Железо
Железные руды встречаются гораздо чаще, чем медные. Однако люди стали использовать железо намного позже меди — ведь этот металл нужно было ещё выплавить из руды, а температура плавления железа в 1,5 раза выше, чем у меди. В древних печах не могли достичь такой температуры. Во II-I тыс. до н. э. люди придумали добывать годный металл, не доводя железо до плавления, и прочное железо стало самым распространённым материалом для изготовления орудий труда. Появление дешёвых и прочных железных инструментов вызвало бурное развитие техники, ремёсел и земледелия — начался железный век.
Дар небес и плуг Эета
Люди узнали железо задолго до начала железного века. Сплав железа и никеля встречается в составе многих метеоритов, падающих на Землю. Метеоритное железо не надо выплавлять, нужную форму ему можно придать горячей ковкой (размягчив в печи и обработав ударами молота). «Небесный» металл ценился выше золота, из него делали оружие и украшения царей.
Вероятно, из метеоритного железа выкованы шумерский кинжал из г. Ура (ок. 3100 г. до н. э.) и кинжал фараона Тутанхамона (до 1323 г. до н. э.). А выплавлять железо из руды, возможно, первыми научились народы Кавказа ещё в II тыс. до н. э. В мифе об аргонавтах рассказывается, что Эет, царь Колхиды (государства на территории нынешней Грузии), дал Ясону диковинный для греков железный плуг, чтобы тот вспахал поле.
Горн — сыродутная печь
Древние металлурги, конечно, не знали химических формул и открыли способ выплавки железа опытным путём. Задолго до открытия железа люди искали методы очистки добываемых металлов от примесей, прокаливая руды с разными известными им веществами. И однажды в результате прокаливания железной руды с древесным углём образовалось кричное (губчатое) железо — крица.
Для выплавки железа нужны 3 условия: высокая температура, много угля и воздуха. Для создания нужной температуры придумали высокие горны — сыродутные печи, куда мехами нагнетали неподогретый, «сырой» воздух. Отсюда и название — «сыродутная». На дно горна клали слой угля, на него — около 20 кг измельчённой руды — шихты, сверху снова засыпали уголь.
Температура в горне доходила до 1100-1350 °С. Все примеси в руде расплавлялись, образуя шлак, а железо размягчалось, но не плавилось. Будучи тяжелее шлака, тестообразная масса крицы (около 4 кг) оседала на дне ямы. Горячую крицу выгребали и проковывали, выдавливая из неё остатки шлака ударами молота.
Химия процесса
Железные руды (красный, бурый или магнитный железняк) — это разные соединения железа (Fe) и кислорода (О) — окислы железа. Чтобы выделить (восстановить) железо из руды, нужно избавить его от кислорода, что делали, пережигая руду с углём. При горении угля, почти целиком состоящего из углерода (С), атомы углерода объединяются с атомами кислорода из воздуха и образуется угарный газ (СО). При сильном нагреве между рудой (окислом железа) и угарным газом (окислом углерода) происходит химическая реакция, при которой углерод отбирает атомы кислорода у железа, образуя углекислый газ (CO2). Газ улетучивается, остаётся чистое железо.
Сталь и кузнечное ремесло
Чистое железо — слишком мягкий материал, непригодный для изготовления инструментов. Для получения прочного «хорошего железа» крицу ещё раз прокаливали с углём, и она обогащалась углеродом. Соединение железа с углеродом (от 0,25 до 2% углерода), придающим железу прочность, называют сталью.
Расплавить железо (сталь) до жидкого состояния древние люди не могли, и необходимую форму изделиям придавали не литьём, а ковкой. Так возникло кузнечное ремесло. Изделия из стали закаливали — раскаляли докрасна и резко остужали в холодной воде. От этого структура металла менялась, и изделие становилось твёрдым, его можно было остро заточить.
Развитие идеи
Железоплавильные печи и способы обработки железа постоянно совершенствовались. Наибольших успехов в производстве стали и кузнечном деле добились народы Передней Азии. Ещё в V в. до н. э. там научились делать дамасскую сталь, булат, как её позже называли на Руси. Стальные заготовки с разным содержанием углерода (1) сваривали меж собой (2). Из такого «слоёного пирога» (3, 4, 5) ковали клинки. Комбинируя сорта стали, кузнецы придавали материалу желаемые свойства: прочность, гибкость, остроту при заточке. Разные сорта стали отличались по цвету и в готовом клинке образовывали причудливый узор.
Сплавляя насыщенное углеродом железо с другими металлами, люди получали разные сорта стали для разных нужд. Одно из важнейших открытий в этой области в 1913 г. сделал английский инженер Г. Бреарли. Изучая свойства разных сплавов для ружейных стволов, он обнаружил, что сталь, сплавленная с хромом, не поддаётся коррозии — не ржавеет. Нержавеющая сталь нашла широкое применение в промышленности и до сих пор остаётся универсальным материалом