青銅はどのように精錬されるのですか?青銅は何からできていますか？

今日は、Interesting Historyの編集者が青銅の製錬方法についてお伝えします。皆さんのお役に立てれば幸いです。

青銅といえば、まず人々の頭に思い浮かぶのは、荘厳な後木武鼎、精巧な形の四角鼎、冷たく畏怖の念を抱かせる越王狗堅剣などであり、古代人の優れた製造技術に対する感嘆の念が人々の心に湧き起こります。中国の青銅文明は奥深く、広大です。今日、この記事が皆様を「青銅とは何かを知る」から「青銅がなぜ存在するのかを知る」へと導き、一緒に古代人の知恵を味わい、青銅がどのように精錬されたかを知ることができることを願っています。

青銅器の製造工程

ブロンズとは何ですか?

まず、化学的な観点から青銅とは何かを見てみましょう。

銅は皆さんもよくご存知の、ありふれた金属です。中学校の化学の教科書には、「常温で金属光沢のある赤紫色の固体」と書かれています。自然界では、銅鉱山の露頭に銅含有量が最大 98 ～ 99% の天然銅が存在し、赤銅または純銅としても知られています。柔らかい質感と優れた延性を持ち、熱処理を必要とせず、希望の形状に鍛造することができます。農耕民族が作った赤銅の装飾品は、紀元前7,000年以上前に中東で初めて発見されました。

青銅は、広義では銅を主成分とする合金全般を指しますが、考古学界では一般的に、一定の割合で錫と鉛が含まれた銅ベースの合金を指します。錫は、金、銀、銅、鉄、錫など、よく言われる「硬い金属」のひとつで、銀白色の光沢のある柔らかい金属です。鉛は、密度が高く、柔らかい青灰色の金属ですが、常温の空気中では酸化されやすく、表面に酸化膜の層が形成されます。赤銅は比較的柔らかい性質で、鋳造には高温が必要ですが、錫や鉛を加えて合金にすると、融点が下がり、硬度が増し、色も赤から明るい白色に変わります。靭性が失われ、銅全体が脆くなりますが、配合をうまくコントロールすれば、靭性を適切な範囲に維持することができます。

1830年代、デンマークの考古学者G.J.トムソンは、人類の物質的進化の歴史を時代区分する概念を提唱しました。トムソンは、さまざまな時代の人類が使用した生産ツールに基づいて、人類文明の歴史を石器時代、青銅器時代、鉄器時代に分けました。実際、現代の考古学的発掘調査により、銅の発見と使用は青銅よりも前に起こったことが証明されています。しかし、なぜ歴史家は銅器時代という時代を指定しなかったのでしょうか。これは主に、人類が銅器と同時に石器を使用していたためです。銅製品は主に装飾用の小さな物でした。社会生活全体にとってあまり意味がなく、石製品の使用に取って代わることはできませんでした。そのため、銅器時代は考古学界に広く受け入れられませんでした。

さらに、なぜ人類は鉄よりも先に銅を発見し、利用したのかと疑問に思う人も多いでしょう。これは主に、銅の色が鮮やかで、人の注目を集めやすいからです。また、銅は自然界に天然鉱床があり、融点がわずか1087°Cなので、製錬も容易です。それどころか、自然界には天然の鉄はほとんど存在せず、主に酸化物やその他の化合物の形で存在しています。鉄鉱石は普通の石と区別がつきにくいです。また、鉄の融点は1537℃と銅よりもはるかに高いため、製錬が難しく、鉱石から抽出してもスポンジ状で、叩かないと材料にできません。以上の点をまとめると、人類による金属の製錬と利用は銅から始まったと言えます。

