stringtranslate.com

Мышьяковая бронза

Сидящий Будда из Таиланда ( ок.  1800 г. ), изготовленный из мышьяковой бронзы.

Мышьяковая бронза — это сплав , в котором мышьяк , в отличие от или в дополнение к олову или другим составляющим металлам , соединяется с медью для получения бронзы . Использование мышьяка с медью, либо в качестве вторичного компонента, либо с другим компонентом, таким как олово, приводит к получению более прочного конечного продукта и улучшению литейных свойств. [1]

Медная руда часто естественным образом загрязнена мышьяком; поэтому термин «мышьяковая бронза» при использовании в археологии обычно применяется только к сплавам с содержанием мышьяка более 1% по весу, чтобы отличить его от потенциально случайных добавок мышьяка. [2]

Истоки в доисторические времена

Хотя мышьяковая бронза встречается в археологических записях по всему миру, самые ранние известные артефакты , датируемые 5-м тысячелетием до н. э. , были найдены на Иранском плато . [3] Мышьяк присутствует в ряде руд , содержащих медь (см. таблицу справа, адаптированную из Lechtman & Klein, 1999), [4] и, следовательно, некоторое загрязнение меди мышьяком было бы неизбежным. Однако до сих пор не совсем ясно, в какой степени мышьяк был намеренно добавлен в медь [5] и в какой степени его использование возникло просто из-за его присутствия в медных рудах, которые затем обрабатывались путем плавки для получения металла.

Реконструкция возможной последовательности событий в доисторические времена включает рассмотрение структуры месторождений медной руды, которые в основном являются сульфидами. [6] Поверхностные минералы будут содержать некоторое количество самородной меди и окисленных минералов, но большая часть меди и других минералов будет вымыта дальше в рудное тело, образуя вторичную зону обогащения. Это включает в себя многие минералы, такие как теннантит , с его мышьяком, медью и железом . Таким образом, поверхностные месторождения будут использованы в первую очередь; при некоторой работе будут обнаружены и обработаны более глубокие сульфидные руды, и будет обнаружено, что материал с этого уровня имеет лучшие свойства.

Используя эти различные руды, существует четыре возможных метода, которые могли быть использованы для производства сплавов мышьяковой бронзы. [3] Это:

Торнтон и др. предполагают большую сложность металлообработки [8] . Они предполагают, что арсенид железа намеренно производился как часть процесса плавки меди, чтобы продаваться и использоваться для изготовления мышьяковой бронзы в других местах путем добавления к расплавленной меди.

Артефакты из мышьяковой бронзы охватывают весь спектр металлических предметов, от топоров до украшений. Метод изготовления включал нагревание металла в тиглях и литье его в формы из камня или глины. После затвердевания его полировали или, в случае топоров и других инструментов, закаляли , ударяя по рабочей кромке молотком, утончая металл и увеличивая его прочность. [6] Готовые предметы также могли быть гравированы или украшены по мере необходимости.

Преимущества мышьяковой бронзы

Хотя мышьяк, скорее всего, изначально смешивался с медью из-за руд, уже содержащих его, его использование, вероятно, продолжалось по ряду причин. Во-первых, он действует как раскислитель, реагируя с кислородом в горячем металле, образуя мышьяковые оксиды, которые испаряются из жидкого металла. Если в жидкой меди растворено большое количество кислорода, при охлаждении металла оксид меди отделяется на границах зерен и значительно снижает пластичность полученного объекта. Однако его использование может привести к большему риску пористых отливок из-за растворения водорода в расплавленном металле и его последующей потери в виде пузырьков (хотя любые пузырьки можно было бы сварить ковкой и при этом оставить массу металла готовой к закалке). [1]

Во-вторых, сплав способен к большему упрочнению, чем в случае с чистой медью, поэтому он лучше работает при резке или рубке. Увеличение способности к упрочнению возникает с увеличением процента мышьяка, и бронзу можно упрочнять в широком диапазоне температур, не опасаясь охрупчивания. [1] Его улучшенные свойства по сравнению с чистой медью можно увидеть при содержании всего лишь 0,5–2 мас.% As, что дает улучшение твердости и прочности на разрыв на 10–30%. [7]

В-третьих, в правильных процентных соотношениях он может придать серебристый блеск изготавливаемому изделию. Имеются свидетельства того, что кинжалы из мышьяковой бронзы с Кавказа и другие артефакты из разных мест имеют богатый мышьяком поверхностный слой, который вполне мог быть намеренно изготовлен древними мастерами [9] , а мексиканские колокольчики были сделаны из меди с достаточным количеством мышьяка, чтобы окрасить их в серебристый цвет. [7]

Арсеническая бронза, памятники и цивилизации

Репродукции ножей бронзового века из бронзы с высоким содержанием мышьяка (слева) и оловянной бронзы (в центре и справа). В зависимости от содержания мышьяка сплав имеет цвет от бледно-красного до серебристого.

