1. Метал - речовина з унікальними властивостями.
Протягом тривалого часу, незважаючи на велику кількість альтернатив, метал залишається одним з найбільш широко вживаних матеріалів у всіх сферах діяльності людини. Метал використовують як в побуті (посуд, інструмент та ін) так і у виробництві високотехнологічних виробів (від автомобіля до космічного обладнання).
Чому ж людство з давніх часів залишається вірним металу? Відповідь проста: метали мають унікальні властивості, що роблять можливим їх застосування в будь-якій сфері виробництва та побуту.
Основні властивості та різновиди металів:
Метали вельми поширені в природі і зустрічаються у вигляді різних сполук у надрах землі, водах річок, озер, морів, океанів, сполуках тіл тварин, рослин і навіть в атмосфері.
За своїми властивостями метали різко відрізняються від неметалів. Уперше це розходження металів і неметалів визначив М. В. Ломоносов. «Метали, - писав він, - тіла тверді, ковкі блискучі».
Зараховуючи той чи інший елемент до розряду металів, ми маємо на увазі наявність у нього певного комплексу властивостей:
Щільна кристалічна структура.
Характерний металевий блиск.
Висока теплопровідність і електрична провідність.
Зменшення електричної провідності із зростанням температури.
Низькі значення потенціалу іонізації, тобто здатність легко віддавати електрони.
Ковкість і тягучість.
Здатність до утворення сплавів.
Усі метали і сплави, застосовувані в даний час у техніку, можна розділити на дві основні групи. До першої з них відносять чорні метали - залізо і весь його сплави, в яких воно складає основну частину. Цими сплавами є чавуни і сталі. У техніці часто використовують так звані леговані сталі. До них відносяться сталі, що містять хром, нікель, вольфрам, молібден, ванадій, кобальт, титан і інші метали. Іноді в леговані сталі входять 5-6 різних металів. Методом легування одержують різні коштовні сталі, що володіють в одних випадках підвищеною міцністю, в інших - високою опірністю до стирання, в третіх - корозійною стійкістю, тобто здатністю не руйнуватися під дією зовнішнього середовища.
До другої групи відносять кольорові метали та їх сплави. Вони одержали таку назву тому, що мають різне забарвлення. Наприклад, мідь світло-червона, нікель, олово, срібло - білі, свинець - блакитно-білий, золото-жовте. Зі сплавів у практиці знайшли велике застосування: бронза - сплав міді з оловом і іншими металами, латунь - сплав міді з цинком, бабіт - сплав олова з сурмою і міддю й ін
Цей розподіл на чорні і кольорові метали умовно.
Поряд з чорними і кольоровими металами виділяють ще групу благородних металів: срібло, золото, платину, рутеній і деякі інші. Вони названі так тому, що практично не окисляються на повітрі навіть при підвищеній температурі і не руйнуються при дії на них розчинів кислот і лугів.
Фізичні властивості металів:
З зовнішньої сторони метали, як відомо, характеризуються насамперед особливим «металевим» блиском, що обумовлюється їх здатністю сильно відбивати промені світла. Однак цей блиск спостерігається звичайно тільки в тому випадку, коли метал утворює суцільну компактну масу. Правда, магній і алюміній зберігають свій блиск, навіть будучи перетвореними в порошок, але більшість металів у мелкораздробленном вигляді має чорний або темно-сірий колір. Потім типові метали володіють високою тепло-і електропровідністю, причому по здатності проводити тепло і струм розташовуються в одному і тому ж порядку: кращі провідники - срібло і мідь, гірші - свинець і ртуть. З підвищенням температури електропровідність падає, при зниженні температури, навпаки, збільшується.
Дуже важливою рисою металів є їх порівняно легка механічна деформованість. Метали пластичні, вони добре куються, витягаються в дріт, прокочуються в листи і т.п.
Характерні фізичні властивості металів знаходяться в зв'язку з особливостями їхньої внутрішньої структури. Відповідно до сучасних поглядів, кристали металів складаються з позитивно заряджених іонів і вільних електронів, відщепилися від відповідних атомів. Весь кристал можна собі уявити у вигляді просторової решітки, вузли якої зайняті іонами, а в проміжках між іонами знаходяться легкорухливі електрони. Ці електрони постійно переходять від одних атомів до іншим і обертаються навколо ядра то одного, то іншого атома. Тому що електрони не зв'язані з визначеними іонами, те вже під впливом невеликої різниці потенціалів вони починають переміщатися в певному напрямі, тобто виникає електричний струм.