銅の製錬

青銅は複数の元素を含む比較的複雑な合金であり、その製錬技術は比較的遅れて登場しました。まずは、比較的単純な組成を持つ赤銅の製錬について研究してみましょう。

自然界には赤銅が自然に存在し、その鮮やかな色から人々の注目を集めます。世界で発見された最も古い銅器は赤銅で鋳造されたものですが、我が国ではまだ発見されていません。学者たちは、人類が最初に銅鉱石を普通の石として磨いたところ、銅が優れた延性を持つことを発見したのではないかと推測しています。銅は石のように簡単には割れませんが、薄く叩いてさまざまな形の装飾品にすることができます。その後、人類は赤銅が一定の温度に加熱されると柔らかくなり、成形しやすくなることを徐々に発見しました。銅の融点は1083℃です。陶器製造の最高温度（1000℃）で焼成すると、赤銅も溶けて溶融銅となり、冷却して固めた後、容器とともに一定の形状に成形することができます。

しかし、自然界における赤銅の埋蔵量は結局のところ多くなく、赤銅と共存する一般的な銅含有鉱石であるマラカイトも人間の目に留まり始めています。マラカイトは化学式 Cu2(OH)2CO3 で、その色が孔雀の羽に似ていることからこの名前が付けられました。赤い銅鉱石と一緒に発見されることが多く、その色が銅の錆に似ていることから、考古学者は古代の銅の製錬はマラカイトから始まったと推測しています。人類は火の中にマラカイトを入れることを試み始めました。木炭の存在下で 1083°C に加熱すると、酸化還元反応によって銅が生成されます。反応式は次のとおりです。

それ以来、人類は赤銅の製錬法を習得し始めましたが、溶けた銅は鋳造が難しく、空気を吸収しやすいため、成形後の器具には空気穴があいたり、表面が粗くなったり、硬度が不十分になったりすることが多く、その用途は大きく制限されていました。

青銅の製錬

考古学者は青銅がどのように発明されたかについて 2 つの理論を持っています。

青銅は銅を精錬する長期にわたる実践を通じて徐々に開発されたという見方もあります。鉱石から最初に精錬された赤銅は、それほど純粋ではなく、少量の鉛、錫、鉄などの不純物が含まれていました。しかし、鉛と錫の含有量が非常に低かったため、青銅と呼ぶことはできませんでした。しかし、人々は偶然この合金の機械的性質が銅よりも強いことを発見し、意識的に銅に錫を加えて青銅を作るようになりました。

別の見方では、青銅の製錬は、人間が岩を火で焼いてから水をかけて鉱石にひびを入れ、金属鉱石を採掘した結果である可能性があるという。錫青銅に錫が 25% 含まれている場合、その融点はわずか 800℃ です。鉱石が銅錫共生鉱石の場合、約 800℃ の木炭または乾燥した木の炎で青銅を得ることができます。

どちらの見解にもある程度の真実があり、学界では広く支持を得ています。

中国における青銅の製錬

私の国における青銅の製錬は、大まかに選鉱、一次製錬、精錬の 3 つの段階に分かれています。現在の考古学的発見により、ほとんどの場合、鉱石の採掘と一次製錬は銅鉱山の現場で行われ、精錬と鋳造は他の場所に運ばれたことが明らかになっています。

1. 鉱石の選鉱

私の国には、銅の埋蔵量が非常に豊富です。これに関する最も古い記録は、「管子地書偏」にあります。「銅を産出する山は 467 あり、鉄を産出する山は 3,609 あります。」古代神話で女媧が天を修復するために使用した 5 色の石、すなわち赤銅鉱、緑孔雀石、青銅鉱、黒銅鉱、白水晶は、銅鉱石とそれに関連する鉱脈石であると言われています。古代の人々は経験に基づいて銅鉱山を探しました。地面に生えている緑の孔雀石と赤い銅草は、どちらも探鉱の証拠でした。採掘後、銅鉱石は通常、一次製錬のために不純物の少ない鉱石を手作業で選別する必要があります。しかし、商王朝では、銅は主に孔雀石銅鉱石から製錬されていたと考えられます。孔雀石は銅含有量が高く、濃縮せずに直接炉に入れて製錬することができます。

