冶金科学理念研究

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在新石器时代后期人类开始使用金属,经历了铜—青铜(包括铜砷、铜锡、铜铅和铜锌合金,见铜合金)—铁(包括块炼铁、生铁、熟铁或钢)几个时代。世界各地进入铜器、铁器时代的时间各不相同,技术发展的道路也各有特色。冶金技术和金属的使用同人类的文明紧密联系在一起。新石器时期的制陶技术(用高温和还原气氛烧制黑陶)促进了冶金技术的产生和发展。冶金技术的发展提供了用青铜、铁等金属及各种合金材料制造的生活用具、生产工具和武器,提高了社会生产力,推动了社会进步。中国、印度、北非和西亚地区冶金技术的进步是同那里的古代文明紧密联系在一起的。16世纪以后,生铁冶炼技术向西欧各地传播,导致了以用煤冶铁为基础的冶金技术的发展,这一发展后来又和物理、化学、力学的成就相结合,增进了对冶金和金属的了解,逐渐形成了冶金学,进一步促进了近代冶金技术的发展。

铜器时代——铜石并用时代

人类在新石器时代晚期开始利用天然金属。此后逐渐以矿石为原料冶铸铜器。此时以使用石器为主,也使用少量小件铜器,被称为铜器时代或铜石并用时代。

早期对天然金属(铜、金、陨铁)的使用

在现在伊朗西部艾利库什(Ail Kosh)地区发现公元前七、八千纪用天然铜片卷成的铜珠。在伊朗中部纳马克湖南部泰佩锡亚勒克(Tepe Sialk)发现了公元前五千纪的铜针。在克尔曼(Kerman)之南的叶海亚(Yahya)地区发现了公元前五千纪后期天然铜制成的铜器。

天然金虽然容易发现,但一般块金尺寸小,数量较少。砂金的利用则有待冶金方法的出现,所以出现较晚。目前世界上已发现的金制品最早的为公元前五千年。南美最早使用的金属则为天然金。在秘鲁,对金的加工始于公元前1 500年,而用铜和铜银合金则在公元前1 000年以后。11~14世纪的金人反映了印第安文化。

陨铁不如天然铜、金容易识别,使用较晚。目前最早的陨铁器是公元前四千纪的铁珠和匕首(含镍7.5%~ 10.9%),出土于尼罗河流域的格泽(Gerzeh)和幼发拉底河流域乌尔(Ur)地方。

中国的最早陨铁文物是商代中期(约公元前13世纪中叶)的藁城铁刃铜钺。

最早冶金

天然金属的资源有限,要获得更多的金属,只能依靠冶炼矿石制取金属。人类在寻找石器过程中认识了矿石,并在烧陶生产中创造了冶金技术。

矿石炼铜是人类文化发展的重要里程碑。最先使用的是氧化铜矿(如孔雀石),将氧化矿石与木炭混合加热还原得到金属铜。已知最早的人工冶炼的铜器出土于伊郎叶海亚(Yahya)地区(约当公元前3800年前),含有少量砷(0.3%~3.7%),其中有的经过铸造、冷加工和退火。与此同时,在埃及和美索不达米亚使用含镍或含砷铜器。碱性砷酸铜矿与孔雀石相似,用它或硫砷铜矿冶炼砷青铜比较容易,镍则往往与铜共生,容易炼成镍铜。砷铜和镍铜的使用延续了相当长的时间。中东的炼铜技术在公元前三千纪向欧洲和印度传播,保持了含镍和用砷的特点;在较晚的铜器中,如印度河流域哈拉帕(Harappa)文化,在公元前2500~前2000年也有含砷或镍的锡青铜。已知的最早含锡青铜器,产于现伊拉克地方的乌尔第一王朝(公元前2800年),含锡8%~10%。

中国的早期冶金

中国甘肃东乡马家窑文化的青铜刀(含锡6%~10%),是迄今发现的中国最早的青铜器物;约当公元前三千纪初期,与乌尔青铜同时,此外,马厂文化的青铜刀约当公元前三千纪后期相当于印度河流域哈拉帕文化发展锡青铜的时代,和东南亚泰国北部嫩诺塔(Nor Nok Tha)出土的锡青铜时代。锡青铜在中国的出现和发展与两河流域的历史相当,而早于东南亚。而且,中国早期没有出现砷铜和含镍铜合金的阶段,这些都表明中国青铜技术是独立发展起来的。