Наявністю вільних електронів обумовлюється і висока теплопровідність металів. Перебуваючи в безперервному русі, електрони постійно зіштовхуються з іонами й обмінюються з ними енергією. Тому коливання іонів, що посилилися в даній частині металу внаслідок нагрівання, зараз же передаються сусіднім іонам, від них - наступним і т.д., і тепловий стан металу швидко вирівнюється; вся маса металу приймає однакову температуру.
За щільністю метали умовно поділяються на дві великі групи: легкі метали, щільність яких не більше 5 г/см3, і важкі метали - всі інші.
Хімічні властивості металів:
Основною хімічною властивістю металів є здатність їх атомів легко віддавати свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові метали ніколи не приєднують електронів; їхні іони завжди заряджені позитивно.
Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали є енергійними відновниками.
Здатність до віддачі електронів виявляється в окремих металів далеко не однаковою мірою. Чим легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим енергійніше вступає у взаємодію з іншими речовинами.
2.Історія відкриття металів і появи поняття «металу».
Термін «метал» походить від грецького слова métallion (від metalléüõ - викопую, добуваю з землі), яке означало спочатку копальні, рудники (в цьому сенсі воно зустрічається в Геродота, 5 століття до нашої ери). Те, що видобувалося в рудниках, Платон називав mettaléia. В давнину і в середні століття вважалося, що існує тільки сім металів: золото, срібло, мідь, олово, свинець, залізо, ртуть. За алхимическим уявленням, метали зароджувалися в земних надрах під впливом променів планет і поступово, вкрай повільно вдосконалювалися, перетворюючись на срібло і золото. Алхіміки вважали, що метали - речовини складні, що складаються з «початку металевості» (ртуті) і «початку горючості» (сірки). На початку 18 століття набула поширення гіпотеза, згідно з якою метали складаються з землі і «початку горючості» - флогістону. М.В. Ломоносов налічував шість металів (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) і визначав метал як «світле тіло, яке кувати можна». В кінці 18 століття А.Л. Лавуазьє спростував гіпотезу флогістону і показав, що метали - прості речовини. У 1789 році Лавуазьє в керівництві з хімії дав список простих речовин, до якої включив усі відомі тоді сімнадцять металів (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). У міру розвитку методів хімічного дослідження число відомих металів зростала. У першій половині 19 століття були відкриті супутники Pt, отримані шляхом електролізу деякі лужні і лужноземельні метали, покладено початок розділенню рідкоземельних металів, відкриті невідомі метали при хімічному аналізі мінералів. У 1860-1863 роках методом спектрального аналізу були відкриті Cs, Rb, Tl, In. Блискуче підтвердилося існування металів, передбачених Д.І. Менделєєвим на основі його періодичного закону. Відкриття радіоактивності в кінці 19 століття спричинило за собою пошуки природних радіоактивних металів, увінчалися повним успіхом. Нарешті, методом ядерних перетворень починаючи з середини 20 століття були штучно отримані радіоактивні метали, зокрема трансуранові елементи.
В кінці 19 - початку 20 століть отримала фізико-хімічну основу металургія - наука про виробництво металів з природної сировини. Тоді ж почалося дослідження властивостей металів та їх сплавів у залежності від складу і будови.
Поліметалічних руда
3.СПОСОБИ виготовлення виробів з металів, їх історія і зв'язок з мистецтвом
А. Кування
Кування - один зі способів обробки металів під тиском, при якому інструмент надає багаторазове переривчасте вплив на заготовку, у результаті чого вона, деформуючись, поступово набуває задану форму і розміри.
