Сегодня мы поговорим о началах металлургии и задатках получения электричества. Вы узнаете про медь, про то, что раньше она была абсолютно другой и имела другие свойства. Что же, не будем тянуть и начнем!
Начало применения Cu относят к «Бронзовому веку» (3 тыс. лет до н.э.). Уже тогда люди умели добывать этот розово-золотистый металл и даже получать медно-оловяные сплавы. Вместе с тем, нахождение в природе меди совсем невелико: если изучить состав земной коры нашей планеты, то элемента Cu в неё окажется всего около 0,01% (23 место).
В природе медь встречается как в чистом виде (самородки могут достигать общего веса в несколько сотен тонн), так и в составе различных соединений. Обычно приходится иметь дело с сульфидами, сформировавшимися в осадочных горных породах, либо с субстратами. Получить медь из этих соединений легко благодаря низкой температуре плавления, чем и пользовались наши предки при изготовлении самых разных медных изделий.
Медь известна человечеству с очень и очень давних времен, и очень сомнительно, что вы окажетесь во временах, когда медь недоступна.
Поэтому эта статья не о том, как выплавлять медь.
Статья о том материале, который мы получим в древние времена. И хотя тот металл назывался «медь», в нем было достаточно отличий от того металла, что мы привыкли использовать…
Начнем с того, что вообще понятие «медный век» оно растяжимое.
Там, где он был — он существовал, как правило, параллельно с каменным. Но во многих цивилизациях он вообще отсутствовал, там сразу встал бронзовый век.
Как вообще такое могло произойти?
Дело в том, что там, где существовал чистый медный век — он был без выплавки меди.
Так как планета была нетронута, то хватало мест, где сверху лежали медные самородки. Их сначала перековывали в холодном виде, а потом стали разогревать — но именно в этом месте и начались приключения. То есть еще при разогреве, без плавки!
Медь можно подвергать отжигу.
Если медь нагреть примерно до 600oC (докрасна), а потом резко охладить, опустив в холодную воду, то медь станет очень мягкой. Ситуация абсолютно обратная, чем с закалкой стали. Но тем не менее, достаточно удобная. Если из такой меди отформовать что требуется и нагреть ее до 400oC, оставив остывать на воздухе, то медь станет куда тверже.
НО! Описывая отжиг, нужно помнить, что когда мы говорим «медь», мы подразумеваем современную электролитическую медь, с чистотой 0.05-0.1% примесей. Вообще, если вы сейчас захотите купить самую грязную медь, то в ней будет максимум 1% примесей и сейчас такая медь идет разве что на бронзу для памятников.
Но мы не знаем способов получить в древнем мире такую чистоту. Даже если вам повезло и вы для выплавки используете самородную медь, в ней будет 2-5% всего разного.
Например, в самородной меди обязательно есть свинец и висмут.
Все бы ничего, если бы эти два элемента даже в тысячных долях процента не уничтожали пластичность меди. То есть можно забыть про прокатку или волочение. При этом эвтектика Cu-Bi плавится начиная от 270oC, а Cu-Pb при 330oC.
То есть — если мы возьмем самородную медь и попытаемся выковать из нее топор, то у нас, в общем, все получится.
Но если мы захотим сделать из нее провода методом волочения, то мы не можем сделать отжиг, чтобы медь стала пластичной. Потому что при такой температуре расплавится висмут и сделает нашу медь все равно хрупкой.
При этом для меди можно сделать наклеп — то есть механическая ковка увеличивает прочность меди и уменьшает пластичность. При этом может дойти до того, что дальнейшая обработка меди будет невозможна. Ну а отжиг для восстановления пластичности… Ну, вы поняли?
Поэтому медь не была настолько удобным металлом.
Древние кузнецы были очень и очень квалифицированными специалистами. Они балансировали на грани пластичность-прочность. Они должны были нагревать самородную медь до температуры в районе 250oC, при которой ее легче было ковать, но висмут в ней еще не расплавлялся. И без термометра. И ориентируясь на утерянные сейчас приметы.
Такая ситуация продолжалась достаточно долго — это и был классический медный век.
После чего произошел скачок — медь научились плавить.
Для меди это 1083oC, что очень нетривиально по тем временам, древняя керамика не прогревалась до такой температуры. Это был самый настоящий хай-тек, полный ухищрений, о которых мы сейчас и не догадываемся.
Но что произошло при этом?
Изменилась технология получения медного инструмента.
Медь стали отливать в формы — и уже на отлитом образце можно было делать наклеп для упрочнения. Кузнецы стучали молотками по выплавкам, опять странное на первый взгляд смешение технологий.
Кроме примесей висмута и свинца, которые отрицательно влияют на свойства меди и которых в современном металла допускается не больше 0.002%, отрицательно влияет еще и кислород. При 0.1 — 0.2% кислорода медь опять нельзя волочить или прокатывать, кислород делает медь хрупкой. Но кроме прочего, медь с кислородом нельзя нагревать в восстановительной атмосфере (например СО), кислород при этом восстанавливается и внутри металла образовываются газы, которые дают трещины вплоть до разрушения детали. Все слышали про провода из «бескислородной меди»?
В общем, древняя медь была хрупкой и непрочной. Паровой котел из такой меди сделать, в общем-то, можно, но давление там будет смешное. А также — смешная мощность и мизерный КПД. Такую вещь стоит строить, только если четко рассчитать экономический эффект. И главное — решить зачем вообще строить паровик в такой древности.
Конечно, постепенно методы получение меди улучшались.
Например, Агрикола в классическом труде «De Re Metallica Libri» (1556 год) описывает уже достаточно сложный процесс выплавки меди — с несколькими пережиганиями по 6-8 часов. Руду смешивают с целым списком добавок и получают медный штейн. Далее, в зависимости от качества руды, этот штейн могут переплавлять с добавками еще три раза. То есть медь хорошего качества получается только после третьей плавки, а ведь с каменным углем тогда было все совсем плохо!
Такая медь уже может годиться для волочения, но и цена у нее недетская.
Однако, плавка меди при наличии примесей дала очень приятный результат — когда примесью стало олово. Появилась классическая бронза и мир перешел в бронзовый век. Появилась и латунь, но качество ее было не лучше, чем у меди. Просто потому, что оловянной бронзе висмут со свинцом не страшны, а латунь унаследовала недостатки чистой меди.
Итак, услышав слово «медь» инженер первым делом хватается за электричество.
Гальванический элемент из древней меди получится.
Что дальше с ним делать?
Нарезать провода из полосок? Сделать генератор?
Тут нужно вспомнить еще об одной особенности меди — электропроводности.
Сейчас медные провода везде. Но опять-таки — их делают из чистой меди, причем из самой чистой, у которой 0.05% примесей.
Это происходит потому, что малое электрическое сопротивление характеризует только химически чистую медь, а малейшие примеси Bi, Pb, Sb, As убивают эту электропроводность на корню. Только 0.2% кислорода подсаживают электропроводность в два раза.
Итак, мы хотим телеграф в Древнем Египте?
Из-за низкой электропроводности провода придется делать толстыми. Но это не беда — ведь волочить мы их не сможем, они все равно будут рублеными из листа неясной толщины. Километр телеграфа (два провода) обойдутся в такую сумму, что дешевле будет проложить очень тонкую золотую проволоку…
Таким образом мы приходим к выводу, что медь в древности - не самый лучший материал. С ним тяжело и не практично работать, а пользы это большой не несет. Пишите в комментариях про что бы вы ещё хотели послушать нашу рубрику!