מצרף

מצרף (נקרא גם כור היתוך) הוא מכל שבתוכו ניתן להתיך מתכות או חומרים אחרים, או לחשוף אותם לטמפרטורות גבוהות במיוחד. אף שמצרפים אלה היו עשויים בעבר לרוב מחרס,Natural Refractory Materials Employed in the Construction of Crucibles, Retorts, Furnaces &c. מתוך "Metallurgy". לונדון: W. Clowes and Sons, 1861. עמ' 208–209. הם יכולים להיות עשויים מכל חומר המסוגל לעמוד בטמפרטורות הגבוהות מספיק כדי להתיך או לשנות את תכולת המכל.

 היסטוריה 
 טיפולוגיה וכרונולוגיה 
צורתו של המצרף השתנתה לאורך התקופות, בהתאם לשיטות השימוש בו ולמאפיינים אזוריים. הצורות הקדומות ביותר של מצרפים כאלה מתוארכות למאה השביעית או השישית לפני הספירה, במזרח אירופה ובאיראן.Pigott, Vincent C. "The Neolithic (C.A 7500–5500 B.C) and Chalcolithic (C.A 5500–3200 B.C) Periods." מתוך: The Archaeometallurgy of the Asian Old World. פילדלפיה: מוזיאון הארכאולוגיה של אוניברסיטת פנסילבניה, 1999. עמ' 73–74.

 התקופה הכלקוליתית 
מצרפים ששימשו להתכת נחושת היו לרוב כלי חרס רדודים ורחבים, אשר לא ניחנו בתכונות עמידות לחום גבוה (רפרקטוריות) – בדומה לחרסים אחרים מאותה תקופה.Rehren T. & Thornton C. P, 2009, A truly refractory crucible from fourth millennium Tepe Hissar, Northeast Iran, Journal of Archaeological Science, Vol. 36, pp2700–2712 במהלך התקופה הכלקוליתית, חיממו את המצרפים מלמעלה באמצעות מפוח.Hauptmann A., 2003, Developments in copper Metallurgy During the Fourth and Third Millennia B.C. at Feinan, Jordan, מתוך: P. Craddock & J. Lang (עורכים), Mining and Metal Production Through the Ages, מוזיאון בריטי, לונדון, עמ' 93–100 כלים קרמיים מתקופה זו מציגים שיפורים כגון ידיות, כפתורים או פיות יציקה,Bayley & Rehren 2007: עמ' 47 שהפכו את המצרף לנוח יותר לשימוש. דוגמאות מוקדמות לכך נמצאו בפינאן, ירדן. שם נראו מצרפים עם ידיות, אך לא נשתמרה עדות לפיות יציקה. תפקידם העיקרי של המצרפים בתקופה זו היה לשמור את עפרת המתכת באזור שבו התרכזה האש, כדי להפריד את המתכת מהפסולת לפני עיבודה.Rehren Th., 2003, Crucibles as Reaction Vessels in Ancient Metallurgy, מתוך: Craddock & Lang, Mining and Metal Production Through the Ages, מוזיאון בריטי, לונדון, עמ' 207–215

מצרף מהתקופה שבין 2300–1900 לפנה"ס, אשר שימש ליציקת ברונזה, התגלה באתר מקודש בקרמה.

 תקופת הברזל 
שימושם של מצרפים בתקופת הברזל דומה מאוד לשימוש בהם בתקופת הברונזה. גם כאן השתמשו בנחושת ובבדיל ליצירת ברונזה, וצורתם של המצרפים לא השתנתה מהותית.

