CC BY
119
îi § § § S с! в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 5 (98)
нарных сплавов, взаимодействие металлов с растворами. Установленные им закономерности процессов коррозии были использованы при разработке способов защиты металлов от коррозии, рецептуры сплавов.
Важнейшие работы: "Точки замерзания металлических сплавов" ("Zeitschr. f. Physik Chemie", 3 1889); "Максимальная упругость водорода, выделяемого металлами" (С Нернетом, ib., 9, 1892); "Скорость кристаллизации 1, II и 111" ("Zeitschr. f. Physik Chemie .", 24, 26 и 29, 1897—1899 и Фридлендером, 24, 1897); "Зависимость числа центров кристаллизации от температуры в переохлажденных жидкостях" (ib., 25, 1898); "Положение термодинамических поверхностей кристалла и его сплава" (ib., 21, 1896 и "Archives Néerlandaises", 1901); "Кривые плавления и превращения кристаллов I, И, III, IV и V" ("Wied. Ann.", 62, 66, 68, 1897—1899; "Ann. du Physik", 2 и 3, 1900); 6) "Изменение теплоты плавления и адиабатические изменения давления над кристаллом и его сплавом" ("Wied. Ann.", 65 и 68)[4]
Библиографические ссылки
1. Тамман Густав Генрих Иоганн Аполлон,/Сайт БСЭ. [Электронный ресурс]. // URL: http://wvvw.bse.info-spravka.ru/bse/id 77661 .(Дата обращения 01.03.2009).
2. Сивергин Ю. М. Химики Российской империи, СССР и Российской федерации: Москва, 1998. Т. 2. С. 284-286.
3. Тамман Г. Г. Руководство по гетерогенным равновесиям. Л.: ОНТИ, 1935, С. 166-177.
4. Тамман Густав Генрихович / Сайт Энциклопедический Словарь Ф.А.Брокгауза и И.А.Ефрона [Электронный ресурс]. //' URL: http://www.vehi.net/brokgauz/mdex.html. (Дата обращения 01.03.2009).
УДК 669.018.
А. И, Иванов, А. II. Жуков
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия
ДРЕВНИЕ ИСТОКИ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Представлен краткий исторический очерк античных технологий обработки металлов: ковка, штамповка, волочение.
Историки химии считают Древний Египет (страна Хеми) пенатами, где благодаря практическим нуждам, вызванным достаточно высоким уровнем жизни, достигнутым определенными кастами, были сосредоточены наиболее широко известные в древности химические знания (ремесла). Среди
В Я 6 X II в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № 5 (98)
них знания о металлах. Такая позиция упрощает решение вопроса (есть отправная точка) о путях распространения, механических и химических процессов (ремесел) у древних народов среднеэллиандской и ближневосточной цивилизации. Отсюда и объяснение, почему финикаие, персы, эллины, римляне и др. народы этого района перенимали из древней Хеми умение получать и обрабатывать важные технические продукты, в нашем случае изделия металлургии и металлообработки [1].
Согласно античным преданиям, Прометей, принесший в дар человечеству огонь, обучая их металлургическим процессам. Иногда этот «подарок богов» приписывают Кадму, либо другим мифологическим персонажам. Уже в первых книгах Ветхого Завета имеются четкие указания на шесть металлов, освоенных цивилизацией, таких как: железо, свинец, олово, медь, серебро и золото.
Итак, в античности известны металлы (целых шесть, известны их сплавы), отсюда - необходимо владеть искусством получения из них изделий: инструментов, оружия, украшений, что в современных словарях называют технологией. Ниже рассмотрим несколько древних видов обработки металлов давлением.
Ковка. Древнейший способ обработки металлов давлением. Под ковкостью, возможностью обработки давлением, мы сегодня понимаем технологическое свойство металлов (сплавов), связанное с их пластической деформацией. Именно на этом свойстве базируется применение таких видов обработки металлов как ковка, штамповка, чеканка, волочение, прокатки, прессование и др.
