История науки и техники. Материалы и технологии Часть 2

Предисловие

Настоящая книга является продолжением серии учебных пособий по курсу «История науки и техники», поставленному в Московском государственном индустриальном университете. Последняя глава второй части логически сочетается с учебным пособием С.М. Борисова «Совершенствование строительных и грузоподъемных машин с древности до наших дней», выпу­ щенным издательством МГИУ в 2001 г. Книга, посвященная истории автомобилестроения и некоторым смежным вопросам, издана в 1996 г. (первое издание) и в 1998 г. (второе издание). Подготовлена к печати книга «Эенргомашиностоение».

7.МЕТАЛЛУРГИЯ

7.1ПЕРВЫЕ СЕМЬ МЕТАЛЛОВ

Семь металлов создал свет По числу семи планет. Дал нам космос на добро Медь, железо, серебро, Злато, олово, свинец...

Сын мой! Сера их отец! И спеши, мой сын, узнать:

Всем им - ртуть родная мать!

Из записок Алхимика

7.1.1. От камня к бронзе

Русское слово МЕТАЛЛУРГИЯ происходит от греческого metalurgeo - добываю руду, обрабатываю металлы (metallon - рудник, металл, ergon - работа).

Первые потребители металла безусловно не думали, что их открытие поставят на одно из первых мест из достижений чело­ вечества на пути экономического и технического развития. От­ крытие состоялось, по-видимому, в результате случайности при выполнении хорошо известного технологического процесса. Самый распространенный технологический прием каменно­ го века - удар производил на некоторые камни странное дейст­ вие: они могли превращаться в лепешку, форма которой могла легко меняться. Так люди впервые познакомились с некоторы­ ми металлами, встречающимися в самородном виде. Это медь, золото, серебро, и метеоритное железо. Металлы, пригодные в чистом виде для обработки холодной ковкой, встречаются крайне редко. Поэтому они первоначально не могли составить серьезную конкуренцию камню. Однако новый «камень» людям понравился, и они экспериментировали с ним с помощью огня и ударов, изготавливая украшения, оружие и инструменты. Потом кто-то пришел к открытию, что медь можно получать обжига-

ный у горы). Но роза ветров не всегда учитывала интересы ме­ таллургов. Поэтому воздух стали подавать через специальные трубки, заменив ветер мехами из звериных шкур.

Сначала применяли клинчатые меха с деревянными доска­ ми, затем изобрели поршневой принцип действия с прямоли­ нейным ходом. Давление воздуха стало возможным увеличить в 3-4 раза, а подачу в одном агрегате - в 10-15 раз.

Важны также предварительные операции: раздробление ру­ ды, просеивание, выщелачивание вредных примесей, обжиг на кострах, выветривание на воздухе. Среди ремесленников начи­ нается дифференциация по специальностям: горняки, металлур­ ги, литейщики, кузнецы и торговцы. Последние были необхо­ димы всем остальным и быстро стали цениться очень высоко.

Медь имела как достоинства, так и недостатки. Одним из недостатков ее - сравнительно невысокая прочность. Именно поэтому камень еще долго конкурировал с медью. Однако при изготовлении оружия преимущества меди были неоспоримы. Если ломается стамеска или каменный серп, то это вызывает лишь задержку в работе. Если же в битве ломается меч или кинжал, то последствием может быть смерть или рабство. Ко­ нечно, медь стоила дороже камня, и только немногие избранные могли обладать ею. Крестьяне же еще очень долго продолжали делать рабочие орудия из камня и дерева.

Результатом появления металлических изделий стала тен­ денция накопления богатства в руках немногих. Владельцы медных орудий могли работать с большей эффективностью и получать еще больше собственности. Процесс развивался лави­ нообразно. Особенно большое преимущество давало медное оружие тем, кто хотел добыть себе богатство силой и заставить других работать на себя.

Человек из альпийского ледника с медным топором

19 сентября 1991 г. супруги Хельмут и Эрика Зимой нашли в одном из альпийских ледников труп человека, жившего в кон­ це каменного века. Радиоуглеродный анализ показал его «воз­ раст» от 5300 до 5350 лет. Египетские пирамиды еще не были построены, а этот пастух уже спал под альпийскими льдами, видимо, замерзнув во время длительной снеэюной бури. В авст­

рийской прессе ему было дано имя - Этци - по названию хреб­ та, где он был найден. Все найденное хранится в археологиче­ ском музее итальянского города Больцано, так как находка бы­ ла обнаружена в 90 метрах южнее австро-итальянской грани­ цы. Этци (Otzi) был хорошо вооруэ/сен: деревянное копье, нож с кремниевым лезвием и деревянной ручкой, стрелы со съемными кремниевыми наконечниками и медный топор, насаясенный на Г-образную рукоятку из тисового дерева. Медь - новый высо­ котехнологический материал - свидетельство достаточно вы­ сокого положения человека энеолита, погибшего в возрасте 25-35 лет.

