从人类利用金属的历史来看,砷铜虽然在很长时间内、相当大的地域范围内取代了红铜,但其铸件的机械性能(强度、硬度等)仍与纯铜铸件较为接近。所以无论是纯铜(即红铜)还是砷铜等铜的合金,皆由于机械性能不够优良而导致最终被锡铜合金的青铜取代。只有在锡青铜被发明与应用后,金属器物才能在较广泛的范围内取代石器(及陶器)。
三、青铜为何取代红铜?所以如此,是因为青铜比红铜与砷铜有较多的优越性。与红铜相比,锡青铜有如下优点:
(一)熔点较低。在物理学和化学性质上,一般合金熔点比原来的金属熔点低;硬度比原来的金属硬度高;体积比原来的金属略涨大。铜锡合金的青铜也是如此。红铜熔点为1083℃,若加锡15%,熔点即降低到960℃;若加锡25%,熔点就会降到800℃。因此,这种温度条件显然要比冶炼红铜更容易得到。
(二) 硬度较高。红铜硬度是35度(布林尼尔硬度计) , 如果加锡5~7%、就增高到50~60度;若加锡7~9%,即增高到65~70度;若加锡9~11%,就会增高到70~80度,比红铜硬度提高一倍以上。这样就可以克服上述红铜那种质地较软的缺点。同时由于青铜硬度随着加锡量成正比地提高,人们可以按照不同器类的需要而予以增减,选择各种不同的比例,铸造出合金硬度不同的器物。
(三)适宜于铸造。红铜的铸造性能不良,易吸收空气,在合范翻铸时所成的制品往往带有气眼,表面粗糙。青铜在熔化时成为液态,流动性很强,无孔不人,冷凝时体积略有涨大,则可以填满器范,填充性好,且很少有气孔。
由于具有上述三个优点,即具有较好的铸造性能,使青铜在应用上具有广泛的适应性。在人们逐渐对青铜性能有所认识后,便开始利用铜锡共生矿提炼青铜,或有意识地从锡矿中提炼出来锡与纯铜混合,后来发展到掺以不同比量的锡来铸造不同用途的青铜器具。
锡青铜不仅在性能上明显优于红铜,而且比砷铜有更多的优点:
四、青铜如何被发现?锡含量10%以上的锡青铜强度增加明显,而砷铜的固熔强化相对要较缓慢;两者加工硬化速度相当,而相同含量的锡青铜硬度要高于砷铜;相同合金含量的锡青铜抗拉强度也要比砷铜大。虽然砷铜相对锡青铜有更好的热锻性能,但这种优点,在采用铸造而不是锻造方法制造铜器时自然会被忽略。除以上原因使锡青铜最终淘汰了砷铜外,砷铜在冶炼过程中会产生有剧毒的气体,危害人的身体健康也是一个重要的因素。所以,人类肯定是有意识地用锡取代砷制造铜合金的。
青铜是如何被发明的,似有两种可能的途径:
其一,是在冶炼红铜的长期实践中逐渐发明的,只有首先学会制造红铜器、才有可能进一步掌握青铜合金技术。
最早用矿石炼出的红铜,当然不可能达到自然铜那样纯,其中含有一些从矿石中带来的杂质,如少量的铅、锡、铁等,只是由于锡、铅含量很少,还不能称为后来的青铜。但是人们可能由此而无意中认识了这种与青铜接近的合金,并且逐渐认识到这种合金比纯铜(红铜)有许多优越性,因而开始有意识地先冶炼出红铜,然后再加入锡配制出青铜。
其二,也有的学者指出青铜与青铜冶炼术并非皆要通过冶炼红铜这条途径,而还有另一种途径被发现。
他们指出,最初采掘金属矿时,有一种方法是用火烧烤岩石,然后浇水,使矿石裂缝。锡青铜含锡25%时,熔点只有800℃,如果矿石是铜锡共生矿,则在800℃左右的木炭或干柴火焰中并不难得到青铜。最初的青铜大概即是这样发现的。这种经验长期积累,再与烧陶业所提供的技术条件相结合,即会导致有意识地提炼青铜。
有一种铜锡共生矿含锡0.94%、铜12.3%,可以炼出铜和锡的比例为93:7即含锡7%的青铜。与此相比起来,冶炼纯铜则并非容易,因为纯铜的熔点为1083℃,氧化铜矿如孔雀石和蓝铜矿虽然可以在低于铜熔点的温度下还原出铜,但也必须升高温度使铜熔化,并使脉石或无用的造岩矿物转变成炉渣,否则铜仍然呈浸染状态不能利用。
显然,以上第二种途径必须要在炼铜地点附近有铜锡(或铜铅)共生矿的条件下才有可能,所以这种途径只适合于部分具有此种地质矿产条件的地区。
五、为什么是铜被人类先发现和使用而不是铁呢?还有一个相关问题,即为什么是铜被人类先发现和使用而不是铁呢?
根据学者们的研究,这主要是由于:
(一)地球上有自然铜而很少有自然铁。自然铁有一种称为“陆上铁”,乃岩浆中的氧化铁经由玄武岩喷出时和煤层接触,还原得到的所谓粒状铁。此种铁仅存在于少数个别地区(例如格陵兰)。铁容易氧化,地球上的铁多存在于氧化物或其它化合物形态中,只有含镍的铁可以持久不锈。天体上落下来的陨铁有自然铁。人类利用陨铁一般都比使用铜晚。
(二)在古代,铁矿石与普通石头不易区别,不像孔雀石由于具有特殊的美丽色彩而易引人注意。
(三)铁的熔点为1537℃,比铜的熔点高不少,虽然实际上铁矿石还原温度不需这么高,但温度低则还原速度慢,所以对实际生产没有意义,低温生产出来的铁在冷却时容易氧化,生出铁锈(铁的氧化物)。