Появление ковки, согласно археологическим изысканиям, связано с переходом человечества от каменной цивилизации к бронзовой [2]. Самородная медь стала первым металлом в обиходе древних народов, благодаря именно процессу ковки. Освоение способа обработки самородного металла ковкой, неразрывно связано с длительным накоплением человеком навыков и опыта, связанных с изготовлением каменных орудий труда и оружия путем обработки камня "оббивкой" каменным же молотом. Самородная медь, которую первобытные люди вначале тоже считали разновидностью камня, при ударах каменного молота не давала характерных для камня (кремень) 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. Было замечено, что ковка повышает твердость и прочность металла и играет важнейшую роль в создании более эффективных орудий труда и оружия. Ковка была первым и единственным в первое время способом повышения твердости меди. Установлено, но пользуясь одной лишь ковкой можно довести твердость меди с 87 до 135 единиц но шкале Бринелля.
Историки связывают зарождение техники ковки металлов с развитием ранних очагов металлургии в древнейших районах Средней Азии и Ближнего Востока. [2] Холодная деформация металла в начале осуществля-
С Я в X II в химии и химической технологии. Том XXII). 2009. № 5 (
лась применением куска камня соответствующей твердости. Античный умелец наносил им удары по куску самородного либо выплавленного металла. Эволюция простейшего метода ковки привела к созданию прообраза современного молота, да и наковальни. Время появления молота с рукояткой определить пока невозможно. Появление молота с рукояткой на первых порах преследовало цель защитить руку кузнеца от повреждения. Затем было замечено, что эти молоты обеспечивают получение более сильных ударов за счет увеличения на величину длины рукоятки плеча действия бойка молота (до этого плечо соответствовало длине вытянутой руки). Масса ручных молотов, ограничивалась силой мускулов человека и не превышала 1 Окг. Для наиболее тяжелых ручных молотов молотовища изготовлялись длиной до 500-б00мм [4]. Каменные молоты применялись преимущественно для обработки мягких, пластичных металлов — меди, золота, серебра и их сплавов.
Металлургия железа оказала огромное влияние на развитие техники ковки. Процесс ковки стал непременной составной частью металлургического процесса выделки железа сыродутным способом. Полученное в сыродутных горнах пористое железо подвергали проковке ручными молотами, придавая крицам определенную товарную форму. Металл поступал затем на переработку в передельные кузницы, изготовлявшие из кричного железа необходимые изделия. Кузницы оборудовались кузнечными горнами, в которых поддерживалась более низкая, по сравнению с сыродутными горными, температура.
Наковальня устанавливалась на уровне пола. Один из кузнецов стоял на возвышении и наносил удар по крице массивным металлическим пестом, снабженным рукояткой. Пестовый ручной молот совершает прямолинейное движение в вертикальной плоскости. Второй кузнец обрабатывает крицу кувалдой. Эти два простейших способа ковки легли впоследствии в основу развития механических молотов вначале с ручным приводом, а затем с приводом от водяного колеса. Совершенствуя технику ковки ремесленники-металлурги применяли несколько разновидностей постовых молотов, значительно облегчивших работу кузнецов и сделавших процесс более эффективным.
Штамповка. Более поздний, почти средневековый метод обработки металлов, прослеживается с X века. Безусловно, что штамповка более простой, с позиции мастерства уровня подготовки ремесленника, вид обработки металлов давлением. Формирование поковки в данном случае осуществляется в специальном приспособлении - матрице (штампе). Наши предки для этих целей применяли медные и стальные матрицы, имеющие выпуклый рисунок. Процесс штамповки осуществлялся следующим образом. На матрицу накладывался обрабатываемый лист металла. На него ставилась свинцовая пластина (подушка), по которой кузнец-штамповщик ударял деревянным молотом. Под ударами молота пластичный свинец, с находящимся под ним серебряным листом, заполнял все углубления матрицы. На обрабатываемом серебряном листе отштамповывался рельефный рисунок, повторяющий ри-
6 й 9 X II в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. №5 (98)
сумок матрицы. Подобная свинцовая пластина диаметром 6 см, обтянутая прочным железным кольцом обнаружена археологами в Вышгороде. На одной стороне этой пластины остались следы ударов молота, а на другой — углубление, отвечающее средним размером матрицы от колтов. Железное кольцо предохраняло свинцовую подушку от расплющивания при ударах молота. В результате штамповки получалась пластинка, на лицевой стороне которой оттискивался рисунок матрицы, а на оборотной стороне — тот же рисунок в негативной форме [5].
