Римская Слава - Военное искусство античности
Новости    Форум    Ссылки    Партнеры    Источники    О правах    О проекте  
 

Состав и классификация римских сплавов. Часть 1 (Дрязгунов К. В.)

Известно значительное количество исследований римских медных сплавов, но в них всегда было ограничено количество изучаемых артефактов. Craddock (1975) изучал музейные коллекции артефактов и сконцентрировался на скульптуре, музыкальных инструментах, военном снаряжении и т.д. Picon (1966; 1967; 1968) и Beck (1985) исследовали большое количество статуй и статуэток со всех концов Франции. Riederer представил результаты анализа украшений, игл и других объектов, найденных в Тибре в конце 19-го столетия (Riederer 1974a; 1974b; Riederer и 1974 Briese; Laurenze & Riederer 1980). Немногие из этих объектов могли быть датированы от 1-го до 4-го столетия. Bayley (1992; Bayley), проанализировал большое количество брошей (главным образом из южной Англии).

Результаты Riederer демонстрируют небольшое использование сплавов со свинцом (только у 11% свинца было больше чем 5%). Это объясняется методом их создания — большинство игл и украшений было выковано, а не отлито. Craddock показал, что скульптурные элементы были созданы не из латуни, а из бронзы со свинцом. В то время как анализ Bayles брошей (Bayley 1992) привел к утверждению, что 20% из всех объектов — латунные.

Результаты, представленные David Dungworth в работе «Iron age and roman copper alloys from northern Britain» основаны на более широком анализе римских артефактов и должны дать более представительную картину медной металлургии в целом.

Рассмотрим классификацию сплавов на основе меди, применявшихся в северной части Британии во времена Римской империи.

David Dungworth в работе «Iron age and roman copper alloys from northern Britain» приводит таблицы, в которой зафиксированы места в которых найдены римские артефакты из сплавов и их количество в различные периоды времени, а также способ их изготовления (Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 91, 95).

Местоположение и даты римских артефактов

  Первый век Ранняя империя Второй век «Средняя» империя Третий век Поздняя империя Четвертый век Римские артефакты Всего
Форт 116 10 91 3 28 95 31 38 412
«Милевый» замок     1 17         18
Башня     17           17
Город 4 1 11 2 16   17 7 38
Vicus 32 3 103   27 4   41 210
Большое сельское поселение 33 17 4 2 3 11 9 47 126
Вилла 1 8 20 3 13 52 17 24 138
Ферма 1 5     2 1   1 24
Крепость   27       6   8 41
Кладбище         57       57
Пещера   26   4       46 76
Склад 2 5 1   1   4 17 30
Случайные находки             4 1 5
Всего 189 102 248 31 147 173 78 244 1212

Артефакты по методу изготовления

  Литьё Ковка Неизвестно Всего
Первый век 82 63 44 189
Ранняя империя 68 20 14 102
Второй век 106 88 54 248
«Средняя» империя 23 7 1 31
Третий век 74 24 49 147
Поздняя империя 76 66 31 173
Четвертый век 36 19 23 78
Римские артефакты 133 59 52 244
Всего 598 346 268 1212

В работах Craddock (1975; 1978), Picon (1966; 1967; 1968), Beck (1985), Bayley (1992), Riederer (1974a; 1974b), показано, что римские медные сплавы делались с добавлением цинка, олова и/или свинца. Цинк встречается в римскую эпоху, поскольку это — первый период в Европе, когда этот металл начал регулярно использоваться (Craddock 1978). Однако олово было самым распространенным легирующим элементом. Много артефактов сделаны из сплавов, которые можно определить как пушечные бронзы (они содержат значительное количество цинка и олова). Древние пушечные бронзы, возможно, возникли случайно путем смешивания меди и других элементов. Свинец добавлялся в сплавы в определенном количестве (обычно, при литье).

