Кованое железо
Стали |
---|
Фазы |
Микроструктуры |
Классы |
Другие материалы на основе железа |
Кованое железо — это железа сплав с очень низким содержанием углерода (менее 0,05%) в отличие от чугуна (от 2,1% до 4,5%). Это полурасплавленная масса железа с волокнистыми шлаковыми включениями (до 2% по массе), придающими ей древесноподобное «зерно», заметное при травлении, ржавлении или изгибе до отказа . Кованое железо прочное, податливое, пластичное , устойчивое к коррозии и легко сваривается ковкой , но его труднее сваривать электрически.
До разработки эффективных методов производства стали и появления большого количества стали кованое железо было наиболее распространенной формой ковкого железа. Он получил название «обработанный», потому что его ковали, прокатывали или обрабатывали иным образом, пока он был достаточно горячим, чтобы вытеснить расплавленный шлак. Современный функциональный эквивалент кованого железа — мягкая сталь , также называемая низкоуглеродистой сталью. Ни кованое железо, ни мягкая сталь не содержат достаточно углерода, чтобы их можно было закалить путем нагрева и закалки. [ 1 ] : 145 [ не удалось пройти проверку ] но настоящее кованое железо гораздо более устойчиво к коррозии. [ нужна ссылка ]
Кованое железо подвергается высокой очистке, с небольшим количеством силикатного шлака, выкованного в волокна. Он содержит около 99,4% железа по массе. [ 2 ] Присутствие шлака может быть полезно для кузнечного дела, например, для кузнечной сварки, поскольку силикатные включения действуют как флюс и придают материалу уникальную волокнистую структуру. [ 3 ] Силикатные нити в шлаке также защищают железо 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 был востребован для броненосных военных кораблей и железных дорог . Однако по мере того, как такие свойства мягкой стали улучшались с улучшением черной металлургии , а производство стали стало менее затратным благодаря процессам Бессемера и процессам Сименса-Мартина , использование кованого железа сократилось.
Многие изделия, прежде чем их стали изготавливать из мягкой стали , производились из кованого железа, в том числе заклепки , гвозди , проволока , цепи , рельсы , железнодорожные муфты , водопроводные и паровые трубы , гайки , болты , подковы , поручни , покрышки вагонов, ремни. для деревянных ферм крыш , декоративных металлических изделий и многого другого. [ 5 ] [ примечание 1 ]
Кованое железо больше не производится в промышленных масштабах. Многие изделия описываются как кованые, такие как ограждения , садовая мебель , [ 6 ] и ворота сделаны из мягкой стали. [ 7 ] Их называют «кованым железом» только потому, что они были сделаны так, чтобы напоминать предметы, которые в прошлом были выкованы (обработаны) вручную кузнецом ( хотя многие декоративные железные предметы, включая заборы и ворота, часто были отлиты, а не обработаны). . [ 7 ]
Терминология
[ редактировать ]Слово «кованый» является архаичным причастием прошедшего времени от глагола «работать», 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 . он использовался в этом более узком смысле В отчетах британской таможни : такое промышленное железо облагалось более высокой ставкой пошлины, чем то, что можно было бы назвать «необработанным» железом. Чугун , в отличие от кованого железа, хрупок и не поддается обработке ни в горячем, ни в холодном виде.
В 17, 18 и 19 веках кованое железо называлось множеством терминов в зависимости от его формы, происхождения или качества.
В то время как в процессе цветения кованое железо производилось непосредственно из руды, были чугун или чугун исходными материалами, используемыми в кузнечной и пудлинговой печи, . Чугун и чугун имеют более высокое содержание углерода, чем кованое железо, но имеют более низкую температуру плавления, чем железо или сталь. Литой и особенно чугун имеет избыток шлака, который необходимо хотя бы частично удалить для получения качественного кованого железа. На литейных заводах было принято смешивать лом кованого железа с чугуном для улучшения физических свойств отливок.
В течение нескольких лет после появления бессемеровской и мартеновской стали существовали разные мнения относительно того, чем железо отличается от стали; некоторые считали, что дело в химическом составе, а другие - в том, достаточно ли нагрелось железо, чтобы расплавиться и «плавиться». В конечном итоге синтез стал общепринятым как относительно более важный, чем состав ниже заданной низкой концентрации углерода. [ 9 ] : 32–39 Еще одно отличие состоит в том, что сталь можно упрочнить путем термообработки .
Исторически кованое железо было известно как «технически чистое железо»; [ 10 ] [ 11 ] однако он больше не соответствует критериям, поскольку действующие стандарты для технически чистого железа требуют содержания углерода менее 0,008 % масс . [ 12 ] [ 13 ]
Виды и формы
[ редактировать ]Пруток железа — это общий термин, который иногда используется для отличия его от чугуна. Это эквивалент слитка литого металла в удобной для обработки, хранения, транспортировки и дальнейшей переработки в готовый продукт форме.
Слитки были обычным продуктом кузницы , но не обязательно изготовленными этим способом:
- Пруток, вырезанный из полосового железа на продольно -резательном стане, служил сырьем для шипов и гвоздей.
- Кольцевое железо — подходит для обручей бочек, изготавливается путем пропускания прутка через прокатные штампы.
- Листовой железо — листы, пригодные для использования в качестве котельной плиты.
- Черная пластина — листы, возможно, тоньше листового железа, полученные на этапе черной прокатки производства белой жести .
