FÉMEK ÉS ÉRCEK
A fémek megismerésének kritériumai: 1. Forduljon elı termés (természetes/elemi) állapotban. 2. Viszonylag gyakran megtalálható legyen ilyen módon. 3. Természetes redukálószerekkel (pl. szén) viszonylag alacsony hımérsékleten elı lehessen állítani vegyületeibıl. Az ókorban ismert fémek - Au, Ag, Cu, Fe, Pb, Zn, Sb, As, Sn, Hg - mind ilyenek. Nem tesznek eleget a fentieknek, épp ezért az ember csak 150-200 éve ismeri a következı fémeket: Si, Al, Ti, Ca, Mg, Ti. Annak ellenére, hogy ezek a földkéregben nagy gyakoriságúak.
1
RÉZ
A réz megismerése (K.e. 8000). Rézolvasztás (K.e. 6000, Egyiptom, Közel-Kelet). Földkéregbeli átlag: 62 ppm. Termésállapotban nem ritka. Változatos vegyületek voltak ércei (idısorrendben): karbonátok (malachit, azurit), oxidok (kuprit, tenorit), szulfidok (kalkozin, bornit, tetraedrit-tennantit, covellin, kalkopirit). Rézötvözetek, melyeket elsıként a felhasznált ércek elemösszetétele szabott meg (As, Sb, Zn, Sn, Pb, Ag). Elsı tudatos bronzok, Irán (K.e. 4000). Híres rézbányák (idırendben): Egyiptom, Ciprus, Anatólia, Görögország, Liguria, Felsı-tó (USA).
2
A réz kohászatának kezdetei Kr.e. 7000-6500 Catal Hüyük (Anatólia) – oxidos rézérc redukáló olvasztása Kr.e. 3800 Tepe Jahja (Irán) - As-tartalmú réz elıállítása
A réztárgyak elterjedése Kr.e. 3500 körül. A sőrőn pöttyözött terület a legkorábbi (Kr. e. 6000 körüli) rézleletek zónáját mutatja, a piros pontok az ismert korai rézbányákat jelölik.
A rézkohászat ércei és módszere
A réz színülése faszenes redukcióval: kb. 800°C Szulfidos ércek: pörköléssel oxiddá alakítás (<800°C) Vasoxid eltávolítása: kvarchomok adalékolás
3
Rézbányák
Rézkohó maradványa
Ciprus
Wales
Bronzkori rézbányászat és fémmővességi központok a Kárpát-medencében
4
Rézásványok
kalkopirit
termésréz
malachit
azurit
rézszerszámok
sárgaréz edény
5
BRONZ
Réznek más fémekkel alkotott ötvözetei - széles kémiai helyettesítések. Az összetétel elıször az érc kémiai komponenseitıl függött (fakóércek, Cu-Zn-Sb-tartalmú karbonátok). Elsı tudatos bronzkészítés: Cu-Sn ötvözet (K.e. 3000, Irán; Úr város, Mezopotámia). Nagy bronz manufaktúrák: K.e. 25001500, Mediterráneum (Anatólia, Ciprus, Jordánia, Izrael). Arzénbronz, ónbronz (klasszikus bronz), antimonbronz. A réz és a rézötvözetek jellegzetes tulajdonságai. A vas kiszorítja a bronzot K.e. 1000 körül.
6
Szöveti-szerkezeti megfigyelések: bronzöntvények Kosd, MNM 46.1951.372
Reflexiós mikroszkópi kép
A leggyakrabban tapasztalt szöveti típusok
Dendrites 200 µm
Mikroszkópi kép sósavval savanyított alkoholos FeCl3 oldattal való étetés után: Sn-bronz meghatározása
Cellás
Pásztázó elektronmikroszkóp visszaszórt elektronképe. Dendrites öntvényszövet, a világosabb részek nagyobb Sn-tartalmúak.
Pecsétes
Nyersanyageredet meghatározásra: Velem, Szent Vid hegy, öntılepények
Gyermely-szint Ha A2
Érctípus: kalkopirites-fakóérces Bi-Co-Ni
7
arzénbronz - Holt-tenger
bronz - egyiptomi
tetraedrit bronzbalta
bronzszobrok - római
8
VAS
Elsı vastárgyak meteorvasból (K.e. 5000, Egyiptom) Földkéregbeli átlag: 5,5 %. Az elsı relatíve kis olvadáspontú vasötvözetek (magas P- és Startalmúak): feltehetıen Kína, K.e. 3000. Vas részleges olvasztása oxidokból: K.e. 2500 (Hettiták).