З давнини ковка (міді, самородного заліза) служила одним з основних способів обробки металу (холодна, а потім гаряча ковка в Ірані, Месопотамії, Єгипті в 4-3 тис. роках та нашої ери; холодна ковка в індіанців Північної і Південної Америки до 16 століття нашої ери). Стародавні металурги Європи, Азії та Африки кували сиродутноє залізо, мідь, срібло та золото; ковалі користувалися особливою пошаною в народів давнини, а їх мистецтво оточувалось легендами. У середні століття, в тому числі і в Росії, ковальська справа досягла високого рівня: вручну виковували холодна і вогнепальна зброя, інструменти, деталі сільськогосподарських знарядь, дверей і скринь, грати, світильники, замки, годинники та інші вироби всіляких форм і розмірів, часто з найтоншими деталями; ковані вироби прикрашалися насічкою, просічно або рельєфним візерунком, розплющеними в найтонший шар листами сусального золота та бронзовою поталу. Традиції середньовічного ремесла збереглися в народному мистецтві до 19 століття (светци, гаки, і тощо). У 15-19 століттях виконані багато чудових ковані ліхтарі, огорожі, грати, ворота (Версаль, Петербург, Царське Село). Багато міст спеціалізувалися в різних галузях ковальського ремесла: Герат, Мосул славилися начинням, Дамаск, Мілан, Аугсбург, Астрахань, Тула - зброєю, Нотіннгем, Золинген, Павлово на Оці - ножами й інструментами, Нюрнберг, Холмогори - замками і т.д. У 19 столітті ручне кування була витіснена штампуванням і литтям, інтерес до неї відродився в 20 столітті.
Московське кування XIX століття «Шапка еріхонская», 1621 р, Росія
Кований декор Весмінстерского абатства, Лондон
Скіфія. Меч із украшенниміножнамі.
Середина IV в. до н.е
Основи теорії кування були розроблені в Росії: П.П. Аносов в 1831 вперше застосував мікроскоп для вивчення структури металів; Д.К. Чернов в 1868 науково обгрунтував режими кування; Великий внесок у теорію кування зробили радянські вчені М. С. Курнаков, К.Ф. Грачов, С.І. Губкін, К.Ф. Неймайера та ін
Ковку, як правило, виробляють при нагріванні металу до кувальної температури з метою підвищення його пластичності і зниження опору деформуванню. Температурний інтервал кування залежить від хімічного складу і структури оброблюваного металу, а також від виду операції або переходу. Для сталі температурний інтервал 800 - 1100 градусів Цельсія, для алюмінієвих сплавів 420-480 градусів Цельсія.
Розрізняють ковку в штампах і без застосування штампів - вільну ковку. При куванні в штампах метал обмежений з усіх сторін стінками робочої порожнини штампа і при деформації набуває форму, відповідну цієї порожнини. При вільному куванні метал не обмежений зовсім або обмежений з однієї сторони. При ручному куванні кувалдою або молотом впливають безпосередньо на метал або на інструмент. Машинну ковку виконують на спеціальному обладнанні - молотах з масою падаючих частин від 1 до 5000 кг або гідравлічних пресах, розвиваючих зусилля 2-200 Мн., А також на кувальних машинах. Виготовляють поковки масою 100 тонн і більше. Для маніпулювання з важкими заготовками при куванні використовують підйомні крани вантажопідйомністю до 350 тонн, кантувателі і спеціальні маніпулятори. Вільну ковку застосовують також для поліпшення якості й структури металу. При проковки метал упрочняестся, заварюються несуцільності і размельчаются великі кристали, у результаті чого структура стає дрібнозернистою, набуває волокнисту будову.
При куванні використовують набір ковальського інструмента, за допомогою якого заготовкам надають необхідну форму і розміри. Основні операції ковки: осаду, висадка, протяжка, обкатка, розкочування, прошивання та ін
Кування є одним з економічних способів отримання заготовок деталей.
Б. Лиття.
Лиття - технологічний процес виготовлення відливок, що полягає в заповненні форм розплавленим матеріалом і подальшій обробці отриманих виробів.
Трохи про литво:
Сім найбільш відомих шедеврів древніх культур названі чудесами світу. Два з них є виливками. Це Колос Родоський роботи Хареса з Ліндос (бронза, 292-280 рр.. До н. Е..) (Рис. 1) і статуя Зевса Олімпійського в храмі Зевса в Олімпії роботи Фідія (золото, 430 р. до н. Е..). За деякими даними вони отримані хрісоелефантійскім способом.
