Кованое железо - это сплав железа с очень низким содержанием углерода (менее 0,08%) в отличие от чугуна (от 2,1% до 4%). Это полурасплавленная масса железа с включениями волокнистого шлака (до 2% по весу), что придает ей «зернистость», напоминающую древесину, которая видна, когда она протравливается или сгибается до разрушения. Кованое железо прочное, ковкое, пластичное , устойчивое к коррозии и легко сваривается .
До появления эффективных методов выплавки стали и появления большого количества стали кованое железо было наиболее распространенной формой ковкого чугуна. Он получил название кованый, потому что его ковали, катали или обрабатывали другим способом, пока он был достаточно горячим, чтобы вытеснить расплавленный шлак. Современный функциональный эквивалент кованого железа - это мягкая сталь , также называемая низкоуглеродистой сталью. Ни кованое железо, ни низкоуглеродистая сталь не содержат достаточно углерода, чтобы его можно было закалить при нагревании и закалке. [1] : 145
Кованое железо очень рафинированное, с небольшим количеством шлака, выкованного в волокна. Он на 99,4% состоит из железа по массе. [2] Наличие шлака полезно для кузнечного дела и придает материалу уникальную волокнистую структуру. [3] Силикатные волокна шлака также защищают чугун от коррозии и уменьшают эффект усталости, вызванный ударами и вибрацией. [4]
Исторически сложилось так, что небольшое количество кованого железа перерабатывалось в сталь , которая использовалась в основном для производства мечей , столовых приборов , долот , топоров и других режущих инструментов, а также пружин и напильников. Спрос на кованое железо достиг своего пика в 1860-х годах, когда он пользовался большим спросом для бронированных военных кораблей и железных дорог . Однако, как свойства , такие как хрупкость мягкой стали улучшенной с лучшей черной металлургией и , как сталь стало дешевле сделать благодаря процессу бессемеровского и процессу Siemens-Martin , использование кованого железа снизилось.
Многие предметы, прежде чем они стали изготавливаться из мягкой стали , производились из кованого железа, включая заклепки , гвозди , проволоку , цепи , рельсы , железнодорожные муфты , водопроводные и паровые трубы , гайки , болты , подковы , поручни , шины для вагонов, ремни. для деревянных стропильных ферм и декоративных металлических изделий , среди прочего. [5] [примечание 1]
Кованое железо больше не производится в промышленных масштабах. Многие изделия из кованого железа, такие как перила , садовая мебель [6] и ворота , на самом деле сделаны из мягкой стали. [7] Они сохраняют это описание, потому что они сделаны так, чтобы напоминать предметы, которые в прошлом выковывались (обрабатывались) вручную кузнецом (хотя многие декоративные железные предметы, в том числе заборы и ворота, часто были отлиты, а не кованы). [7]
Терминология
Слово «кованое» является архаическим причастием прошедшего времени глагола «работать», и поэтому «кованое железо» буквально означает «обработанное железо». [8] Кованое железо - это общий термин для обозначения товара, но он также используется более конкретно для готовых изделий из железа, изготовленных кузнецом . В британских таможенных записях он использовался в более узком смысле: такое железо облагалось более высокими пошлинами, чем то, что можно было бы назвать «некованым» железом. Чугун , в отличие от кованого, хрупкий, его нельзя обрабатывать ни горячим, ни холодным способом. Чугун может сломаться, если его ударить молотком.
В 17, 18 и 19 веках кованое железо употреблялось под разными названиями в зависимости от его формы, происхождения или качества.
В то время как в процессе цветения кованое железо производилось непосредственно из руды, чугун или чугун были исходными материалами, используемыми в кузнице для изысканной отделки и печи для лужения . Чугун и чугун имеют более высокое содержание углерода, чем кованое железо, но имеют более низкую температуру плавления, чем железо или сталь. В литом и особенно передельном чугуне имеется избыток шлака, который необходимо хотя бы частично удалить для производства качественного кованого железа. На литейных заводах было обычным делом смешивать лом кованого железа с чугуном для улучшения физических свойств отливок.
В течение нескольких лет после внедрения бессемеровской стали и мартеновской стали существовали разные мнения относительно того, что отличает железо от стали; одни считали, что дело в химическом составе, другие - в том, достаточно ли нагревается железо, чтобы плавиться и «плавиться». В конечном итоге термоядерный синтез стал общепризнанным как относительно более важный компонент, чем состав ниже заданной низкой концентрации углерода. [9] : 32–39 Еще одно отличие состоит в том, что сталь можно упрочнять путем термической обработки .
Исторически кованое железо было известно как «коммерчески чистое железо» [10] [11], однако оно больше не соответствует критериям, поскольку современные стандарты для коммерчески чистого железа требуют содержания углерода менее 0,008 мас.% . [12] [13]
Типы и формы
Прутковый чугун - это общий термин, который иногда используют для отличия его от чугуна. Это эквивалент слитка литого металла в удобной форме для обработки, хранения, транспортировки и дальнейшей переработки в готовый продукт.
Слитки были обычным продуктом кузницы для украшений , но не обязательно изготовлены с помощью этого процесса.
- Катанка, вырезанная из плоского прутка на продольно-резательном станке, служила сырьем для шипов и гвоздей.
- Обруч - подходит для обруча бочек, сделанных путем пропускания катанки через прокатные матрицы.
- Листовое железо - листы, пригодные для использования в качестве котельной .
- Blackplate - листы, возможно, тоньше листового железа, полученные на стадии черной прокатки производства белой жести .
