Металлы и металлургия

Металлы и металлургия

Изучение металлургии и металлов, найденных на археологических памятниках, ограничено как состоянием находок, так и нашими знаниями о доисторической металлургии в целом (Мюли и Уэртайм — Muhly and Wertime, 1980; Тайлекоут — Tylecote, 1992). Сохранность металлических орудий в археологических горизонтах целиком зависит от кислотности почвы. При некоторых обстоятельствах железные предметы сохраняются хорошо и их можно детально изучить; в других случаях кислоты почвы превращают железо в совершенно бесполезную ржавую кучку. Медь, серебро и золото обычно сохраняются несколько лучше.

Сначала люди познакомились с металлами в виде пород, которые их окружали. Свойства металлосодержащих пород — цвет, блеск и вес — делали их привлекательными для использования в натуральном виде. Постепенно люди поняли, что нагревание таких пород, как кремний и сланец, облегчает работу с ними. Применив эти познания к металлическим породам, обработчики камня обнаружили, что из чистой меди и других металлов можно делать орудия посредством последовательных обивок и нагреваний. До XVIII века н. э. из приблизительно семидесяти металлических элементов на земле использовались только восемь — железо, медь, мышьяк, олово, серебро, золото, свинец и ртуть. Для древних мастеров по металлу представляли интерес такие свойства металлов, как цвет, блеск, отражающая способность (для зеркал), акустические свойства, легкость литья и ковки, степень твердости и прочности. Те металлы, которые можно было переработать вторично, имели явные преимущества (Крэддок — Craddock, 1995).

Мы много знаем о древней металлургии, потому что доисторические артефакты в своей микроструктуре хранят следы термической и механической обработки. Эту структуру можно изучать с помощью оптического микроскопа. Каждая мельчайшая частица металла является кристаллом, который формируется по мере отвердевания металла. Их размер и форма могут дать информацию о том, использовались ли сплавы, об условиях охлаждения и типе использованных форм. Сначала древние металлурги использовали чистые металлы, которые можно было легко обрабатывать, но из них получались только мягкие орудия. Затем они научились сплавлять одни металлы с другими для получения более твердых и прочных изделий с более низкими точками плавления.

Основные данные для изучения доисторических сплавов дают фазовыедиаграммы, которые соотносят температуру и состав сплава, показывая сравнительную растворимость металлов при соединении с другими металлами. Фазовые диаграммы разрабатываются при контролируемых условиях в лабораториях и скорее отражают идеальные условия. При изучении предмета под оптическим микроскопом исследователи часто отмечают различия в химическом составе, такие как сердцевинная древоподобная структура, характерная для литых медно-оловянных сплавов. В металлах есть нерастворимые частицы, которые могут дать ключи к пониманию процедур плавления и информацию об используемых рудах. Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр и сканирующий электронный микроскоп используются для идентификации таких частиц. Этот впечатляющий набор аналитических средств дал археологам возможность изучить, как в течение 6000 лет экспериментирования привели человечество от простых манипуляций с породами к производству стали приблизительно в 1000 году до н. э. Объективы микроскопов зафиксировали достижений этих тысячелетий и открыли нам триумфы и разочарования древних кузнецов.

Медь

Древнейшие металлические орудия изготавливались методом холодной ковки меди. Такие предметы были достаточно обычными в азиатских селениях еще до 6000 года до н. э. Постепенно люди начали плавить медь. Возможно, они смогли достичь достаточных температур с помощью существовавших методов обжига глины в печах. Медь обычно расплавляли и помещали в формы или чушки внутри самой печи. Медная металлургия широко распространилась около 4000 года до н. э. Европейские кузнецы работали с медью на Балканах еще в 3500 году до н. э. В отличие от высококачественного камня и железа медные руды встречались редко и концентрировались в определенных районах. Обычно, но не непременно, в медь добавлялось олово, которое встречалось еще реже. В Новом мире обработка меди была хорошо развита среди ацтеков и инков. Архаичные племена, обитавшие в районе озера Верхнее (США и Канада), разрабатывали залежи медной руды на южных берегах озера; от архаичного периода до Вудленда этим металлом оживленно торговали и ковали из него артефакты холодным способом (рис. 11.12).