Праця ливарника, що виготовляє унікальну виливок, за своїм характером творчий. Більшою мірою це стосується до відливок, що відрізняється якимись особливими властивостями, розмірами або віртуозністю техніки їх лиття. Таким виливкам присвоюється титул "цар".
Знаменитий Цар-дзвін Московського Кремля, найбільший із дзвонів коли-небудь існували у світі, відлитий у 1733 - 1735 рр.. з бронзи і важить 200 т. Найбільша гармата в світі - Цар-гармата, відлита в 1586 р., важить 40 т, її калібр 890 мм.
Геродот у главі 81 четвертої книги писав, що один з царів Скіфії вирішив визначити, скільки скіфів живе на світі, і наказав кожному з них принести по одному бронзовому наконечнику стріли. З цих стріл був відлитий величезний казан. Діаметр скіфського паритотла становив 2,5 м, а висота - близько 3 м, маса перевищувала 10 т. Котел був прикрашений характерним орнаментом, литими фігурками тварин.
Найдавнішою відливанням, удостоєної титулу "цар", на думку А. М. Петриченко, є 100-тонний чавунний цар-лев, відлитий в 954 р., його висота 5,5 м, довжина більше 5 м (Китай). Між ніг цієї фігури вільно проїжджає коня з возом. Відливання пустотіла, покоїться на плиті, в даний час глибоко осіла в грунт.
У XIV ст. в Японії було відлито цар-чайник з 3 частин: кришки, ручки і самого судини масою 16 т. А ще в 749 р. було відлито статую Будди масою 250 т (разом з цоколем 380 т), довжина долоні - 3 м. У 1987 р. на озері Тадзаво на північ від Токіо встановлена найвища статуя богині милосердя Канной висотою 133 м.
Найбільшою цар - виливком є литий Шабот молота масою понад 650 т, виготовлений в 1875 р. в м. Перм. Для встановлення литої форми потрібен кесон глибиною 40 м. Навколо було розміщено 20 великих вагранок. Заливка тривала 3 год, остигання металу - більше 4 місяців.
Першими металами, з якими мав справу людина, були самородні мідь і золото. Цьому сприяло те, що вони легко здобувалися у вигляді самородків і розсипів, мали невисоку, трохи більше 1000 ° С, температуру плавлення і брали необхідну форму з використанням методу холодної деформації і лиття. Першими виливками були художні вироби з золота у вигляді різних прикрас і предметів релігійного культу. Таким чином, можна припустити, що ливарне виробництво почалося з художнього лиття.
У різних народів зародження художнього лиття припадало на різні часи. У багатьох воно було самобутнім, інші ж досвід запозичували. Думки істориків і археологів про початок виробництва литих виробів розходяться. А. М. Петриченко вважає, що вперше фасонне лиття з'явилося в IV - III тисячоліттях до н. е.. одночасно в Єгипті, Дворіччя, Індії, Південної Туркменії, Закавказзі, Молдові, Південно-Західної України, Середньої Азії та інших місцях. У джерелах вказується на дані археологічних досліджень, з яких випливає, що в Єгипті виробляти художні виливки із золота почали за 12 тисяч років до н. е.. Вироби з золота, які відносяться до IV тисячоліття до н. е.., знайдені в Південній Месопотамії, в долині Нілу, у Малій та Середній Азії. На Алтаї золото почали добувати і переробляти за 4,5 тисячі років до н. е.. На Кавказі золоті вироби виготовлялися за 3 тисячі років до н. е..
Про високу майстерність і художній смак майстрів Шумера свідчить лита голова бика із золота з інкрустацією, виготовлена в VI ст. до н. е.. Єгиптяни почали відливати мідні вироби раніше інших народів.
Історики вважають, що колосальні масштаби будівництва з каменю пірамід стали можливі лише завдяки широкому застосуванню мідних знарядь та інструментів. На розпису гробниці у Фівах XVI - V ст. до н. е.. зображені прості прийоми роботи древніх ливарників (рис. 2). У той час єгипетські ливарники вже вміли отримувати складні порожнисті виливки з використанням ливарних стрижнів або воскових виплавлюваних моделей. Так що правомірно вважати Африку тією частиною світу, де вперше зародилося ливарне ремесло, в тому числі ремісниче виробництво художнього лиття.