Мышьяковая бронза использовалась многими обществами и культурами по всему миру. Во-первых, Иранское плато , а затем прилегающая Месопотамская область, вместе охватывающая современный Иран, Ирак и Сирию, имеют самую раннюю металлургию мышьяковой бронзы в мире, как уже упоминалось ранее. Она использовалась с 4-го тысячелетия до н. э. до середины 2-го тысячелетия до н. э. , период около 2000 лет. Содержание мышьяка в артефактах сильно различалось в течение всего этого периода, что делает невозможным точно сказать, сколько было добавлено намеренно, а сколько появилось случайно. [5]

Эти вопросы были значительно прояснены к 2016 году. Два соответствующих древних места в восточной Турции ( провинция Малатья ) — это Норшунтепе и Дегирментепе , где производство мышьяковой бронзы имело место до 4000 г. до н. э. На всей территории этих мест были обнаружены очаги или печи с естественной тягой, шлак, руда и пигмент. Это было в контексте архитектурных комплексов, типичных для архитектуры Южной Месопотамии.

По данным Бошера (2016), в Дегирментепе предметы из мышьяковой меди были явно изготовлены около 4200 г. до н. э., однако технологические аспекты этого производства остаются неясными. Это связано с тем, что первичная плавка руды, по-видимому, осуществлялась в другом месте, возможно, уже на местах добычи. [10]

Напротив, родственный Норшунтепе предоставляет лучший контекст производства и демонстрирует, что некоторая форма мышьякового сплава действительно имела место к 4-му тысячелетию до н. э. Поскольку шлак, обнаруженный в Норшунтепе, не содержит мышьяка, это означает, что мышьяк в какой-то форме добавлялся отдельно. [11]

Общества, использующие мышьяковистую бронзу, включают аккадцев , жителей Ура и амореев , все они располагались вокруг рек Тигр и Евфрат и были центрами торговых сетей, которые распространяли мышьяковую бронзу по всему Ближнему Востоку в бронзовом веке. [5]

Клад Нахал Мишмар периода халколита в Иудейской пустыне к западу от Мертвого моря содержит ряд артефактов из мышьяковой бронзы (4–12% мышьяка) и, возможно, мышьяковой меди , изготовленных с использованием процесса выплавляемого воска , самого раннего известного использования этой сложной техники. «Датирование по углероду-14 тростниковой циновки, в которую были завернуты предметы, позволяет предположить, что она датируется по крайней мере 3500 годом до нашей эры. Именно в этот период использование меди стало широко распространенным по всему Леванту, что свидетельствует о значительных технологических разработках, которые параллельны крупным социальным достижениям в регионе». [12]

В Древнем Египте использование мышьяковой бронзы/меди подтверждается со второй фазы культуры Накада, а затем широко использовалось до начала Нового царства, т. е. в египетском халколите, раннем и среднем бронзовом веке, а также в те же эпохи в древней Нубии. [13] В Древнем царстве , эпохе строителей крупнейших пирамид, мышьяковая медь использовалась для производства инструментов в Гизе . [14] Мышьяковая медь также обрабатывалась в мастерской, обнаруженной в Хейт-эль-Гурабе в Гизе, «затерянном городе строителей пирамид» со времен правления Менкаура. [15] Египетские и нубийские предметы, изготовленные из мышьяковой меди, были обнаружены в коллекциях в Брюсселе , [16] и в Лейпциге . [17] В Среднем царстве использование оловянной бронзы увеличивается в Древнем Египте и Нубии. [18] Одним из крупнейших исследований такого материала было исследование египетских и нубийских топоров в Британском музее , и оно дало сопоставимые результаты. [19] Похожую ситуацию можно наблюдать в Керме среднего бронзового века . [20]

Сульфидные отложения часто представляют собой смесь различных сульфидов металлов, таких как медь, цинк, серебро, мышьяк, ртуть, железо и другие металлы. ( Например, сфалерит (ZnS с большим или меньшим количеством железа) нередко встречается в отложениях сульфида меди, а выплавляемым металлом будет латунь, которая и тверже, и долговечнее меди.) Теоретически металлы можно было бы разделить, но полученные сплавы обычно были намного прочнее, чем металлы по отдельности.

