Barbora A. Hřebíčková

Historický vývoj zpracování kovů

Celý článek s tabulkami a obrázky najdete zde.

Objev výroby kovů a pokroky v technologii jejich zpracování jsou důležitými mezníky ve vývoji lidské civilizace. Prvními za studena zpracovávanými kovy byly ušlechtilé prvky, které lze v přírodě nalézt ryzí - zlato, olovo a měď. Doba měděná se však počíná až zpracováním mědi tavením. První odlitky měly jen velmi přibližné tvary a podstatná část tvarování se prováděla kováním. Místem vzniku metalurgie je Malá Asie, a dnešní Írán. Dědicem tamních kultur se staly velké starověké říše, Asýrie a Babylónie.

Přechod mezi chalkolitem (dobou měděnou) a dobou bronzovou je neostrý, neboť ne vždy lze rozeznat náhodně vzniklé slitiny cínu a mědi, ev. arsenu a mědi, a jejich záměrnou přípravu. Mezi nejstaršími nálezy se vedle bronzů vyskytují předměty olověné, stříbrné a cínové, je jich však v porovnání s bronzovými velmi málo.

Výroba železa[i] se musela potýkat se závažnými technologickými obtížemi, protože jeho bod tání (1536°C) je teplota v primitivních pecích bez použití koksu prakticky nedosažitelná. Jak se ukáže dále, dařilo se archaickým metalurgům tuto nesnáz obcházet, nicméně se výroba bronzových nástrojů udržela ještě dlouhou dobu vedle kování nástrojů železných. Tam, kde bylo zapotřebí dobře odlévatelného kovu a nezáleželo tolik na tvrdosti, zůstal bronz v používání až do novověku.

První železné výrobky jsou z tzv. svářkového železa. Nevelké kusy kovu vzniklé z rudy redukcí byly smíšeny se struskou. Kovaly se dohromady a struska se přitom rozdrtila a odstranila. Menší kusy se pak žhavily ve výhni a znovu kovaly. Takové železo se hodilo k výrobě nástrojů, nebylo jej však možno odlévat.

První zprávy o odlévání uhlíkaté litiny máme z antického starověku. Řečtí metalurgové ze Samu uměli údajně odlít ze železa i velké sochy, mezi archeologickými nálezy se však nacházejí jen malé figurky a ozdoby. Běžným materiálem se litina stala až v 15. stol.

Na Dálném východě, kde se zpracování kovů vyvíjelo s určitým zpožděním, bylo nejprve ovládnuto zpracování litiny, a ocel se dlouhou dobu dovážela z Indie, která ve vývoji metalurgie těžila z kontaktů s mezopotamskými civilizacemi.

Z chronologické tabulky je patrné, jak se vývoj technologií stále zrychloval. Zatímco na počátku dějin jsou prodlevy mezi vynálezy tisícileté, v novověku následují v několikaletých odstupech. Prvním obdobím, které vývoj prudce posunulo vpřed, je údobí rozkvětu řeckých států. Řekům se připisují vynálezy, které pak na dlouhou dobu určily možnosti zpracování kovů. Je to objev kalení železa, objev výroby mosazi a zdokonalení odlévacích technik zavedením metody odlévání do ztraceného vosku. Snad i postup zlacení v plameni a odhánění rudního olova je řeckého původu. Význam řeckého duchovního světa pro evropskou kulturu je v humanitních disciplínách samozřejmostí, přesto současného, v materiální skutečnosti zakotveného člověka, znovu překvapí tyto konkrétní a velmi praktické příklady, jak podivuhodná řecká kreativita předznamenala naši civilizaci. Římská doba se vyznačuje mohutným rozvojem výroby, organizace a řadou technických vynálezů usnadňujících dolování, principiálně nové přístupy však nepřinesla.

Vedle archeologických nálezů máme možnost čerpat vědomosti z nečetných písemných pramenů. Nejstarší zprávy o zpracování mědi zachycuje tzv. Papyrus Edwina Smitha, který pochází z Egypta 1700 BC. a odhaduje se, že zachycuje techniky pocházející až z 3. tis. BC. Poznatky ze starověkých zlomků a archeologických nálezů shrnuje klasické dílo Alfreda Lucase o řemeslné výrobě starého Egypta[ii].

K písemným památkám antiky[iii] patří Hérodotův spis (5. stol. BC.), v němž útržkovitě referuje o zpracování kovů v rámci cestopisných a dějepisných líčení. O celých 400 let mladší Marcus Vitruvius Pollius, římský stavitel, napsal v 1. stol. BC. populární spis De architectura[iv]. V rámci stavebních materiálů se zmiňuje o mědi, železe, bronzu, olovu a rtuti. Další z autorů, Gaius Plinius Secundus (23-79 AD.) je autorem přírodovědného spisu Historia naturalis.[v] Čtyři kapitoly jeho díla jsou věnovány kovům a minerálům, jak viděl jejich těžbu v různých krajích. Přímým návodem a sbírkou receptů je Leidenský papyrus pocházející z helenizovaného Egypta na přelomu letopočtu a jsou v něm řecky popsány způsoby výroby, rafinace a odlévání kovů. Vedle toho obsahuje recepty alchymistické a magické.