- Железо для путешествий - узкий плоский пруток, сделанный или нарезанный на прутки определенного веса, товар для продажи в Африке для атлантической работорговли . Количество слитков на тонну постепенно увеличивалось с 70 на тонну в 1660-х годах до 75–80 на тонну в 1685 году и «почти 92 на тонну» в 1731 году. [14] : 163–172
Источник
- Древесный уголь - до конца XVIII века кованое железо выплавляли из руды с использованием древесного угля в процессе цветения . Кованое железо также производилось из чугуна в художественной кузнице или в очаге в Ланкашире . Полученный металл сильно варьировался как по химическому составу, так и по содержанию шлака.
- Луженое железо - процесс лужения был первым крупномасштабным процессом производства кованого железа. В процессе пудлинга чугун очищается в отражательной печи, чтобы предотвратить загрязнение чугуна серой, содержащейся в угле или коксе. Расплавленный чугун вручную перемешивают, подвергая его воздействию атмосферного кислорода, который обезуглероживает железо. Когда железо перемешивается, шарики кованого железа собираются в шарики с помощью перемешивающего стержня (штанги или стержня), которые периодически удаляются лужицей. Пудлинг был запатентован в 1784 году и стал широко использоваться после 1800 года. К 1876 году только в Великобритании годовое производство луженого железа составляло более 4 миллионов тонн. Примерно в то время мартеновская печь могла производить сталь подходящего качества для строительных целей, и производство кованого железа пришло в упадок.
- Железо рудного помола - особо чистый сорт пруткового железа, получаемый в конечном итоге из железной руды на руднике Даннемора в Швеции . Его наиболее часто использовали в качестве сырья для процесса цементирования сталеплавильного производства.
- Данковское железо - первоначально железо, импортированное в Великобританию из Гданьска , но в 18 веке, более вероятно, это железо (из восточной Швеции), которое когда-то поступало из Гданьска.
- Лесное железо - железо из английского леса Дин , где гематитовая руда позволяла производить прочное железо.
- Lukes iron - железо, импортированное из Льежа , чье голландское имя - «Луик». [15]
- Эймсовское железо или амис-железо - еще одна разновидность железа, импортированного в Англию из Северной Европы. Предполагается, что он происходит из Амьена , но, похоже, он был импортирован из Фландрии в 15 веке и из Голландии позже, что предполагает его происхождение из долины Рейна . Его происхождение остается спорным. [15]
- Железо Ботольф или Утюг Буталла - из Бытова (Польская Померания ) или Бытома (Польская Силезия ). [15]
- Соболь (или Старый Соболь) - железо с клеймом ( соболем ) семьи русских мастеров по металлу Демидовых , одна из лучших марок русского железа . [16]
Качество
- Прочное железо
- Также пишется «tuf», не является хрупким и достаточно прочным, чтобы его можно было использовать для изготовления инструментов.
- Смешать железо
- Изготовлен с использованием смеси разных видов чугуна .
- Лучшее железо
- Железо прошло несколько этапов укладки и прокатки, чтобы достичь стадии, считающейся (в XIX веке) лучшим по качеству.
- Маркированный пруток
- Изготовлено членами Ассоциации адвокатов с маркировкой и маркировано торговой маркой производителя в качестве знака качества. [17]
Дефекты
Кованое железо - это форма товарного железа, содержащего менее 0,10% углерода, менее 0,25% общих примесей серы, фосфора, кремния и марганца и менее 2% шлака по весу. [18] [19]
Кованое железо бывает красным или коротким, если в нем содержится сера в избытке. Он обладает достаточной прочностью в холодном состоянии, но трескается при сгибании или окончании на красном огне. [5] : 7 Горячее короткое железо считалось неликвидом. [1]
Холодное короткое железо, также известное как холодный сдвиг , колшир , содержит чрезмерное количество фосфора. Он очень хрупкий в холодном состоянии и трескается при сгибании. [5] : 7, 215 Однако его можно обрабатывать при высокой температуре. Исторически для ногтей считалось достаточно холодного короткого железа .
Фосфор не обязательно вреден для железа. Древние кузнецы Ближнего Востока не добавляли известь в свои печи. Отсутствие оксида кальция в шлаке и преднамеренное использование древесины с высоким содержанием фосфора во время плавки приводит к более высокому содержанию фосфора (обычно <0,3%), чем в современном железе (<0,02-0,03%). [1] [20] Анализ железной колонны Дели дает 0,11% железа. [1] : 69 Включенный в кованое железо шлак также придает коррозионную стойкость.
Присутствие фосфора (без углерода) позволяет получить высокопрочный чугун, пригодный для волочения проволоки для фортепиано . [21]
История
западный мир
Кованое железо использовалось на протяжении многих веков, и это «железо», которое упоминается на протяжении всей западной истории. Другая форма чугуна, чугун , использовалась в Китае с древних времен, но не была завезена в Западную Европу до 15 века; даже тогда из-за своей хрупкости его можно было использовать только для ограниченного числа целей. На протяжении большей части Средневековья железо производилось путем прямого восстановления руды в ручных цветниках , хотя гидроэнергетика начала применяться к 1104 году [22].
Сырье, производимое всеми косвенными процессами, - это чугун. Он имеет высокое содержание углерода и, как следствие, хрупкий и не может быть использован для изготовления металлических изделий. Процесс Осмонда был первым из непрямых процессов, разработанных к 1203 году, но производство цветков продолжалось во многих местах. Процесс зависел от развития доменной печи, средневековые образцы которой были обнаружены в Лапфиттане , Швеции и Германии .
