Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Фазы
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа
Различные образцы кованого железа

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 волокнистыми включениями шлака (до 2% по весу), что придает ей «зернистость», напоминающую древесину, которая видна, когда она протравлена ​​или согнута до точки разрушения. Кованое железо прочное, ковкое, пластичное , устойчивое к коррозии и легко сваривается .

До появления эффективных методов производства 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 удалить 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 путем нагрева и закалки. [1] : 145

Кованое железо очень рафинированное, с небольшим количеством шлака, выкованного в волокна. Он на 99,4% состоит из железа по массе. [2] Присутствие 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 мартеновского, использование кованого железа сократилось.

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 , декоративных металлических конструкций и многого другого. [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, включая заборы и ворота, часто были отлиты, а не кованы). [7]

Терминология [ править ]

Слово «кованое» является архаическим причастием прошедшего времени глагола «работать», поэтому «кованое железо» буквально означает «обработанное железо». [8] Кованое железо - это общий термин для 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». Чугун , в отличие от кованого, хрупкий, его нельзя обрабатывать ни горячим, ни холодным способом. Чугун может сломаться при ударе 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, чем отличается железо от стали; одни считали, что дело в химическом составе, а 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 требованиям, поскольку современные стандарты для коммерчески чистого железа требуют содержания углерода менее 0,008 % по весу . [12] [13]

Типы и формы [ править ]

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 чугуна на продольно-резательном станке, служила сырьем для шипов и гвоздей.
  • Обруч - подходит для обруча бочек, изготовленных 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

Происхождение [ править ]

  • Древесный уголь - до конца 18 века кованое железо выплавляли из руды с использованием древесного угля в процессе цветения . Кованое железо также производилось из чугуна в кузнице для украшений 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 смогла производить сталь подходящего качества для строительных целей, и производство кованого железа пришло в упадок.
  • Железо руды - особо чистый сорт пруткового железа, получаемый в конечном итоге из железной руды на руднике Даннемора в Швеции . Чаще всего он использовался в качестве сырья для цементации 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 было доставлено 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]
  • Эймсское 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 железо (или Старый Соболь) -утюг проставлен знак (а соболь ) в Демидовской семье русских ironmasters , один из лучших брендов российского чугуна . [16]

Качество [ править ]

Прочное железо
Также пишется «tuf», не является хрупким и достаточно прочным, чтобы его можно было использовать для изготовления инструментов.
Смешать железо
Изготовлен из смеси разных видов чугуна .
Лучшее железо
Железо прошло несколько этапов укладки и прокатки, чтобы достичь стадии, считающейся (в XIX веке) лучшим качеством.
Маркированный пруток
Изготовлено членами Ассоциации адвокатов с маркировкой и отмечено торговой маркой производителя в качестве знака качества. [17]

Дефекты [ править ]

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 неликвидным. [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 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 (<0,02–03%). [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) дает ковкий чугун, пригодный для волочения проволоки для фортепиано . [21]

История [ править ]

Западный мир [ править ]

Пудлинговый процесс плавок железной руды , чтобы сделать кованое железо из чугуна, проиллюстрированное в Тяньгуном Kaiwu энциклопедии по Сонгу Аингксинга , опубликованной в 1637 году.

Кованое железо использовалось на протяжении многих столетий, и это «железо» 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 использоваться в 1104 году [22].

Сырье, производимое всеми косвенными процессами, - это чугун. Он имеет высокое содержание углерода и, как следствие, является хрупким и не может использоваться для изготовления металлических изделий. Процесс Осмонда был первым из непрямых процессов, разработанных к 1203 году, но производство цветков продолжалось во многих местах. Этот 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 [ править ]

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 II веке до нашей эры, самые ранние образцы чугуна и чугуна, обработанного 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] : 186Пиготт предполагает, что кузница для украшений существовала в предыдущий период Сражающихся царств (403–221 гг. До н.э.) из-за того, что в этот период есть изделия из кованого железа из Китая, и нет никаких документальных свидетельств того, что цветники когда-либо использовались 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 считались очищающими очагами, есть также наглядные свидетельства очищения очага из Шаньдуна.фреска на гробнице, датируемая 1–2 веками нашей эры, а также намек на письменные свидетельства в даосском тексте 4 века нашей эры Тайпин Цзин . [26]

Процесс цветения [ править ]