Срібло на відміну від золота рідко зустрічається у вигляді самородків, тому використовувати його стали пізніше, ніж золото. Сама рання розробка руд та видобуток срібла у великих масштабах почалася в IV ст. до н. е.. у східній частині Азії, пізніше у Вірменії та Греції.
З середини III ст. до н. е.. в Месопотамії, а з II ст. до н. е.. в Єгипті слідом за примітивною технікою лиття у відкриті форми з'явилося лиття бронзи в роз'ємні закриті форми з глини, в яких відливалися дрібні частини ланцюжків, браслетів та ін Ці виливки потім скріплювалися оловом і карбувалися.
У Греції в V - IV ст. до н. е.. для відливання великих бронзових статуй застосовувалося лиття "по втраченому воску". При цьому способі, який до наших днів є основним для бронзової монументальної і кабінетної скульптури, остаточна обробка фігур здійснюється по нанесеному на них воску.
Особливого розквіту лиття досягло в епоху Відродження (XIV - XVI ст.) У багатьох країнах Європи, в тому числі і в Росії. Введена Бенвенуто Челліні (1500 - 1571) для лиття великих скульптур технологія кусковий формування дозволяла отримувати по кілька точних виливків з однієї моделі (метод "втраченого воску" - тільки один виливок), з яких, втім, було потрібно видаляти карбуванням сліди від стиків окремих шматків форми.Со другої третини XIX ст. наступає занепад виробництва художньої бронзи. Заради здешевлення побутових виробів починають застосовувати низькосортні мідні сплави, гальванічні покриття дорогоцінними металами, механічні способи обробки (штампування, накатка та ін.)
Нове художнє осмислення бронза отримує в останнє десятиліття XIX ст. і на початку XX ст. у творчості імпресіоністів (О. Роден, П. П. Трубецькой, А. С. Голубкіна та ін.)
У країнах Європи виливки з чавуну почали виготовляти приблизно в XIV ст. з появою доменних печей. У Китаї чавун відомий з VI ст. до н. е.. У 954 р. було відлито постать лева масою близько 100 т. У ті часи в Китаї існували лише невеликі одноформенние вагранки для плавки чавуну. Вони і були використані при виплавці металу для цієї гігантської фігури. Від кожної печі по невеликому каналу випускався метал, до нього в міру наближення до форми приєднувалися струмочки від печей, розташованих по шляху до форми. На старовинному китайському малюнку (рис. 3) показано, як відбувалася заливка подібних форм. Про те, що саме таким способом відливали лева, свідчить пристрій чаші у вигляді, яка так і залишилася на литві. Можливо, чавун у неї наливали з ручних ковшів, приносячи їх з печей, встановлених далі зони чавунних потічків.
Значний розвиток чавунне лиття отримало в Німеччині, Франції і Росії (на Каслінское, Кам'янському, Верх-Исетском, Ушвінском заводах).
В даний час для художніх виливків використовуються практично всі широко вживані сплави - благородні метали і сплави, сплави на основі заліза, міді, алюмінію, цинку, легкоплавкі сплави, при цьому застосовуються різноманітні способи виготовлення форм, починаючи від одноразових піщано-глинистих і закінчуючи повторного використання металевими формами
Перша чверть XV ст. Москва. Належала Ікона «Господь Вседержитель». ігумена Никона. Срібло, лиття, гравірування Мідний сплав, лиття. XIX ст. золочення. 13.3x9.5 див.
В. Карбування
Карбування - 1) отримання рельєфних зображень на листовому металі; виконується ударами особливим молотком по карбувалися. Така карбування, що є одним з найдавніших видів мистецтв, обробки металу, ведеться по поверхні металевого листа, покладеного на еластичну підкладку з особливої смоли, в основному по лицьовій стороні. 2) отримання рельєфних зображень на поверхні монет, медалей і т.п. Проводиться сильними ударами від руки або на пресі сталевими штемпелями - на яких зроблені поглиблені зображення і написи.
Чаша. Грузія, чеканка. Початок XIX століття
Щит
Майстерня Йорга Зігман. Німеччина, Аугсбург. Середина 16 ст.
Мідь; золочення, рельєфна чеканка.Ермітаж.