1

FÉMEK ÉS ÉRCEK

A fémek megismerésének kritériumai:

1. Forduljon elı termés (természetes/elemi) állapotban.2. Viszonylag gyakran megtalálható legyen ilyen módon.3. Természetes redukálószerekkel (pl. szén) viszonylag

alacsony hımérsékleten elı lehessen állítani vegyületeibıl.

Az ókorban ismert fémek - Au, Ag, Cu, Fe, Pb, Zn, Sb, As, Sn, Hg - mind ilyenek.

Nem tesznek eleget a fentieknek, épp ezért az ember csak 150-200 éve ismeri a következı fémeket: Si, Al, Ti, Ca, Mg, Ti. Annak ellenére, hogy ezek a földkéregben nagy gyakoriságúak.

2

RÉZ

A réz megismerése (K.e. 8000).Rézolvasztás (K.e. 6000, Egyiptom, Közel-Kelet).Földkéregbeli átlag: 62 ppm.Termésállapotban nem ritka. Változatos vegyületek

voltak ércei (idısorrendben): karbonátok (malachit, azurit), oxidok (kuprit, tenorit), szulfidok (kalkozin, bornit, tetraedrit-tennantit, covellin, kalkopirit).

Rézötvözetek, melyeket elsıként a felhasznált ércek elemösszetétele szabott meg (As, Sb, Zn, Sn, Pb, Ag).

Elsı tudatos bronzok, Irán (K.e. 4000). Híres rézbányák (idırendben): Egyiptom, Ciprus,

Anatólia, Görögország, Liguria, Felsı-tó (USA).

3

A réz kohászatának kezdeteiKr.e. 7000-6500 Catal Hüyük (Anatólia) – oxidos rézérc redukáló olvasztása

Kr.e. 3800 Tepe Jahja (Irán) - As-tartalmú réz elıállítása

A réztárgyak elterjedése Kr.e. 3500 körül.

A sőrőn pöttyözött terület a legkorábbi (Kr. e. 6000 körüli) rézleletek zónáját

mutatja, a piros pontok az ismert korai rézbányákat jelölik.

A rézkohászat ércei és módszere

A réz színülése faszenes

redukcióval: kb. 800°C

Szulfidos ércek: pörköléssel oxiddá

alakítás (<800°C)

Vasoxid eltávolítása:

kvarchomok adalékolás

4

Rézbányák

Ciprus

Wales

Rézkohó maradványa

Bronzkori rézbányászat és fémmővességi központok a Kárpát-medencében

5

Rézásványok

termésrézkalkopirit

malachit azurit

sárgaréz edény

rézszerszámok

6

BRONZ

Réznek más fémekkel alkotott ötvözetei - széles kémiai helyettesítések.

Az összetétel elıször az érc kémiai komponenseitıl függött (fakóércek, Cu-Zn-Sb-tartalmú karbonátok).

Elsı tudatos bronzkészítés: Cu-Snötvözet (K.e. 3000, Irán; Úr város, Mezopotámia).

Nagy bronz manufaktúrák: K.e. 2500-1500, Mediterráneum (Anatólia, Ciprus, Jordánia, Izrael).

Arzénbronz, ónbronz (klasszikus bronz), antimonbronz.

A réz és a rézötvözetek jellegzetes tulajdonságai.

A vas kiszorítja a bronzot K.e. 1000 körül.

7

Szöveti-szerkezeti megfigyelések: bronzöntvények

Kosd, MNM 46.1951.372

Mikroszkópi kép sósavvalsavanyított alkoholos FeCl3oldattal való étetés után:Sn-bronz meghatározása

Reflexiós mikroszkópi kép

200 µm

Pásztázó elektronmikroszkópvisszaszórt elektronképe.Dendrites öntvényszövet, avilágosabb részek nagyobbSn-tartalmúak.

A leggyakrabban tapasztaltszöveti típusok

Dendrites

Cellás

Pecsétes

Nyersanyageredet meghatározásra:Velem, Szent Vid hegy, öntılepények

Gyermely-szintHa A2

Érctípus: kalkopirites-fakóércesBi-Co-Ni

8

arzénbronz - Holt-tenger bronz - egyiptomi

tetraedrit

bronzbalta

bronzszobrok - római

9

VAS

Elsı vastárgyak meteorvasból (K.e. 5000, Egyiptom)Földkéregbeli átlag: 5,5 %. Az elsı relatíve kis olvadáspontú vasötvözetek (magas P- és S-

tartalmúak): feltehetıen Kína, K.e. 3000.Vas részleges olvasztása oxidokból: K.e. 2500 (Hettiták).

Kovácsoltvas porózus (vas és salak együtt); buca - kovácsolás

Vaseszközök elterjedése a Mediterráneumban (K.e. 1500-1000), Vaskorszak virágkora: Halstatt, etruszkok

Vas-szén ötvözet: acél - India, K.e. 600 (magas C-tartalom)dekarbonizáció, 1-2% C-tartalom, jobb acél - Kína K.e. 400; K.e.