Kovácsoltvas porózus (vas és salak együtt); buca - kovácsolás Vaseszközök elterjedése a Mediterráneumban (K.e. 1500-1000), Vaskorszak virágkora: Halstatt, etruszkok Vas-szén ötvözet: acél - India, K.e. 600 (magas C-tartalom) dekarbonizáció, 1-2% C-tartalom, jobb acél - Kína K.e. 400; K.e. 200-100: acél elıállítása Európában
Öntöttvas (olvasztott vas) nagy kohókban: K.u. 1300-1400 körül, ebbıl jó acél: 0,2 % széntartalom
9
Vasércek
goethit
meteorvas
Vaskor Kr.e. 2000 – 1600
„Ón-hiány” a Közel-Keleten Hettiták – vas melléktermék oxidos rézércek kohósításakor Bucakohászat – magasabb hımérséklet magasabb kohók intenzív légbefúvás
Vaskohászat: Kr. e. 5.sz. görög vázafestmény
Ércek: -szulfidos érctelepek oxidációs zónája vasgazdag, foszfor-szegény, sajátos nyomelemek -gyepvasércek vasszegény, foszfor-gazdag
10
Vasolvasztás - kovácsoltvas
kis vaskohó - Trizs
Kohósalak -morfológiai jellemzık megfigyelése salaklepény, habsalak – bucakohó alján képzıdött folyóssalak – salakgödrös kohó -szerkezeti jellemzık nehéz tömör salak – újrahasznosítható (ırlés) könnyő habsalak – adalékanyag-gazdag
Angliai bucakohó feltárása
-összetételi jellemzık polarizációs mikroszkópos vizsgálatok elektronmikroszondás elemzések röntgenpordiffrakciós vizsgálatok - szöveti „homogenitás” - kristályos-üveges fázisok aránya - alkotó elegyrészek összetétele Következtetések: technológia, érc eredete, típusa
Salakgödrös bucakohó
11
Kohósalak-típusok morfológia
Folyóssalak
Könnyő habsalak
Salaklepény
2 cm
1 cm
1 cm
2 cm 1 cm
Imola
Letenye
1 cm
Letenye
Kohósalak-típusok szövet és összetétel Folyóssalak
Vázkristályos-dendrites
Salaklepény
Leggyakoribb komponensek - wüstit: FeO - kirschteinit: CaFeSiO4 - fayalit: Fe2SiO4 - magnetit: FeFe2O4 - kalszilit: KAlSiO4 - leucit: KAlSi2O6
100µm Agytekervényes
100µm Vázkristályos-hintett
Vázkristályos-szemcsés 100µm Tollas-dendrites
12
Népvándorláskori vasércbányászat és vasmővesség a Kárpát-medencében
Kr.e. VIII-VI. sz. – szkíta vasmővesség (Kárpát-medence K-i része) Kr.e. III.sz. – „kelta ipari forradalom”
Árpád-kori kovácssalak: Balatonmagyaród - technológia
Lelıhely
Rekonstrukció
Morfológia
Morfometria
13
Árpád-kori kovácssalak - a nyersanyag eredete
Fémszilánkok összetétele S Ag Co Ni As Zn Cu Mn Cd Fe P Összeg
súly% k.h.a. 0.005 0.652 5.23 k.h.a. 0.034 1.096 0.003 0.627 89.99 0.012 97.65
súly% 0.008 0.032 0.695 8.334 k.h.a. 0.02 1.034 0.015 0.225 85.095 0.007 95.472
súly% 0.007 0.031 1.042 40.732 2.833 0.032 0.57 0.005 0.005 52.653 k.h.a. 97.91
súly% 0.01 0.015 1.012 45.296 2.31 k.h.a. 0.605 0.001 0.016 48.034 k.h.a. 97.3
A feldolgozott vasbucák nem csak gyepvasércbıl készültek, hanem egyéb területekrıl is származott a bucák anyaga (szulfidos vasérctelepek oxidációs zónája).
Vaseszközök
14
ÓN Földkéregbeli átlag 2 ppm. Legfontosabb érce a kassziterit vagy ónkı (ritkábban szulfidjai). Elsı ón színítés: K.e. 2000 körül. Az ónnak rézzel alkotott ötvözete a bronz (K.e. 4000). Ókori ónbányák: Cornwall. Ónkereskedelem - fıniciaiak.
Kassziterit (ónkı)
ÓLOM Földkéregbeli átlag: 12 ppm. Szulfidos vegyületei (fıként galenit), ritkábban karbonátja (cerusszit), szulfátja (anglesit) legfontosabb ércei. Korán elıállították: K.e. 5000 körül (alacsony olvadáspontja miatt). Nagyobb arányú felhasználás: Mezopotámia, Görögország, Róma. Csıvezetékek, kerámiaipar (mázak), festékek, súlyok.
az ólom és ezüst érce
római vízvezeték
15
CINK Földkéregbeli átlag: 94 ppm. Elsı cinkfém elıállítása: K.e. 1000(?), India, (vagy 12. század?) K.e. 700: kétféle cinkérc Indiában: egyik fémcink elıállítására, másik orvoslásra. Cink-ötvözetek: sárgaréz (Cu-Zn), K.e. 1400, Közel-Kelet. Talán aurikalkitból Sárgaréz (brass) manufaktúrák: Római Birodalom, K.e. 50. Calamin és réz egyesítése kohókban. Nagy mennyiségő cinkfém elıállítása: 1200-as évek; szulfidból (szfalerit) csak a 18. században állították elı.
Calamin = hemimorfit/smithsonit
HIGANY Elıször gyógyításra használták: K.e. 1500 körül (Kína, India) Amalgamálás eljárása: K.e. 500 Leggyakrabban szulfidos formájában ismert (cinnabarit). Ebbıl könnyen kinyerhetı. Nagy mennyiségő elıállítása: 1000 körül Toszkána. Legendás higanybánya: Almaden, Spanyolországban (több mint 2000 éve mőködik).
cinnabarit
16
És a többi fém? A 12-14. századtól jelentısen növekedett az ismert fémek száma (részben a szászországi bányászkodás, részben az alkimisták szerepe). Ezek: Sb, Bi, As, Zn, Co. És az alumínium? Az ókortól ismert agyagban és timsókıben (alumen) nagy százalékban jelen van. Viszont sok energia kell az elıállításához.
17