Процессы рудоплавилен и Osmond постепенно вытесняется с 15 - го века наряде процессами, из которых были две версии, немецких и Валлонии. Они, в свою очередь, были заменены с конца 18-го века лужами с некоторыми вариантами, такими как шведский ланкаширский процесс . Они тоже сейчас устарели, а кованое железо больше не производится в промышленных масштабах.
Китай
Во время династии Хань новые процессы выплавки железа привели к производству новых орудий из кованого железа для использования в сельском хозяйстве, таких как многотрубная сеялка и железный плуг . [23] В дополнение к случайным кускам низкоуглеродистого кованого железа, образовавшимся из-за чрезмерного нагнетания воздуха в древних китайских вагранках . Древние китайцы создавали кованое железо, используя кузницу для украшений, по крайней мере, во 2 веке до нашей эры, самые ранние образцы чугуна и чугуна, оцинкованного в кованое железо и сталь, были найдены на месте ранней династии Хань (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.) в Тишэнго. [24] [25] : 186 Пиготт предполагает, что кузница для украшений существовала в предыдущий период Сражающихся царств (403–221 гг. До н.э.) в связи с тем, что в этот период были найдены изделия из кованого железа из Китая, а документальных свидетельств нет. из Bloomery когда - либо используется в Китае. [25] : 186–187 Процесс очистки включал разжижение чугуна в очаге очистки и удаление углерода из расплавленного чугуна путем окисления . [25] : 186 Вагнер пишет, что в дополнение к очагам династии Хань, которые, как считается, были очагами очищения, есть также наглядные свидетельства очага очищения с фрески гробницы Шаньдуна, датируемой 1–2 веком нашей эры, а также намек на письменные свидетельства в даосском тексте IV века н.э. Тайпин Цзин . [26]
Процесс цветения
Изначально кованое железо производилось с помощью различных процессов плавки, которые сегодня называются «цветочными». В разное время и в разных местах использовались разные формы цветения. В печь загружали древесный уголь и железную руду, а затем зажигали. Воздух вдувают через фурму , чтобы нагреть Bloomery до температуры несколько ниже температуры плавления железа. В процессе плавки шлак будет плавиться и вытекать, а оксид углерода из древесного угля будет восстанавливать руду до железа, которое образует губчатую массу (называемую «блюм»), содержащую железо, а также расплавленные силикатные минералы (шлак) из руда. Железо осталось в твердом состоянии. Если дать цвету достаточно нагреться, чтобы расплавить железо, углерод растворился бы в нем и образовал чушку или чугун, но это не было намерением. Однако конструкция блумера затрудняла достижение точки плавления железа, а также предотвращала повышение концентрации монооксида углерода. [1] : 46–57
После завершения плавки налет был удален, и процесс можно было начать снова. Таким образом, это был периодический процесс, а не непрерывный, как в доменной печи. Блюм нужно было выковать механически, чтобы укрепить его и сформировать в виде стержня, удаляя при этом шлак. [1] : 62–66
В средние века в этом процессе применялась энергия воды, вероятно, сначала для приведения в действие сильфонов, и только позже для молотов для ковки цветов. Однако, хотя известно, что использовалась гидроэнергия, детали остаются неясными. [1] : 75–76 Это было кульминацией прямого процесса производства чугуна. Он сохранился в Испании и на юге Франции как Каталонские кузницы до середины 19 века, в Австрии как stuckofen до 1775 года [1] : 100–101 и около Гарстанга в Англии примерно до 1770 года; [27] [28] он все еще использовался горячим дутьем в Нью-Йорке в 1880-х годах. [29] В Японии последний из старых кустов татары, использовавшийся для производства традиционной стали тамахаганэ , в основном используемой в производстве мечей, был потушен только в 1925 году, хотя в конце 20 века производство возобновилось в небольших масштабах, чтобы поставлять сталь в ремесленники-мечники.
Осмонд процесс
Осмондское железо состояло из шариков из кованого железа, полученных путем плавления чугуна и улавливания капель на посохе, который вращался перед воздушным потоком, чтобы максимально подвергнуть его воздействию воздуха и окислить содержащийся в нем углерод. . [30] Полученный шар часто выковывался в пруток на молотковой мельнице.
Процесс оформления
В 15 веке доменная печь распространилась на территорию современной Бельгии, где ее улучшили. Оттуда он распространился через Пэи-де-Брей на границе Нормандии, а затем в Уилд в Англии. С его помощью кузница украшений распространилась. Те переплавили чугун и (по сути) выжигали углерод, создавая блюм, который затем выковывали в пруток. Если требовалась катанка, использовали продольно-резательный станок.
Процесс украшения существовал в двух немного разных формах. В Великобритании, Франции и некоторых частях Швеции использовался только валлонский процесс . Здесь использовались два разных очага: декоративный очаг для отделки утюга и жаровня для его разогрева во время вытягивания блюма в пруток. В украшениях всегда использовался древесный уголь, но жгуты можно было обжигать и с минеральным углем , поскольку его примеси не повредили бы железу, когда оно было в твердом состоянии. С другой стороны, немецкий процесс, используемый в Германии, России и большей части Швеции, использовал один очаг на всех этапах. [31]
Введение кокса для использования в доменной печи Авраамом Дарби в 1709 году (или, возможно, несколько раньше) поначалу мало повлияло на производство кованого железа. Только в 1750-х годах коксохимический чугун стал использоваться в значительных масштабах в качестве сырья для кузнечных изделий. Однако древесный уголь по-прежнему служил топливом для украшений.
