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 termésréz kalkopirit 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. 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. 6
Szöveti-szerkezeti megfigyelések: bronzöntvények Kosd, MNM 46.1951.372 Reflexiós mikroszkópi kép A leggyakrabban tapasztalt szöveti típusok 200 µm Dendrites 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, öntılepények Gyermely-szint Ha A2 Érctípus: kalkopirites-fakóérces Bi-Co-Ni 7
arzénbronz - Holt-tenger bronz - egyiptomi bronzbalta tetraedrit bronzszobrok - római 8
VAS Elsı vastárgyak meteorvasból (K.e. 5000, Egyiptom) Földkéregbeli átlag: 5,5 %. Az elsı relatíve kis olvadáspontú vasötvözetek (magas P- és S- tartalmúak): 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
Folyóssalak Kohósalak-típusok morfológia Könnyő habsalak Salaklepény 2 cm 1 cm 1 cm 2 cm Imola 1 cm 1 cm Letenye Letenye Folyóssalak Vázkristályos-dendrites Kohósalak-típusok szövet és összetétel Leggyakoribb komponensek - wüstit: FeO - kirschteinit: CaFeSiO 4 - fayalit: Fe 2 SiO 4 - magnetit: FeFe 2 O 4 - kalszilit: KAlSiO 4 - leucit: KAlSi 2 O 6 Salaklepény Agytekervényes 100µm 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 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 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