Ο χαλκός ως το πρώτο μέταλλο που επεξεργάστηκε
Ο χαλκός είναι ένα από τα πρώτα μέταλλα που ανακαλύφθηκαν από τον άνθρωπο και το πρώτο που οι άνθρωποι έμαθαν να χρησιμοποιούν. Επειδή ο χαλκός εμφανίζεται σε μεταλλική κατάσταση σε ορισμένα κοιτάσματα, θα μπορούσε να διαμορφωθεί με σφυρηλάτηση προτού κάποιος καταλάβει πώς να λιώσει μετάλλευμα, και μικροί κώνοι, καρφιά και στολίδια που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο αντιπροσωπεύουν την αρχή της μεταλλουργίας.
Στην Κίνα, η χρήση κόκκινου χαλκού που σφυρηλατήθηκε απευθείας από φυσικό χαλκό καταγράφεται πριν από περίπου τέσσερις χιλιάδες χρόνια στην περίοδο Xia. Η ανάλυση σχεδόν είκοσι χάλκινων αντικειμένων που ανακαλύφθηκαν στην τοποθεσία Huangniangniang Terrace στο Wuwei, Gansu, το 1957 και το 1959 έδειξε περιεκτικότητα σε χαλκό από 99,63% έως 99,87%, προσδιορίζοντάς τα ως ουσιαστικά καθαρό χαλκό παρά ως κράμα.
Από τον καθαρό χαλκό στη σκόπιμη κράμα
Το βήμα από τον εγγενή χαλκό στην σκόπιμη κράμα σηματοδοτεί την αρχή της μεταλλουργίας του χαλκού. Η προσθήκη κασσίτερου χαμήλωσε το σημείο τήξης και αύξησε τη σκληρότητα του έτοιμου εργαλείου και η αλλαγή εξαπλώθηκε γρήγορα επειδή έκανε δυνατές καλύτερες κοπτικές ακμές με τους φούρνους της περιόδου. Οι ανασκαφές στο Yinxu κοντά στο Anyang παρήγαγαν σημαντικά στοιχεία της κλίμακας αυτής της βιομηχανίας, συμπεριλαμβανομένου ενός ευρήματος μαλαχίτη που αναφέρθηκε στα 18,8 kg και υπολειμμάτων σκωρίας και σκωρίας περίπου 21,8 kg, γεγονός που δείχνει ότι το μετάλλευμα επεξεργαζόταν επί τόπου αντί να εμπορευόταν μόνο ως έτοιμα αντικείμενα.
Το κινεζικό αρχείο τεκμηριώνει επίσης την εμφάνιση της χύτευσης χαλκού ως δραστηριότητα-που υποστηρίζεται από το κράτος. Η κυριαρχία του συστήματος χαλκού-κασσιτέρου απαιτούσε έλεγχο της θερμοκρασίας του κλιβάνου, της πρακτικής του χωνευτηρίου και του σχεδιασμού του καλουπιού, και αυτές οι δεξιότητες αποτελούν το τεχνικό θεμέλιο πάνω στο οποίο χτίστηκε αργότερα η διύλιση χαλκού.
Τήξη, εξευγενισμός και πρώιμη υγρή εκχύλιση
Η τεχνολογία εκχύλισης εξελίχθηκε παράλληλα με την κράμα. Στο Φάλουν του δέκατου τρίτου-αιώνα, στη Σουηδία, το θειούχο μετάλλευμα καβουρδίστηκε και στη συνέχεια επεξεργάστηκε με νερό έτσι ώστε να σχηματιστεί θειικός χαλκός. όταν το διάλυμα πέρασε πάνω από ρινίσματα σιδήρου, κατακρημνίστηκε μεταλλικός χαλκός και το λεπτό στρώμα χαλκού μπορούσε να διαχωριστεί και να συλλεχθεί. Αυτή η διαδρομή τσιμέντου ήταν μια σημαντική πηγή πλούτου για την περιοχή εκείνη την εποχή.
Η παλαιότερη μέθοδος εξαγωγής χαλκού στην Κίνα χρησιμοποιούσε φυσικές ενώσεις χαλκού για την υγρή τήξη του χαλκού. Η αντίδραση κατά την οποία ένα σιδερένιο εργαλείο εκτοπίζει τον χαλκό από ένα διάλυμα θειικού χαλκού, που καταγράφεται στο Huainanzi Wanbishu, δεν είναι μόνο η αρχή της υδρομεταλλουργικής πρακτικής αλλά και μια γνήσια εφεύρεση στην ιστορία της χημείας. Βασίζεται στην ίδια αρχή που χρησιμοποιείται σήμερα στην εκχύλιση με διαλύτη και στα κυκλώματα ηλεκτρονίκωσης, όπου ο χαλκός σε διάλυμα ανακτάται σε καθόδους.