В составе 40% римских сплавов содержался, по крайней мере, 5%-й цинк. Распределение цинка во всех римских сплавах является довольно ровным и колеблется от 5 до 25%. Содержание цинка в сплавах меняется в зависимости от периода времени. Цинк взаимосвязан (обратно пропорционально) с оловом. Латунь могла содержать 15% цинка и более. Этот сплав в то время производился методом цементирования (Craddock 1978), который мог довести максимальное содержание цинка в сплаве до 28%.

Олово встречается в римских сплавах чаще, чем цинк (в 54% сплавов содержится более, чем 5% олова). Распределение содержания олова в сплаве является отчетливо бимодальным, с одной вершиной около ноля (латунь или менее чистая медь) и другой вершиной в 8-10%. Существовало небольшое количество сплавов с относительно высоким содержанием олова (более 16%).

Свинец менее всего был распространен среди легирующих элементов в римских медных сплавах (только в 25% всех римских образцов было больше 1% свинца). Кроме того распределение свинца в сплаве логарифмическое (только в 15% сплавов было более 9% свинца). У большинства римских сплавов относительно низкие уровни свинца, даже при том, что 63% изделий из сплавов (где метод изготовления определен) были отлиты.

Усредненный состав сплавов

  Цинк Олово Свинец
Литьё 5,4% 6,6% 6,7%
Ковка 7,3% 4,7% 9,7%

Источник:

Smythe (1938) заметил, что свинец был найден в большем количестве в предметах, полученных литьем, нежели ковкой. У небольшого количества проанализированных образцов содержание свинца было чрезвычайно высоким (20% и больше). Такие сплавы в настоящее время не используются из-за плохих механических показателей. Они могли бы подойти лишь для отливки декоративных элементов, на которые не приходились бы механические нагрузки. Свинец всегда присутствует в сплаве в качестве дисперсных частиц, но при его высоких концентрациях в итоге в сплаве может оказаться меньше меди, нежели свинца. Это вызвано тем, что растворимость свинца в меди, цинке и в латуни низкая, что в свою очередь является причиной значительной склонности свинца к ликвации в сплавах с медью. Точная оценка свинцового содержания в артефактах может быть получена путем полного химического анализа.

Широкое использование бронзы в древности связано с легкостью выплавки олова из основной оловянной руды – касситерита и возможностью получения сплавов с требуемыми свойствами при его прямом дозированном сплавлении с медью [Галибин В.А. 1990. Древние сплавы на медной основе//Древние памятники Кубани. Краснодар. С 180, 181].

J.A. Charles высказал мнение, что основным способом получения бронзы в древности была цементация, т.е. восстановление касситерита, являющегося по своей химической природе диоксидом олова, древесным углем на поверхности расплавленной меди с одновременным насыщением ее оловом [Charles J.A. 1979. The development of the usage of tin and tin-bronze some problems//The search for ancient tin. Ed. by A.D.Franklin et al. Smitsonian Institution Press. Washington. P. 25-32]. Он пришел к такому выводу на основании относительной редкости находок оловянных предметов, растворения олова в меди во время процесса его образования, т.е. его ухода из зоны реакции, что в свою очередь способствует более полному и легкому протеканию реакции восстановления касситерита. Было отмечено, что реакция восстановления диоксида олова протекает с большим поглощением тепла, вследствие чего для поддержания хода процесса требуется более высокая, чем для начала самой реакции, температура топочных газов. Цементация позволяет проводить этот процесс при более низких температурах.

Установление оптимального состава бронз для литья предметов различного назначения началось в древние времена.

Для изготовления режущего и колющего оружия применяли бронзу с высоким содержанием олова (в большинстве случаев 13—15% Sn).

Для литья таких предметов, как кольца, браслеты, монеты, от которых требовалось высокое сопротивление изнашиванию от истирания, применяли бронзу с 8—12% Sn. Кроме достаточно высокой твердости и вязкости, эти бронзы имеют красивый цвет: с 8% Sn — красновато-желтый; с 10% Sn — оранжево-желтый; с 14% Sn — желтый. Полированные бронзы этого состава по цвету и блеску напоминали золото.