Doba stěhování národů a raného středověku je dobou úpadku vzdělanosti, metalurgie se však, snad díky neustálým válkám, udržela na předchozí úrovni. V 10. až 12. stol. je patrný pokrok v kvalitě oceli, částečně inspirovaný výrobky z damascénské oceli, kterou dováželi Arabové. V uměleckém řemesle se hojně používaly dekorační techniky objevené již dříve, například niello, vykládání různými kovy, zdobení emailem a rozličné patinování. V činnosti zůstávají římské doly, jmenovitě měděné a cínové doly ve Španělsku, Sasku a Cornwallu, a doly na rtuť ve španělském Almadénu. O metalurgii této doby pojednávají první řemeslnické a umělecké receptáře, z nichž nejdůležitější je Mappae Clavicula (9. stol.) a Theophilova Schedula (12. stol.). Pověstný je Theophilův návod k odlévání zvonů.

Na sklonku středověku byla těžba i výroba kovů na nejvyšší úrovni v Německu, ze kterého se do celé Evropy vyvážel cín, železo a měď. V 16. stol. byl po celé Evropě zaváděn německý postup získávání mědi ze sulfidických rud, její odstříbřování, technologie výroby pocínovaného železa a další postupy. O výrobě kovů detailně pojednávají Agricolovy spisy, zvláště největší z nich, De re metallica z r. 1576. O něco starší je spis Pirotechnia Vanoccia Biriguccia zaměřený především na výrobu litiny a zkujňování železa. V první polovině 16. stol. byla rovněž tiskem vydána německá pojednání o dolování: Bergwerkbüchlein a o něco později dílo o kovolitectví Lazara Eckera[vi]. V obou knihách jsou podrobné nákresy pecí, které se od starověkých již podstatně liší. První pece k tavbě mědi a železa byly určeny na jedno použití. Byly to mělké jámy s jílovou klenbou, do nichž byl ručně měchem dmýchán vzduch výfučnami umístěnými ve spodní části pece. Šachtové pece k tavení železa byly vysoké nanejvýš 1.5 m. Pozdně středověké pece byly již daleko větší (šachtové pece vysoké 3 až 4 m), postavené z pískovcových kvádrů s jílovou vyzdívkou. Dmýchání vzduchu bylo prováděno vodním dmychadlem a jejich provoz probíhal již kontinuálně, vždy po několik týdnů.

Slévání kovů bylo prováděno po celá staletí empiricky, puncování[vii] pro obchodní účely si však vyžádalo kontrolu složení a čistoty kovů. Touto prací se zabývali prubíři, jejichž dalším úkolem bylo zkoumat složení a bohatost rud. S trochou nadsázky se dá říci, že prubíř měl znalosti alchymisty, avšak díky tomu, že jeho zájem byl praktický, vyjadřoval se srozumitelně. Dokládají to anonymní i autorizované knihy o slévání (např. Probierbuchlein[viii] z r. 1524) v nichž jasně vyložené postupy je možno vysledovat i v alchymistických spisech, avšak v podání, jehož smysl je zahalen transpozicí do symbolické podoby.

Vybavení prubířské dílny bylo velmi podobné alchymistické laboratoři. Prubíř potřeboval muflovou pec (ohniště je odděleno od topeniště) vhodnou pro tavení v kelímku a měch pro zvyšování teploty v topeništi a pro rafinační postupy založené na oxidaci. Obvyklým vybavením byl také lis na hliněné tyglíky a různé odháněcí misky pro rafinační postupy, ale také pro výrobu dubového či kostního popela, zdroje potaše. Dalším nezbytným zařízením byly váhy a různé destilační baňky pro výrobu kyselin[ix]. Kyselina sírová se připravovala žíháním kamence v křivuli a vznikající oxid sírový se jímal do vody. Kyselina dusičná se připravovala zahříváním ledku s koncentrovanou kyselinou sírovou. Objev tohoto způsobu je připisován arabskému alchymistovi Geberovi. Kyselina solná se připravovala zahříváním kuchyňské soli s kyselinou sírovou. Tento způsob však je písemně doložen až v 17. stol. (Glauber)[x]. Prubíř si sám vyráběl i další chemikálie. Při zkoušení rud, zvláště rud drahých kovů, bylo třeba snížit viskozitu a teplotu tavení strusky pomocí různých taviv a struskotvorných přísad. Nejběžnější bylo tzv. černé tavivo, směs tartaru, sanytru a práškového dřevěného uhlí. Jako další taviva se používal borax, sůl, křemičitý písek, olovnaté sklo, skleněná pěna nebo samotný klejt. Slévač nejen zkoušel množství kovu v rudě, ale podle specifické hmotnosti zjišťované vážením ve vzduchu a ve vodě, i obsah jiných kovů, hlavně stříbra a zlata v olovu a mědi.