בתקופה הרומית ניכרת חדשנות טכנולוגית, כאשר נעשה שימוש במצרפים עבור סגסוגות חדשות. תהליך ההתכה השתנה הן מבחינת שיטת החימום והן בעיצוב הכלי. המצרף קיבל צורה חרוטית או עגולה, לעיתים בתחתית מחודדת, והתחילו לחממו מלמטה, להבדיל מהחימום מלמעלה בתקופות קודמות. עיצוב זה העניק יציבות רבה יותר בתוך גחלי העץ.Bayley & Rehren 2007: עמ' 49 מצרפים אלה היו דקים יותר ובעלי תכונות רפרקטוריות משופרות.Tylecote 1976: עמ' 20

בתקופה זו הופיע תהליך מתכני חדש – צמנטציה – לייצור פליז. תהליך זה כולל שילוב של מתכת עם גז ליצירת סגסוגת. הפליז נוצר מערבוב של נחושת מוצקה עם תחמוצת אבץ בצורת קלמין או סמיתסוניט.Rehren 2003: עמ' 209 חימום התערובת לכ-900°C גורם לאבץ להתאדות ולשחרר גז, אשר מגיב עם הנחושת הנוזלית.Rehren 1999: עמ' 1085 כיוון שהתגובה דורשת תנאים סגורים חלקית כדי למנוע בריחת אדי האבץ, המצרפים תוכננו עם מכסים. עיצובם היה דומה לזה של מצרפי התכה רגילים באותה תקופה, עם מבנה חרוטי ופתח צר. מצרפים קטנים מסוג זה (בקוטר 4 ס"מ) התגלו באתר קולוניה אולפיה טראיאנה (כיום קסנטן), גרמניה.Rehren Th., 1999, Small Size, Large Scale Roman brass Production in Germania Inferior, Journal of Archaeological Science, Vol. 26, pp 1083–1087 ישנם גם מצרפים גדולים יותר, כגון קדרות ובקבוקי אמפורה, ששימשו לתהליך הצמנטציה בכמויות גדולות. כיוון שהתהליך מתרחש בטמפרטורות נמוכות, ניתן היה להשתמש בכלים קרמיים רגילים. הכלים עצמם שימשו גם כווסתי לחץ, וכיוון שהתגובה הובילה לאטימת המצרף או להדבקת הפליז לדפנותיו – נאלצו לשבור את המצרף בתום התהליך.

 תקפות ימי הביניים 
התכת נחושת וסגסוגותיה (כגון ברונזה עם עופרת) נעשתה במצרפים הדומים לאלה של התקופה הרומית, עם דפנות דקות ותחתית שטוחה שהותאמה להנחה בתנור. לקראת סופה של תקופה זו התפתחו חומרים חדשים לחיזוק הקרמיקה. חלק מהמצרפים שימשו לייצור פעמונים, ונדרשו להיות גדולים – כ-60 ס"מ.Tylecote 1976: עמ' 73 המצרפים המאוחרים יותר יוצרו בצורה תעשייתית.

תהליך הצמנטציה, שנשכח לאחר התקופה הרומית, חזר לשימוש, וייצור הפליז גבר הודות להבנה משופרת של הטכנולוגיה. שיטות הצמנטציה לא השתנו עד המאה ה-19.Craddock P., 1995, Early Metal Mining and Production, Edinburgh University Press Ltd, Edinburgh

עם זאת, חידוש טכנולוגי חשוב במיוחד שהופיע באותה תקופה היה ייצור פלדת מצרף. הפלדה יוצרה על ידי ערבוב ברזל עם פחמן, בדומה לתהליך ייצור הפליז. הדוגמה הקדומה ביותר היא פלדת ווץ' מהודו,Craddock 1995: עמ' 276 שם המצרפים מולאו בברזל רך באיכות גבוהה יחד עם חומרים אורגניים (כגון עלים או עץ), אך ללא פחם. המצרפים ייצרו כמות פלדה קטנה בלבד ונשברו עם סיום התהליך.

בסוף ימי הביניים נדד מרכז הייצור לאוזבקיסטן של ימינו, שם נעשה שימוש במצרפים מחומרים חדשים כגון מוליט.Rehren, Th. and Papakhristu, O., 2000, Cutting Edge Technology – The Ferghana Process of Medieval crucible steel Smelting, Metalla, Bochum, 7(2) pp55–69 אלה היו מצרפים מחרסית חולית שנוצקו סביב גליל בד. לכלי היה חור עליון לפליטת גזים.