Заливка и штамповка
С конца 1750-х годов мастера по производству железа начали разрабатывать процессы производства пруткового железа без древесного угля. Для этого был разработан ряд запатентованных процессов, которые сегодня называют заливкой и штамповкой . Самый ранний из них был разработан Джоном Вудом из Веднсбери и его братом Чарльзом Вудом из Лоу Милл в Эгремонте и запатентован в 1763 году. [32] : 723–724 Другой был разработан братьями Крейндж для компании Coalbrookdale . [33] Еще одним важным было дело Джона Райта и Джозефа Джессона из Вест Бромвича . [32] : 725–726
Процесс лужения
Ряд процессов производства кованого железа без древесного угля был разработан с началом промышленной революции во второй половине 18 века. Самым успешным из них было приготовление лужа с использованием пудлинговой печи (разновидность отражательной печи ), которую изобрел Генри Корт в 1784 году. [34] Позднее она была улучшена другими, в том числе Джозефом Холлом , который первым добавил железо. оксид к заряду. В этом типе печи металл не контактирует с топливом и, следовательно, не загрязняется его примесями. Тепло продуктов сгорания проходит по поверхности лужи, и свод печи отражается (отражает) тепло на металлическую лужу на противопожарном мостике печи.
Если используемым сырьем не является белый чугун, чугун или другой сырой продукт из лужи сначала нужно было очистить до рафинированного железа или более тонкого металла. Это будет сделано на нефтеперерабатывающем заводе, где необработанный уголь использовался для удаления кремния и преобразования углерода в сырье, находящемся в форме графита, в комбинацию с железом, называемую цементитом.
В полностью разработанном процессе (Холла) этот металл помещали в подовую печь для лужения, где он плавился. Очаг облицован окислителями, такими как гематит и оксид железа. [35] Смесь подвергали воздействию сильного потока воздуха и перемешивали длинными стержнями, называемыми стержнями для лужения или валками, [36] : 165 [37] через рабочие дверцы. [38] : 236–240 Воздух, перемешивание и «кипение» металла помогли окислителям окислить примеси и углерод из чугуна. По мере окисления примесей они образовывали расплавленный шлак или уносились в виде газа, в то время как оставшееся железо затвердевало в губчатое кованое железо, которое всплывало в верхнюю часть лужи и вылавливалось из расплава в виде шариков лужи с использованием прутьев лужи. [35]
Черепица
В шарах лужи еще оставалось некоторое количество шлака, поэтому, пока они были еще горячими, их нужно было покрыть черепицей [39], чтобы удалить оставшийся шлак и шлак. [35] Это было достигнуто путем ковки шариков молотком или выжиманием блюма в машине. Материал, полученный в конце укладки черепицы, известен как цветение. [39] Блюм в такой форме бесполезен, поэтому из них был получен конечный продукт.
Иногда европейские металлургические заводы полностью пропускали процесс черепицы и катали шарики из лужи. Единственный недостаток в том, что края грубых стержней не были так сильно сжаты. Когда грубый стержень повторно нагревается, края могут отделиться и потеряться в печи. [39]
Прокатка
Блюм пропускали через валки и получали прутки. Кованые прутья были плохого качества, их называли навозными прутьями [39] [36] : 137 или прутьями для луж. [35] Чтобы улучшить их качество, прутья были разрезаны, сложены и связаны проволокой. Этот процесс известен как вырубка или укладка. [39] Затем они были повторно нагреты до состояния сварки, подвергнуты ковкой сварке и снова прокатаны в прутки. Этот процесс можно повторить несколько раз, чтобы получить кованое железо желаемого качества. Кованое железо, которое было прокатано несколько раз, называется торговым слитком или торговым чугуном. [37] [40]
Ланкаширский процесс
Преимущество лужа в том, что в качестве топлива использовался уголь, а не древесный уголь. Однако в Швеции, где не хватало угля, от этого было мало пользы. Густав Экман наблюдал за углем в Улверстоне , который сильно отличался от любого другого в Швеции. После своего возвращения в Швецию в 1830-х годах он экспериментировал и разработал процесс, похожий на лужение лужа, но с использованием дров и древесного угля, которые получили широкое распространение в Бергслагене в последующие десятилетия. [41] [14] : 282–285
Астон процесс
В 1925 году Джеймс Астон из США разработал процесс быстрого и экономичного производства кованого железа. Он включал извлечение жидкой стали из конвертера Бессемера и заливку ее в более холодный жидкий шлак. Температура стали составляет около 1500 ° C, а температура жидкого шлака поддерживается примерно на уровне 1200 ° C. Расплавленная сталь содержит большое количество растворенных газов, поэтому, когда жидкая сталь ударяется о более холодные поверхности жидкого шлака, газы выделяются. Затем расплавленная сталь замерзла с образованием губчатой массы, имеющей температуру около 1370 ° C. [35] Затем губчатая масса должна быть обработана черепицей и раскатана, как описано в разделе «Укладка лужи» (выше). С помощью этого метода можно было преобразовать от трех до четырех тонн за партию. [35]
Отклонить
Сталь начала заменять железо для железнодорожных рельсов, как только был принят бессемеровский процесс ее производства (1865 г.). До 1880-х годов железо оставалось доминирующим элементом в конструкционных материалах из-за проблем с хрупкой сталью, вызванных введенным азотом, высоким содержанием углерода, избыточным фосфором или чрезмерной температурой во время или слишком быстрой прокаткой. [9] : 144–151 [примечание 2] К 1890 году сталь в значительной степени заменила железо в конструкциях.
