.
1. Металл – вещество с уникальными свойствами.
На протяжении длительного времени, несмотря на обилие альтернатив, металл остается одним из наиболее широко употребляемых материалов во всех сферах деятельности человека. Металл используют как в быту (посуда, инструмент и пр.) так и в производстве высокотехнологичных изделий (от автомобиля до космического оборудования).
Почему же человечество с древних времен остается верным металлу? Ответ прост: металлы обладают уникальными свойствами, делающими возможным их применение в любой сфере производства и быта.
Основные свойства и разновидности металлов:
Металлы весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, - писал он, - тела твердые, ковкие блестящие».
Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:
Плотная кристаллическая структура.
Характерный металлический блеск.
Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.
Ковкость и тягучесть.
Способность к образованию сплавов.
Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды.
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др.
Это деление на черные и цветные металлы условно.
Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.
Физические свойства металлов:
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются, прежде всего, особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток.
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру.
По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы - все остальные.
Химические свойства металлов:
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями.
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.
2.История открытия металлов и появления понятия «металл».
Термин «металл» произошел от греческого слова métallion (от metalléüõ – выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 век до нашей эры). То, что добывалось в рудниках, Платон называл mettaléia. В древности и в средние века считалось, что существует только семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно, крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 века получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» - флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал шесть металлов (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В конце 18 века А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества. В 1789 году Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда семнадцать металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В первой половине 19 века были открыты спутники Pt, получены путем электролиза некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-1863 годах методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов, предсказанных Д.И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в конце 19 века повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с середины 20 века были искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы.
В конце 19 – начале 20 веков получила физико-химическую основу металлургия – наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения.
Полиметаллическая руда
3.Способы изготовления изделий из металлов, их история и связь с искусством
А. Ковка
Ковка – один из способов обработки металлов под давлением, при котором инструмент оказывает многократное прерывистое воздействие на заготовку, в результате чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданную форму и размеры.
С древности ковка (меди, самородного железа) служила одним из основных способов обработки металла (холодная, а затем горячая ковка в Иране, Месопотамии, Египте в 4-3 тыс. годах да нашей эры; холодная ковка у индейцев Северной и Южной Америки до 16 века нашей эры). Древние металлурги Европы, Азии и Африки ковали сыродутное железо, медь, серебро и золото; кузнецы пользовались особым почетом у народов древности, а их искусство окружалось легендами. В средние века, в том числе и в России, кузнечное дело достигло высокого уровня: вручную отковывались холодное и огнестрельное оружие, инструменты, детали сельскохозяйственных орудий, дверей и сундуков, решетки, светильники, замки, часы и другие изделия всевозможных форм и размеров, часто с тончайшими деталями; кованые изделия украшались насечкой, просечным или рельефным узором, расплющенными в тончайший слой листами сусального золота и бронзовой потали. Традиции средневекового ремесла сохранились в народном искусстве до 19 века (светцы, крюки, и и т.д.). В 15-19 веках выполнены многие замечательные кованые фонари, ограды, решетки, ворота (Версаль, Петербург, Царское Село). Многие города специализировались в различных отраслях кузнечного ремесла: Герат, Мосул славились утварью, Дамаск, Милан, Аугсбург, Астрахань, Тула – оружием, Нотиннгем, Золинген, Павлово на Оке – ножами и инструментами, Нюрнберг, Холмогоры – замками и т.д. В 19 веке ручная ковка была вытеснена штамповкой и литьем, интерес к ней возродился в 20 веке.
Московская ковка XIX век «Шапка ерихонская», 1621 г, Россия
Кованый декор Весминстерского аббатства, Лондон
Скифия. Меч с украшенныминожнами.
Середина IV в. до н.э
Основы теории ковки были разработаны в России
Ковку, как правило, производят при нагреве металла до ковочной температуры с целью повышения его пластичности и снижения сопротивления деформированию. Температурный интервал ковки зависит от химического состава и структуры обрабатываемого металла, а также от вида операции или перехода. Для стали температурный интервал 800 – 1100 градусов Цельсия, для алюминиевых сплавов 420-480 градусов Цельсия.
Различают ковку в штампах и без применения штампов – свободную ковку. При ковке в штампах металл ограничен со всех сторон стенками рабочей полости штампа и при деформации приобретает форму, соответствующую этой полости. При свободной ковке металл не ограничен совсем или ограничен с одной стороны. При ручной ковке кувалдой или молотом воздействуют непосредственно на металл или на инструмент. Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании – молотах с массой падающих частей от 1 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2-200 Мн., а также на ковочных машинах. Изготовляют поковки массой 100 тонн и более. Для манипулирования с тяжелыми заготовками при ковке используют подъемные краны грузоподъемностью до 350 тонн, кантователи и специальные манипуляторы. Свободную ковку применяют также для улучшения качества и структуры металла. При проковке металл упрочняестся, завариваются несплошности и размельчаются крупные кристаллы, в результате чего структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение.