 התקופה שאחרי ימי הביניים 
בתום ימי הביניים החלו להופיע עיצובים חדשים ותהליכים חדשים במצרפים. הצורות הלכו והפכו לאחידות, ונוצרו בידי מספר מצומצם של מומחים. אחד הסוגים הנפוצים היה מצרף הסי (Hessian crucible), שיוצר באזור הסה שבגרמניה. צורתו משולשת, והכנתו נעשתה באובניים או בתבניות, תוך שימוש בחרסית עתירת אלומינה ובתוספת חול קוורץ טהור.Martinon-Torres M. & Rehren Th., 2009, Post-Medieval crucible Production and Distribution: A Study of Materials and Materialities, Archaeometry Vol.51 No.1 pp49–74 באותו זמן יוצר גם מצרף גרפיט בדרום גרמניה – בעיצוב דומה אך גם בגרסה חרוטית. מצרפים אלו ייוצאו לרחבי אירופה והעולם החדש.

הידע שהצטבר בתקופות אלו הוביל להמצאת הקופל – כלי קטן בצורת ביצה העשוי קרמיקה או אפר עצמות, המשמש להפרדת מתכות בסיס ממתכות יקרות. תהליך זה מכונה קופלציה. אף שהוא היה קיים עוד קודם לכן, הקופלים הייעודיים הופיעו לראשונה במאה ה-16.Rehren 2003: עמ' 208 כלי נוסף לתהליך דומה הוא ה"סקוריפייר", מעט גדול יותר, אשר מסלק את העופרת ומשאיר את המתכות היקרות. כלים אלו יוצרו בהמוניהם, מאחר שלאחר כל הפעלה הם נספגו בעופרת והפכו לבלתי שמישים. נעשה בהם גם שימוש בבדיקות מתכת (assay), בהן הפרידו את המתכות היקרות מהמטבע או מהחפץ לבדיקה.

 שימושים בני זמננו 
ממוזער|300px|כורי היתוך המשמשים ב
ממוזער|300px|התכת זהב בכור גרפיט
ממוזער|300px|שלושה מצרפים ששימשו את תומאס אדיסון
במעבדה, משמשים מצרפים להחזקת תרכובות כימיות במהלך חימומן לטמפרטורות גבוהות מאוד. מצרפים זמינים בגדלים שונים ולרוב כוללים גם מכסה תואם. בעת חימום בלהבה, המצרף מוחזק לרוב בתוך משולש חרס (pipeclay triangle), אשר מונח על כן תלת-רגלי.

מצרפים ומכסים מיוצרים מחומרים עמידים לחום, בדרך כלל פורצלן, אלומינה או מתכת אינרטית. אחד השימושים הקדומים בפלטינה היה לייצור מצרפים. חומרים קרמיים כמו אלומינה, זירקוניה ובעיקר מגנזיה מסוגלים לעמוד בטמפרטורות הגבוהות ביותר. עם זאת, יש להביא בחשבון את תגובת החומר המוכנס למצרף עם דפנות המצרף עצמו; בפרט יש לשים לב לאפשרות להיווצרות מערכת אאוטקטית – תערובת שמורידה את טמפרטורת ההתכה. בעת האחרונה נעשה שימוש גם במתכות כמו ניקל וזירקוניום. המכסים הם לרוב רופפים במכוון, כדי לאפשר לגזים להימלט במהלך החימום.

מצרפים מגיעים בצורת "גובה מלא" (high form) או "גובה נמוך" (low form), ובשלל גדלים – אך מצרפי פורצלן קטנים בנפח של 10–15 מ"ל הם הנפוצים ביותר לאנליזה גרבימטרית במעבדה. מצרפים אלו נמכרים בזול בכמויות גדולות, ולעיתים נזרקים לאחר שימוש אחד בניתוח כמותי מדויק. עם זאת, כאשר הם נמכרים בנפרד בחנויות תחביבים, המחיר עשוי להיות גבוה בהרבה.