Основная статья: Bloomery

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 плавился и вытекал, а окись углеродаИз древесного угля руда восстанавливается до железа, которое образует губчатую массу (называемую «блюм»), содержащую железо, а также расплавленные силикатные минералы (шлак) из руды. Железо осталось в твердом состоянии. Если дать цвету достаточно нагреться, чтобы расплавить чугун, 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 окиси 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 закрепить его и сформировать стержень, 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 очевидно, 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 дутьемв Нью-Йорке в 1880-х годах. [29] В Японии последний из старых кустов татары, использовавшийся для производства традиционной стали тамахаганэ , в основном используемой при изготовлении мечей, был потушен только в 1925 году, хотя в конце 20 века производство возобновилось в небольших масштабах, чтобы поставлять сталь для ремесленники-мечники.

Процесс Осмонда [ править ]

Основная статья: процесс Осмонда

Осмондское железо состояло из шариков из кованого железа, полученного путем плавления чугуна и улавливания капель на посохе, который вращался перед потоком воздуха, чтобы максимально подвергнуть его воздействию воздуха и окислить содержащийся в нем углерод. . [30] Полученный шар часто выковывался в пруток на молотковой мельнице.

Процесс оформления [ править ]

Основная статья: Кузница Finery

В 15 веке доменная печь распространилась на территорию современной Бельгии, где ее усовершенствовали. Оттуда он распространился через Пэи-де-Брей на границе Нормандии, а затем до Уилда в Англии. С ним 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 . При этом использовались два разных очага: декоративный очаг для отделки утюга и очаг для разогрева жвачки во время вытягивания блюма в пруток. В украшении 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. Лишь в 1750-х годах коксохимический чугун в значительных масштабах стал использоваться в качестве сырья для кузнечных изделий. Однако древесный уголь по-прежнему служил топливом для украшений.

Заливка и штамповка [ править ]

С конца 1750-х годов производители 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 , 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 [ править ]

Основная статья: Puddling (металлургия)
Схематический чертеж пудлинговой печи

Ряд процессов изготовления 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 в шихту оксид железа. В печи этого типа 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 мосту печи.

Если используемым сырьем не является белый чугун, чугун или другое сырье 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 прутьями или валунами, [36] : 165 [37] через рабочие двери. [38] : 236–240Воздух, перемешивание и «кипящее» действие 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 из лужи с использованием брусков лужи. [35]

Shingling [ править ]

Основная статья: Гонт (металлургия)

В шариках лужи еще оставалось некоторое количество шлака, поэтому, пока они были 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 был повторно нагрет, края могли отделиться и потеряться в печи. [39]

Роллинг [ править ]

Основная статья: Прокатный стан

Блюм пропускали через валки и получали стержни. Кованые прутья были плохого качества, их называли брусками для навоза [39] [36] : 137 или брусами для луж. [35] Чтобы улучшить их качество, прутья были разрезаны, сложены в кучу и связаны друг с другом 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. Процесс можно повторить несколько раз, чтобы получить кованое железо желаемого качества. Кованое железо, которое было прокатано несколько раз, называется торговым слитком или торговым железом. [37] [40]

Ланкаширский процесс [ править ]

Основная статья: Ланкаширский очаг

Преимущество лужа в том, что в качестве топлива использовался уголь, а не древесный уголь. Однако в Швеции, где не хватало угля, это было мало преимуществ. 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 [ править ]

В 1925 году Джеймс Астон из Соединенных Штатов 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 была обработана черепицей и скручена.как описано в разделе «лужа» (выше). С помощью этого метода можно было преобразовать от трех до четырех тонн за партию. [35]

Отклонить [ править ]

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 для строительных конструкций из-за проблем с хрупкой сталью, вызванных введением азота, высоким содержанием углерода, избытком фосфора 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 бытовых приборах, 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 сыновья в Болтоне , Великобритания, которая закрылась в 1973 году. Его оборудование эпохи 1860-х было перемещено. на место Блистс-Хилл в Музее ущелья Айронбридж для сохранения. [42] Некоторое количество кованого железа все еще производится для реставрации наследия, но только путем переработки лома.

Свойства [ править ]

Микроструктура кованого железа с включениями темного шлака в феррите.

Шлаковые включения или стрингеры в кованом железе придают ему свойства, не присущие другим формам черных металлов. На квадратный дюйм приходится примерно 250 000 включений. [7] Свежая трещина имеет ясный голубоватый цвет с сильным шелковистым блеском и имеет волокнистый вид.