При ковке используют набор кузнечного инструмента, с помощью которого заготовкам придают требуемую форму и размеры. Основные операции ковки: осадка, высадка, протяжка, обкатка, раскатка, прошивка и др.
Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей.
Б. Литье.
Литье – технологический процесс изготовления отливок, заключающийся в заполнении форм расплавленным материалом и дальнейшей обработке полученных изделий.
Немного о литье:
Семь наиболее известных шедевров древних культур названы чудесами света. Два из них являются отливками. Это Колосс Родосский работы Хареса из Линдоса (бронза, 292—280 гг. до н. э.) (рис. 1) и статуя Зевса Олимпийского в храме Зевса в Олимпии работы Фидия (золото, 430 г. до н. э.). По некоторым данным они получены хрисоэлефантийским способом.
Труд литейщика, изготавливающего уникальную отливку, по своему характеру творческий. В большей степени это относится к отливкам, отличающимся какими-либо особыми свойствами, размерами или виртуозностью техники их литья. Таким отливкам присваивается титул "царь".
Знаменитый Царь-колокол Московского Кремля, крупнейший из колоколов когда-либо существовавших в мире, отлит в 1733 — 1735 гг. из бронзы и весит 200 т. Самая большая пушка в мире — Царь-пушка, отлита в 1586 г., весит 40 т, ее калибр 890 мм.
Геродот в главе 81 четвертой книги писал, что один из царей Скифии решил определить, сколько скифов живет на свете, и приказал каждому из них принести по одному бронзовому наконечнику стрелы. Из этих стрел был отлит огромный котел. Диаметр скифского парытотла составлял 2,5 м, а высота — около 3 м, масса превышала 10 т. Котел был украшен характерным орнаментом, литыми фигурками животных.
Древнейшей отливкой, удостоенной титула "царь", по мнению А. М. Петриченко, является 100-тонный чугунный царь-лев, отлитый в 954 г., его высота 5,5 м, длина более 5 м (Китай). Между ног этой фигуры свободно проезжает лошадь с телегой. Отливка пустотелая, покоится на плите, в настоящее время глубоко осела в грунт.
В XIV в. в Японии был отлит царь-чайник из 3 частей: крышки, ручки и самого сосуда массой 16 т. А еще в 749 г. была отлита статуя Будды массой 250 т (вместе с цоколем 380 т), длина ладони — 3 м. В 1987 г. на озере Тадзаво к северу от Токио установлена самая высокая статуя богини милосердия Канной высотой 133 м.
Самой крупной царь - отливкой является литой шабот молота массой более 650 т, изготовленный в 1875 г. в Перми. Для установления литой формы потребовался кессон глубиной 40 м. Вокруг было размещено 20 крупных вагранок. Заливка длилась 3 ч, остывание металла — более 4 месяцев.
Первыми металлами, с которыми имел дело человек, были самородные медь и золото. Этому способствовало то, что они легко добывались в виде самородков и россыпей, имели невысокую, чуть больше 1000°С, температуру плавления и принимали необходимую форму с использованием метода холодной деформации и литья. Первыми отливками были художественные изделия из золота в виде различных украшений и предметов религиозного культа. Таким образом, можно предположить, что литейное производство началось с художественного литья.
У разных народов зарождение художественного литья приходилось на разные времена. У многих оно было самобытным, другие же опыт заимствовали. Мнения историков и археологов о начале производства литых изделий расходятся. А. М. Петриченко считает, что впервые фасонное литье появилось в IV — III тысячелетиях до н. э. одновременно в Египте, Двуречье, Индии, Южной Туркмении, Закавказье, Молдавии, Юго-Западной Украине, Средней Азии и других местах. В источниках указывается на данные археологических исследований, из которых следует, что в Египте производить художественные отливки из золота начали за 12 тысяч лет до н. э. Изделия из золота, относящиеся к IV тысячелетию до н. э., найдены в Южной Месопотамии, в долине Нила, в Малой и Средней Азии. На Алтае золото начали добывать и перерабатывать за 4,5 тысячи лет до н. э. На Кавказе золотые изделия изготавливались за 3 тысячи лет до н. э.