200-100: acél elıállítása Európában

Öntöttvas (olvasztott vas) nagy kohókban: K.u. 1300-1400 körül, ebbıl jó acél: 0,2 % széntartalom

10

Vasércek

goethit meteorvas

VaskorKr.e. 2000 – 1600 „Ón-hiány” a Közel-Keleten

Hettiták – vas melléktermék oxidosrézércek kohósításakor

Bucakohászat – magasabb hımérsékletmagasabb kohókintenzív légbefúvás

Vaskohászat: Kr. e. 5.sz. görögvázafestmény

Ércek:-szulfidos érctelepek oxidációs zónája

vasgazdag, foszfor-szegény,sajátos nyomelemek

-gyepvasércekvasszegény, foszfor-gazdag

11

kis vaskohó - Trizs

Vasolvasztás - kovácsoltvas

Kohósalak

Angliai bucakohó feltárása

Salakgödrös bucakohó

-morfológiai jellemzık megfigyelésesalaklepény, habsalak – bucakohó

alján képzıdöttfolyóssalak – salakgödrös kohó

-szerkezeti jellemzıknehéz tömör salak – újrahasznosítható

(ırlés)könnyő habsalak – adalékanyag-gazdag

-összetételi jellemzıkpolarizációs mikroszkópos vizsgálatokelektronmikroszondás elemzésekröntgenpordiffrakciós vizsgálatok- szöveti „homogenitás”- kristályos-üveges fázisok aránya- alkotó elegyrészek összetétele

Következtetések: technológia, érc eredete, típusa

12

Kohósalak-típusokmorfológia Könnyő habsalak

Letenye

Folyóssalak

Imola

Salaklepény

2 cm

2 cm

1 cm

1 cm

1 cm

1 cm

Letenye

Kohósalak-típusokszövet és összetétel

Folyóssalak Salaklepény

Vázkristályos-dendrites

Vázkristályos-hintett

Agytekervényes

Tollas-dendrites

Vázkristályos-szemcsés

- wüstit: FeO

- kirschteinit: CaFeSiO4

- fayalit: Fe2SiO4

- magnetit: FeFe2O4

- kalszilit: KAlSiO4

- leucit: KAlSi2O6

Leggyakoribb

komponensek

100µm

100µm

100µm

13

Népvándorláskorivasércbányászat és vasmővesség

a Kárpát-medencében

Kr.e. VIII-VI. sz. – szkíta vasmővesség (Kárpát-medence K-i része)

Kr.e. III.sz. – „kelta ipari forradalom”

Árpád-kori kovácssalak:Balatonmagyaród - technológia

Lelıhely

Morfológia MorfometriaRekonstrukció

14

Árpád-kori kovácssalak - a nyersanyag eredete

súly% súly% súly% súly%S k.h.a. 0.008 0.007 0.01Ag 0.005 0.032 0.031 0.015Co 0.652 0.695 1.042 1.012Ni 5.23 8.334 40.732 45.296As k.h.a. k.h.a. 2.833 2.31Zn 0.034 0.02 0.032 k.h.a.Cu 1.096 1.034 0.57 0.605Mn 0.003 0.015 0.005 0.001Cd 0.627 0.225 0.005 0.016Fe 89.99 85.095 52.653 48.034P 0.012 0.007 k.h.a. k.h.a.Összeg 97.65 95.472 97.91 97.3

Fémszilánkok összetétele

A feldolgozott vasbucák nem csak gyepvasércbıl készültek, hanem

egyéb területekrıl is származott a bucák anyaga (szulfidos vasérctelepek

oxidációs zónája).

Vaseszközök

15

ÓN

Földkéregbeli átlag 2 ppm. Legfontosabb érce a kassziterit

vagy ónkı (ritkábban szulfidjai).Elsı ón színítés: K.e. 2000 körül. Az ónnak rézzel alkotott ötvözete

a bronz (K.e. 4000).Ókori ónbányák: Cornwall.

Ónkereskedelem - fıniciaiak.

Kassziterit (ónkı)

ÓLOM

Földkéregbeli átlag: 12 ppm.Szulfidos vegyületei (fıként galenit),

ritkábban karbonátja (cerusszit), szulfátja (anglesit) legfontosabb ércei.

Korán elıállították: K.e. 5000 körül (alacsony olvadáspontja miatt).

Nagyobb arányú felhasználás: Mezopotámia, Görögország, Róma.

Csıvezetékek, kerámiaipar (mázak), festékek, súlyok.

római vízvezeték

az ólom és ezüst érce

16

CINK

Földkéregbeli átlag: 94 ppm.Elsı cinkfém elıállítása: K.e. 1000(?), India,

(vagy 12. század?)K.e. 700: kétféle cinkérc Indiában: egyik

fémcink elıállítására, másik orvoslásra.Cink-ötvözetek: sárgaréz (Cu-Zn), K.e. 1400,

Közel-Kelet. Talán aurikalkitbólSárgaréz (brass) manufaktúrák: Római

Birodalom, K.e. 50. Calamin és réz egyesítése kohókban.

Nagy mennyiségő cinkfém elıállítása: 1200-as évek; szulfidból (szfalerit) csak a 18. században állították elı.

Calamin =

hemimorfit/smithsonit

HIGANY

Elıször gyógyításra használták: K.e. 1500 körül (Kína, India)

Amalgamálás eljárása: K.e. 500 Leggyakrabban szulfidos

formájában ismert (cinnabarit). Ebbıl könnyen kinyerhetı. Nagy mennyiségő elıállítása: 1000 körül Toszkána.

Legendás higanybánya: Almaden, Spanyolországban (több mint 2000 éve mőködik).

cinnabarit

17

És a többi fém?

A 12-14. századtól jelentısen növekedett az ismert fémek száma (részben a szászországi bányászkodás, részben az alkimisták szerepe).

Ezek: Sb, Bi, As, Zn, Co.

És az alumínium?Az ókortól ismert agyagban és timsókıben (alumen)

nagy százalékban jelen van. Viszont sok energia kell az elıállításához.