Использование мышьяковой бронзы распространилось по торговым путям в северо-западный Китай, в регион Ганьсу - Цинхай , с культурами Сиба , Цицзя и Тяньшаньбэйлу . Однако до сих пор неясно, были ли артефакты из мышьяковой бронзы импортированы или изготовлены на месте, хотя последнее подозревается как более вероятное из-за возможной местной эксплуатации минеральных ресурсов. С другой стороны, артефакты показывают типологические связи с евразийской степью. [21]

В эпоху энеолита в Северной Италии , с культурами Ремеделло и Ринальдоне в 2800-2200 гг. до н.э., использовалась мышьяковая бронза. Действительно, похоже, что мышьяковая бронза была наиболее распространенным сплавом, используемым в Средиземноморском бассейне в то время. [22]

В Южной Америке мышьяковая бронза была преобладающим сплавом в Эквадоре и северном и центральном Перу из-за богатых мышьяком руд, присутствующих там. Напротив, южные и центральные Анды, юг Перу, Боливия и части Аргентины были богаты оловянной рудой касситеритом и, таким образом, не использовали мышьяковистую бронзу. [7]

Сиканская культура северо-западного побережья Перу славится использованием мышьяковой бронзы в период с 900 по 1350 год нашей эры. [23] Мышьяковая бронза сосуществовала с оловянной бронзой в Андах, вероятно, из-за ее большей пластичности, что означало, что ее можно было легко ковать в тонкие листы, которые ценились в местном обществе. [7]

Мышьяковая бронза после бронзового века

Археологические данные в Египте , Перу и на Кавказе свидетельствуют о том, что мышьяковая бронза производилась некоторое время вместе с оловянной бронзой. В Тепе Яхья ее использование продолжалось вплоть до железного века для изготовления безделушек и декоративных предметов, [3] таким образом демонстрируя, что не было простой последовательности сплавов с течением времени, когда более совершенные новые сплавы заменяли старые. С металлургической точки зрения у превосходства оловянной бронзы мало реальных преимуществ, [1] и ранние авторы предполагали, что мышьяковая бронза была выведена из употребления из-за ее воздействия на здоровье. Более вероятно, что она была выведена из общего использования, потому что сплавление с оловом давало отливки, которые имели прочность, схожую с прочностью мышьяковой бронзы, но не требовали дальнейшего упрочнения для достижения полезной прочности. [6] Также вероятно, что более определенных результатов можно было достичь с использованием олова, потому что его можно было добавлять непосредственно в медь в определенных количествах, тогда как точное количество добавляемого мышьяка было гораздо сложнее измерить из-за производственного процесса. [7]

Влияние использования мышьяковой бронзы на здоровье

Мышьяк — это элемент с температурой испарения 615 °C, поэтому оксид мышьяка будет потерян из расплава до или во время литья, а пары от поджигания при добыче и переработке руды, как давно известно, воздействуют на нервную систему, глаза, легкие и кожу. [24]

Хроническое отравление мышьяком приводит к периферической невропатии , которая может вызвать слабость в ногах и ступнях. Было высказано предположение [ по чьему мнению? ] , что это лежит в основе легенды о хромых кузнецах во многих культурах и мифах, таких как греческий бог Гефест . [25] Поскольку Гефест был кузнецом железного века, а не бронзового, эта связь могла бы быть из древней народной памяти. [26]

Хорошо сохранившаяся мумия человека, жившего около 3200 г. до н. э. [27], найденная в Эцтальских Альпах , широко известного как Эци , показала высокий уровень как частиц меди, так и мышьяка в его волосах. Это, наряду с медным лезвием топора Эци, которое на 99,7% состоит из чистой меди, заставило ученых предположить, что он был вовлечен в выплавку меди . [28]