Листовое железо (чистое железо Armco 99,97%) имело хорошие свойства для использования в бытовой технике, хорошо подходило для эмалирования и сварки и было устойчивым к ржавчине. [9] : 242
В 1960-х годах цена на производство стали падала из-за вторичной переработки, и даже при использовании процесса Aston производство кованого железа было трудоемким. Было подсчитано, что производство кованого железа примерно в два раза дороже, чем производство низкоуглеродистой стали. [7] В Соединенных Штатах последний завод закрылся в 1969 году. [7] Последним в мире была Кузница Атласа Томаса Уолмсли и сыновей в Болтоне , Великобритания, которая закрылась в 1973 году. Оборудование 1860-х годов было перемещено. на участок Блистс-Хилл в Музее ущелья Айронбридж для сохранения. [42] Некоторое количество кованого железа все еще производится для реставрации наследия, но только путем переработки лома.
Характеристики
Включения шлака, или стрингеры , в кованом железе придают ему свойства, отсутствующие в других формах черного металла. На квадратный дюйм приходится примерно 250 000 включений. [7] Свежая трещина имеет ясный голубоватый цвет с сильным шелковистым блеском и имеет волокнистый вид.
Кованое железо не содержит углерода, необходимого для закалки посредством термообработки , но в тех областях, где сталь была необычной или неизвестной, инструменты иногда подвергали холодной обработке (отсюда и холодное железо ) для их закалки. [ необходима цитата ] Преимуществом его низкого содержания углерода является его превосходная свариваемость. [7] Кроме того, листовое кованое железо не может гнуться так же сильно, как стальной лист (при холодной обработке). [43] [44] Кованое железо можно плавить и лить, однако продукт больше не является кованым железом, так как шлаковые прослойки, характерные для кованого железа, исчезают при плавлении, поэтому продукт напоминает нечистую литейную бессемеровскую сталь. Нет никаких технических преимуществ по сравнению с чугуном или сталью, которые дешевле. [45] [46]
Из-за различий в происхождении железной руды и производства железа кованое железо может быть хуже или лучше по коррозионной стойкости по сравнению с другими сплавами железа. [7] [47] [48] [49] За стойкостью к коррозии стоит много механизмов. Чилтон и Эванс обнаружили, что полосы обогащения никелем уменьшают коррозию. [50] Они также обнаружили, что в луженом, кованом и грудном чугуне при обработке металла распространяются примеси меди, никеля и олова, что создает электрохимические условия, замедляющие коррозию. [48] Было показано, что включения шлака рассеивают коррозию до образования ровной пленки, что позволяет чугуну противостоять точечной коррозии. [7] Другое исследование показало, что шлаковые включения - путь к коррозии. [51] Другие исследования показывают, что примеси серы в кованом железе снижают коррозионную стойкость [49], но фосфор увеличивает коррозионную стойкость. [52] Окружающая среда с высокой концентрацией хлорид-ионов также снижает коррозионную стойкость кованого железа. [49]
Кованое железо можно сваривать таким же образом, как и низкоуглеродистую сталь, но наличие оксидов или включений даст дефектные результаты. [53] Материал имеет шероховатую поверхность, поэтому он лучше удерживает металлические покрытия и покрытия. Например, гальваническое цинкование, нанесенное на кованое железо, примерно на 25–40% толще, чем такое же покрытие на стали. [7] В таблице 1 химический состав кованого железа сравнивается с химическим составом чугуна и углеродистой стали . Хотя кажется, что кованое железо и простая углеродистая сталь имеют схожий химический состав, это обманчиво. Большая часть марганца, серы, фосфора и кремния входит в состав шлакового волокна, присутствующего в кованом железе, поэтому на самом деле кованое железо чище, чем обычная углеродистая сталь. [39]
Материал | Утюг | Углерод | Марганец | Сера | Фосфор | Кремний |
---|---|---|---|---|---|---|
Чугун | 91–94 | 3,5–4,5 | 0,5–2,5 | 0,018–0,1 | 0,03–0,1 | 0,25–3,5 |
Углеродистая сталь | 98,1–99,5 | 0,07–1,3 | 0,3–1,0 | 0,02–0,06 | 0,002–0,1 | 0,005–0,5 |
Кованое железо | 99–99,8 | 0,05–0,25 | 0,01–0,1 | 0,02–0,1 | 0,05–0,2 | 0,02–0,2 |
Источник: [39] |
Имущество | Значение |
---|---|
Предел прочности на разрыв [фунт / кв. Дюйм (МПа)] [54] | 34 000–54 000 (234–372) |
Предел прочности при сжатии [фунт / кв. Дюйм (МПа)] [54] | 34 000–54 000 (234–372) |
Предел прочности на сдвиг [фунт / кв. Дюйм (МПа)] [54] | 28 000–45 000 (193–310) |
Предел текучести [фунт / кв. Дюйм (МПа)] [54] | 23 000–32 000 (159–221) |
Модуль упругости (при растяжении) [фунт / кв. Дюйм (МПа)] [54] | 28 000 000 (193 100) |
Точка плавления [° F (° C)] [55] | 2 800 (1 540) |
Удельный вес | 7,6–7,9 [56] |
7,5–7,8 [57] |
Среди других его свойств, кованое железо становится мягким при красном тепле , и может быть легко подделано и кузнечная сваркой . [58] Он может использоваться для создания временных магнитов , но не может быть намагничен постоянно, [59] [60] и является пластичным , пластичным и прочным . [39]
Пластичность
Для большинства целей пластичность является более важным показателем качества кованого железа, чем предел прочности. При испытании на растяжение лучшие утюги могут подвергаться значительному удлинению до выхода из строя. Кованое железо с более высоким пределом прочности является хрупким.