В кованом железе отсутствует содержание 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 превосходная свариваемость. [7] Кроме того, 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, поскольку при плавлении исчезают характерные для кованого железа прослойки шлака, 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 переработке 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 питтингу. [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]

Таблица 1: Сравнение химического состава передельного чугуна, простой углеродистой стали и кованого железа
МатериалУтюгУглеродМарганецСераФосфорКремний
Чугун91–943,5–4,50,5–2,50,018–0,10,03–0,10,25–3,5
Углеродистая сталь98,1–99,50,07–1,30,3–1,00,02–0,060,002–0,10,005–0,5
Кованое железо99–99,80,05–0,250,01–0,10,02–0,10,05–0,20,02–0,2
Все единицы являются весовыми процентами.
Источник: [39]
Таблица 2: Свойства кованого железа
СвойствоЦенить
Предел прочности на разрыв [фунт / кв. Дюйм (МПа)] [54]34 000–54 000 (234–372)
Предел прочности на сжатие [psi (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 [psi (МПа)] [54]23 000–32 000 (159–221)
Модуль упругости (при растяжении) [psi (МПа)] [54]28 000 000 (193 100)
Точка плавления [° F (° C)] [55]2 800 (1 540)
Удельный вес7,6–7,9 [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 [ править ]

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 на устранение этой проблемы. Казначейство заключило контракт с Институтом Франклина на сумму 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 что помогла. [5]

Важность пластичности была признана некоторыми на самом 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 выливали свое содержимое без 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 эксплуатации котлов выше безопасного диапазона давления, либо для увеличения 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 железа 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 вытеснены водотрубными котлами, которые по своей сути более безопасны. [62]

Чистота [ править ]

В 2010 году доктор Джерри МакДоннелл [63] продемонстрировал в Англии путем анализа, что из 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 ковким 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 [ править ]

Мебель из кованого железа имеет долгую историю, восходящую к римским временам. В Вестминстерском аббатстве в Лондоне есть ворота из кованого железа 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 доступного сегодня кованого железа производится из вторичных материалов. Основные источники - старые мосты и якорные цепи, вынутые из гавани. [ 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.

См. Также [ править ]

  • Изделия из бронзы и латуни.
  • Чугун
  • Полустальное литье

Примечания [ править ]

  1. ^ Некоторые, но не все из этих предметов упоминаются в Gordon, RB (1996) [5]
  2. ^ 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 строительных конструкциях. Сталь с открытым подом имела лучшую репутацию и вытеснила конструкционное железо к 1889 году. .. "