Позднее при изготовлении бронзовых кованых полос для метательных машин («катапульт»), от которых требовалась особенно высокая упругость, Филон Византийский советовал применять бронзу с содержанием 3—4% Sn (Сучков Д.И. Медь и ее сплавы. М., 1967. С. 151).

Д.И. Сучков также отмечает, что отливка сложных по форме металлических предметов, как например статуй, начиналась с изготовления модели. Эта модель состояла из нескольких отдельных гипсовых кусков, каждый из них представлял как бы вдавленный оттиск той или иной части поверхности намечаемого к отливке предмета. Такие гипсовые части собирались в одну модель, которая или заливалась воском или при отливке пустотелых предметов покрывалась слоем воска толщиной, равной толщине стенок будущего литого изделия.

Изнутри полую восковую модель заливали глиной. После затвердевания и высыхания этот внутренний глиняный слой играл роль стержня или «шишки». Изготовленную таким образом восковую модель вынимали из формы, покрывали слоем глины, высушивали. После высушивания прокаливали, при этом воск вытекал, образовавшуюся внутри формы полость заполняли расплавленным металлом. После затвердевания и остывания глиняная форма разбивалась, внутреннее заполнение («шишка») часто оставалось у древних египетских литейщиков неудаленным. Особо сложные и крупные отливки отливали по частям, а потом соединяли их в одно целое (Там же. С. 104–105).

Согласно А.Н. Егорькову, если рассматривать цементацию, как способ получения латуни, то нужно отметить, что смитсонит (рудный карбонат цинка) с медью смешивали, а не вели процесс восстановления на поверхности меди, как в случае получения оловянной бронзы. При достижении нужной температуры происходит восстановление цинка, который частично стекает вниз, растворяя и увлекая часть меди с собой, а частично сам насыщает медь, снижая температуру ее плавления. В системе жидкость-твердое тело массообмен происходит гораздо более интенсивно, чем в системе газ-твердое тело, и такой процесс не занимает много времени. Концентрация меди в цинке на дне тигля нарастает из-за просадки слоя вследствие выгорания угля. До кипения цинка не доходит, поскольку вследствие эбулиоскопического эффекта от растворения меди температура кипения цинка по мере растворения в нем меди повышается. При дальнейшем увеличении температуры медь полностью расплавляется и стекает на дно тигля, образуя однородную латунь. Решающую роль для получения высокого содержания цинка в меди играет правильный подбор крупности кусков меди и высоты слоя шихты. Во избежание выброса шихты из тигля от возгонки оксида цинка куски меди не могут быть слишком мелкими, в то время как при повышенной их крупности происходит проскок паров оксида цинка, приводящий к потере цинка и снижению его содержания в конечной латуни. К этому же приводит и избыток взятой в цементацию меди. Существование оптимального размера кусков меди приводит к появлению экстремума у зависимости содержания цинка от размера кусков меди, который и представляет собой тот самый цементационный предел, оцениваемый Craddock в 28% [Craddock 1978: 14].

J. Вау1eу указывает, что большие серии анализов римского металла позволили установить, что в III-IV вв. н.э. производство высококачественной латуни пришло в упадок: свежий металл с большим содержанием цинка перестал поступать на рынки ювелирного сырья (Вау1eу J. The production of brass in antiquity with particular reference to Roman Britain // 2000 Years of Zinc and Brass. British Museum Occasional Paper No.50. London, 1996. P. 7-21).

Smythe (1938) и Craddock (1975) показали, что некоторые из легирующих элементов в римских медных сплавах были взаимосвязаны. В частности олово и цинк были обратно пропорциональны друг другу. Поэтому важно исследовать взаимосвязи между оловом, цинком и свинцом. Craddock (1975) и Caple (1986) достигли этого посредством двухмерного графика цинка и олова.

Чтобы исследовать отношения между элементами сплава, и идентифицировать вершины и впадины в распределении типов сплавов нужно использовать трехмерный график. Две горизонтальных оси показывают содержание цинка и олова, в то время как вертикальная ось показывает частоту фиксации типа сплава.