2. 初期精製

銅鉱石は粉砕され、燃料と還元剤の役割を果たす木炭とともに炉に入れられ、温度は1100℃まで上げられ、一次精錬が行われます。精製された銅液は凝固して粗銅が得られます。一般的に、粗銅にはまだ多くの不純物が含まれているため、次のステップで精製および精製する必要があります。

3. 精製

精錬工程では、粗銅を銅溶解装置に入れて溶解し、鋳造する器具の種類に応じて、錫や鉛などの合金成分を一定の割合で加え、青銅の特性を調整します。錫と鉛を加える作業、つまり「調整」は、『周礼書』に初めて記録されています。「金 6 部と錫 1 部は鐘と鉾の天秤と呼ばれ、金 5 部と錫 1 部は斧と刀の天秤と呼ばれ、金 4 部と錫 1 部は槍と戟の天秤と呼ばれ、金 3 部と錫 1 部は大刃の天秤と呼ばれ、金 5 部と錫 2 部は矢の天秤と呼ばれ、金と錫の半分は鏡と火打ち石の天秤と呼ばれます。」

銅を精錬するために使われた道具の形は時代によって様々ですが、その中で最もよく知られているのが「将軍の兜」です。 「将軍兜」は、赤い土でできた赤い胴の陶器の坩堝で、後世に逆さまの兜に似た形をしていることから、当時殷墟の考古発掘に参加した作業員によってこの名がつけられました。下の写真は、安陽で出土した「将軍兜」です。精錬の過程では、このるつぼに粗銅と木炭を入れ、炭火や陶器窯で熱する。発掘されたるつぼの破片の中には、小さな穴が残っているものもある。専門家は、燃焼を助けるために内部に空気を送り込むため、陶器のパイプが接続されていたのではないかと推測している。

安陽の殷遺跡から「将軍の兜」が発掘される

精錬中の炉の温度については、『周書 高公記』にも「金を鋳造するとき、金と錫の黒濁ガスが排出され、次に黄白色のガスが出現する。黄白色のガスが排出され、次に青白色のガスが出現する。青白色のガスが排出され、次に青色のガスが出現する。それから鋳造できる」と記されている。ここでの「金」は銅のことである。銅錫合金の精錬工程では、まず原料に付着した炭化水素が燃焼して黒濁ガスが発生し、その後温度が上昇するにつれて一部の酸化物、硫化物、金属が蒸発して黄白色と青白色のガスとなる。これらの不純物が蒸発して揮発し、炎が青くなると青銅が生成される。青銅を精錬するときの火の温度を「火の純度」と呼んでいたのもこのことから来ています。この炎の色で判断する方法は、化学における炎の識別の始まりとも言われています。

中国における青銅製錬の発展

中国では、青銅器時代は一般的に夏、商、周の王朝を指します。当時、世界中の青銅の製錬技術はすべて乾式冶金法でした。この状況は、我が国で湿式冶金法が発明されるまで変わりませんでした。 「増青が鉄を銅に変える」という最も古い記録は、西漢の劉安による『淮南子万備書』にあります。増青は胆石とも呼ばれ、天然の硫酸銅またはその他の可溶性銅鉱物を指します。胆石の溶液に鉄を加えると置換反応が起こり、胆石内の銅イオンが金属鉄に置き換わって元素銅が生成されます。化学反応式は次のとおりです。宋代になると、湿式銅精錬が広く生産に使われるようになり、我が国の銅生産の主な方法の一つとなりました。

我が国では、青銅は生産や生活に深く関わっているだけでなく、青銅器は犠牲と権力の象徴にもなっています。青銅製の祭器は階級に応じて使用されなければならず、階級を超えて使用することはできませんでした。伝説によると、大禹は9つの三脚を鋳造し、夏、商、周の王朝に受け継がれ、王権の象徴となりました。「文鼎」という用語は今日でも使用されています。青銅文明は中国の歴史全体を通じて輝いています。精巧な道具一つ一つを通して、私たちは時間の制限を超えて、数千年前の良き時代の断片を見ることができます。