Het smelten van ijzer – het winnen van bruikbaar metaal uit geoxideerde ijzerertsen – is moeilijker dan het smelten van tin en koper. Terwijl deze metalen en hun legeringen koud kunnen worden bewerkt of gesmolten in betrekkelijk eenvoudige ovens (zoals de ovens die voor aardewerk worden gebruikt) en in mallen kunnen worden gegoten, vereist gesmolten ijzer een warmbewerking en kan het alleen in speciaal ontworpen ovens worden gesmolten. IJzer is een veel voorkomende onzuiverheid in koperertsen en ijzererts werd soms als vloeimiddel gebruikt, zodat het niet verwonderlijk is dat de mens de technologie van het smelten van ijzer pas na verscheidene millennia bronsmetallurgie onder de knie kreeg.
De plaats en het tijdstip van de ontdekking van het ijzersmelten is niet bekend, deels omdat het moeilijk is metaal uit nikkelhoudende ertsen te onderscheiden van heet bewerkt meteorietijzer. De archeologische bewijzen lijken te wijzen op het gebied van het Midden-Oosten, tijdens de Bronstijd in het 3e millennium v. Chr. Smeedijzeren artefacten bleven echter een zeldzaamheid tot de 12e eeuw v. Chr.
De IJzertijd wordt conventioneel gedefinieerd door de wijdverbreide vervanging van bronzen wapens en werktuigen door die van ijzer en staal. Die overgang vond plaats op verschillende tijdstippen op verschillende plaatsen, naarmate de technologie zich verspreidde. Mesopotamië was in 900 v. Chr. volledig in de IJzertijd. Hoewel Egypte ijzeren kunstvoorwerpen produceerde, bleef brons dominant tot de verovering door Assyrië in 663 v. Chr. De IJzertijd begon in India rond 1200 v. Chr., in Midden-Europa rond 600 v. Chr. en in China rond 300 v. Chr. Rond 500 v. Chr. werden de Nubiërs, die van de Assyriërs het gebruik van ijzer hadden geleerd en uit Egypte waren verdreven, belangrijke fabrikanten en exporteurs van ijzer.
Oude Nabije OostenEdit
Een van de vroegste gesmolten ijzeren artefacten, een dolk met een ijzeren lemmet gevonden in een Hattische graftombe in Anatolië, dateert van 2500 v. Chr. Rond 1500 v. Chr. verschenen er steeds meer niet-meteoritische, gesmolten ijzeren voorwerpen in Mesopotamië, Anatolië en Egypte. In het graf van de Egyptische heerser Toetanchamon, die in 1323 v. Chr. overleed, werden negentien voorwerpen van meteorietijzer gevonden, waaronder een ijzeren dolk met een gouden gevest, een Oog van Horus, de hoofdstandaard van de mummie en zestien modellen van een ambachtswerktuig. Een Oud-Egyptisch zwaard met de naam van farao Merneptah en een strijdbijl met een ijzeren blad en een met goud versierde bronzen schacht werden beide gevonden bij de opgraving van Ugarit.
Hoewel ijzeren voorwerpen uit de Bronstijd in het gehele oostelijke Middellandse-Zeegebied zijn gevonden, lijkt bronswerk in deze periode sterk de overhand te hebben gehad. Tegen de 12e eeuw v. Chr. was het smelten en smeden van ijzer, van wapens en werktuigen, gebruikelijk van Afrika ten zuiden van de Sahara tot in India. Naarmate de technologie zich verspreidde, verving ijzer het brons als het meest gebruikte metaal voor werktuigen en wapens in het oostelijke Middellandse-Zeegebied (de Levant, Cyprus, Griekenland, Kreta, Anatolië en Egypte).
Izer werd oorspronkelijk gesmolten in bloomerijen, ovens waar met blaasbalgen lucht door een hoop ijzererts en brandende houtskool werd geblazen. Het door de houtskool geproduceerde koolmonoxide reduceerde het ijzeroxide uit het erts tot metallisch ijzer. De bloomery was echter niet heet genoeg om het ijzer te smelten, zodat het metaal zich op de bodem van de oven verzamelde als een sponsachtige massa, of bloom. De arbeiders sloegen en plooiden deze dan herhaaldelijk om de gesmolten slak eruit te persen. Dit moeizame, tijdrovende proces leverde smeedijzer op, een kneedbare maar tamelijk zachte legering.
Tegelijkertijd met de overgang van brons naar ijzer werd de carburatie ontdekt, het proces waarbij koolstof aan smeedijzer wordt toegevoegd. Het ijzer bevatte al wat koolstof, maar bij de daaropvolgende warme bewerking werd het grootste deel daarvan geoxideerd. Smeden in het Midden-Oosten ontdekten dat smeedijzer veel harder kon worden gemaakt door het eindproduct in een bed van houtskool te verhitten en het vervolgens in water of olie te blussen. Deze procedure veranderde de buitenste lagen van het stuk in staal, een legering van ijzer en ijzercarbiden, met een binnenkern van minder broos ijzer.
Theorieën over de oorsprong van het ijzersmeltenEdit
De ontwikkeling van het ijzersmelten werd traditioneel toegeschreven aan de Hettieten van Anatolië in de late bronstijd. Men geloofde dat zij een monopolie op ijzerbewerking hadden, en dat hun rijk op dat voordeel was gebaseerd. Volgens die theorie waren de oude Zeevolkeren, die het oostelijke Middellandse-Zeegebied binnenvielen en het Hettitische rijk aan het einde van de Late Bronstijd verwoestten, verantwoordelijk voor de verspreiding van de kennis door die regio. Deze theorie wordt in de heersende stroming van de wetenschap niet langer aanvaard, omdat er geen archeologisch bewijs is voor het vermeende Hittitische monopolie. Er zijn weliswaar enkele ijzeren voorwerpen uit Anatolië van de Bronstijd, maar het aantal is vergelijkbaar met ijzeren voorwerpen die in Egypte en andere plaatsen uit dezelfde periode zijn gevonden, en slechts een klein aantal van die voorwerpen waren wapens.
Een recentere theorie beweert dat de ontwikkeling van de ijzermethode werd aangedreven door de verstoring van de handelsroutes voor koper en tin, als gevolg van de ineenstorting van de rijken aan het eind van de Late Bronstijd. Deze metalen, vooral tin, waren niet overal verkrijgbaar en metaalbewerkers moesten ze over lange afstanden vervoeren, terwijl ijzerertsen overal verkrijgbaar waren. Er zijn echter geen archeologische bewijzen voor een tekort aan brons of tin in de Vroege IJzertijd. Bronzen voorwerpen bleven overvloedig aanwezig, en deze voorwerpen hebben hetzelfde percentage tin als die uit de Late Bronstijd.
Indisch subcontinentEdit
De geschiedenis van de ferrometallurgie op het Indiase subcontinent begon in het 2e millennium v. Chr. Archeologische vindplaatsen in de Ganges-vlakten hebben ijzeren werktuigen opgeleverd die tussen 1800 en 1200 v. Chr. zijn gedateerd. In het begin van de 13e eeuw v. Chr. werd in India op grote schaal ijzer gesmolten. In Zuid-India (het huidige Mysore) werd ijzer gebruikt van de 12e tot de 11e eeuw v. Chr. De technologie van de ijzermetallurgie vorderde in de politiek stabiele Maurya-periode en tijdens een periode van vreedzame nederzettingen in het 1e millennium v. Chr.
Oorwerpen van ijzer zoals spiesen, messen, dolken, pijlpunten, kommen, lepels, steelpannen, bijlen, beitels, tangen, deurbeslag, enz., gedateerd van 600 tot 200 v. Chr., zijn ontdekt op verschillende archeologische vindplaatsen in India. De Griekse historicus Herodotus schreef de eerste westerse beschrijving van het gebruik van ijzer in India. In de mythologische teksten van India, de Upanishads, wordt ook melding gemaakt van weven, pottenbakken en metallurgie. De Romeinen hadden grote waardering voor het uitstekende staal uit India ten tijde van het Gupta-rijk.
Misschien al vanaf 500 v.Chr., maar zeker tegen 200 n.Chr. werd in Zuid-India staal van hoge kwaliteit geproduceerd door middel van de smeltkroes-techniek. Bij dit systeem werden zeer zuiver smeedijzer, houtskool en glas in een smeltkroes gemengd en verhit totdat het ijzer smolt en de koolstof absorbeerde. IJzeren kettingen werden reeds in de 4e eeuw in Indiase hangbruggen gebruikt.
Wootz-staal werd in India en Sri Lanka geproduceerd vanaf ongeveer 300 v. Chr. Wootz-staal is in de Klassieke Oudheid beroemd om zijn duurzaamheid en zijn vermogen om een snede te behouden. Van Alexander wordt gezegd dat hij, toen hij door koning Porus werd gevraagd een geschenk uit te kiezen, dertig pond staal verkoos boven goud of zilver. Wootz-staal was oorspronkelijk een complexe legering met ijzer als hoofdbestanddeel samen met verschillende sporenelementen. Recente studies hebben gesuggereerd dat de kwaliteiten ervan te danken kunnen zijn aan de vorming van koolstofnanobuisjes in het metaal. Volgens Will Durant ging de technologie over op de Perzen en van hen op de Arabieren, die haar door het Midden-Oosten verspreidden. In de 16e eeuw brachten de Nederlanders de technologie van Zuid-India naar Europa, waar het in massaproductie werd genomen.
Staal werd in Sri Lanka vanaf 300 v. Chr. geproduceerd door ovens die door de moessonwinden werden aangeblazen. De ovens werden ingegraven in de toppen van de heuvels, en de wind werd via lange geulen naar de luchtopeningen geleid. Door deze opstelling ontstond een zone met hoge druk aan de ingang en een zone met lage druk aan de top van de oven. Aangenomen wordt dat de stroming hogere temperaturen mogelijk maakte dan met blaasbalgen aangedreven ovens konden produceren, wat resulteerde in ijzer van betere kwaliteit. In Sri Lanka vervaardigd staal werd op grote schaal verhandeld binnen de regio en in de islamitische wereld.
Een van ’s werelds belangrijkste metallurgische curiosa is een ijzeren zuil die zich in het Qutb-complex in Delhi bevindt. De pilaar is gemaakt van smeedijzer (98% Fe), is bijna zeven meter hoog en weegt meer dan zes ton. De pilaar werd opgericht door Chandragupta II Vikramaditya en heeft 1600 jaar blootstelling aan zware regens doorstaan met relatief weinig corrosie.
ChinaEdit
Historici debatteren over de vraag of ijzerbewerking op basis van bloomery’s zich ooit vanuit het Midden-Oosten naar China heeft verspreid. Eén theorie suggereert dat de metallurgie via Centraal-Azië werd geïntroduceerd. In 2008 werden twee ijzeren fragmenten opgegraven op de Mogou-site, in Gansu. Ze zijn gedateerd in de 14e eeuw v. Chr. en behoren tot de periode van de Siwa-cultuur, wat wijst op een onafhankelijke Chinese oorsprong. Een van de fragmenten was gemaakt van bloomerij-ijzer en niet van meteorietijzer.
De vroegste ijzeren artefacten die in China uit bloomerijen zijn vervaardigd, dateren van het einde van de 9e eeuw v. Chr. Gietijzer werd in het oude China gebruikt voor oorlogsvoering, landbouw en architectuur. Rond 500 v. Chr. bereikten metaalbewerkers in de zuidelijke deelstaat Wu een temperatuur van 1130 °C. Bij deze temperatuur verbindt ijzer zich met 4,3% koolstof en smelt. Het vloeibare ijzer kan in mallen worden gegoten, een methode die veel minder arbeidsintensief is dan het afzonderlijk smeden van elk stuk ijzer uit een bloom.
Gegoten ijzer is tamelijk bros en ongeschikt voor het slaan van werktuigen. Het kan echter worden ontkoold tot staal of smeedijzer door het gedurende enkele dagen in lucht te verhitten. In China verspreidden deze ijzermethoden zich naar het noorden, en tegen 300 v. Chr. was ijzer in heel China het materiaal bij uitstek voor de meeste werktuigen en wapens. In een massagraf in de provincie Hebei, daterend uit het begin van de 3e eeuw v. Chr., zijn verschillende soldaten begraven met hun wapens en andere uitrusting. De uit dit graf geborgen artefacten zijn gemaakt van smeedijzer, gietijzer, smeedbaar gietijzer en gehard staal, met slechts enkele bronzen wapens, waarschijnlijk voor de versiering.
Tijdens de Han Dynastie (202 BC-220 AD), stelde de regering de ijzerproductie in als staatsmonopolie (dat in de tweede helft van de dynastie werd opgeheven en weer in handen kwam van particuliere ondernemers) en bouwde zij een reeks grote hoogovens in de provincie Henan, die elk meerdere tonnen ijzer per dag konden produceren. Tegen die tijd hadden Chinese metaalbewerkers ontdekt hoe zij gesmolten ruwijzer fijn konden maken door het in de open lucht te roeren tot het zijn koolstof verloor en kon worden gehamerd (gesmeed). (In het moderne Mandarijn-Chinees heet dit proces nu chao, letterlijk roerbakken; ruwijzer staat bekend als “ruw ijzer”, terwijl smeedijzer bekend staat als “gekookt ijzer”). In de 1e eeuw v. Chr. hadden Chinese metaalbewerkers ontdekt dat smeedijzer en gietijzer konden worden samengesmolten om een legering met een gemiddeld koolstofgehalte te verkrijgen, d.w.z. staal. Volgens de legende werd het zwaard van Liu Bang, de eerste Han-keizer, op deze wijze vervaardigd. Sommige teksten uit die tijd hebben het over “het harmoniseren van hard en zacht” in de context van de ijzerbewerking; de uitdrukking kan naar dit proces verwijzen. De oude stad Wan (Nanyang) was vanaf de Han-periode een belangrijk centrum van de ijzer- en staalindustrie. Naast hun oorspronkelijke methoden om staal te smeden, hadden de Chinezen ook de produktiemethoden van Wootz-staal overgenomen, een idee dat tegen de 5e eeuw na Christus uit India in China was ingevoerd. Tijdens de Han Dynastie waren de Chinezen ook de eersten die hydraulische kracht (d.w.z. een waterrad) toepasten om de blaasbalgen van de hoogoven te laten werken. Dit werd in het jaar 31 n. Chr. opgetekend als een innovatie van de Chinese werktuigkundige en politicus Du Shi, prefect van Nanyang. Hoewel Du Shi de eerste was die waterkracht toepaste op blaasbalgen in de metallurgie, verscheen de eerste getekende en gedrukte illustratie van de werking met waterkracht in 1313 n.Chr. in een tekst uit de tijd van de Yuan Dynastie, genaamd de Nong Shu.
In de 11e eeuw zijn er bewijzen van de produktie van staal in Song China met gebruikmaking van twee technieken: een “berganeske” methode die inferieur, heterogeen staal opleverde en een voorloper van het moderne Bessemer-proces dat gebruik maakte van gedeeltelijke decarbonisatie door herhaaldelijk smeden onder een koude druk. Tegen de 11e eeuw was er in China sprake van een grote ontbossing ten gevolge van de vraag van de ijzerindustrie naar houtskool. Tegen die tijd hadden de Chinezen echter geleerd om bitumineuze cokes te gebruiken ter vervanging van houtskool, en met deze omschakeling in hulpbronnen werden vele hectaren eersteklas bosgrond in China gespaard.
Iron Age EuropeEdit
De bewerking van ijzer werd aan het eind van de 10e eeuw v.Chr. in Griekenland geïntroduceerd. De vroegste sporen van de IJzertijd in Midden-Europa zijn artefacten uit de Hallstatt C-cultuur (8e eeuw v.Chr.). In de 7e tot 6e eeuw v. Chr. bleven ijzeren kunstvoorwerpen luxeartikelen, voorbehouden aan een elite. Dit veranderde drastisch kort na 500 v. Chr. met de opkomst van de La Tène-cultuur, vanaf welke tijd de ijzermetallurgie ook in Noord-Europa en Groot-Brittannië gemeengoed werd. De verspreiding van de ijzerbewerking in Midden- en West-Europa wordt in verband gebracht met de Keltische expansie. Tegen de 1e eeuw v. Chr. was Norisch staal beroemd om zijn kwaliteit en gewild bij het Romeinse leger.
De jaarlijkse ijzerproductie van het Romeinse Rijk wordt geschat op 84.750 ton.
Afrika ten zuiden van de SaharaEdit
Hoewel er enige onzekerheid bestaat, geloven sommige archeologen dat de ijzermetallurgie onafhankelijk werd ontwikkeld in Afrika ten zuiden van de Sahara (mogelijk in West-Afrika).
Inwoners van Termit, in het oosten van Niger, smolten ijzer rond 1500 v.Chr.
In de regio van het Aïr-gebergte in Niger zijn er ook tekenen van onafhankelijk kopersmelten tussen 2500 en 1500 v.Chr. Het proces was niet in een ontwikkelde staat, wat erop wijst dat het smelten niet buitenlands was. Het werd volwassen rond 1500 v. Chr.
Archeologische sites met ijzersmeltovens en slakken zijn ook opgegraven op sites in de regio Nsukka in het zuidoosten van Nigeria in wat nu Igboland is: datering tot 2000 v. Chr. op de site van Lejja (Eze-Uzomaka 2009) en tot 750 v. Chr. en op de site van Opi (Holl 2009). De site van Gbabiri (in de Centraal-Afrikaanse Republiek) heeft bewijzen opgeleverd van ijzermetallurgie, afkomstig van een reductieoven en een smederij; de vroegste dateringen zijn respectievelijk 896-773 v. Chr. en 907-796 v. Chr. Ook in de Nok-cultuur van Centraal-Nigeria wordt rond 550 v. Chr. en mogelijk enkele eeuwen eerder smelten in ovens van het bloomery-type aangetroffen.
Er zijn ook aanwijzingen dat koolstofstaal reeds 2.300-2.000 jaar geleden (ongeveer 300 v. Chr. of kort daarna) in West-Tanzania door de voorouders van het Haya-volk werd gemaakt door middel van een complex proces van “voorverwarming” waardoor de temperatuur in een oven kon oplopen tot 1300 à 1400 °C.
De bewerking van ijzer en koper verspreidde zich zuidwaarts over het continent en bereikte de Kaap rond 200 n. Chr. Het wijdverbreide gebruik van ijzer bracht een revolutie teweeg in de Bantoe sprekende boerengemeenschappen die het gebruik ervan overnamen en de met stenen werktuigen uitgeruste jager-verzamelaarsgemeenschappen die ze tegenkwamen, verdreven en opslokten toen ze zich uitbreidden om grotere savannegebieden te bewerken. De technologisch superieure Bantoesprekers verspreidden zich over zuidelijk Afrika en werden rijk en machtig. Zij produceerden ijzer voor werktuigen en wapens in grote, industriële hoeveelheden.
De vroegste gegevens over ovens van het bloomerijtype in Oost-Afrika zijn vondsten van gesmolten ijzer en koolstof in Nubië die dateren van de 7e tot de 6e eeuw v. Chr., met name in Meroe, waar oude bloomerijen hebben gestaan die metalen werktuigen maakten voor de Nubiërs en Kushieten en die overschotten produceerden voor hun economie.
Middeleeuwse islamitische wereldEdit
Ijzertechnologie werd verder ontwikkeld door verschillende uitvindingen in de middeleeuwse islam, tijdens de islamitische Gouden Eeuw. Deze omvatten een verscheidenheid aan door water en wind aangedreven industriële molens voor de metaalproductie, met inbegrip van tandradmolens en smederijen. Tegen de 11e eeuw waren deze industriële molens in elke provincie van de islamitische wereld in bedrijf, van het islamitische Spanje en Noord-Afrika in het westen tot het Midden-Oosten en Centraal-Azië in het oosten. Er zijn ook 10e-eeuwse verwijzingen naar gietijzer, en archeologisch bewijs voor het gebruik van hoogovens in het Ayyubid en Mamluk rijk vanaf de 11e eeuw, wat duidt op een verspreiding van Chinese metaaltechnologie naar de Islamitische wereld.
Getandere gristmolens werden uitgevonden door Moslim ingenieurs, en werden gebruikt voor het breken van metaalertsen voor de winning. Gristmolens in de Islamitische wereld werden vaak gemaakt van zowel watermolens als windmolens. Om waterraderen geschikt te maken voor het malen van grist, werden nokken gebruikt voor het opheffen en loslaten van de slaghamers. De eerste smederij die werd aangedreven door een door waterkracht aangedreven watermolen in plaats van door handenarbeid, werd uitgevonden in het islamitische Spanje van de 12e eeuw.
Een van de beroemdste staalsoorten die in het middeleeuwse Nabije Oosten werden geproduceerd was Damascusstaal, dat werd gebruikt voor het maken van zwaarden en dat meestal werd geproduceerd in Damascus, Syrië, in de periode van 900 tot 1750. Dit werd vervaardigd volgens de kroesstaalmethode, gebaseerd op het vroegere Indiase wootz-staal. Dit proces werd in het Midden-Oosten overgenomen met gebruikmaking van plaatselijk geproduceerd staal. Het precieze proces blijft onbekend, maar het maakte het mogelijk carbiden als microdeeltjes neer te slaan, gerangschikt in vellen of banden in het lichaam van een kling. Carbiden zijn veel harder dan het omringende koolstofarme staal, zodat zwaardsmeden met de neergeslagen carbiden een snijkant konden maken die harde materialen kon snijden, terwijl de banden van zachter staal ervoor zorgden dat het zwaard in zijn geheel taai en flexibel bleef. Een team van onderzoekers aan de Technische Universiteit van Dresden dat röntgenstralen en elektronenmicroscopie gebruikt om Damascus-staal te onderzoeken, ontdekte de aanwezigheid van cementiet-nanodraden en koolstofnanobuizen. Peter Paufler, lid van het team in Dresden, zegt dat deze nanostructuren Damascus-staal zijn kenmerkende eigenschappen geven en een gevolg zijn van het smeedproces.