Современное использование мышьяковой бронзы

Мышьяковая бронза мало использовалась в современный период. Похоже, что ближайший эквивалент носит название мышьяковая медь , определяемая как медь с содержанием As менее 0,5 мас.%, что ниже принятого процента в археологических артефактах. Присутствие 0,5 мас.% мышьяка в меди снижает электропроводность до 34% от электропроводности чистой меди, и даже всего 0,05 мас.% снижает ее на 15%. [7]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd Charles, JA (январь 1967). «Ранние мышьяковые бронзы – металлургический взгляд». American Journal of Archaeology . 71 (1): 21–26. doi :10.2307/501586. JSTOR  501586.
  2. ^ Бадд, П.; Оттовэй, Б.С. (1995). Йованович, Борислав (ред.). Энеолитическая мышьяковая медь – случайность или выбор?. Древняя добыча и металлургия в юго-восточной Европе, Международный симпозиум. Археологический институт, Белград и Музей горного дела и металлургии, Бор. стр. 95.
  3. ^ abc Thornton, CP; Lamberg-Karlovsky, CC; Liezers, M.; Young, SMM (2002). «О булавках и иголках: отслеживание эволюции легирования на основе меди в Тепе Яхья, Иран, с помощью анализа обычных предметов методом ICP-MS». Журнал археологической науки . 29 Если растворено много кислорода (29): 1451–1460. Bibcode : 2002JArSc..29.1451T. doi : 10.1006/jasc.2002.0809.
  4. ^ ab Lechtman, H.; Klein, S. (1999). «Производство медно-мышьяковых сплавов (мышьяковая бронза) путем совместной плавки: современный эксперимент, древняя практика». Журнал археологической науки . 26 (5): 497–526. Bibcode : 1999JArSc..26..497L. doi : 10.1006/jasc.1998.0324. S2CID  128547259.
  5. ^ abc Де Райк, И.; Адриенс, А.; Адамс, Ф. (2005). «Обзор месопотамской бронзовой металлургии в 3-м тысячелетии до н. э.». Журнал культурного наследия . 6 (3): 261–268. doi :10.1016/j.culher.2005.04.002. hdl : 1854/LU-329902 .
  6. ^ abc Tylecote, RF (1992). История металлургии (2-е изд.). Лондон: Maney publishing. ISBN 0-901462-88-8.
  7. ^ abcdefg Лехтман, Хизер (зима 1996 г.). «Мышьяковая бронза: грязная медь или избранный сплав? Взгляд из Америки». Журнал полевой археологии . 23 (4): 477–514. doi :10.2307/530550. JSTOR  530550.
  8. ^ Thornton, CP; Rehren, T.; Piggot, VC (2009). «Производство шпейсы (арсенида железа) в раннем бронзовом веке в Иране». Журнал археологической науки . 36 (2): 308–316. Bibcode : 2009JArSc..36..308T. doi : 10.1016/j.jas.2008.09.017.
  9. ^ Рындина, Н. (2009). «Потенциал металлографии в исследованиях древних предметов из меди и сплавов на ее основе». Журнал Исторического Металлургического Общества . 43 : 1–18.
  10. ^ Loïc C. Boscher (2016), Реконструкция процесса производства мышьяковой меди в раннем бронзовом веке в Юго-Западной Азии. Кандидатская диссертация. Университетский колледж Лондона. стр. 75
  11. ^ Loïc C. Boscher (2016), Реконструкция процесса производства мышьяковой меди в Юго-Западной Азии раннего бронзового века. Докторская диссертация. Университетский колледж Лондона. стр. 77
  12. ^ «Сокровище Нахаль Мишмар», Музей Метрополитен
  13. ^ Итон, Э. Р.; Маккеррелл, Хью (1 октября 1976 г.). «Ближневосточное легирование и некоторые текстовые свидетельства раннего использования мышьяковой меди». World Archaeology . 8 (2): 169–191. doi :10.1080/00438243.1976.9979662. ISSN  0043-8243.
  14. ^ Одлер, Мартин; Кмошек, Йиржи; Фикрле, Марек; Эрбан Кочергина, Юлия В. (01.04.2021). «Мышьяковые медные инструменты мастеров Древнего царства Гизы: первые данные». Журнал археологической науки: Отчеты . 36 : 102868. Bibcode : 2021JArSR..36j2868O. doi : 10.1016/j.jasrep.2021.102868. ISSN  2352-409X. S2CID  233577883.
