Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в технологию литейного производства. Учебное пособие по курсу лекций
.pdf
ТЕМА 2.1. ИЗ ИСТОРИИ МЕТАЛЛУРГИИ
Прежде всего, ответим на контрольные вопросы по теме 1.3.
Приведу цитату знаменитого американского промышленника
Генри Форда:
«Когда варвар, продвигаясь вперед, шаг за шагом, открыл само-
родные металлы и научился плавить их в тигле и отливать в формы;
когда он создал бронзу; когда еще бόльшим напряжением мысли он
изобрел горн1 и добыл из руды железо – девять десятых борьбы за
цивилизацию было выиграно».
О чем говорят эти слова?
Открытие новых металлургических и литейных технологий плавки бронзы, чугуна в далеких исторических временах продвигало человечество на более высокие уровни.
Кстати, и сегодня новые технологии приготовления сплавов позволяют получать уникальные свойства и решать новые и важные задачи.
Примеры: 1. На компьютере атом за атомом будут синтезироваться уникальные сплавы и свойства. 2. На основе генной инженерии создаются новые сплавы с учетом принципов самоорганизации
(синергетики2) природы.
Современная металлургия опирается на 1000-летний фундамент,
заложенный нашими предками.
Как и ранее, металлургия является основой современной индустрии [6].
Что такое металлург я?
Это область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов и сплавов и сообщающие им определенные свойства и
форму.
1
Горн – сыродутный горн (плавильная печь бронзового века).
2
Синергетика – междисциплинарная наука, изучающая общие закономерности явлений в
сложных неравновесных системах (для сплавов – физико-химических, экологических).
21
2.1.1. МЕТАЛЛУРГИЯ ОТ НЕОЛИТА
ДО НОВЕЙШЕЙ ИСТОРИИ
История получения древних металлов (Cu, Sn, Pb, Hg, Zn, Ag, Au)
интересная и, во многом, – таинственная.
Почему?
Человек, который владел секретами получения каких-либо ме-
таллических орудий труда или войны (нож, наконечник стрелы, сабля, плуг, котелок и т.д.), был более сильным и приспособленным к
жизни.
Как добываются сведения о древней металлургии? Только за счет
археологических раскопок и изучения структуры и свойств найденных металлических изделий.
Изобразим эпохи развития металлургии (табл. 2) [6].
Появление и совершенствование технологий получения металлов
и сплавов обусловило возникновение двух этапов развития человеческой цивилизации:
1. Неолитическая революция (эпоха раннего металла – между 10-
м и 3-м тысячелетиями до н.э.).
2. Промышленная революция (эпоха нового и новейшего времени).
Археологи выделили в истории человечества «металлургические
провинции» – территории, которые имели как бы единый и высокий
для того времени уровень металлургии.
Удивительно то, что и сегодня есть племена (Африка, Южная
Америка, Юго-Восточная Азия), так и не освоившие металлургию. И
поэтому они и сегодня не смогли приблизиться к уровню современной цивилизации.
22
Эпохи развития металлургии
Историческая эпоха
и период
Время
Основные Ме
и сплавы
Основные события
в металлургии
Основные
события в
цивилиза-
ции чело-
века
До
н.э.
Каменный век
Палеолит (Эпоха
тесаного камня)
2,5 млн
-
-
-
Мезолит
40000
Самородное
золото и медь
Ковка самородных
металлов
-
Неолит (эпоха
шлифовального
камня)
10000
Плавка в
«волчьей яме»3
Литье
Появление
письмен-
ности
Медно-каменный
век (халколит)
4000
Медь
Литье в закрытые
формы
Получение
проволоки
Древний мир
Бронзовый век:
ранний
3000
Мышьяковая
бронза
Оловянная
бронза
Сыродутный горн
Сплавы
Рафинирование
Au, Ag
Изобрете-
ние колес-
ных пово-
зок
поздний
2000
Железный век
500-1200
Ковкое железо
Доменная печь
Получение булата
Выплавка чугуна
Переработка шла-
ков
Алхимия
н.э.
Средние
века
Раннее средневе-
ковье
500
Позднее средне-
вековье
1350
Новое время
1800-
1600
Чугун
Каменноугольный
кокс
Промыш-
ленная ре-
волюция
Новейшая история
2000
Литая сталь
Al-сплавы
Электропечи
Таблица 2
Всегда возникает такой вопрос.
Откуда древний человек брал (получал) металлы в эпоху мезолита?
Человек находил металлы в самородном виде и обрабатывал их
примитивной (свободной) ковкой.
Таким образом, первые орудия для войны и труда получали ков-
кой, т.е. без применения плавки и литья.
3
«Волчья яма» – древняя плавильная печь.
2.1.2. ПРИМЕНЕНИЕ САМОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
23
Таким металлом являлась самородная медь, которая в те далекие
времена широко применялась в разных территориях.
Удивительно то, что и сегодня человек находит многие самород-
ные металлы:
– Cu (Малая Азия, Индокитай, Алтай, Америка – кстати, где на-
ходятся эти регионы?);
– Fe (Гренландия, Германия, Франция);
– самородный сплав – чугун (Дальний Восток, Борнео, Новая Зе-
ландия);
– Au, Ag, Pt, Pb (в разных регионах).