Ze 13. stol. pochází kniha Liber Archimedes de ponderibus, která popisuje různé varianty využití Archimédova zákona včetně násobků rozdílů v hmotnosti jednotlivých kovů či slitin vážených na vzduchu a ve vodě. Tento způsob nebyl příliš přesný díky velké variabilitě slitin a také díky konstrukci tehdejších vah. J. R. Glauber se v polovině 17. stol. pokusil o zpřesnění kvalitativních prubířských metod pozorováním barvy plamene, kouře a barvy solí, které vznikají při tavení kovů se sklem. Tento způsob se posléze ujal v podobě zkoušek tavením v redukčním a oxidačním plameni na boraxové perličce.

Agricolův spis obsahuje počátky systematického popisu vlastností slitin, zatím bez vysvětlující teorie. Popsal i méně běžné kovy, které jsou sice zmiňovány již dříve, ale o jejichž povaze nebylo zcela jasno. Byl to arsen, antimon, vizmut a slitiny zinku. V polovině 17. stol. se otázky přírodních pochodů probíhajících při výrobě a slévání kovů staly předmětem zkoumání vědců (Glauber, Hook, Boyle), kteří se již snažili své hypotézy odvozené z pečlivých pozorování potvrzovat či vyvracet plánovitým experimentováním. O výsledcích informovali na přednáškách a v periodicích vědeckých společností již zcela současným způsobem. Tento způsob otevřeného, srozumitelného a diskusi přístupného sdělování, tolik rozdílný od udržování cechovních tajemství, je plodem francouzského osvícenství.

Pro vysvětlení vlastností slitin a jejich změn při tepelném a mechanické namáhání je klíčová jejich krystalická struktura, pro jejíž studium vytvořil podmínky vynález mikroskopu na počátku 17. stol. První mikroskopická pozorování oceli popsal a zakreslil francouzský samouk M. Jousse, kterého někteří autoři sarkasticky nazývají učeným kovářem. Přesnosti jeho pozorování však nelze nic vytknout. Tato studia předznamenává Savot (1627), který popisuje odhad složení zvonoviny podle velikosti zrna na lomu. První zprávy o pórovité struktuře kovů podává J. Hook a H. Power (1665), představu kovů jako polykrystalických materiálů však zavedl až R. A. Réamur. Glauber zaznamenal změny objemu při slévání a vysvětloval je představou směsných krystalů, ve kterých jsou atomy jednoho kovu vmezeřeny do krystalové mřížky druhého kovu. Tento jeho jasnozřivý předpoklad potvrdily až moderní analytické metody. V této době byly také soustavně popsány mechanické vlastnosti slitin (např. pevnost v tahu) a sledováno zvětšení objemu oceli při kalení způsobené změnou krystalické modifikace.

Na ně pak v 18. stol. navázali flogistonikové, kteří se pokusili vysvětlit metalurgické pochody, a pochody termické obecně, představou atomárních sloučenin, ke kterým přistupuje nebo se uvolňuje vážitelný flogiston. K této škole patřil například švédský chemik T. Bergmann, který jako první rozpoznal rozdíl mezi litinou a kujným železem v různém obsahu uhlíku. Nad flogistonovu teorií posléze zvítězila teorie atomistická, která změny v hmotnosti připsala vážícím se a odštěpujícím se plynům (J. B. Priestly). Úspěšnost vědeckých výzkumů v 18. stol. dokumentuje skutečnost, že na konci 18. stol. byl znám takřka dvojnásobný počet kovů, než na jeho počátku. Byl objeven chróm, nikl, molybden, wolfram, hliník, mangan, titan a začal být průmyslově vyráběn zinek.[xi]

Nebývalý rozvoj výroby za industriální revoluce (1720-1850) byl podnícen aplikací vědeckých výzkumů a technických vynálezů. Za její počátek je ovšem považováno extenzívní využívání parního stroje a nahrazení dřevěného uhlí koksem. Ve starém světě se totiž začal projevovat důsledek několik set let trvající nadměrné těžby dřeva a palivo se stalo nedostatkovým a drahým zbožím. To vedlo k pokusům modifikovat hutnické procesy tak, aby v nich mohlo být použito uhlí, které bylo známo již dávno, ale nebyl důvod k jeho využívání. Vysoký podíl nečistot a pomalé hoření, které bylo na překážku využití uhlí, odstranil objev suché destilace neboli koksování. Na špici technického rozvoje se díky tomu dostaly země, které vedle ložisek rudy vlastnily i depozity kvalitního uhlí. Po německých zemích v 16. stol. a Švédsku v 17. stol. se v hutní výrobě do popředí dostala Anglie a průmyslovou velmocí zůstala až do první světové války. Rozvoj velkovýroby znamenal transformaci některých řemesel na průmyslová odvětví, čímž se dostávají mimo zorné pole této knihy.

Tab. Civilazační etapy zpracování kovů