^{Рис. 11.12. Барельеф головы человека, выполненный на медной пластине, возможно, портрет. Культура Миссисипи. Приблизительно 1100 год н. э.}

Бронза

Настоящий прорыв произошел в медной металлургии в середине 4-го тысячелетия до н. э., когда кузнецы Юго-Западной Азии обнаружили, что они могут улучшать свойства меди посредством добавления в нее другого металла — мышьяка, свинца или олова. Возможно, первые сплавы появились в то время, как они пытались получить иной цвет или текстуру меди при изготовлении украшений. Но вскоре осознали преимущества сплавов, позволившие получать более твердые и прочные артефакты, к тому же легче подвергавшиеся обработке. Есть основания считать, что в течение какого-то времени они экспериментировали с пропорцией олова, но первые бронзы содержали от 5 до 10 % олова (10 % — оптимальный вариант для твердости). Необычайное развитие металлургических технологий произошло в 3-м тысячелетии до н. э., возможно, частично благодаря развитию письменности и расширению торговли сырьевыми материалами. К 2500 году до н. э. были известны и регулярно использовались практически все типы металлургических явлений, за исключением закаливания стали. Возможно, что использование сплавления олова стимулировало торговлю, поскольку этот металл достаточно редок, особенно в Юго-Западной Азии. После 2000 года до н. э. выработка бронзы достигла своего пика в Северном Китае (Чанг — Chang, 1984).

Золото

Украшенные золотом захоронения завораживают многих людей, но на самом деле такие археологические находки очень редки. Однако золото действительно играло очень важную роль в демонстрации престижа и использовалось для украшений во многих доисторических сообществах. Так, Тутанхамона иногда называют «Золотым фараоном»: его усыпальница изобиловала эффектными золотыми находками (Ривз — Reeves, 1990). Захоронения правителей моче под саманной платформой в Сипане на северном побережье Перу, относящиеся к 400 году н. э., свидетельствуют о замечательных богатствах этой пустынной цивилизации. У обернутой в саван фигуры священника-воина из золота были глаза, нос, забрало, голова покоилась на золотом подголовнике (см. рис. 1.4). Сотни маленьких золотых и бирюзовых бусинок украшали правителя Сипана, на груди у него было шестнадцать золотых дисков размером с серебряный доллар. Там встречались золотые головные уборы с перьями и замысловатые украшения для ушей, у одного из воинов имелась подвижная дубинка (Элва и Доннан — Alva and Donnan, 1993). Более поздние племена сикан и чиму прибрежного Перу являлись замечательными золотых дел мастерами доколумбовой Латинской Америки (см. вставку «Памятники»). Ацтеки и инки также были талантливыми мастерами, их замечательные изделия отправляли в Европу и переплавляли для королевских сокровищниц в XVI веке (Хозьер — Hosier, 1995).

В своем натуральном виде золото редко образует соединения. Оно встречается в виде самородков или золотого песка. Точка плавления золота приблизительно такая же, что и у меди, поэтому для его обработки не требовалось особой технологии. Золото легко оббивается в тонкие листы без отжига — нагревания и охлаждения для устранения хрупкости. Доисторические мастера часто использовали такие листы для обертывания деревянных предметов, например статуэток. Они также отливали золото, использовали методы аппликации и делали сплавы с серебром и другими металлами. Золото обрабатывалось в Юго-Западной Азии столь же давно, как и медь, вскоре оно стало ассоциироваться с царскими почестями. Во многих частях Америк и Старого Света золотом торговали в виде песка, украшений и бус.

Железо

Мастерам бронзового века железо, безусловно, было известно. Любопытство, не более того, ведь явного применения ему не было. Они знали, где искать руды, как придавать форму предметам из железа ковкой и нагреванием. Но ключевой процесс в производстве железа — это науглероживание, при котором железо превращается в сталь. В результате получается более твердый объект, намного тверже бронзы. Железный объект науглероживается посредством нагревания в тесном контакте с углем в течение значительного периода времени. Растворимость углерода в железе очень низка при комнатной температуре, но резко увеличивается при температурах свыше 910 °C, которые можно было легко достичь при наличии угля и хороших кузнечных мехов, имевшихся во времена бронзового века. Именно эта технология привела к широкому распространению железных технологий в восточной части Средиземноморья, по крайней мере, к 1000 году до н. э. (Мюли и Уэртайм — Muhly and Wertime, 1980).