О чем это свидетельствует?
Древний человек находил самородные металлы и сплавы и ак-
тивно применял их:
– сначала нагрев и ковка;
– затем плавка и литье.
2.1.3. ДРЕВНИЕ ЦЕНТРЫ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ
Рассмотрим эти центры на примере одного из самого древнего и
важного металла – Cu.
Из литературы известно следующее.
1. Древние изделия из рудной Cu (булавки, шила, сверла, колечки,
подвески) нашли в Турции (плоскогорье Конья). Этим находкам 8 – 7
тыс. лет до н.э. (т.е. это эпоха неолита).
2. Балкано-Карпатская металлургическая провинция.
Найдены 3 тыс. разнообразных золотых и сотни медных изделий –
украшения, орудия, инструменты, оружие (5 тыс. лет до н.э. – эпоха
неолита и хальколита).
3. Старейшие медные рудники существовали на территориях Ме-
сопотамии, Испании, Кипра.
Считается, что от названия острова Кипр произошло название Cu
как химического элемента – «Купрум».
4. В начале 3-го тысячелетия до н.э. человечество вступило в ран-
ний бронзовый век и эпоху Древнего мира.
24
В эти эпохи производили разные бронзы: мышьяковая (первые
бронзы; применяли еще в 5-м тысячелетии до н.э. – эпоха хальколит);
оловянная; свинцовая; сурьмяная; висмутная.
Добавки из руд меняли цвет разных бронз от красного до серебристо-белых тонов.
5. На территории сегодняшней России:
– на Южном Урале высокоразвитое производство Cu («страна городов»; 3,5 тыс. лет назад – поздний бронзовый век);
– Михайло-Овсянка, Федоровское селище Самарская область
(бронзоволитейное производство, 2 тыс. лет до н.э. – поздний бронзовый век).
В новое время (до начала 18 века) человечеству были известны уже
10 металлов (в древнее – 7) – Cu, Sn, Pb, Hg, Zn, Ag, Au и Fe, Sb, Bi.
В России (17 век н.э.) медь и бронзы широко плавили в разных
районах: Урал (и сейчас плавят и льют), Казань. Кроме цветных металлов и сплавов русские металлурги и литейщики в 15-18 веках н.э.
производили чугуны и стали.
Применение металлов и сплавов в древние и новые времена бур-
но двигало цивилизацию человечества и развитие производства разных изделий и, в целом, промышленности.
Общеприняты такие оценки роли металлов:
– металлы – это фундамент цивилизации;
– металлы – это матрица жизни;
– существует особый мир металлов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как называли древние плавильные печи?
2. Что такое металлу ?
3. Назовите все древние металлы.
4. Какие специалисты раскрывают историю металлу ?
5. Какие металлы люди находили в самородном виде?
6. Укажите основные эпохи развития металлургии и литья.
7. Укажите время раннего и позднего бронзового века.
8. Что такое бронза?
9. Назовите древние центры развития металлург и.
25
ТЕМА 2.2. ИЗ ИСТОРИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Рис. 2. Реконструкция
бронзовой статуи Колосса
Родосского
(высота 36 м)
Повторим контрольные вопросы по теме 2.1.
История литья (литейных технологий) неразрывно связана с ис-
торией развития металлургии.
Невозможно в одной-двух и трех лекциях раскрыть историю ми-
рового литья. Нужен целый курс. Настолько это увлекательно.
С металлами и сплавами связаны необычные и трагические истории.
Задание на самостоятельную работу № 2
Раскрыть (изложить) необычные факты, связанные, так или иначе, с историей любых металлов в древности или в наше время.
2.2.1. УНИКАЛЬНЫЕ ОТЛИВКИ В ИСТОРИИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА
В научно-популярной и специальной
литературе, посвященной этому вопросу,
приводится много необычных и малоизвестных примеров [6-8].
К наиболее известным шедеврам древ-
них культур традиционно относят 7 чудес
света. Какие?
– Египетская пирамида Хеопса (2550 г.
до н.э.);
– Висячие сады Семирамиды в Вавило-
не (600 г. до н.э.);
– Александрийский Маяк (III в. до н.э.);
– Храм Артемиды в Эфесе (550 г. до н.э.);
– Колосс Родосский (292-280 гг. до н.э.);
– Статуя Зевса в Олимпии (435 г. до н.э.);
– Мавзолей в Геликарнасе (351 г. до н.э.).
Удивительно то, что ряд памятников
античности связан с кузнечными и литейными технологиями:
26
– Колосс Родосский (Бог Солнца 294-282 гг. до н.э.) – высота
Рис. 3. Царь-Лев – цельнолитое
изделие из чугуна (X век)
36 м (на изготовление ушло ~13 т бронзы и ~8 т железа)4 (рис. 2);
– Статуя Зевса в Эфесе (430 г. до н.э.) – высота ≈12,5 м (многие
детали из слоновой кости и золота крепились бронзовыми и железными гвоздями)5;
– Александрийский Маяк (III в. до н.э.) – купол, увенчанный 7метровой бронзовой фигурой повелителя морей Посейдона.
