3.3. Η ιστορία της μεταλλουργίας
Τα πρώτα μέταλλα που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή αντικειμένων ήταν τα αυτοφυή μέταλλα (π.χ. χρυσός, άργυρος, αυτοφυής χαλκός) κατά τη Νεολιθική περίοδο (6800-3300 π.Χ.). Τα μεταλλικά αντικείμενα αυτής της περιόδου (π.χ. κοσμήματα) κατασκευάζονταν εύκολα με τη χρήση εργαλείων και όχι με τη χρήση της φωτιάς.
Η έναρξη της μεταλλουργίας (π.χ. χρήση θερμότητας για την παραγωγή και για την επεξεργασία κραμάτων μετάλλων) συνδέεται με τους κεραμικούς κλιβάνους (κατά τη Νεολιθική περίοδο δεν υπήρχαν κλίβανοι κεραμικής).
Τα οξείδια του σιδήρου μπορούν να λάβουν μεταλλική μορφή, αν θερμανθούν με χρήση ξυλοκάρβουνου ως καύσιμης ύλης και με αφαίρεση οξυγόνου (ή αέρα), για να δημιουργηθούν αναγωγικές συνθήκες.
Στο βίντεο που ακολουθεί, παράγεται σίδηρος από σιδηρομετάλλευμα με χρήση ξυλοκάρβουνου και αναγωγική καύση.
Η πρώτη χρήση θερμότητας για την παραγωγή μετάλλου εντοπίζεται στη χρήση ενός χωνευτηρίου, στο οποίο καθαρά μεταλλικά οξείδια ανάγονταν σε μέταλλο με τη χρήση ξυλάνθρακα ως καύσιμης ύλης. Η διαδικασία αυτή καλείται τήξη και διαχωρισμός μετάλλου.
Κατά τη διαδικασία αυτή λιώνει το μέταλλο (π.χ. χαλκός) και ρέει στον πυθμένα της καμίνου, ενώ στην επιφάνεια επιπλέει υαλώδες υλικό ή σκωρία, που έχει μικρότερη πυκνότητα από το χαλκό.
Ευρήματα που αποδεικνύουν τη διεξαγωγή τέτοιων πρώιμων μεταλλουργικών διαδικασιών (όπως υπολείμματα χωνευτηρίων) ανακαλύφθηκαν στο Ιράν και στη Λέσβο και χρονολογούνται γύρω στο 3000-2600 π.Χ. και στο 3700 π.Χ. αντίστοιχα.
Στη Μεσοποταμία αυτές οι διαδικασίες τήξης και διαχωρισμού χρησιμοποιούνταν για την παραγωγή μπρούντζου για κατασκευή αντικειμένων. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν το αρσενικό και/ή το αντιμόνιο, ως πρόσμιξη στο χαλκό για τη βελτίωση της σκληρότητάς του και όχι ο κασσίτερος. Ο κασσίτερος χρησιμοποιήθηκε αργότερα, κατά τη διάρκεια της Μέσης Εποχής του Χαλκού, για την παραγωγή μπρούντζων και αποτελεί μέχρι σήμερα την κύρια πρόσμιξη για το κράμα αυτό. Ήταν πιο σπάνιο να βρεθούν στη φύση αποθέσεις κασσίτερου απ’ ό,τι αρσενικούχα και αντιμονιούχα μεταλλεύματα χαλκού. Αυτός είναι ο λόγος που η εκτεταμένη χρήση 7-10% κασσίτερου σε χαλκό στους πολιτισμούς της Εγγύς Ανατολής συνδέεται με τη συνήθεια των λαών αυτής της περιοχής να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις και να κάνουν εμπόριο.
Κατά τη διάρκεια της Εποχής του Χαλκού χρησιμοποιούνταν καλούπια από πηλό για τη χύτευση του μπρούντζου. Μια μέθοδος που χρησιμοποιούνταν για την κατασκευή μπρούντζινων γλυπτών ήταν η μέθοδος του “χαμένου κεριού”:
- Κατασκευή καλουπιού από δύστηκτο κεραμικό
- Επάλειψη με κερί
- Τοποθέτηση άλλου μοντέλου από πηλό (με σύστημα στηριγμάτων και αυλάκων)
- Θέρμανση >λιώσιμο κεριού
- Χύτευση μετάλλου
- Ψύξη, σκλήρυνση, θραύση καλουπιού
Ηνίοχος των Δελφών: Είναι κατασκευασμένος με τη μέθοδο του «χαμένου κεριού».
Διαβάστε περισσότερα για τη μέθοδο: https://cycladic.gr/page/techniki-tou-chamenou-keriou-2
και δείτε το βίντεο:
Διακόσμηση μπρούντζινων αντικειμένων:
- Repousse (ρεπουσέ): Μια τεχνική διακόσμησης κατά την οποία δημιουργείται ένα ανάγλυφο μοτίβο με εφαρμογή πίεσης, στο πίσω μέρος της επιφάνειας του αντικειμένου.
- Τεχνικές σύνδεσης μεταλλικών τμημάτων, όπως κολλήσεις και συνδέσεις. Οι κολλήσεις περιλαμβάνουν τη χρήση μετάλλων (κράματα) που εφαρμόζονται στο σημείο που πρόκειται να γίνει η κόλληση κάτω από αναγωγικές συνθήκες. Οι σύνδεσμοι χρησιμοποιήθηκαν πολύ κατά την αρχαιότητα για την ένωση φύλλων μετάλλου. Πρόκειται για μεταλλικές ράβδους μικρού μήκους που έμπαιναν στα δύο άκρα του μεταλλικού φύλλου με χτύπημα με σφυρί.