Железные орудия иногда находят на некоторых памятниках, относящихся еще к 3000 году до н. э., но похоже, что широкое распространение плавка получила не ранее 2-го тысячелетия до н. э. Сначала использование железа было случайным, предметы из металла были диковинкой. Орудия из железа не были обычными приблизительно до 1200 года до н. э., к этому времени относятся оружейные находки из железа в захоронениях в восточном Средиземноморье. Новый металл распространялся медленно, частично из-за трудностей, связанных с плавкой. Возможно, что его широкое распространение совпало с периодом крушения торговых путей в восточной части Средиземноморья в результате падения нескольких основных царств, среди них царство хеттов, после 1200 года до н. э. Лишившись олова, кузнецы обратились к его более доступному заменителю — железу. Вскоре его использовали для изготовления орудий, и крупномасштабное употребление было отмечено племенами гальштата в континентальной Европе в VII веке до н. э. (Коллис — Collis, 1997).

ПАМЯТНИКИ

ПОВЕЛИТЕЛЬ СИКАНА В ХУАКА ЛОРО, ПЕРУ

В 1990–1992 годах археолог Изуму Шимада с группой исследователей проводил раскопки пирамиды Хуако Лоро в долине Ламбайек на северном побережье Перу. Там они изучали малоизвестную культуру сикан, последовавшую за процветавшим в этом регионе государством Моче. В северной части пирамиды археологи раскопали склеп, который представлял из себя усыпальницу площадью 3 квадратных метра, находившуюся в основании вертикальной шахты, уходившей на глубину 10 метров в глиняную породу реки.

В усыпальнице лежал мужчина лет 40–50 в окружении своих пышных одежд и регалий. Среди них были большая шаль из ткани с почти двумя тысячами маленьких золотых листочков, пришитых к уже истлевшей ткани. Ее владелец сверкал бы на солнце в таком наряде. Пара церемониальных перчаток были украшены золотом, серебром и медью. В одну из них была вставлена золотая чаша, в другую — деревянный предмет, украшенный орнаментами из золота и сплавом из золота, серебра и меди. У этого человека были также несколько золотых головных уборов, полукруглый ритуальный нож с серебряной режущей поверхностью и официальный флаг. На нем была также золотая маска с отверстиями для ноздрей, что говорило о его роли как шамана и живого воплощения божества племени сикан, которое (божество) описывается в аналогичных одеждах.

В усыпальнице находились скелеты двух молодых женщин и двух юношей, принесенных в жертву; разобранный паланкин, на котором повелителя доставили к могиле; привезенные морские раковины; кучки бисера; связки кусочков меди и железа, тысячи фрагментов медных листов — полагают, что это форма примитивной валюты.

Содержимое усыпальницы говорит о необычайном мастерстве перуанских мастеров по металлу, живших за многие века до завоевания испанцами. Им были известны сплавы; они умели соединять металлические листы без припоя; они украшали металлические поверхности резьбой и обивкой для получения эффекта барельефа. Как и другие мастера региона Анд, они использовали технику обеднения золочения, при которой с помощью кислоты обеднялся основной метал сплава на поверхности предмета из сплава, при этом на поверхности металла сохранялась высокая концентрация золота, и предмет выглядел как золотой.

В более ранние времена железо играло сравнительно ограниченную экономическую роль. До того как полностью был реализован потенциал этого металла, большинство артефактов из железа были копиями бронзовых орудий. Первыми артефактами, изменившимися из-за применения железа, явились мечи и копья. Специализированные орудия для обработки дерева и производства металла, такие как щипцы, начались использоваться тогда, когда были признаны свойства железа.

Железные руды в естественном состоянии имеются в большем количестве, чем медные. Ее можно добывать в готовом виде на поверхностных обнажениях пород и в залежах торфяника. Когда был осознан потенциал железа, камень и бронза превратились во второстепенные материалы, часто их использовали в декоративных целях.

Влияние железа было огромным, так как оно сделало доступными земледельческие орудия труда с твердой режущей кромкой. Железные орудия облегчили расчистку лесов, и человек в большей степени подчинил себе окружающую среду. Обработка железа оказала большое влияние на развитие цивилизаций, обладавших письмом. Некоторые народы, например австралийские аборигены и американские племена доколумбовой эпохи, никогда не знали металлургии.

Технологии металла

Технология обработки меди началась с холодной ковки руды в простые артефакты. Возможно, что плавка меди началась со случайного расплавления медной руды в домашнем очаге или печи. При плавке руда плавится при высокой температуре в маленькой печи — кильне, далее расплавленный металл стекает сквозь горящий древесный уголь в сосуд в основании печи. Потом медь при высокой температуре раскисляется (reduced), затем медленно охлаждается и ковкой ей придается нужная форма. Такой отжиг добавляет металлу крепость. Расплавленный металл разливают в самые различные литейные формы.