В последующем этот способ штамповки был усовершенствован в результате применения винтовых прессов, значительно ускоривших технологический процесс тиснения.
Волочение. Это процесс протягивания прутка через отверстие, размеры (диаметр) которого меньше, чем размеры (диаметр) прутка. Часто волочение проходит в несколько стадий. Попытка облегчить кропотливый тяжелый труд получения проволоки для производства ювелирных изделий, ритуальных и парадных одеяний элиты, желание иметь для этого более тонкую, эстетически привлекательную проволоку привели к тому, что постепенно (к IV тыс. до н.э.) был выработан новый способ обработки. Для сглаживания неровностей, калибрования и уплотнения проволоки, ее стали проталкивать через отверстия в твердых материалах. Образцы такой проволоки из золота, датируемые IV тыс. до н.э., найдены в Египте. Впоследствии эта операция полирования и выравнивания поверхности проволоки развивалась в волочение. 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 (волочеиием) через костяные выпрямители. Еще и в настоящее время североамериканские эскимосы и индейские племена пользуются подобными подобными выпрямителями для протяжки сырого деревянного стержня стрелы, чтобы придать ему при высыхании максимальную прямизну [6].
Огромным шагом вперед в развитии техники волочения было использование более эффективного железного (стального) волочильного инструмента, Наиболее древними экспонатами могут служить две металлические волочильные доски» найденные в одном из финикийских поселений, возраст которых насчитывает 2000 лет [б]. Приведенные сведения о железных волоках, вероятно, не исключают более раннего применения железа для изготовления волочильного инструмента.
По сравнению с каменной, железная волока имеет значительные преимущества: можно повысить ее твердость и прочность на истирание, подвергнув металл механическому упрочнению наклепом. Трудоемкую операцию сверления отверстия можно заменить двухоперационной обработкой: пробивкой отверстия в горячем состоянии с последующей менее трудоемкой работой — выравниванием отверстия рассверливанием и полировкой (шлифовкой) . Кроме того, разработавшееся волочильное отверстие железной во-
С Л 6 X и в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009, № 5 (98)
локи легко подправить до первоначального диаметра неоднократной холодной наделкой вокруг контура глазка.
Наиболее простое приспособление для протяжки проволоки состояло из волоки, которую прикрепляли к опоре, и инструмента (клещей) для захватывания заостренного конца проволоки. Простейший способ ручного волочения сохранился до последнего времени у одного из негритянских племен Танганьики, описанный О. Доннером. Приспособление состоит из врытого в землю столбика высотой 600 мм и диаметром 70 мм. В верхней части столбика сделаны вертикальный вырез и глубокая выемка для волоки. Высота волоки 8 мм. Можно предположить, что подобные приспособления для волочения проволоки применялись у народов Африки и в древности.
Чеканка, Чеканка металлов, в первую очередь чеканка монет, занимала в рассматриваемый период особое место в системе металлургического и металлообрабатывающего производства, С ней неразрывно связано развитие металлургии благородных металлов, в том числе создание разнообразных сплавов золота и серебра, совершенствование способов их ковки, волочения и термообработки. Чеканка - один из древнейших процессов обработки металлов давлением, предъявивший очень высокие эксплуатационные требования к чеканочным штемпелям, ■— инструментам, для производства которых были применены уже за несколько веков до нашей эры высококачественные стали, созданы методы их упрочения и обработки. Исключительно четкие с глубоким рельефом и сложным рисунком изображения на античных монетах свидетельствуют о высоком мастерстве резчиков штемпелей, освоивших в совершенстве обработку высокопрочных, видов сталей. Опыт, накопленный античными чеканщиками, безусловно, использовался в других областях обработки металлов. Сосредоточение в руках чеканщиков монеты разнообразных металлургических процессов и технических средств для литья, кузнечной обработки и волочения металлов не только способствовало дальнейшему развитию самой техники чеканки, но и стимулировало развитие связанных с ним смежных производств.
