Мышьяковистая бронза представляет собой сплав , в котором мышьяк , в отличие от олова или других составляющих металлов или в дополнение к ним , соединяется с медью для получения бронзы . Использование мышьяка с медью либо в качестве второстепенного компонента, либо с другим компонентом, например оловом, приводит к получению более прочного конечного продукта и улучшению характеристик при литье . [1]
Медная руда часто естественным образом загрязнена мышьяком; следовательно, термин «мышьяковистая бронза», используемый в археологии , обычно применяется только к сплавам с содержанием мышьяка более 1% по массе, чтобы отличить его от потенциально случайных добавок мышьяка. [2]
Хотя мышьяковистая бронза встречается в археологических записях по всему миру, самые ранние известные на сегодняшний день артефакты , датируемые 5-м тысячелетием до нашей эры , были найдены на Иранском плато . [ 3] Мышьяк присутствует в ряде медьсодержащих руд (см. таблицу справа, адаптированную из Lechtman & Klein, 1999), [4] и поэтому некоторое загрязнение меди мышьяком было бы неизбежным. Однако до сих пор не совсем ясно, в какой степени мышьяк был намеренно добавлен к меди [5] и в какой степени его использование было обусловлено просто его присутствием в медных рудах, которые затем обрабатывались плавкой для получения металла.
Реконструкция возможной последовательности событий в предыстории предполагает рассмотрение структуры месторождений медных руд, которые в основном представлены 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. Сюда входят многие минералы, такие как теннантит с его мышьяком, медью и железом . Таким образом, в первую очередь использовались бы поверхностные отложения; при некоторой работе были бы обнаружены и обработаны более глубокие сульфидные руды, и было бы обнаружено, что материал с этого уровня имеет лучшие свойства.
Используя эти различные руды, существует четыре возможных метода производства сплавов мышьяковой бронзы. [3] Это:
Кроме того, Торнтон и др. предполагают более высокий уровень квалификации рабочих-металлистов. [8] Они предполагают, что арсенид железа намеренно производился в процессе выплавки меди, чтобы его можно было продать и использовать 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. Способ изготовления заключался в нагревании металла в тиглях и отливке его в формы из камня или глины. После затвердевания его полировали или, в случае топоров и других инструментов, закаляли , ударяя молотком по рабочей кромке, утончая металл и увеличивая его прочность. [6] Готовые объекты также могут быть выгравированы или украшены по мере необходимости.
Хотя мышьяк, скорее всего, изначально был смешан с медью из-за того, что руды уже содержали его, его использование, вероятно, продолжалось по ряду причин. Во-первых, он действует как раскислитель, реагируя с кислородом горячего металла с образованием оксидов мышьяка, которые испаряются из жидкого металла. Если в жидкой меди растворено большое количество кислорода, то при охлаждении металла оксид меди выделяется на границах зерен и значительно снижает пластичность полученного изделия. Однако его использование может привести к большему риску образования пористых отливок из-за растворения водорода в расплавленном металле и его последующей потери в виде пузырьков (хотя любые пузырьки могут быть заварены ковкой и все равно оставлять массу металла готовой к расплавлению). быть закаленным в работе). [1]
Во-вторых, сплав способен к более сильному упрочнению, чем чистая медь, поэтому он лучше работает при резке или рубке. Повышение упрочняющей способности происходит с увеличением процентного содержания 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 As всего от 0,5 до 2 мас.%, что дает улучшение твердости и прочности на разрыв на 10–30%. [7]
В-третьих, при правильном процентном соотношении он может придать изготавливаемому изделию серебристый блеск. Есть свидетельства того, что кинжалы из мышьяковой бронзы с Кавказа и другие артефакты из разных мест имели богатый мышьяком поверхностный слой, который вполне мог быть изготовлен намеренно древними мастерами [9] , а мексиканские колокола делались из меди с достаточным содержанием мышьяка для их окраски. серебро. [7]
Мышьяковистая бронза использовалась многими обществами и культурами по всему миру. Во-первых, как упоминалось ранее, Иранское нагорье , за которым следует прилегающая территория Месопотамии, вместе охватывающее современный Иран, Ирак и Сирию, имеет самую раннюю в мире металлургию мышьяковой бронзы. Он использовался с 4-го тысячелетия до нашей эры до середины 2-го тысячелетия до нашей эры , то есть в течение почти 2000 лет. В течение этого периода наблюдались большие различия в содержании мышьяка в артефактах, из-за чего невозможно точно сказать, какое количество было добавлено намеренно, а какое — случайно. [5]
Эти вопросы были значительно прояснены к 2016 году. Двумя соответствующими древними памятниками на востоке Турции ( провинция Малатья ) являются Норшунтепе и Дегирментепе , где производство мышьяковой бронзы имело место до 4000 г. до н.э. На этих участках были обнаружены очаги или печи с естественной тягой, шлак, руда и пигмент. Это было в контексте архитектурных комплексов, типичных для архитектуры южной Месопотамии.