О высоком мастерстве и художественном вкусе мастеров Шумера свидетельствует литая голова быка из золота с инкрустацией, изготовленная в VI в. до н. э. Египтяне начали отливать медные изделия раньше других народов.
Историки полагают, что колоссальные масштабы строительства из камня пирамид стали возможны лишь благодаря широкому применению медных орудий и инструментов. На росписи гробницы в Фивах XVI — V вв. до н. э. изображены простые приемы работы древних литейщиков (рис. 2). В то время египетские литейщики уже умели получать сложные полые отливки с использованием литейных стержней или восковых выплавляемых моделей. Так что правомерно считать Африку той частью света, где впервые зародилось литейное ремесло, в том числе ремесленное производство художественного литья.
Серебро в отличие от золота редко встречается в виде самородков, поэтому использовать его стали позднее, чем золото. Самая ранняя разработка руд и добыча серебра в крупных масштабах началась в IV в. до н. э. в восточной части Азии, позднее в Армении и Греции.
С середины III в. до н. э. в Месопотамии, а со II в. до н. э. в Египте вслед за примитивной техникой литья в открытые формы появилось литье бронзы в разъемные закрытые формы из глины, в которых отливались мелкие части цепочек, браслетов и др. Эти отливки затем скреплялись оловом и чеканились.
В Греции в V — IV вв. до н. э. для отливки крупных бронзовых статуй применялось литье "по потерянному воску". При этом способе, который до наших дней является основным для бронзовой монументальной и кабинетной скульптуры, окончательная отделка фигур осуществляется по нанесенному на них воску.
Особого расцвета литье достигло в эпоху Возрождения (XIV — XVI вв.) во многих странах Европы, в том числе и в России. Введенная Бенвенуто Челлини (1500 — 1571) для литья крупных скульптур технология кусковой формовки позволяла получать по несколько точных отливок с одной модели (метод "потерянного воска" — только одну отливку), с которых однако требовалось удалять чеканкой следы от стыков отдельных кусков формы.Со второй трети XIX в. наступает упадок производства художественной бронзы. Ради удешевления бытовых изделий начинают применять низкосортные медные сплавы, гальванические покрытия драгоценными металлами, механические способы обработки (штамповка, накатка и др.).
Новое художественное осмысление бронза получает в последнее десятилетие XIX в. и в начале XX в. в творчестве импрессионистов (О. Роден, П. П. Трубецкой, А. С. Голубкина и др.).
В странах Европы отливки из чугуна начали изготавливать примерно в XIV в. с появлением доменных печей. В Китае чугун известен с VI в. до н. э. В 954 г. была отлита фигура льва массой около 100 т. В те времена в Китае существовали лишь небольшие одноформенные вагранки для плавки чугуна. Они и были использованы при выплавке металла для этой гигантской фигуры. От каждой печи по небольшому каналу выпускался металл, к нему по мере приближения к форме присоединялись ручейки от печей, расположенных по пути к форме. На старинном китайском рисунке (рис. 3) показано, как происходила заливка подобных форм. О том, что именно таким способом отливали льва, свидетельствует устройство чаши в форме, которая так и осталась на отливке. Возможно, чугун в нее наливали из ручных ковшей, принося их из печей, установленных дальше зоны чугунных ручейков.
Значительное развитие чугунное литье получило в Германии, Франции и России (на Каслинском, Каменском, Верх-Исетском, Ушвинском заводах).
В настоящее время для художественных отливок используются практически все широко применяемые сплавы — благородные металлы и сплавы, сплавы на основе железа, меди, алюминия, цинка, легкоплавкие сплавы, при этом применяются разнообразные способы изготовления форм, начиная от одноразовых песчано-глинистых и кончая многократно используемыми металлическими формами
Первая четверть XV в. Москва. Принадлежала Икона «Господь Вседержитель». игумену Никону. Серебро, литье, гравировка Медный сплав, литье. XIX в. золочение. 13.3x9.5 см.
В. Чеканка
Чеканка – 1) получение рельефных изображений на листовом металле; выполняется ударами особым молотком по чеканам. Такая чеканка, являющаяся одним из древнейших видов художеств, обработки металла, ведется по поверхности металлического листа, положенного на эластичную подложку из особой смолы, в основном по лицевой стороне. 2) получение рельефных изображений на поверхности монет, медалей и т.п. Производится сильными ударами от руки или на прессе стальными штемпелями – на которых сделаны углубленные изображения и надписи.
Чаша. Грузия, чеканка. Начало XIX века
Щит
Мастерская Йорга Зигмана. Германия, Аугсбург. Середина 16 в.
Медь; золочение, рельефная чеканка.Эрмитаж.