 

Трехмерный график цинка и олова в римских сплавах Рис. 1
Трехмерный график цинка и олова в римских сплавах.

Источник: Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 96.

 

На рисунке 1 две главные вершины: одна вокруг 8% олова (с цинком приближающийся к нулю) и вторая вокруг 18% цинка (с оловом приближающийся к нулю). Эти две вершины для бронзы и латуни. Можно заметить, что изделия из бронзы были более обычными, чем из латуни.

Существуют сплавы, так называемые пушечные бронзы (гунметаллы), которые содержат цинк и олово. Смесь бронзы и латуни в определенных пропорциях приводят к получению подобных сплавов. В рассматриваемый период латунь в основном встречается в смеси с бронзой, так как было зафиксировано почти полное отсутствие сплавов, содержащих умеренное количество цинка — 5-15% и олово.

Третья (меньшая) вершина может также быть замечена вокруг 2%-го олова (цинк приближается к нулю). Этот металл – технически является бронзой (единственный легирующий элемент — олово), в которой содержание олова мало. Но этот сплав не имеет розовато-коричневого цвета нормальной бронзы, но больше походит на цвет чистой меди. Этот сплав носит название «более или менее чистая медь» или просто «медь».

3 D диаграмма позволяет идентифицировать тип сплава (латунь, бронза, пушечная бронза (гунметалл), и «медь»). Границы между этими четырьмя типами сплавов установить достаточно сложно. Границы между этими сплавами можно отобразить на двухмерном графике цинка и олова (рис. 2). Соотношения между этими сплавами можно показать на столбцовой диаграмме (рис. 3).

 

Границы сплавов по содержанию цинк-олово Рис. 2
Границы сплавов по содержанию цинк-олово.

Источник: Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 97.

 

Каждый из четырех типов сплава может теперь быть разделен на две группы: с содержанием свинца и без содержания свинца.

 

Соотношения между этими сплавами Рис. 3
Соотношения между этими сплавами.

Источник: Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 98.

 

Трехмерная диаграмма (рис. 1) не может показать соотношения между тремя элементами сплава одновременно. Чтобы исследовать отношения между цинком, оловом и свинцом можно нарисовать диаграмму для сплавов без свинца (рис. 4) и для свинцово-содержащих сплавов (рис. 5). Сплавы без свинца — латунь и «медь». Эти два сплава часто используются для изготовления листов и проволоки, где свинцовый сплав был бы неподходящим. Бронза и пушечная бронза — самые общие типы сплава для сплавов со свинцом. Пушечные бронзы обычно формируются в результате переработки металлолома и свинец часто добавлялся во время рециркуляции.

 

Содержание цинка и олово в сплавах, не содержащих свинца Рис. 4
Содержание цинка и олово в сплавах, не содержащих свинца.

Источник: Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 99.

 

Содержание цинка и олово в сплавах, содержащих свинец Рис. 5
Содержание цинка и олово в сплавах, содержащих свинец.

Источник: Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 99.

 

Трехмерные диаграммы, показывая распределение типов сплава, могут сведены в диаграммы.

 

Диаграмма сплавов, содержащих и не содержащих свинец Рис. 6
Диаграмма сплавов, содержащих и не содержащих свинец.

Источник: Dungworth D.B. Iron age and roman copper alloys from northern Britain. University of Durham, 1995. Р. 100.

 

Римские сплавы «относительно чисты» по сравнению со сплавами Железного века. В них уровни примесей ниже. Современные сплавы обычно «очень чисты» (особенно, если они должны использоваться для электрики). Умеренные уровни примесей могли приводить даже к желательным результатам, в первую очередь при изготовлении ювелирных изделий (например, достижению нужного цвета или механических свойств). Низкие уровни примесей могли быть доступны при плавке при высоких температурах, повторного плавления и др. Но подобные действия могли приводить и к потерям меди.

