FÉMEK ÉS ÉRCEK
A fémek megismerésének kritériumai: 1. Forduljon elő termés (természetes/elemi) állapotban. 2. Viszonylag gyakran megtalálható legyen ilyen módon. 3. Természetes redukálószerekkel (pl. szén) viszonylag alacsony hőmérsékleten elő lehessen állítani vegyületeiből. Az ókorban ismert fémek ilyenek: Au, Ag, Cu, Fe, Pb, Zn, Sb, As, Sn, Hg. Nem tesznek eleget a fentieknek, épp ezért az ember csak 150-200 éve ismeri a következő fémeket: Si, Al, Ti, Ca, Mg, Ti. Annak ellenére, hogy ezek a földkéregben nagy gyakoriságúak.
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 (idősorrendben): karbonátok (malachit, azurit), oxidok (kuprit, tenorit), szulfidok (kalkozin, bornit, tetraedrit-tennantit, covellin, kalkopirit). Rézötvözetek, melyeket elsőként a felhasznált ércek elemösszetétele szabott meg (As, Sb, Zn, Sn, Pb, Ag). Első tudatos bronzok, Irán (K.e. 4000). Híres rézbányák (időrendben): Egyiptom, Ciprus, Anatólia, Görögország, Liguria, Felső-tó (USA).
A réz kohászatának kezdetei Kr.e. 7000-6500 Catal Hüyük (Anatólia) oxidos rézérc redukáló olvasztása Kr.e. 3800 Tepe Jahja (Irán) - As-tartalmú réz előállítása A réztárgyak elterjedése Kr.e. 3500 körül. A sűrűn 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
Rézbányák Rézkohó maradványa Ciprus Wales
Bronzkori rézbányászat és fémművességi központok a Kárpát-medencében
Rézásványok termésréz kalkopirit malachit azurit
rézszerszámok sárgaréz edény
BRONZ
Réznek más fémekkel alkotott ötvözetei - széles kémiai helyettesítések. Az összetétel először az érc kémiai komponenseitől függött (fakóércek, Cu- Zn-Sb-tartalmú karbonátok). Első tudatos bronzkészítés: Cu-Sn ötvözet (K.e. 3000, Irán; Úr város, Mezopotámia). Nagy bronz manufaktúrák: K.e. 2500-1500, 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.
Szöveti-szerkezeti megfigyelések: Kosd, MNM 46.1951.372 bronzöntvények (Molnár F. után) Reflexiós mikroszkópi kép A leggyakrabban tapasztalt szöveti típusok Dendrites 200 μm Mikroszkópi kép sósavval savanyított alkoholos FeCl 3 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, öntőlepények Gyermely-szint Ha A2 Érctípus: kalkopirites-fakóérces Bi-Co-Ni
arzénbronz - Holt-tenger bronz - egyiptomi bronzbalta tetraedrit
bronzszobrok - római
VAS
Első vastárgyak meteorvasból (K.e. 5000, Egyiptom) Földkéregbeli átlag: 5,5 %. Az első relatíve kis olvadáspontú vasötvözetek (magas P- és S-tartalmúak): feltehetően 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 előállítása Európában Öntöttvas (olvasztott vas) nagy kohókban: K.u. 1300-1400 körül, ebből jó acél: 0,2 % széntartalom
Vasércek goethit meteorvas
Vaskor Kr.e. 2000 1600 Ón-hiány a Közel-Keleten Hettiták vas melléktermék oxidos rézércek kohósításakor Bucakohászat magasabb hőmérséklet 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
Vasolvasztás - kovácsoltvas kis vaskohó - Trizs
Kohósalak -morfológiai jellemzők megfigyelése salaklepény, habsalak bucakohó alján képződött folyóssalak salakgödrös kohó -szerkezeti jellemzők nehéz tömör salak újrahasznosítható (őrlés) könnyű habsalak adalékanyag-gazdag Angliai bucakohó feltárása -összetételi jellemzők polarizációs mikroszkópos vizsgálatok elektronmikroszondás elemzések röntgenpordiffrakciós vizsgálatok - szöveti homogenitás - kristályos-üveges fázisok aránya - alkotó elegyrészek összetétele Következtetések: technológia, érc eredete, típusa Salakgödrös bucakohó
