления металлических орудий) для отделки стержней дро­тиков и гарпунов. Стержни изготовляли из сырого дерева и затем калибровали протаскиванием (волочением) через костяные выпрямители. Раскопки погребений в Египте пе­риода Среднего царства (2800-2500 гг. до н.э.) подтверж­дают, что техника выпрямления деревянных прутков была широко распространена в древности. Обнаружена роспись, изображающая двух ремесленников, занятых выпрямлени­ем прутков из дерева.
Технология разделения металлов была освоена в свя­зи с развитием металлургии серебра. Древнейшие сере­бряные изделия обнаружены на территории Ирана и Ана­толии (современная Турция). В Иране их нашли в местечке Тепе-Сиалк: это пуговицы, датируемые началом V тысяче­летия до н.э. В Анатолии, в Бейджесултане, найдено сере­бряное кольцо, датируемое концом того же тысячелетия.
Металлургия серебра возникла в прямой связи с до­бычей свинца из соединений, содержащих свинец и серебро одновременно. Археологические находки из двух этих металлов, как правило, синхронны. Свинцовые руды, содержащие значительное количество серебра распро­странены во многих регионах мира. Известны их место­рождения в Испании, Греции, Иране, на Кавказе. Процесс отделения серебра от свинца, называемый купеляцией, был известен уже в IV тысячелетии до н.э. Для разделе­ния свинца и серебра применяли купеляцию: окисление свинца, отделение оксида (глета) от серебра и последую­щее «повторное» восстановление свинца из оксида [2-7].
В быту серебро почти повсюду появилось позднее меди и золота. Из него изготавливали, главным образом, посуду, украшения и ювелирные изделия. Быстро научились де­лать серебряную фольгу и фурнитуру, которыми украшали одежду и мебель. Уже в III тысячелетии до н.э. серебро ис­пользовали для пайки медных изделий.
Таким образом. Бронзовый век можно считать пе­риодом зарождения цветной металлургии. Основы из­вестных термических процессов извлечения цветных металлов из руд, механической обработки и литья были освоены к началу I тысячелетия до н.э.