Хорэс ПОПС (Horace POPS). Изготовление проволоки — из древности в будущее. Перевод: Святослав ЮРЬЕВ./КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 7, 2009г. стр. 140-146. (часть статьи)
Понятие «технология», когда речь идет о ранних стадиях изготовления проволоки, имеет значение, существенно отличающееся от принятого в настоящее время. Однако, как отмечается в данной работе, начиная с примитивных уровней технологии, производство продолжало развиваться для того, чтобы удовлетворять наиболее насущные потребности, и эта тенденция, без сомнения, будет определять будущие достижения в грядущих столетиях.
Открытие меди в ее естественной (самородной) форме было одним из множества признаков, свидетельствовавших о выходе человечества из эпохи каменного века. Поскольку этот металл очень мягкий, из него было легко изготавливать примитивные предметы различного назначения с помощью молотка, например, ножи, мечи и другое оружие. Вскоре были разработаны методы изготовления проволоки из меди и золота.
Хотя медь добывалась в рудниках и обрабатывалась бессчетными способами на протяжении многих тысячелетий, наиболее значительные усовершенствования процесса изготовления проволоки относятся только ко второй половине XX столетия. Поскольку то, что сегодня используется на практике, тесно связано с предшествовавшими разработками, данная статья посвящена этой взаимосвязи, как с точки зрения истории, так и с точки зрения перспектив развития металлообработки. В настоящее время бóльшая часть проволоки повсеместно изготавливается из прутка (катанки), получаемого методом непрерывного литья. В этой связи рассмотрим кратко историю развития процесса производства медной проволоки.
История использования меди.
Человечество, вероятно, начало использовать медь примерно за 9000 лет до нашей эры, когда египтяне открыли медь в ее естественном самородном виде на острове Кипр (Cyprus). Первоначально этому металлу дали название “aes cyprium”, которое впоследствии сократилось до “cuprum” (Сu — медь). Впоследствии появилось английское слово “copper” (медь) и химический символ Cu. В алхимии для обозначения меди использовался символ 
который был также символом женщины, поскольку Венера, богиня любви, как считалось, родилась на Кипре. Хронология первого применения меди и других широко используемых в промышленности металлов представлена на рис. 1.
Как можно было ожидать, несколько первых обнаруженных металлов были найдены в естественном (самородном) виде. Некоторые из ранее известных письменных описаний добычи меди включены в библейский Ветхий Завет. Они относятся примерно к 1400 году до нашей эры. Четыре соответствующих главы с указанием номера стихов, имеющие отношение к таким металлургическим комментариям, перечислены в таблице 1.
Очевидно, что в те времена были также хорошо известны способы очистки металлов. Крайне мало технических сведений было задокументировано до опубликования на латинском языке в 1556 г. книги “De Re Metallica”, написанной Георгиусом Агриколой из Саксонии, в которой детально был описан процесс переработки медной руды. Процессы и методы переработки, приведенные в этой книге, начали широко распространяться. В этот период времени в Германии начали использовать плавку руды для удаления серы.
В 1869 г. самым крупным производителем меди в мире была мичиганская компания Calumet and Hecla с годовым объемом производства около 6200 тонн. Первой шахтой в США, где годовая добыча меди превысила 50 000 тонн, была «Анаконда» (Anaconda). Двадцатое столетие характеризовалось разработкой и широкомасштабной добычей низкосортных медных руд.
Изготовление проволоки в древности.
Для изготовления проволоки на ранних стадиях развития ювелирного дела использовались медь естественного происхождения и такие драгоценные металлы, как золото и серебро. Изучение образцов проволоки, найденных при археологических раскопках, показало, что эти металлы не обрабатывались обычными методами волочения, то есть протягиванием через конические отверстия в фильере. Золотое ожерелье, принадлежавшее египетскому фараону, правившему примерно в 2750 году до нашей эры, было изготовлено с применением техники ковки, то есть посредством нарезки листов металла на тонкие полоски и последующего придания им круглой формы с помощью молотка. Поскольку эта техника была крайне примитивной, диаметр проволоки менялся в значительных пределах по всей ее длине. Ковка, без сомнения, использовалась в течение многих веков. Подтверждение этого приведено в «Исходе» (вторая книга «Ветхого Завета», глава 39, стих 3): «…и они разбивали золото в тонкие пластины и разрезали их на полоски, чтобы продолжать работать».