По словам Бошера (2016), в Дегирментепе предметы из мышьяковой меди явно производились около 4200 г. до н.э., однако технологические аспекты этого производства остаются неясными. Это связано с тем, что первичная плавка руды, по-видимому, проводилась где-то еще, возможно, уже на местах добычи. [10]
Напротив, связанное с ним месторождение Норшунтепе обеспечивает лучший контекст производства и демонстрирует, что некоторая форма легирования мышьяком действительно имела место к 4-му тысячелетию до нашей эры. Поскольку шлак, обнаруженный в Норшунтепе, не содержит мышьяка, это означает, что мышьяк в той или иной форме добавлялся отдельно. [11]
Общества, использующие мышьяковистую бронзу, включают аккадцев , жителей Ура и амореев , все они базировались вокруг рек Тигр и Евфрат и центров торговых сетей, которые распространяли мышьяковистую бронзу по Ближнему Востоку в бронзовом веке. [5]
Клад Нахаль Мишмар периода энеолита в Иудейской пустыне к западу от Мертвого моря содержит ряд мышьяковистых бронзовых (4–12% мышьяка) и, возможно, мышьяково-медных артефактов, изготовленных с использованием процесса выплавляемого воска , самого раннего известного использования этой сложной техники. . «Датирование тростниковой циновки, в которую были завернуты предметы, с помощью углерода-14 позволяет предположить, что она датируется по меньшей мере 3500 годом до нашей эры. Именно в этот период использование меди стало широко распространено по всему Леванту, что свидетельствует о значительных технологических достижениях, идущих параллельно с крупными социальными достижениями. в регионе." [12]
В Древнем Египте использование мышьяковой бронзы/меди подтверждается со второй фазы культуры Накада, а затем широко использовалось до начала Нового царства, то есть в египетском энеолите, раннем и среднем бронзовом веке, а также в те же эпохи. в древней Нубии. [13] В Древнем царстве , в эпоху строителей крупнейших пирамид, мышьяковистая медь использовалась для производства инструментов в Гизе . [14] Мышьяковистая медь также обрабатывалась в мастерской, обнаруженной в Хейт-эль-Гурабе в Гизе, «затерянном городе строителей пирамид» времен правления Менкаура. [15] Египетские и нубийские предметы 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 лезвий египетских и нубийских топоров в Британском музее , и оно дало сопоставимые результаты. [19] Аналогичную ситуацию можно наблюдать в Керме среднего бронзового века . [20]
Сульфидные месторождения часто представляют собой смесь сульфидов различных металлов, таких как медь, цинк, серебро, мышьяк, ртуть, железо и другие металлы. ( Сфалерит (ZnS с большим или меньшим содержанием железа), например, не является редкостью в месторождениях сульфида меди, а выплавляемый металл будет представлять собой латунь, которая одновременно тверже и долговечнее меди.) Теоретически металлы можно было бы отделить, но Получающиеся 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 Тяньшаньбейлу . Однако до сих пор неясно, были ли артефакты из мышьяковой бронзы импортированы или изготовлены на месте, хотя предполагается, что последнее более вероятно из-за возможной местной эксплуатации минеральных ресурсов. С другой стороны, артефакты демонстрируют типологическую связь с евразийской степью. [21]