  15. ^ Одлер, Мартин; Кмошек, Йиржи. «Медь в Гизе: последние новости» (PDF) . Медь в Гизе: последние новости . 20 (2): 12–17.
  16. ^ Радемейкерс, Фредерик В.; Верли, Жорж; Дельво, Люк; Дегриз, Патрик (2018). «Медь для загробной жизни в Египте от додинастического до Древнего царства: характеристика происхождения с помощью химического и свинцового изотопного анализа (коллекция RMAH, Бельгия)». Журнал археологической науки . 96 : 175–190. Bibcode : 2018JArSc..96..175R. doi : 10.1016/j.jas.2018.04.005. hdl : 1887/75148 . S2CID  134631377 – через Elsevier Science Direct.
  17. ^ Kmošek, Jiří; Odler, Martin; Fikrle, Marek; Kochergina, Yulia V. (2018). «Невидимые связи. Изделия из металла раннего династического и древнеегипетского периода в Египетском музее Лейпцигского университета». Journal of Archaeological Science . 96 : 191–207. Bibcode : 2018JArSc..96..191K. doi : 10.1016/j.jas.2018.04.004. S2CID  134290735 – через Elsevier Science Direct.
  18. ^ Одлер, Мартин (2020). Невидимые связи: археометаллургический анализ металлоконструкций бронзового века из Египетского музея Лейпцигского университета. Йиржи Кмошек. Summertown, Оксфорд. ISBN 978-1-78969-741-4. OCLC  1225889327.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  19. ^ Дэвис, В. Вивиан (1987). Каталог египетских древностей в Британском музее. 7: Инструменты и оружие; 1: Топоры. Специальные отчеты Майкла Р. Коуэлла, Джанет Р. С. Лэнг; Ричарда Берли; Ровены Гейл; Мэвис Бимсон; рисунки Мэрион Кокс (1-е изд.). Лондон: British Museum Publications for the Trustees. ISBN 978-0-7141-0934-3. OCLC  911316687.
  20. ^ Радемейкерс, Фредерик В.; Верли, Жорж; Дегриз, Патрик; Ванхаке, Франк; Марки, Северин; Бонне, Чарльз (2022). «Медь в древней Керме: диахроническое исследование сплавов и сырья». Достижения в области археоматериалов . 3 (1): 1–18. дои : 10.1016/j.aia.2022.01.001 . S2CID  249590931.
  21. ^ Цзяньцзюнь Мэй, стр. 9 в Metallurgy and Civilisation, Eurasia and beyond , ed: Цзяньцзюнь Мэй и Тило Ререн. Труды 6-й международной конференции по началу использования продуктов и сплавов (BUMA VI), 2009, Archetype publications, Лондон.
  22. ^ Eaton, ER 1980. Ранняя металлургия в Италии. В: ред. WA Oddy , Аспекты ранней металлургии , случайная статья 17, British Museum Publications, Лондон.
  23. ^ Hörz, G.; Kallfass, M. (декабрь 1998 г.). «Металлообработка в Перу, декоративные предметы из королевских гробниц Сипана». Journal of Materials . 50 (12): 8. doi :10.1007/s11837-998-0298-2. S2CID  136482156.
  24. ^ Харпер, М. (1987). «Возможное воздействие токсичных металлов на доисторических рабочих бронзовой промышленности». British Journal of Industrial Medicine . 44 (10): 652–656. doi :10.1136/oem.44.10.652. PMC 1007896. PMID  3314977 . 
  25. ^ Харпер, М. (октябрь 1987 г.). «Возможное воздействие токсичных металлов на доисторических рабочих бронзовой промышленности». British Journal of Industrial Medicine . 44 (10): 652–656. doi :10.1136/oem.44.10.652. ISSN  0007-1072. PMC 1007896. PMID 3314977  . 
  26. ^ Saggs, HWF (1989). Цивилизация до Греции и Рима. Нью-Хейвен: Yale University Press. С. 200–201. ISBN 978-0-300-04440-9.
  27. ^ Бонани, Жорж; Айви, Сьюзан Д.; Хайдас, Ирена; Никлаус, Томас Р.; Сутер, Мартин (1994). "Определение возраста тканей, костей и травяных образцов Эцтальского ледяного человека методом AMS 14C" (PDF) . Радиоуглерод . 36 (2): 247–250. Bibcode :1994Radcb..36..247B. doi :10.1017/S0033822200040534. S2CID  52971052. Архивировано из оригинала (PDF) 28.02.2017 . Получено 28 февраля 2023 .
  28. ^ "Последняя трапеза Iceman". BBC News . 16 сентября 2002 г. Получено 28 февраля 2023 г.

Внешние ссылки