Медные руды добывались из обнаженных ветрами залежей, но лучшие материалы получались из подземных руд, которые добывались опытными копателями. Медные рудники имелись во многих частях Старого Света, и они представляют собой обширное поле для изучения. Наиболее совершенные выработки были в районах Тироля и Зальцбурга, где во многие овальные разработки сверху вели шахты (Канлифф — CunlifTe, 1997). В Миттербурге, Австрия, горняки медными кирками прорубали шахты в склонах холмов и добывали медь с помощью сложных методов прожигания грунтов.

Много древних разработок меди было найдено в Южной Африке, где горняки двигались под землей вдоль рудоносных жил (см. рис. 11.13) (Биссон — Bisson, 1977). К счастью, информация о традиционных процессах плавления меди в Центральной и Восточной Африке была зафиксирована. Руду помещали в маленькую печь с чередующимися слоями древесного угля и плавили в течение нескольких часов при высокой температуре, которую поддерживали с помощью мехов из козлиной кожи. После каждой плавки печь разрушали, а расплавленная медь стекала в верхнюю часть заполненного песком горшка, находящегося под топкой. Технология бронзы зависела от легирования, смешения с медью небольших количеств таких веществ, как мышьяк и олово. Имея низкую точку плавления, бронза скоро вытеснила медь в большей части металлообработки. Некоторые из самых сложных работ из бронзы были созданы китайскими мастерами, которые отливали в глиняных формах сложные горшки с ножками и менее крупные сосуды с характерной формой и украшениями (рис. 11.14).

^{Рис. 11.13. Раскопки доисторического рудника в Кансанши, Замбия, Центральная Африка. Рудокопы двигались вдоль залежи руды по узким шахтам глубоко в земле; в вынутом из шахт грунте были обнаружены радиоуглеродные образцы и артефакты, оставленные рудокопами}

^{Рис. 11.14. Ритуальный бронзовый сосуд эпохи династии Шань, приблизительно XII век до н. э., и схемы глиняных форм для отлива таких сосудов. Размеры 52,8 х 30,5 см}

Выработка железа является сложной технологией, требующей температуры плавления, по крайней мере, в 1537 °C. (О традиционных африканских технологиях см. у Шмидта (Schmidt, 1996a), а также очерки Норбаха (Norbach, 1997).) Древние кузнецы обычно использовали сложные печи, заполненные чередующимися слоями угля и железной руды, высокая температура на протяжении нескольких часов поддерживалась в них с помощью мехов. При одном цикле сжигания получался только один кусок губчатого железа, называемый блюмом (bloom), из которого далее нужно было выковать артефакт. Потребовалось некоторое время, чтобы мастера узнали, что рабочие края можно сделать более твердыми посредством закаливания орудия в холодной воде. Этот процесс придавал твердость, но также делал предмет хрупким. Процесс отпуска, повторного нагревания до температуры ниже 727 °C, восстанавливал прочность. Технология обработки железа развивалась так медленно, что приблизительно с 600-го года до н. э. до Средних веков в основном оставалась неизменной (Пигготт — Piggott, 1985).

Анализ артефактов из металла

Типологические анализы. В Европе типологические анализы металлических орудий производились с XIX века. Стилистические черты бронзовых брошей, мечей и топоров и железных артефактов были подвержены моде и меняющимся торговым схемам. Поэтому в Европе можно проследить эволюцию бронзовых булавок или, например, железных мечей, конструкция которых мало менялась, провести сравнительную датировку и взглянуть на образ жизни тех людей, которые пользовались ими (Канклифф — Cunliffe, 1997). Подобные исследования во многом схожи с теми, что проводятся в отношении каменных и глиняных предметов.

Технологический анализ. Во многих отношениях технологический анализ важнее изучения готовых артефактов. Многие из самых важных вопросов, относящихся к доисторической металлургии, затрагивают методы производства. Технологические исследования начинаются с этнографических аналогий и реконструкции доисторических металлургических процессов. Химики изучают железный и медный шлаки и остатки печей. Микроскопическое исследование структуры металлов и руд дает ценную информацию не только о металле и его составляющих, но также и о методах изготовления предмета из него. Конечной целью технологических анализов является реконструкция всего процесса изготовления предмета из металла, начиная с добычи руды и кончая обработкой готового артефакта.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.