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.