Из-за большого количества взрывов котлов на пароходах Конгресс США в 1830 году принял закон, который утвердил средства для устранения этой проблемы. Казначейство заключило с Институтом Франклина контракт на 1500 долларов на проведение исследования. В рамках исследования Уолтер Р. Джонсон и Бенджамин Ривз провели испытания на прочность различного котельного железа с помощью тестера, который они построили в 1832 году по проекту Лагерхьельма в Швеции. К сожалению, из-за неправильного понимания прочности на разрыв и пластичности их работа мало способствовала снижению количества отказов. [5]
Важность пластичности была признана некоторыми на очень раннем этапе разработки трубчатых котлов, например, в комментарии Терстона:
Если бы они были сделаны из такого хорошего железа, которое, как утверждали производители, вложили в них, «которое работало как свинец», они, как также утверждается, при разрыве открывались бы путем разрыва и выгружали свое содержимое, не вызывая обычных катастрофических последствий взрыва котла. . [61]
Различные исследования взрывов котлов в XIX веке, особенно проводимые страховыми компаниями, показали, что причины, которые чаще всего являются результатом работы котлов выше безопасного диапазона давления, либо для получения большей мощности, либо из-за неисправных клапанов сброса давления котла и трудностей с получением надежных индикация давления и уровня воды. Плохое изготовление также было распространенной проблемой. [62] Кроме того, толщина утюга в паровых барабанах была низкой по современным стандартам.
К концу 19 века, когда металлурги смогли лучше понять, какие свойства и процессы делают хорошее железо, его вытеснили сталью. Кроме того, старые цилиндрические котлы с пожарными трубами были заменены водотрубными котлами, которые по своей природе более безопасны. [62]
Чистота
В 2010 году доктор Джерри МакДоннелл [63] продемонстрировал в Англии путем анализа, что из расплава кованого железа, полученного при традиционной плавке, можно было превратить железо чистотой 99,7% без каких-либо признаков углерода. Было обнаружено, что стрингеры, обычные для других кованых чугунов, отсутствовали, что делало кузнецу очень пластичным для работы в горячем и холодном состоянии. Доступен коммерческий источник чистого железа, который кузнецы используют в качестве альтернативы традиционному кованому железу и другим черным металлам нового поколения.
Приложения
Мебель из кованого железа имеет долгую историю, восходящую к римским временам. В Вестминстерском аббатстве в Лондоне есть кованые ворота 13-го века , а мебель из кованого железа, похоже, достигла пика популярности в Великобритании в 17-м веке, во время правления Вильгельма III и Марии II . [ необходима цитата ] Однако чугун и более дешевая сталь вызвали постепенный спад производства кованого железа; последний завод по производству кованого железа в Великобритании закрылся в 1974 году.
Он также используется для изготовления предметов домашнего декора , такие как стойки пекаря , винные шкафы , горшок стойки , etageres , настольные базы, столы, ворота, кровати, подсвечники, карнизы, бары и барные стулья.
Подавляющее большинство кованого железа, доступного сегодня, производится из вторичных материалов. Старые мосты и якорные цепи, вынутые из гавани, являются основными источниками. [ необходима цитата ] Более высокая коррозионная стойкость кованого железа обусловлена кремнийсодержащими примесями (естественно встречающимися в железной руде), а именно силикатом железа . [64]
Кованое железо использовалось в течение десятилетий как общий термин в индустрии ворот и ограждений , хотя для производства этих ворот из кованого железа используется мягкая сталь . [65] Это в основном из-за ограниченной доступности настоящего кованого железа. Сталь также может быть оцинкована горячим способом для предотвращения коррозии, чего нельзя сделать с помощью кованого железа.
Смотрите также
- Изделия из бронзы и латуни.
- Чугун
- Полустальное литье
Заметки
- ^ Некоторые, но не все из этих предметов упоминаются в Gordon, RB (1996) [5]
- ^ Из Misa, TJ (1995): [9] «Проблемы с качеством рельсов дали бессемеровской стали такую плохую репутацию, что инженеры и архитекторы отказались указывать ее для применения в конструкциях. Сталь с открытым подом имела лучшую репутацию и вытеснила конструкционное железо к 1889 году. .. "
Рекомендации
- ^ а б в г д е е ж з Тайлекот, РФ (1992). История металлургии (второе изд.). Лондон: издательство Maney Publishing для Института материалов. ISBN 978-0901462886.
- ^ «Кованое железо - свойства, применение» . А до Z материалов . AZoNetwork. 13 августа 2013 . Проверено 27 октября 2019 года .
- ^ Алекс Вальтер (31 октября 2018 г.). "Что такое кованое железо?" . Механический сайт . Проверено 27 октября 2019 года .
- ^ "Что такое кованое железо?" . Железные ворота N Перила Ltd . 2017 . Проверено 27 октября 2019 года .
- ^ а б в г д Гордон, Роберт Б. (1996). Американское железо 1607–1900 гг . Балтимор и Лондон: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 0-8018-6816-5.
- ^ «Кованое железо: мечта о мебели для патио» . cnet обзоры . Проверено 29 сентября 2009 года .
- ^ Б с д е е г ч I Дэниел, Тодд. «Устранение путаницы по поводу кованого железа» . Изготовитель . № ноябрь / декабрь 1993 г. НОММА. п. 38.