Полностью вытеснить камень удалось бронзе (bronzo) - сплаву меди с оловом с добавкой древесного угля. Бронза, имея более низкую температуру плавления (700-900° С), обладает более высокими эксплуатационными и технологическими ха­ рактеристиками. Человек познакомился, с бронзой, повидимому, в шестом тысячелетии до н.э.: именно так датируют ученые самые ранние бронзовые изделия, найденные в Иране, Турции, Месопотамии. Бронза была важнейшим материалом до начала первого тысячелетия до н.э., т.е. более двух тысяч лет. Далее на роль главного металла стало претендовать железо. До­ бавка к сплаву 0,5% олова повысила твердость сплава в 4 раза, а 10% - в 8 раз.

В дальнейшем в бронзу стали добавлять олово, свинец мышьяк и др. Бронза дала название целому периоду в истории человечества. Бронзовый век длился с конца четвертого тыся­ челетия до начало первого тысячелетия до н.э. В XX в. появи­ лись алюминиевая бронза (15-12% А1), бериллиевая бронза (2% бериллия). Машинная бронза содержит 10-15% олова и 5-10% свинца.

Уникальность бронзового века состоит и том, что на всем протяжении цивилизованного мира от Испании до восточного побережья Китая, от Балтики до первых порогов Нила оптималь­ ный состав сплава установился очень быстро: 13% олова [19].

При выплавке меди и бронзы всегда присутствовали раз­ личные примеси, причем некоторые, например различные со­

единения мышьяка, относятся к ядовитым. Профессиональным заболеванием древних металлургов была болезнь суставов. По всей вероятности, именно этим фактом объясняется хромота богов, покровителей кузнечного дела (например, греческого Гефеста).

В период с 860-1200 гг. в Европе возрождается производст­ во меди, которая применялась в основном для изготовления колоколов и пушек. Появляются новые технологии: получения меди с одновременным удалением серы и обогащением руды.

Металл применялся в основном в земледелии, т.к. из него изготавливали всевозможные предметы труда - мотыги, молотки и т.д. Но основная масса металла шла на вооружение. Изготов­ ление оружия было единственным организованным производст­ вом в крупных античных городах - государствах. В некоторых оружейных мастерских было занято более 100 наемных рабочих и рабов. Поскольку войны велись практически постоянно, про­ изводство оружия почти не знало спадов. Тем не менее кратко­ временные периоды мира и заключения мирных договоров не­ благоприятно сказывались на развитии оружейного дела, по­ скольку владельцы мастерских лишались массовых заказов.

Появление металлургии очень быстро привело к первому энергетическому кризису. В Древнем Египте лесов было мало, поэтому переработка древесины в уголь как одного из состав­ ляющих для получения металла привела к практически полному исчезновению лесов. Как последствие стало уменьшаться про­ изводство металла, что привело к расстройству всего хозяйства. В дальнейшем центр древнеегипетской металлургии перемес­ тился в нынешнюю пустыню Негев, которая в те времена, повидимому, не была пустыней. В этой пустыне у подножья Со­ ломоновых столбов находятся развалины египетского храма, воздвигнутого около XIV в. до н.э. в честь богини Хатор - по­ кровительницы рудокопов, добывавших медную руду. Сохра­ нились остатки системы для выплавки меди. К резервуарам, где собирался металл, вели каменные желоба, а искусно сделанные каналы были ориентированы на дующие вдоль долины пре­ имущественно северные ветры. Это, по словам археолога Нель­ сона Глюка, был «древнейший образец автоматизации».

7.1.2. Железный век

Легенды приписывают изобретение железа легендарному народу халиберам, или халибрам, жившим в 1500 г. до н.э. в За­ кавказье. В Библии сказано, что железо йзобрели филистимля­ не. Изделия из метеоритного железа были известны в Египте еще в эпоху Древнего Царства, т.е. за 4-3 тыс. лет до н.э., но они были редки и дороги. Первые письменные упоминания об оружии и орудиях труда из железа найдены в Библии и в древ­ них индийских и китайских рукописях, датируемых началом III тысячелетия до н.э.

Плавка железа и изготовление орудий труда из железа в больших масштабах, требующие более высокого уровня разви­ тия техники металлургии по сравнению с бронзой, стали воз­ можны на Ближнем Востоке, в Индии и Южной Европе лишь на рубеже второго и первого тысячелетий до н.э., а на Дальнем Востоке - в седьмом - пятом до н.э., в Северной Европе - в VII в. до н.э.

Основные железные руды: бурый железняк - смесь гидро­ окисей железа Fe(OH)n, магнетит Fe30 4 и железный блеск, или гематит FeS.

Восстановление железа начинается при t « 500°С. Первые металлурги получали железо в горнах и печах при температуре = 1100°С, а для перехода железа в жидкое состояние необходи­ мо 1500°С. Железо скапливалось в виде тестообразной массы, которая сваривалась в пропитанную шлаком и остатками горно­ го материала губку.

Образовавшаяся в горне железная губка (или крица) содер­ жала в себе много шлаков. Чтобы удалить шлак, крицу надо было проковать молотом. Шлак при этом выжимался, металл уплотнялся, превращаясь в монолитный кусок, путем сварива­ ния. Такое железо получило название сварного железа. Центром зарождения металлургии железа считается Хеттское царство - государство, существовавшее в Малой Азии во втором тысяче­ летии до н.э.

Археологи экспериментально доказали, что при небольшом дутье была получена температура 1100°С и железо накаплива­ лось около устья горна. Выход его был около 20%. При прове­