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г д е е ж з Тайлекот, РФ (1992). История металлургии (второе изд.). Лондон: Maney Publishing, Институт материалов. ISBN 978-0901462886.
  2. ^ «Кованое железо - свойства, применение» . А до Z материалов . AZoNetwork. 13 августа 2013 . Проверено 27 октября 2019 года .
  3. ↑ Алекс Уолтер (31 октября 2018 г.). "Что такое кованое железо?" . Механический сайт . Проверено 27 октября 2019 года .
  4. ^ "Что такое кованое железо?" . Железные ворота N Перила Ltd . 2017 . Проверено 27 октября 2019 года .
  5. ^ a b c d e Гордон, Роберт Б. (1996). Американское железо 1607–1900 гг . Балтимор и Лондон: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 0-8018-6816-5.
  6. ^ "Кованое железо: Мечта о мебели для патио" . cnet обзоры . Проверено 29 сентября 2009 года .
  7. ^ a b c d e f g h я Дэниел, Тодд. «Устранение путаницы по поводу кованого железа» . Изготовитель . № ноябрь / декабрь 1993 г. НОММА. п. 38.
  8. ^ "Кованые" . Словарь Мерриам Вебстер: самый надежный онлайн-словарь Америки . Мерриам-Вебстер . Проверено 27 ноября 2020 года .
  9. ^ a b c d Миса, Томас Дж. (1995). Нация стали: создание современной Америки, 1865–1925 . Балтимор: Издательство Университета Джона Хопкинса.
  10. ^ Имхофф, Уоллес Г. (1917). «Шлакообразная лужа как железная руда доменной печи» . Журнал Кливлендского инженерного общества . 9 (621,76): 332.
  11. ^ Скофферн, Джон (1869). Полезные металлы и их сплавы (5-е изд.). Хулстон и Райт. п. 6.
  12. ^ Макартур, Хью; Сполдинг, Дункан (2004). Техническое материаловедение: свойства, использование, деградация и восстановление . Издательство Хорвуд. п. 338. ISBN 978-1-898563-11-2.
  13. Перейти ↑ Campbell, Flake C. (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов . ASM International. п. 154. ISBN 978-0-87170-867-0.
  14. ^ a b Evans, C .; Риден, Г. (2007). Балтийское железо в атлантическом мире в восемнадцатом веке . Бостон, штат Массачусетс: Brill. ISBN 9789004161535.
  15. ^ a b c Чайлдс, WR (1981). «Торговля железом в Англии в пятнадцатом веке». Обзор экономической истории . 2-й. С. 25–47.
  16. Перейти ↑ Kahan, A. (1985). Плуг, молот и кнут: экономическая история России восемнадцатого века . Издательство Чикагского университета.
  17. ^ Баранина, Норман (1976). «Маркированная ассоциация адвокатов: регулирование цен в торговле кованым железом в Черной стране». Исследования Уэст-Мидленда (9-е изд.). С. 2–8.
  18. ^ Баумейстер; Аваллоне; Баумейстер (1978). Стандартный справочник Марка для инженеров-механиков (8-е изд.). Макгроу Хилл. стр. 6–18, 17. ISBN 978-0-07-004123-3.
  19. ^ "Кованое железо". Encyclopdia Britannica (2009 Deluxe ed.). Чикаго. 2009 г.
  20. ^ «Влияние фосфора на свойства углеродистой стали: Часть 1» . Total Materia . Октябрь 2007 . Проверено 27 октября 2019 года .
  21. ^ Goodway Марта (май 1987). «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 .  
  22. ^ Лукас, А. (2006). Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования . Лейден, Нидерланды и Бостон, Массачусетс: Brill. С. 251–255, 347.
  23. ^ Керр, Гордон (2013). Краткая история Китая . Карманные предметы первой необходимости. ISBN 978-1842439692.
  24. ^ 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.
  25. ^ a b c Пиготт, Винсент К. (1999). Археометаллургия Азиатского Старого Света . UPenn музей археологии. ISBN 9780924171345.
  26. ^ Вагнер, Рудольф Г. (2001). Искусство китайского комментатора: Ван Би о Лаоцзы . С. 80–83.
  27. ^ Ричард Покок . Дж. Дж. Картрайт (ред.). Путешествие по Англии ... в 1750, 1751 и последующие годы . Camden Soc. ns 42, 1888. p. 13.
  28. ^ Льюис, W. (1775). Химическая и минеральная история железа (рукопись в Центральной библиотеке Кардиффа). С. IV, 76.
  29. Перейти ↑ Pollard, GC (1998). «Эксперименты в производстве цветного железа XIX века: свидетельства из Адирондак в Нью-Йорке». Историческая металлургия . №1 (32-е изд.). С. 33–40.
  30. ^ 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.
  31. ↑ A. den Ouden, «Производство кованого железа в Finery Hearths» Historical Metallurgy 15 (2) (1981), 63–87 и 16 (1) (1982), 29–32.
  32. ^ а б Мортон, GR; Баранина, Н. (1967). «Переход к процессу лужения Корта». Журнал Института железа и стали . 205 .
  33. Перейти ↑ Hayman, R. (2004). «Братья Крейндж и кузнечные технологии восемнадцатого века». Историческая металлургия . № 2 (28 изд.). С. 113–120.