- ^ «Кованый» . Словарь Мерриам Вебстер: самый надежный онлайн-словарь Америки . Мерриам-Вебстер . Проверено 27 ноября 2020 года .
- ^ а б в г Миса, Томас Дж. (1995). Нация стали: создание современной Америки, 1865–1925 . Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса.
- ^ Имхофф, Уоллес Г. (1917). «Шлаковая лужа как железная руда доменной печи» . Журнал Кливлендского инженерного общества . 9 (621,76): 332.
- ^ Скофферн, Джон (1869). Полезные металлы и их сплавы (5-е изд.). Хулстон и Райт. п. 6.
- ^ Макартур, Хью; Сполдинг, Дункан (2004). Инженерное материаловедение: свойства, использование, деградация и восстановление . Издательство Хорвуд. п. 338. ISBN 978-1-898563-11-2.
- ^ Кэмпбелл, Flake C. (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов . ASM International. п. 154. ISBN 978-0-87170-867-0.
- ^ а б Evans, C .; Риден, Г. (2007). Балтийское железо в атлантическом мире в восемнадцатом веке . Бостон, Массачусетс: Brill. ISBN 9789004161535.
- ^ а б в Чайлдс, WR (1981). «Торговля железом в Англии в пятнадцатом веке». Обзор экономической истории . 2-й. С. 25–47.
- ^ Кахан, А. (1985). Плуг, молот и кнут: экономическая история России восемнадцатого века . Издательство Чикагского университета.
- ^ Баранина, Норман (1976). «Маркированная ассоциация адвокатов: регулирование цен в торговле кованым железом в Черной стране». Исследования Уэст-Мидленда (9-е изд.). С. 2–8.
- ^ Баумейстер; Аваллоне; Баумейстер (1978). Стандартный справочник Марка для инженеров-механиков (8-е изд.). Макгроу Хилл. С. 6–18, 17. ISBN 978-0-07-004123-3.
- ^ "кованое железо". Encyclopdia Britannica (2009 Deluxe ed.). Чикаго. 2009 г.
- ^ «Влияние фосфора на свойства углеродистых сталей: Часть 1» . Total Materia . Октябрь 2007 . Проверено 27 октября 2019 года .
- ^ Доброго пути, Марта (май 1987 г.). «Фосфор в старинной железной музыкальной проволоке». Наука . 236 (4804): 927–932. Bibcode : 1987Sci ... 236..927G . DOI : 10.1126 / science.236.4804.927 . PMID 17812747 . S2CID 45929352 .
- ^ Лукас, А. (2006). Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования . Лейден, Нидерланды и Бостон, Массачусетс: Brill. С. 251–255, 347.
- ^ Керр, Гордон (2013). Краткая история Китая . Карманные предметы первой необходимости. ISBN 978-1842439692.
- ^ Нидхэм, Джозеф (1995). «Часть 3: Спагирическое открытие и изобретение: исторический обзор от эликсиров киновари до синтетического инсулина». Наука и цивилизация в Китае . 5: Химия и химическая технология. п. 105. ISBN 9780521210287.
- ^ а б в Пиготт, Винсент С. (1999). Археометаллургия Азиатского Старого Света . UPenn музей археологии. ISBN 9780924171345.
- ^ Вагнер, Рудольф Г. (2001). Искусство китайского комментатора: Ван Би о Лаоцзы . С. 80–83.
- ^ Ричард Покок . Дж. Дж. Картрайт (ред.). Путешествие по Англии ... в 1750, 1751 и более поздние годы . Camden Soc. ns 42, 1888. p. 13.
- ^ Льюис, В. (1775). Химическая и минеральная история железа (рукопись в Центральной библиотеке Кардиффа). С. IV, 76.
- ^ Поллард, GC (1998). «Эксперименты в производстве цветного железа 19-го века: свидетельства из Адирондак в Нью-Йорке». Историческая металлургия . №1 (32-е изд.). С. 33–40.
- ^ HR Schubert, История британской черной металлургии с 450 г. до н.э. до 1775 г. н.э. (Рутледж и Кеган Пол, Лондон, 1957) , 299–304.
- ↑ A. den Ouden, «Производство кованого железа в Finery Hearths» Historical Metallurgy 15 (2) (1981), 63–87 и 16 (1) (1982), 29–32.
- ^ а б Мортон, Г. Р.; Баранина, Н. (1967). «Переход к процессу лужения Корта». Журнал Института железа и стали . 205 .
- ^ Хейман, Р. (2004). «Братья Крейндж и кузнечные технологии восемнадцатого века». Историческая металлургия . № 2 (28 изд.). С. 113–120.
- ^ Р. Мотт (ред. П. Сингер), Генри Корт, Великая Finer (The Metals Society, London 1983).
- ^ а б в г д е Раджпут, РК (2000). Инженерные материалы . С. Чанд. п. 223. ISBN 81-219-1960-6.
- ^ а б Гейл, WKV (1971). Черная металлургия: Словарь терминов . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз.
- ^ а б Оверман, Фредрик (1854). Производство железа во всех его отраслях . Филадельфия: ХК Бэрд. С. 267, 287, 344.
- ^ Тайлекот, РФ (1991). «Железо в промышленной революции». Промышленная революция в металлах . Лондон: Институт металлов.
- ^ Б с д е е г ч Кэмп, Джеймс Макинтайр; Фрэнсис, Чарльз Блейн (1920). Производство, формовка и обработка стали . Питтсбург: Carnegie Steel Company. С. 173–174. ISBN 1-147-64423-3.