Из примесей только железо регулярно обнаруживалось во всех римских сплавах, причем зависело от источника цинка, если источником был ZnS – железа было меньше, если — ZnCO3 — больше. В сплавах не был обнаружен кобальт.

Никель содержался римских сплавах, хотя и в меньшей степени, нежели в сплавах Железного века (никель был обнаружен в четверти сплавов Железного века и только в 10% римских сплавов).

Мышьяк был обнаружен только в 15% всех римских сплавов.

Таким образом, исследования доказывают, что бронза была самым распространенным сплавом, латунь же использовалась гораздо реже.

Литература

Beck, F., Menu, M., Bethoud, T., & Hurtel, L-P. 1985 «Metallurgie des bronzes», in J. Hours (ed) Recherches gallo-romaines I, 69-139. Paris: Laboratoire de Recherches de Musees de France.
Birley, A. 1979 The People of Roman Britain. London: Batsford.
Birley, A.R. 1974 Vindolanda. London: Thames & Hudson.
Bradley, R. 1990 The Passage of Arms. Cambridge: Cambridge University Press.
Braund, D.C. 1984 Rome and the Friendly King: the character of client kingship.
Caple, C. 1986 An Analytical Appraisal of Copper Alloy Pin Production: 400-1600 AD. Unpublished PhD thesis, University of Bradford.
Caple, C. 1991 «The detection and definition of an industry: the English Medieval and Post-Medieval pin industry», ArchaeologicalJournal, volume 148, 241-255.
Caple C. forthcoming «Copper Alloy Compositions».
Carradice, I. & Cowell, M. 1987 «Minting of Roman Imperial Bronze coins for circulation in the East: Vespasian to Trajan», Numismatic Chronicle, volume 147, 26-50.
Carter, G.F 1966 «Analysis of copper and brass coins of the early Roman empire», Science, volume 151, number 3707, 196-7.
Craddock, P.T. 1975 The Composition of Copper Alloys in the Classical World, unpublished PhD thesis, University of London.
Craddock, P.T. 1978 «The composition of the Copper Alloys used by the Greek, Etruscan and Roman Civilisations 3: The origins and early use of brass», Journal of Archaeological Science, volume 5, 1-16.
Craddock, P.T. 1986, «Three thousand years of copper alloys: from the Bronze Age to the Industrial Revolution», in (eds) P. England and L. van Zelst Application of science in examination of works of art, 55-67. Boston.
Craddock, P.T. forthcoming (with contributions from A.R. Giumlia-Mair) A Survey of Roman Non-Ferrous Metallurgy. London: British Museum Press.
Craddock, P.T. & Meeks N.D. 1987 «Iron in ancient copper» Archaeometty, volume 29, 187-204.
Picon, M., Condamin, J. & Boucher, S. 1966 «Recherches techniques sur les bronzes de la Gaule romaine. r, Gallia, volume XXIV, 189-215.
Picon, M., Condamin, J. & Boucher, S. 1967 «Recherches techniques sur les bronzes de la Gaule romaine: IT, Gallia, volume XXV, 153-168.
Picon, M., Condamin, J. & Boucher, S. 1968 «Recherches techniques sur les bronzes de la Gaule romaine. IIT, Gallia, volume XXVI, 245-278.
Riederer, J. 1974a «Metallanalysen rOmischer Sesterzen», Jahrbuchflir Numismatik und Geldgeschichte, volume 24, 73-98.
Riederer, J. 1974b «ROmische Nahnadeln», Technikgeschichte, volume 41, number 2, 153-172.
Riederer, J. & Briese, E. 1974 «Metallanalysen rOmischer Gebrauchsgegenstande
Smythe, J.A. 1938 «Roman objects of copper and iron from the north of England», Proceedings of the University of Durham Philosophical Society, volume 9, 382-405.

Источник:

Дрязгунов К. В.
Специально для проекта «Римская Слава».
Использование данного произведения возможно только с письменного разрешения автора.

 
© 2006 – 2017 Проект «Римская Слава»