  34. ^ Р. Мотт (ред. П. Сингер), Генри Корт, Великая Finer (The Metals Society, London 1983).
  35. ^ Б с д е е Rajput, РК (2000). Инженерные материалы . С. Чанд. п. 223. ISBN 81-219-1960-6.
  36. ^ Б Gale, WKV (1971). Черная металлургия: Словарь терминов . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз.
  37. ^ a b Оверман, Фредрик (1854 г.). Производство железа во всех его отраслях . Филадельфия: ХК Бэрд. С. 267, 287, 344.
  38. ^ Tylecote РФ (1991). «Железо в промышленной революции». Промышленная революция в металлах . Лондон: Институт металлов.
  39. ^ a b c d e f g h Кэмп, Джеймс Макинтайр; Фрэнсис, Чарльз Блейн (1920). Производство, формовка и обработка стали . Питтсбург: Carnegie Steel Company. С. 173–174. ISBN 1-147-64423-3.
  40. ^ Gale, WKV (1967). Британская металлургическая промышленность . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз. С. 79–88.
  41. ^ Райден, G. (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.
  42. ^ Смит, Стюарт Б; Гейл, WKV (1987). «Снова кованое железо: официально открылся металлургический завод Блистс-Хилл». Историческая металлургия . №1 (21-е изд.). С. 44–45.
  43. ↑ Муж, Джозеф; Харби, Уильям (1911). Структурная инженерия . Нью-Йорк: Longmans, Green, and Co., стр. 21 . Проверен 22 февраль 2008 .
  44. ^ Бирн, Остин Томас (1899). Проверка материалов и качества изготовления, используемых в строительстве (1-е изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. п. 105 . Проверен 22 февраль 2008 .
  45. ^ Скофферн, Джон (1861). Полезные металлы и их сплавы, в том числе горная вентиляция, горное право и металлургическая химия . Лондон: Хоулстон и Райт. п. 328 . Проверено 20 февраля 2008 года .
  46. ^ Адамс, Генри (1891). Справочник для инженеров-механиков (2-е изд.). Нью-Йорк: E. & FN Spon. п. 29 . Проверено 20 февраля 2008 года .
  47. ^ Хадсон, JC, 1931-43, Отчеты о полевых испытаниях коррозионную Комитета, институт чугуна и стали.
  48. ^ a b "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 .
  49. ^ a b c 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 .
  50. Перейти ↑ Chilton & Evens, Journal of the Iron and Steel Institute, 1955
  51. ^ Харви, Л., Роль включений шлака в коррозии кованого железа, диссертация Университета Брэдфорда, 1996 г.
  52. ^ Balasubramaniam, R. (25 января 2003). «Железный столб Дели и его значение для современных технологий» (PDF) . Современная наука . 84 (2): 162–163.
  53. ^ Пендред, Лох (1945). Ежегодник инженера Кемпе (52-е изд.). Лондон: братья Морган. п. 1278. ASIN B0033RUEVW . 
  54. ^ a b c d e 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.
  55. ^ Смит, Кэрролл (1984). Инженер для победы . MotorBooks / Издательская компания MBI. С. 53–54. ISBN 0-87938-186-8.
  56. ^ «Твердые тела и металлы - удельный вес» . Инженерный инструментарий . Проверено 20 февраля 2008 года .
  57. Перейти ↑ Pole, William (1872). Железо как строительный материал: суть курса лекций, читаемых в Королевской школе военно-морской архитектуры, Южный Кенсингтон (пересмотренное и дополненное изд.). Лондон: E. & FN Spon. С. 136–137 . Проверено 20 февраля 2008 года .
  58. ^ Рихтер, Виктор фон; Смит, Эдгар Фахс (1885). Учебник неорганической химии (2-е изд.). Филадельфия: П. Блэкистон, Сон и Ко. Стр. 396 . Проверен 21 февраль 2 008 .
  59. ^ Циклопедия прикладного электричества . 1 . Американское техническое общество. 1916. с. 14 . Проверен 21 февраль 2 008 .
  60. ^ Тимби, Уильям Генри; Буш, Ванневар (1922). Принципы электротехники . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., стр. 318–319 . Проверен 21 февраль 2 008 .
  61. ^ Терстон, Роберт (1878). «История развития паровой машины» . п. 165. Архивировано из оригинала 29 июня 1997 года.
  62. ^ а б Хантер, Луи С. (1985). История промышленной энергетики в США, 1730–1930 гг . Vol. 2: Сила пара. Шарлоттсвилл: Издательство Университета Вирджинии.
  63. ↑ McDonnell, G (9 сентября 2010 г.). «Металлургический отчет о выплавке чугуна для мастерских». Передано (издание весны 2010 г.).[ требуется полная ссылка ]
  64. ^ Промышленная химия . 1991. стр. 1645. ISBN 8187224991. Проверено 22 июля 2019 .
  65. ^ "Узнавая о ограждении из кованого железа" . Одинокая звезда. 8 апреля 2016 . Проверено 12 июля 2019 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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 [ править ]

  • СМИ, связанные с кованым железом на Викискладе?