Letenye Folyóssalak Kohósalak-típusok morfológia (Molnár F. után) Salaklepény Könnyű habsalak 2 cm 1 cm 1 cm 2 cm Imola 1 cm 1 cm Letenye
Folyóssalak Kohósalak-típusok szövet és összetétel (Molnár F. után) Salaklepény Leggyakoribb komponensek Vázkristályos-dendrites - wüstit: FeO - kirschteinit: CaFeSiO 4 - fayalit: Fe 2 SiO 4 - magnetit: FeFe 2 O 4 - kalszilit: KAlSiO 4 - leucit: KAlSi 2 O 6 Agytekervényes 100μm 100μm Vázkristályos-hintett Vázkristályos-szemcsés 100μm Tollas-dendrites
Népvándorláskori vasércbányászat és vasművesség a Kárpát-medencében Kr.e. VIII-VI. sz. szkíta vasművesség (Kárpát-medence K-i része) Kr.e. III.sz. kelta ipari forradalom
Árpád-kori kovácssalak: Balatonmagyaród technológia (Molnár F. után) Lelőhely Rekonstrukció Morfológia Morfometria
Árpád-kori kovácssalak - a nyersanyag eredete (Molnár F. után) Fémszilánkok összetétele BM-193 súly% súly% súly% súly% S k.h.a. 0.008 0.007 0.01 Ag 0.005 0.032 0.031 0.015 Co 0.652 0.695 1.042 1.012 Ni 5.23 8.334 40.732 45.296 As k.h.a. k.h.a. 2.833 2.31 Zn 0.034 0.02 0.032 k.h.a. Cu 1.096 1.034 0.57 0.605 Mn 0.003 0.015 0.005 0.001 Cd 0.627 0.225 0.005 0.016 Fe 89.99 85.095 52.653 48.034 P 0.012 0.007 k.h.a. k.h.a. Összeg 97.65 95.472 97.91 97.3 A feldolgozott vasbucák nem csak gyepvasércből készültek, hanem egyéb területekről is származott a bucák anyaga (szulfidos vasérctelepek oxidációs zónája).
Vaseszközök
ÓN Földkéregbeli átlag 2 ppm. Legfontosabb érce a kassziterit vagy ónkő (ritkábban szulfidjai). Első ón színítés: K.e. 2000 körül. Az ónnak rézzel alkotott ötvözete a bronz (K.e. 4000). Ókori ónbányák: Cornwall. Ónkereskedelem - főniciaiak. Kassziterit (ónkő)
ÓLOM Földkéregbeli átlag: 12 ppm. Szulfidos vegyületei (főként galenit), ritkábban karbonátja (cerusszit), szulfátja (anglesit) legfontosabb ércei. Korán előállították: K.e. 5000 körül (alacsony olvadáspontja miatt). Nagyobb arányú felhasználás: Mezopotámia, Görögország, Róma. Csővezetékek, kerámiaipar (mázak), festékek, súlyok. az ólom és ezüst érce római vízvezeték
CINK Földkéregbeli átlag: 94 ppm. Első cinkfém előállítása: K.e. 1000(?), India, (vagy 12. század?) K.e. 700: kétféle cinkérc Indiában: egyik fémcink előállítására, 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 mennyiségű cinkfém előállítása: 1200-as évek; szulfidból (szfalerit) csak a 18. században állították elő. Calamin = hemimorfit/smithsonit
HIGANY Először gyógyításra használták: K.e. 1500 körül (Kína, India) Amalgamálás eljárása: K.e. 500 Leggyakrabban szulfidos formájában ismert (cinnabarit). Ebből könnyen kinyerhető. Nagy mennyiségű előállítása: 1000 körül Toszkána. Legendás higanybánya: Almaden, Spanyolországban (több mint 2000 éve működik). cinnabarit
És a többi fém? A 12-14. századtól jelentősen 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 timsókőben (alumen) nagy százalékban jelen van. Viszont sok energia kell az előállításához.