Το προσωπείο του Αγαμέμνονα. Έργο με την τεχνική ρεπουσέ. Βρέθηκε σε μυκηναϊκό τάφο (1600 π.Χ.) και βρίσκεται στο Αρχαιολογικό Μουσείο της Αθήνας.
Σίδηρος:
Ο “μετεωρίτης” σίδηρος, σε αντίθεση με το σίδηρο που παράγεται από σιδηρομεταλλεύματα, έχει υψηλή περιεκτικότητα νικελίου (>5%). Οι δύο τεχνικές για τη χρήση σιδήρου ήταν:
1. τήξη και διαχωρισμός μετάλλου για την παραγωγή σιδήρου από σιδηρομεταλλεύματα και
2. σφυρηλάτηση εν θερμώ, (σφυρηλάτηση του σιδήρου όσο είναι ακόμα πυρωμένος) για την κατασκευή σφυρήλατων αντικειμένων.
Ο καθαρός σίδηρος έχει σημείο τήξης 1540°C, όμως αυτή η θερμοκρασία δεν ήταν δυνατόν να επιτευχθεί έως το 19ο αιώνα, γι’ αυτό τα αντικείμενα που έχουν διασωθεί από παλαιότερη περίοδο είναι σφυρήλατα και όχι χυτά.
Για την παραγωγή του σφυρήλατου σίδηρου, το σιδηρομετάλλευμα θερμαινόταν στους 1200°C περίπου, με χρήση ξυλάνθρακα ως καυσίμου, και στη συνέχεια αναγόταν με τη μορφή του συμπυκνώματος με σπογγώδη σίδηρο. Το συμπύκνωμα με σπογγώδη σίδηρο ήταν ένα μείγμα στερεού σιδήρου, σκωρίας και τεμαχίων άκαυστου άνθρακα, που μπορούσε να σπάσει σε μικρότερα κομμάτια, αν ήταν μεγάλο, και στη συνέχεια δουλευόταν με σφυρηλάτηση. Η Εποχή του Σιδήρου στην Ελλάδα αρχίζει γύρω στα τέλη του 11ου αιώνα π.Χ.
Άργυρος:
Στην Ελλάδα, στα μεταλλεία του Λαυρίου (600-625 π.Χ.), γινόταν εξόρυξη μεταλλεύματος αργυρούχου μολύβδου και παραγωγή αργύρου. Ο άργυρος εξαγόταν από το μετάλλευμα αργυρούχου μολύβδου με διαδικασίες κυπέλλωσης. Ο μόλυβδος, επίσης αξιοποιούνταν και χυτευόταν σε ράβδους.
Καθώς θερμαίνεται το μετάλλευμα αργυρούχου μολύβδου, ο μόλυβδος οξειδώνεται και μπορεί να απορροφηθεί από ένα χωνευτήριο. Ο άργυρος που δεν οξειδώνεται, μένει στο κύπελλο της καμίνου και έτσι διαχωρίζεται από το μόλυβδο. Για τον διαχωρισμό του αργύρου από το μόλυβδο είχαν σχεδιαστεί πορώδη χωνευτήρια, που ονομάζονταν “κουπέλλες” (cupels), γι’ αυτό και η διαδικασία αυτή καλείται κυπέλλωση.
Δείτε τη διαδικασία στο παρακάτω βίντεο από το 17:30 έως το 18:45.
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη διαδικασία παραγωγής αργύρου στα μεταλλεία του Λαυρίου διαβάστε στο κείμενο: Τεχνολογία μετάλλου στη Λαυρεωτική
Η παραγωγή ορείχαλκου δεν εμφανίστηκε στην Αίγυπτο παρά μόνο κατά το 30 π.Χ., αλλά χρησιμοποιήθηκε ευρύτατα από τους Ρωμαίους οι οποίοι χρησιμοποιούσαν την calamine process. Η τεχνική αυτή περιλαμβάνει την προσθήκη ανθρακικού ψευδαργύρου (calamine ZnCO3) ή οξειδίου του ψευδαργύρου σε χαλκό. Έτσι, σχηματιζόταν ένα κράμα χαλκού και ψευδαργύρου, που καλείται ορείχαλκος.
Κατά το Μεσαίωνα και μετά χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα οι κάμινοι που έφταναν σε υψηλές θερμοκρασίες. Μια τέτοια κάμινος μετατρέπει το σιδηρομετάλλευμα σε pig iron (λιωμένο σίδηρο). Εκείνη την εποχή παράχθηκε χυτοσίδηρος για την κατασκευή όπλων, παρ’ όλο που ο σφυρήλατος σίδηρος εξακολουθούσε να είναι ο κύριος τύπος σιδήρου που καταναλωνόταν. Επίσης, παρατηρείται μια αυξημένη παραγωγή χάλυβα με ενανθράκωση σιδήρου, η οποία περιλαμβάνει την απορρόφηση άνθρακα από το σφυρήλατο σίδηρο και τη μετατροπή του σε χάλυβα, για την κατασκευή σπαθιών και κοπτικών εργαλείων.
Η Βιομηχανική Επανάσταση ξεκίνησε στη Βρετανία γύρω στα 1750 και το κατεξοχήν χαρακτηριστικό της ήταν η χρήση κάρβουνου αντί για ξυλάνθρακα ως κύριας καύσιμης ύλης για τις μεταλλουργικές καμίνους.
Ένα από τα σημαντικότερα νέα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν από τη μεταλλουργική βιομηχανία κατά το 18ο-19ο αιώνα ήταν το νικέλιο, για την παραγωγή του “Γερμανικού Άργυρου” German Silver (κράμα χαλκού, ψευδαργύρου και νικελίου).
Επίσης, το 19ο αιώνα ανακαλύφθηκε το αλουμίνιο το οποίο μπορούσε να παραχθεί σε μεγάλη ποσότητα με τη χρήση ηλεκτρόλυσης.