- ^ Гейл, WKV (1967). Британская металлургическая промышленность . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз. С. 79–88.
- ^ Риден, Г. (2005). «Ответы на угольные технологии без угля: производство железа в Швеции в девятнадцатом веке». In Rydén, G .; Эванс, К. (ред.). Промышленная революция в железе: влияние британской угольной технологии в Европе 19 века . Олдершот : Ашгейт. С. 121–124.
- ^ Смит, Стюарт Б; Гейл, WKV (1987). «Снова кованое железо: официально открылся металлургический завод Блистс-Хилл». Историческая металлургия . №1 (21-е изд.). С. 44–45.
- ^ Муж, Джозеф; Харби, Уильям (1911). Структурная инженерия . Нью-Йорк: Longmans, Green, and Co., стр. 21 . Проверено 22 февраля 2008 года .
- ^ Бирн, Остин Томас (1899). Проверка материалов и качества изготовления, используемых в строительстве (1-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. п. 105 . Проверено 22 февраля 2008 года .
- ^ Скофферн, Джон (1861). Полезные металлы и их сплавы, включая горную вентиляцию, горное право и металлургическую химию . Лондон: Хоулстон и Райт. п. 328 . Проверено 20 февраля 2008 года .
- ^ Адамс, Генри (1891). Справочник для инженеров-механиков (2-е изд.). Нью-Йорк: E. & FN Spon. п. 29 . Проверено 20 февраля 2008 года .
- ^ Хадсон, JC, 1931-43, Отчеты о полевых испытаниях коррозионную Комитета, институт чугуна и стали.
- ^ а б «Доктор Дж. П. Чилтон, 1929–2006» (PDF) . Материальные глаза (издание весны 2007 г.). Факультет материаловедения и металлургии Кембриджского университета: 4. Архивировано из оригинального (PDF) 1 сентября 2012 года . Проверено 29 ноября 2008 года .
- ^ а б в Уокер VII, Роберт (апрель 2002 г.). «Производство, микроструктура и свойства кованого железа» (PDF) . Журнал химического образования . 79 (4): 443–447. Bibcode : 2002JChEd..79..443W . DOI : 10.1021 / ed079p443 .
- Перейти ↑ Chilton & Evens, Journal of the Iron and Steel Institute, 1955
- ^ Харви, Л., Роль включений шлака в коррозии кованого железа, диссертация Университета Брэдфорда, 1996 г.
- ^ Баласубраманиам, Р. (25 января 2003 г.). «Железный столб Дели и его отношение к современным технологиям» (PDF) . Современная наука . 84 (2): 162–163.
- ^ Пендред, Лох (1945). Ежегодник инженера Кемпе (52-е изд.). Лондон: братья Морган. п. 1278. ASIN B0033RUEVW .
- ^ а б в г д Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д .; Райффель, Генри Х. (2000). Макколи, Кристофер Дж. (Ред.). Справочник машин (26-е изд.). Нью-Йорк: Industrial Press, Inc., стр. 476. ISBN. 0-8311-2666-3.
- ^ Смит, Кэрролл (1984). Инженер для победы . MotorBooks / Издательская компания MBI. С. 53–54. ISBN 0-87938-186-8.
- ^ «Твердые тела и металлы - удельный вес» . Инженерный инструментарий . Проверено 20 февраля 2008 года .
- ^ Поул, Уильям (1872 г.). Железо как строительный материал: суть курса лекций, читаемых в Королевской школе военно-морской архитектуры в Южном Кенсингтоне (пересмотренное и дополненное изд.). Лондон: E. & FN Spon. С. 136–137 . Проверено 20 февраля 2008 года .
- ^ Рихтер, Виктор фон; Смит, Эдгар Фас (1885). Учебник неорганической химии (2-е изд.). Филадельфия: П. Блэкистон, Сон и Ко. Стр. 396 . Проверено 21 февраля 2008 года .
- ^ Циклопедия прикладного электричества . 1 . Американское техническое общество. 1916. с. 14 . Проверено 21 февраля 2008 года .
- ^ Тимби, Уильям Генри; Буш, Ванневар (1922). Принципы электротехники . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., стр. 318–319 . Проверено 21 февраля 2008 года .
- ^ Терстон, Роберт (1878). «История развития паровой машины» . п. 165. Архивировано из оригинала 29 июня 1997 года.
- ^ а б Хантер, Луи С. (1985). История промышленной энергетики в Соединенных Штатах, 1730–1930 гг . Vol. 2: Сила пара. Шарлоттсвилл: Университетское издательство Вирджинии.
|volume=
есть дополнительный текст ( справка ) - ^ Макдоннелл, Джи (9 сентября 2010 г.). «Металлургический отчет о выплавке чугуна для мастерских». Передано (издание весны 2010 г.).[ требуется полная цитата ]
- ^ Промышленная химия . 1991. стр. 1645. ISBN 8187224991. Проверено 22 июля 2019 .
- ^ «Узнав о ограждении из кованого железа» . Одинокая звезда. 8 апреля 2016 . Проверено 12 июля 2019 .
дальнейшее чтение
- Билер, Алекс В. (1995). Искусство кузнечного дела . Эдисон, Нью-Джерси: Castle Books. С. 28–45. ISBN 0-7858-0395-5.
- Гордон, Роберт Б. (1996). Американское железо 1607–1900 гг . Балтимор и Лондон: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 0-8018-6816-5.
Внешние ссылки
- СМИ, связанные с кованым железом на Викискладе?