В период энеолита в Северной Италии , с культурами Ремеделло и Ринальдоне в 2800–2200 годах до нашей эры, использовалась мышьяковистая бронза. Действительно, кажется, что мышьяковистая бронза была наиболее распространенным сплавом, использовавшимся в Средиземноморском бассейне в то время. [22]
В Южной Америке мышьяковистая бронза была преобладающим сплавом в Эквадоре, а также в северном и центральном Перу из-за присутствующих там богатых мышьяксодержащих руд. Напротив, южные и центральные Анды, юг Перу, Боливия и некоторые части Аргентины были богаты оловянной рудой касситерита и поэтому не использовали мышьяковистую бронзу. [7]
Сикская культура северо-западного побережья Перу известна использованием мышьяковой бронзы в период с 900 по 1350 год нашей эры. [23] Мышьяковистая бронза сосуществовала с оловянной бронзой в Андах, вероятно, из-за ее большей пластичности, что означало, что ее можно было легко расковывать в тонкие листы, которые ценились в местном обществе. [7]
Археологические данные в Египте , Перу и на Кавказе позволяют предположить, что мышьяковистая бронза какое-то время производилась наряду с оловянной бронзой. В Тепе Яхья его использование продолжалось и в железном веке для изготовления безделушек и декоративных предметов, [3] тем самым демонстрируя, что не было простой последовательности сплавов с течением времени, когда новые превосходные сплавы заменяли старые. Превосходство оловянной бронзы имеет мало реальных металлургических преимуществ [1] , и ранние авторы предположили, что мышьяковистая бронза была постепенно прекращена из-за ее воздействия на здоровье. Более вероятно, что его повсеместное использование было прекращено, поскольку легирование оловом давало отливки, которые имели прочность, аналогичную мышьяковой бронзе, но не требовали дальнейшей нагартовки для достижения полезной прочности. [6] Также вероятно, что более определённых результатов можно было бы достичь при использовании олова, поскольку его можно было добавлять непосредственно к меди в определенных количествах, тогда как точное количество добавляемого мышьяка было гораздо сложнее определить из-за особенностей производства. процесс. [7]
Мышьяк — это элемент с температурой испарения 615 °C, поэтому оксид мышьяка будет теряться из расплава до или во время литья, а дымы от пожаров при добыче и переработке руды, как известно, поражают нервную систему, глаза, легкие и кожа. [24]
Хроническое отравление мышьяком приводит к периферической нейропатии , которая может вызвать слабость в ногах и ступнях. Было высказано предположение [ по мнению кого? ] , 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 кузнецом бронзового века, связь могла быть связана с древней народной памятью. [26]
Хорошо сохранившаяся мумия человека, жившего около 3200 г. до н. э. [27] , найденная в Эцтальских Альпах , широко известная как Эци , показала высокий уровень как частиц меди, так и мышьяка в его волосах. Это, а также лезвие медного топора Эци, чистота которого на 99,7% состоит из меди, заставило ученых предположить, что он участвовал в выплавке меди . [28]
Мышьяковистая бронза в современный период мало использовалась. Похоже, что наиболее близким эквивалентом является мышьяковистая медь , определяемая как медь с содержанием As менее 0,5 мас.%, что ниже общепринятого процента в археологических артефактах. Присутствие 0,5 мас.% мышьяка в меди снижает электропроводность до 34% от таковой у чистой меди, а даже всего лишь 0,05 мас.% снижает ее на 15%. [7]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка )