Montanarchäologische Experimente zur Kupfergewinnung sowie Charakterisierung archäologischer Funde

Abstract

Der Mangel an antiken Schriftquellen verursacht Wissenslücken über die Herstellungs- und Bearbeitungstechnologien von Kupfer und Bronze. Archäometallurgische Experimente und chemische Untersuchungsmethoden helfen dabei, historische metallurgische Prozesse zu verstehen. In dieser Masterarbeit wurden Kupfer- und Bronze-Verhüttungsversuche durchgeführt, sowie eine römische Fibel und eine Münze aus Carnuntum metallographisch untersucht.Die Analysen wurden mit folgenden Methoden durchgeführt: Computertomographie (CT) für zerstörungsfreie schichtweise Darstellungen, Metallographie (LOM und REM-EDX) für die Gefügeaufklärung, und Röntgenfluoreszenzanalyse für die Durchschnittsanalyse. Die Proben wurden dabei schichtweise aufgeschnitten. Schleifen und Polieren erfolgte stufenweise bis zu 1 μm Diamantsuspension.Die Kupferverhüttung wurde mit Malachit (Cu2(CO3)(OH)2)) und Chalkopyrit (CuFeS2) bei 1100 °C durchgeführt. Bei dem Malachitversuch wurde ein Kupferkuchen aus Cu und Cu-Cu3P Eutektikum erzeugt. Bei der Verwendung von Chalkopyrit wurde keine Separation von Kupfer und Fe-Schlacke erreicht. Die Verhüttung von Malachit und Kassiterit (SnO2) bei 1100 °C ergab Bronze mit einem typischen Gefüge aus dendritisch erstarrtem Cu und Cu41Sn11.Der Kopf der römischen Fibel bestand aus vier unterschiedlichen Kupferlegierungen. Neben Cu wurden die Phasen Cu41Sn11, Pb, ZnS und CuO nachgewiesen. An der Oberfläche der Fibel wurden typische Korrosionsprodukte wie Malachit und Cuprit nachgewiesen. Besonders war das Vorliegen von Azurit in Zusammenhang mit negativem Pseudomorphismus von Textilien.Die Zusammensetzung der römischen Münze nur aus Kupfer und Blei ist ungewöhnlich. Mechanische Verformungen zusammen mit Zwillingkristallen weisen auf Schlagen und Glühen als Teile des Herstellungsprozesses hin.

The lack of ancient written sources creates gaps in our knowledge about the production and processing technologies of copper and bronze. Archaeometallurgical experiments and chemical investigation methods help us to understand historical metallurgical processes. In this master's thesis, copper and bronze smelting experiments were conducted, as well as a Roman brooch and a coin from Carnuntum were metallographically examined.The analyses were performed using the following methods: computed tomography (CT) for non-destructive layer-by-layer imaging, metallography (LOM and SEM-EDX) for microstructure determination, and X-ray fluorescence analysis for average analysis. The samples were sectioned layer by layer. Grinding and polishing were performed stepwise down to a 1 μm diamond suspension.Copper smelting was carried out with malachite (Cu2(CO3)(OH)2)) and chalcopyrite (CuFeS2) at 1100 °C. In the malachite test, a copper cake consisting of Cu and Cu-Cu3P eutectic was produced. The use of chalcopyrite did not result in separation of copper and Fe slag. Smelting of malachite and cassiterite (SnO2) at 1100 °C produced bronze with a typical microstructure of dendritically solidified Cu and Cu41Sn11.The head of the Roman brooch was made of four different copper alloys. In addition to Cu, the phases Cu41Sn11, Pb, ZnS, and CuO were detected. Typical corrosion products such as malachite and cuprite were detected on the surface of the brooch. Azurite was particularly evident in connection with negative pseudomorphism in textiles.The Roman coin's composition of only copper and lead is unusual. Mechanical deformations, along with twin crystals, indicate striking and annealing as part of the manufacturing process.