Закручивание полосок было другим способом, который использовали египтяне в древности для изготовления тонкой проволоки для украшений. Металлические листки из меди или золота резались на тонкие полоски или ленты. Как показано на рис. 2, эти полоски или с самого начала сворачивались в трубочку, или закручивались вдоль оси ленточки.
В обоих этих методах скрутки затем из ленточки формировалась проволока — холодной плоской прокаткой или протягиванием через грубую фильеру. Техника закручивания использовалась примерно до 1000 года нашей эры. Третий предшественник современной техники волочения также начинался с тонких ленточек. Они непосредственно протягивались через фильеры, которые изготавливались или из натуральных камней, в которых делались отверстия, или из мягких металлов — таких как медь или железо. Эти ленточки превращались в трубочки после одной или двух протяжек через фильеру. Из этих трубочек затем формировалась круглая проволока протягиванием за один-два прохода через отверстие нужного диаметра. Затем из трубочек формировалась круглая проволока, на которой обе кромки ленточки образовывали шов. Иногда проволока из драгоценных металлов изготавливалась протяжкой через отверстия, сделанные в пластинках из этих же металлов. Поскольку проволока и фильеры изготавливались из одинаковых металлов, фильеры позволяли производить небольшое число протяжек, так как они чрезвычайно быстро изнашивались. Затем они подвергались переплавке или переработке другого вида. К сожалению, древние металлические фильеры не восстанавливались и, без сомнения, подвергались вторичной переработке.
В руинах г. Помпеи после его разрушения (в 79 году нашей эры) была обнаружена бронзовая проволока. Однако тщательные исследования этого материала показали, что изготовлена она была, вероятно, примерно на 600 лет раньше. Трудно сейчас ответить на вопрос, как изготавливалась проволока из бронзы — ковкой или волочением?
Для того чтобы в те времена делать сплав меди с оловом, использовались мехи для доведения температуры пламени до 1090 °C. В упоминаниях о проволоке, изготовленной в Китае и Индии, предполагается, что ее производство относится к периоду времени между 2200 и 2000 годами до нашей эры.
Изготовление проволоки в средневековье.
В средние века для изготовления проволоки впервые начали применять волочильную доску, в которой был сделан ряд отверстий с постепенно уменьшающимся диаметром для того, чтобы при протягивании проволоки через них постепенно уменьшать ее диаметр до нужной величины. Первые сведения о таком типе инструмента были получены в результате археологических раскопок. Эти сведения относятся к периоду 700–900 годов нашей эры. Честь изобретения этой техники приписывается норвежским викингам. Считается, что в период между VI и X веками венецианцы и другие итальянцы знали об этом методе протягивания проволоки через отверстия в волочильной доске.
Честь первого письменного описания современной техники волочения проволоки приписывается немецкому монаху по имени Теофилус. Примерно между 1000 и 1100 годами нашей эры он написал манускрипт на латинском языке, где дал описание волочильной доски с конически сходящимся отверстием, подобной повсеместно используемым в современном производстве проволоки. Его описание также аналогично описанию волочильных досок, найденных в одной из могил викингов. Волочильная доска была изготовлена из бронзы с железными вставками с отверстиями для протягивания проволоки.
После Теофилуса появилось множество письменных описаний процесса изготовления проволоки. В средние века изготовление проволоки часто производилось волочением с помощью качелей (“swing drawing”). К XIII веку ремесленников начали называть “Schockenzeiher”, или коперными волочильщиками. Волочильная доска с фильерами вставлялась в пень или кусок дерева. Волочильщик сидел на качелях, при движении вперед он захватывал клещами или плоскогубцами проволоку около отверстия в волочильной доске. Во время движения качелей назад волочильщик протягивал проволоку через это отверстие. Процесс продолжался до тех пор, пока вся проволока не была протянута через волочильную доску. Хорошим результатом этого процесса считалось протягивание через волочильную доску одного фута (30,48 см) проволоки за один проход. Тонкая проволока изготавливалась последовательной протяжкой через ряд уменьшающихся по диаметру отверстий: до тех пор, пока не оказывалось возможным наматывать ее на катушку. Такой тип процесса изготовления проволоки использовался в Германии вплоть до середины XVII века.