К великому сожалению, эти древние памятники в силу разных
причин не сохранились. Сегодня археологи нашли только кисть правой руки бога Солнца.
А что сохранилось из семи чудес света? Только Египетские пирамиды.
Гораздо больше литых памятников были известны и многие сохранились в средние и новые века.
К уникальным отливкам относят следующие:
1. Царь-Лев (Шицзы-Ван) – литое сооружение китайских литей-
щиков из чугуна (масса 40 т).
2. Царь-пушка, ЦарьКолокол – бронзовое литье русских мастеров.
3. Царь-отливка – чугунная
отливка итальянских литейщиков (масса 1000 т!).
4. Литой шàбот (стул, основание) для молота (Мотовилиха, масса 600 т).
5. Каслинский чугунный
павильон (на выставке в Париже, 1900 г., размеры 5 м).
6. Литые роза, рак и др. тонкостенные отливки.
4
http://chudomira.narod.ru/index/0-9
5
http://secretworlds.ru/publ/zevs_olimpijskij/56-1-0-11126#ixzz3JUtO3yyy
27
В качестве примера рассмотрим отливку китайских литейщиков
(рис. 3).
Задание на самостоятельную работу № 3
Привести примеры с описанием самых уникальных отливок древности,
средних и новых веков.
2.2.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПЕРВЫХ ЛИТЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В самые древние времена люди получали орудия труда и предме-
ты быта путем (каким?) – свободной ковкой из самородной меди, золота, серебра. Но далеко не все можно получать ковкой. Например,
художественные элементы каких-либо сложных изображений,
скульптур, бронзовый топор и котел и т.д.
Все это и многое другое стало возможно только после изобрете-
ния и широкого освоения литейных технологий.
Однако с освоением литья дело обстояло намного сложнее, чем с
ковкой (вид кузнечной обработки).
Почему?
Для получения литых изделий необходимо иметь как минимум
две отдельные технологии:
1. Плавка и приготовление жидкого сплава.
2. Приготовление литейной формы и заливка.
Как человек пришел к такой мысли и созданию литейной техно-
логии?
Наверное, на такой процесс человека натолкнули наблюдения за
природными явлениями (извержение вулканов).
Крайне сложно восстановить историю возникновения литейных
технологий. Вполне понятно, что как только человек стал применять
огонь, он приспособил простой костер в качестве первого «литейного
агрегата» (плавильной печи).
Самородок или восстановленный металл из оксидных руд рас-
плавлялся в костре, стекал вниз и собирался в углубление, затем затвердевал и принимал его форму (рис. 4, I-II).
28
Вначале это была просто литая «лепешка» из пластичного метал-
угли
«лепешка»
(отливка)
огонь
(печь)
руда
Ме
углубление
(лит. форма)
I
II
молоток
Ме-основание
(наковальня)
III
IV
готовое изделие
(нож, скребок, копье)
ла (Pb, Sn, Cu). Ее потом ковали и получали простые изделия (рис. 4,
III-IV).
Рис. 4. Древние технологии плавки, литья и ковки
Таким образом, в костре совмещались функции металлургиче-
ской печи, литейной формы и заливочного устройства. Понятно, что
по такой технологии люди не могли получать сложные и качественные литые изделия. Например, качество поверхности отливки зависело от природы материала дна («земли»). Кстати, и сегодня на практике применяют устаревший термин – литье в «землю».
Люди стали обмазывать стенки и дно ямы (чем?) – хорошей гли-
ной (это также природный материал).
Научились усложнять конфигурацию дна и стенок различными
скребками. Но верхняя часть отливки оставалась плоской и неровной.
Сегодня такой метод называют литьем в открытую форму (рис. 5).
29
носик
жидкий Ме
каменный
тигель
Вид сверху
отливка
загрязнения
шлак
«земля»
Рис. 5. Древняя технология литья в открытую «земляную» форму
Надо было отделить печь (костер) от формы.
Появилась плавка в тиглях6 из обожженной глины или из камня с
носиком для разливки (рис. 6).
Рис. 6. Плавка и заливка из тигля
Изменялась литейная форма – делали специальную смесь из ув-
лажненного песка и глины. Сегодня это называется литьем в песчано-
глинистую форму.
Для получения более четкого отпечатка стали изготовлять специ-
альные устройства – деревянные модели7.
Прием замены оригинала отливки его моделью сыграл в дальнейшем важную роль в развитии технологий изготовления форм
(рис. 7).
Песчаная форма была одноразовой – заливали, а после затвердевания сплава разрушали и вытаскивали (удаляли) отливку. Такая
форма не обеспечивала постоянство размеров, точность, чистоту поверхности отливок (например, наконечников копий, стрел и других
орудий). А их нужно было много. Стали получать постоянные (полупостоянные) формы из обожженной глины и камней (рис. 8).
6
Тигель (нем. Tiegel) – сосуд (емкость) для плавки сплавов
7
Модель – оснастка для образования в форме нужного отпечатка
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]