 שימושים באנליזה כימית 
בתחום האנליזה כימית, משמשים מצרפים לניתוח כמותי מסוג אנליזה גרבימטרית – ניתוח על פי מסה של החומר הנבדק או תוצריו. השימוש הנפוץ כולל את השלבים הבאים:

שארית או משקע מהתגובה הכימית נאסף או מסונן על גבי נייר סינון "ללא אפר".

המצרף והמכסה נשקלים בדיוק גבוה במאזניים אנליטיים.

המשקע עם נייר הסינון מונח במצרף ומחומם בטמפרטורה גבוהה עד שכל החומרים הנדיפים והלחות מתאדים, והנייר נשרף לחלוטין.

המצרף מקרר בתוך דסיקטור (כלי אטום הכולל חומר סופח לחות).

רק לאחר קירור מלא לטמפרטורת החדר, נשקל המצרף עם המשקע – על מנת למנוע שגיאות בגלל זרמי אוויר חמים.

חיסור מסת המצרף הריק (שנשקל מראש) ממסת המצרף עם המשקע – נותן את מסת החומר היבש.

מצרף עם תחתית מחוררת, המיועד במיוחד לסינון (כגון לצורך אנליזה גרבימטרית), נקרא מצרף גוץ (Gooch crucible) על שם ממציאו, פרנק אוסטין גוץ.

לצורך דיוק מרבי, יש להחזיק את המצרף רק באמצעות מלקחיים, שכן טביעות אצבעות מוסיפות מסה מדידה. מצרפי פורצלן הם היגרוסקופיים – כלומר סופחים מעט לחות מהאוויר – ולכן יש לחמם אותם מראש למסה קבועה. נדרש לבצע לפחות שני סבבי חימום, קירור, ושקילה – עד לקבלת אותה מסה בדיוק, כדי לאשר שהמצרף יבש לחלוטין. תהליך זה מתבצע גם לפני השקילה הסופית עם הדגימה.

 לקריאה נוספת 
 Craddock P., 1995, Early Metal Mining and Production, Edinburgh University Press Ltd, Edinburgh
 Hauptmann A., Rehren T. & Schmitt-Strecker S., 2003, Early Bronze Age copper metallurgy at Shahr-i Sokhta (Iran), : Man and mining, Deutsches Bergbau Museum, Bochum
 Martinon-Torres M. & Rehren Th., 2009, Post Medieval crucible Production and Distribution, Archaeometry Vol.51 No.1
 O. Faolain S., 2004, Bronze Artefact Production in Late Bronze Age Ireland, BAR British Series 382
 Rehren, Th. and Papakhristu, O., 2000, The Ferghana Process of Medieval crucible steel Smelting, Metalla, Bochum, 7(2)
 Rehren T. & Thornton C. P, 2009, A truly refractory crucible from fourth millennium Tepe Hissar, Journal of Archaeological Science, Vol. 36
 Rehren Th., 1999, Roman brass Production in Germania Inferior, Journal of Archaeological Science, Vol. 26
 Rehren Th., 2003, Crucibles as Reaction Vessels in Ancient Metallurgy, British Museum Press
 Roberts B. W., Thornton C. P. & Pigott V. C., 2009, Development of Metallurgy in Eurasia, Antiquity Vol. 83
 Scheel B., 1989, Egyptian Metalworking and Tools, Shire Egyptology
 Vavelidis M. & Andreou S., 2003, Gold working in Later Bronze Age Northern Greece, Naturwissenschaften
 Zwicker U., Greiner H., Hofmann K. & Reithinger M., 1985, Smelting and Alloying of copper in Crucible Furnaces, British Museum

 קישורים חיצוניים 

 הערות שוליים 

קטגוריה:כימיה אנליטית