Первый существенный технический прорыв в волочении проволоки имел место в Германии около 1390 года, когда энергия движущейся воды была использована для осуществления качельного способа волочения. Клещи (зажим) приводились в движение воротом (эксцентриком) на оси рабочего колеса. В это время использовались простые устройства с вращаемым водой рабочим колесом, подобные изображенному на рис. 3.
Этот опыт оказался настолько успешным, что многие водяные мельницы в период времени около 1390 года были превращены в установки для волочения проволоки. Для облегчения ручного труда и повышения производительности были приспособлены разнообразные вспомогательные средства — приемники-отдатчики, барабаны, катушки и т. п. Некоторые приспособления, которые применялись в конце XVII века, изображены на рис. 4.
Хотя можно предположить, что при изготовлении проволоки использовались смазывающие средства, об этом ничего не было известно приблизительно до 1650 года, когда появилось сообщение о применении смазки из местечка вблизи Дюссельдорфа (Германия).Было обнаружено, что человеческая моча уменьшает трение при волочении проволоки настолько эффективно, что ее применение дает возможность легко изготавливать твердую стальную проволоку. Было установлено, что несвежее пиво также является хорошей смазкой, уменьшающей трение. Современные аналитические средства вроде хромотографии в настоящее время используются для анализа металлов, найденных в ходе археологических раскопок, для выяснения, использовалась ли органика (органические вещества) в качестве смазочных средств при волочении проволоки.
Начальные этапы современной техники изготовления проволоки.
Механизмы, приводимые в действие паром, внедрялись в практику медленно и постепенно. Соответственно, и ручные, и приводимые в действие энергией движущейся воды устройства широко использовались в XIX веке. В США производство проволоки началось только после Американской революции, когда оказалось невозможным получать проволоку из Англии. К 1834 году в США работали только три предприятия с годовым объемом производства 15 тонн. В XIX веке потребность в проволоке существенно возросла. После изобретения в 1820 году телеграфа потребовалось большое количество медных проводов для передачи сигналов по линиям телеграфной связи. Изобретение телефона в 1876 году стало еще одной причиной рывка в развитии производства проводов. В ранних телеграфных и телефонных линиях использовались железные провода. Затем медь вытеснила железо, поскольку обеспечивала существенное увеличение электропроводности, но только провода из меди, изготовленные волочением с наклепом, могли быть подвешены между столбами без провисания или обрывов. В это время полностью отожженная медь имела недостаточную прочность на разрыв для использования таким образом. Последующая разработка проводов в виде витой пары не только обеспечила уменьшение помех и потерь в линии, но и привела к удвоению необходимого количества меди.
Об изготовлении волочильных досок до начала XIX века мало что известно. Бóльшая часть этих приспособлений изготавливалась из железа литьем. Фактически железные волочильные доски, подобные представленной на рис. 5, использовались еще и в начале XX века. Отверстия в них имели такую же форму и размеры, как и в современных волочильных фильерах. В США приблизительно в 1870 г. начали в промышленных масштабах применять фильеры с алмазами, а в 1928 г. — и с карбидом.
Джон Рэблинг стал в США национальной знаменитостью благодаря полученным им многочисленным патентам на свои изобретения, разработку стальных канатов и строительство многих подвесных мостов, включая Бруклинский. Он был связан с компанией в Dollar Bay, производившей провода и кабели из меди. На рис. 6 представлена фотография, сделанная на этом заводе в начале XX столетия. В те времена хорошему качеству поверхности уделялось гораздо меньше внимания, чем в современном производстве проволоки.