Ο χαλκός στην παραδοσιακή παραγωγή
Μέχρι την ύστερη Εποχή του Χαλκού, η διύλιση κάθετου κλιβάνου είχε ήδη καθιερωθεί στην Κίνα και η κλίμακα της παραγωγής αυξήθηκε ανάλογα. Η παραγωγή χαλκού έφτασε τους 7.300 τόνους περίπου το πρώτο έτος της περιόδου της βασιλείας Yuanfeng της δυναστείας Song, που αντιστοιχεί στο έτος 1078, γεγονός που δείχνει ότι η μεταλλουργία του χαλκού είχε φτάσει σε σημαντικό επίπεδο οργάνωσης και ελέγχου.
Αυτό το σχήμα είναι διδακτικό για έναν σύγχρονο αναγνώστη: δείχνει ότι ο χαλκός είναι ένα χύμα βιομηχανικό μέταλλο για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα και ότι οι κινητήριες δυνάμεις της ζήτησης - νομίσματα, αγγεία, εργαλεία και κατασκευές - μοιάζουν με τους οδηγούς της σύγχρονης κατανάλωσης στη δομή, αν όχι σε κλίμακα.
Από το παραδοσιακό μέταλλο στις τυπικές ποιότητες
Η σύγχρονη βιομηχανία αντικατέστησε τις εμπορικές ονομασίες και την τοπική πρακτική με ένα σύστημα ονομασιών. Το EN 1412 παρέχει το ευρωπαϊκό πλαίσιο ονομασίας που παράγει ονομασίες όπως Cu-ETP (CW004A) για χαλκό ηλεκτρολυτικής σκληρής πίσσας και Cu{4}}DHP (CW024A) για τον αποοξειδωμένο χαλκό-φωσφόρου, η ποιότητα γνωστή και ως UNS C12200. Στη συνέχεια, τα πρότυπα προϊόντος καθορίζουν τις απαιτήσεις: EN 1172 για φύλλα και ταινίες χαλκού που χρησιμοποιούνται στα κτίρια, EN 12449 για στρογγυλούς χάλκινους σωλήνες χωρίς συγκόλληση για γενικούς σκοπούς, EN 1057 για σωλήνα νερού και αερίου και ASTM B152/B152M για φύλλα, ταινίες, πλάκες και ράβδους έλασης.
Η κάθοδος, η πρώτη ύλη για όλα αυτά τα προϊόντα, είναι η ίδια τυποποιημένη: το EN 1978 ορίζει τον βαθμό Cu-CATH-1 και το ASTM B115 καλύπτει την ηλεκτρολυτική κάθοδο χαλκού, έτσι ώστε η παραγωγή ενός μεταλλουργείου να μπορεί να εμπορευτεί και να λιώσει χωρίς αμφισβητήσεις εκ νέου ανάλυσης. Το αποτέλεσμα είναι μια αλυσίδα εφοδιασμού στην οποία ένας σχεδιαστής μπορεί να καθορίσει την αγωγιμότητα, την ιδιοσυγκρασία και τη διάσταση με βάση τον τυπικό αριθμό και να λάβει υλικό που συμπεριφέρεται όπως αναμένεται, όπου κι αν παρήχθη.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Γιατί ο μπρούντζος αντικατέστησε τον καθαρό χαλκό;
Α: Η προσθήκη κασσίτερου χαμήλωσε το σημείο τήξης και αύξησε τη σκληρότητα, έτσι τα χάλκινα εργαλεία κρατούσαν καλύτερη άκρη και το κράμα χυτεύονταν ευκολότερα στους κλιβάνους που ήταν διαθέσιμοι εκείνη την εποχή.
Ε: Ποια ήταν η παλαιότερη τεχνική εξαγωγής χαλκού;
Α: Η υγρή εκχύλιση, στην οποία ο χαλκός καταβυθίστηκε από ένα διάλυμα θειικού χαλκού με σίδηρο, εφαρμόστηκε νωρίς και καταγράφεται σε κινεζικά κείμενα. Η ίδια χημεία βασίζεται στη σύγχρονη υδρομεταλλουργική ανάκτηση.
Ε: Πώς προσδιορίζεται σήμερα ο χαλκός;
Α: Με ονομασία και πρότυπο και όχι με εμπορική ονομασία, για παράδειγμα Cu-DHP σε ένα πρότυπο προϊόντος όπως το EN 12449 για το σωλήνα ή το EN 1172 για το δομικό φύλλο.
Ε: Είναι ο αρχαίος χαλκός το ίδιο υλικό με τον σύγχρονο εμπορικό χαλκό;
Α: Χημικά είναι κοντά, αλλά οι σύγχρονες ποιότητες παράγονται με ελεγχόμενα επίπεδα υπολειμμάτων και πιστοποιούνται με ανάλυση, κάτι που επιτρέπει την εξασφάλιση της αγωγιμότητας και της συμπεριφοράς κατασκευής.