Чеканка монет основывалась исключительно на ручной технике. Монеты обычно чеканили из заготовок круглой формы (кружки), которые выбивали стальным зубилом или круглым стальным цилиндром с заостренными краями из листового кованого металла. Кружкам придавалась некоторая выпуклость чечевичной формы для получения на монете высокого рельефа рисунка в процессе чеканки.
Иногда для приготовления монетных заготовок отковывались цилиндрики или проволока круглого сечения, которую перед чеканкой расплющивали молотком. Такие монеты обычно встречаются в России в коллекциях удельных князей и царских коллекциях допетровских времен.
Существовал и другой способ изготовления монетных заготовок. Из слитка отковывалась заготовка круглого сечения, от которой отрубались известной толщины кружки. Все они перед чеканкой сглаживались ударами молотка. Точность их массы была приблизительной. Считают, что этот спо-
6 Я 6 I И в химии и химической технологии. Том XXIII. 2009. № б (98)
соб применялся при изготовлении дешевой медной монеты, в частности, на монетном дворе в Херсонесе Таврическом (1У-Ш вв. до н.э.).
Для получения на монете изображения применялись специальные инструменты - штемпеля с выгравированными на них углубленными негативными изображениями. Штемпеля представляли из себя закаленные стальные матрицы, на рабочих торцах которых нарезались изображения и надписи. Для получения изображения на лицевой и оборотной сторонах монеты применялись верхний и нижний штемпеля. Верхний штемпель или чекан имел форму цилиндра, на одном конце которого был нарезан рисунок. Чеканка производилась на массивной подставке с металлическим основанием. Если изготовляли монеты с изображением на одной (лицевой) стороне, заготовку помещали на это основание, иа нее накладывали верхний штемпель и наносили по верхней его части сильный удар или серию ударов. Если на монете требовалось изготовить рисунок с лицевой и оборотной стороны, под монетную заготовку подкладывался нижний штемпель и процесс чеканки производился в том же порядке. Обычно для получения хорошего оггиска чеканщику приходилось наносить по верхнему штемпелю несколько сильных ударов (при чеканке меди и ее сплавов). Во избежание смещения при ударах монетного кружка относительно нижнего и верхнего штемпелей, его во время чеканки придерживали особыми клешами. О технике ручной чеканки монет, описанной выше, дают представление дошедшие до нас рисунки античных и средневековых художников [7].
Изучая древние золотые монеты, ученые обратили внимание на тот факт, что определенные виды восточных монет отличаются весьма точной массой. Их осмотр показал отсугствие каких-либо следов опиловки ребра монет с целью их подгонки под определенную массу. Было выдвинуто предположение, что древние чеканщики для изготовления монетных заготовок пользовались методом порошковой металлургии. Для каждого экземпляра монеты отвешивалось строго определенное количество золотого порошка. Его насыпали в ячейки на глиняном листе и помещали для спекания в печь. Получалась линзообразная лепешечка из золота. Затем ее нагревали, держа в щипцах и помещали на нижний штемпель. Ударом по верхнему штемпелю достигалось получение изображения на обеих сторонах монеты [8].
Библиографические ссылки
1. Ламан Н. К. Развитие техники обработки металлов давлением с древнейших времён до наших дней. М.: Наука, 1989. 236 с.
2. Селимхаяов И. Р. Разгаданные секреты древней бронзы. М.: Наука, 1970. 79 с.
3. Дедебур А. Металлургия чугуна, железа и стали. Т. I. Часть общая. Спб.: Изд. Книжного магазина В. Эриксон, 1896. 347 с.
4. Рыбаков Б. А. Ремесло Древней Руси. М.: АН СССР, 1948. 792 с.