- Железо для путешествий — узкое плоское железо, сделанное или разрезанное на прутки определенного веса, товар, продаваемый в Африке для работорговли в Атлантике . Количество слитков на тонну постепенно увеличивалось с 70 на тонну в 1660-х годах до 75–80 на тонну в 1685 году и «около 92 на тонну» в 1731 году. [ 14 ] : 163–172
Источник
[ редактировать ]- Угольное железо — до конца XVIII века кованое железо выплавляли из руды с использованием древесного угля методом цветения . Кованое железо также производилось из чугуна в кузнице или в ланкаширском очаге . Полученный металл был весьма изменчив как по химическому составу, так и по содержанию шлака.
- Лужное железо — процесс лужи был первым крупномасштабным процессом производства кованого железа. В процессе лужи чугун рафинируется в отражательной печи, чтобы предотвратить загрязнение железа серой в угле или коксе. Расплавленный чугун перемешивают вручную, подвергая его воздействию кислорода воздуха, который обезуглероживает железо. Когда утюг перемешивается, шарики кованого железа собираются в шарики с помощью мешалки (рукава или стержня), которые периодически удаляются лужицей. Пудлинг был запатентован в 1784 году и стал широко использоваться после 1800 года. К 1876 году годовое производство пудлингового железа только в Великобритании составило более 4 миллионов тонн. Примерно в это же время мартеновские печи смогли производить сталь подходящего качества для конструкционных целей, а производство кованого железа пришло в упадок.
- Рудное железо — особо чистый сорт слиткового железа, получаемый из железной руды рудника Даннемора в Швеции . Его наиболее важным применением было использование в качестве сырья для процесса цементации при производстве стали.
- Данкс-железо - первоначально железо, импортированное в Великобританию из Гданьска , но в 18 веке, скорее всего, это тот вид железа (из восточной Швеции), который когда-то поступал из Гданьска.
- Лесное железо — железо из английского леса Дин , где гематитовая руда позволяла производить прочное железо.
- Железо Люка — железо, импортированное из Льежа , голландское название которого — «Луик». [ 15 ]
- Железо Эймса или железо Эмиса — еще одна разновидность железа, импортируемая в Англию из Северной Европы. Предполагается, что его происхождение - Амьен , но, похоже, оно было импортировано из Фландрии в 15 веке и Голландии позже, что позволяет предположить происхождение из долины Рейна . Его происхождение остается спорным. [ 15 ]
- Железо Ботольф или железо Буталль — из Бытова (Польское Поморье ) или Бытома (Польская Силезия ). [ 15 ]
- Соболь железо (или Старый Соболь) — железо со знаком ( соболем ) семьи Демидовых русских мастеров -металлистов , одна из лучших марок русского железа . [ 16 ]
Качество
[ редактировать ]- Прочное железо
- Также пишется «туф», он не хрупкий и достаточно прочный, чтобы его можно было использовать для изготовления инструментов.
- Смешать железо
- Изготовлен из смеси чугуна разных марок .
- Лучшее железо
- Железо прошло несколько стадий укладки и прокатки, чтобы достичь состояния, которое считалось (в 19 веке) лучшим качеством.
- Маркированный прутковый утюг
- Изготовлено членами Коллегии адвокатов и отмечено знаком производителя в знак качества. [ 17 ]
Дефекты
[ редактировать ]Кованое железо — это форма товарного железа, содержащая менее 0,10% углерода, менее 0,25% примесей в сумме серы, фосфора, кремния и марганца и менее 2% шлака по массе. [ 18 ] [ 19 ]
Кованое железо является краснокоротким или горячекоротким, если оно содержит серу в избыточном количестве. Он обладает достаточной прочностью в холодном состоянии, но трескается при сгибании или отделке при нагревании. [ 5 ] : 7 Горячее короткое железо считалось нетоварным. [ 1 ]
Холодное короткое железо, также известное как холодный сдвиг , Колшир , содержит избыточное количество фосфора. Он очень хрупкий на холоде и трескается при сгибании. [ 5 ] : 7, 215 Однако можно работать и при высокой температуре. считалось достаточно короткозамкнутого железа Исторически сложилось так, что для изготовления гвоздей .
Фосфор не обязательно вреден для железа. Древние кузнецы Ближнего Востока не добавляли известь в свои печи. Отсутствие оксида кальция в шлаке и намеренное 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 Железного столба Дели дает 0,11% железа. [ 1 ] : 69 Входящий в состав кованого железа шлак также придает коррозионную стойкость.
старинная музыкальная проволока Было обнаружено, что , производившаяся в то время, когда было доступно массовое производство углеродистой стали, имела низкое содержание углерода и высокое содержание фосфора; железо с высоким содержанием фосфора, обычно вызывающее хрупкость при холодной работе, легко втягивалось в музыкальные провода. [ 21 ] Хотя в то время фосфор не был легко идентифицируемым компонентом железа, была выдвинута гипотеза, что этот тип железа был отклонен для переработки в сталь, но превзошел его при тестировании на способность к волочению. [ 21 ]
История
[ редактировать ]Китай
[ редактировать ]Во времена династии Хань (202 г. до н.э. – 220 г. н.э.) новые процессы выплавки железа привели к производству новых орудий из кованого железа для использования в сельском хозяйстве, таких как многотрубная сеялка и железный плуг . [ 22 ] Помимо случайных комков низкоуглеродистого кованого железа, образующихся в результате чрезмерного нагнетания воздуха в древних китайских вагранках . Древние китайцы создали кованое железо, используя художественную кузницу , по крайней мере, ко 2 веку до нашей эры. Самые ранние образцы литого и чугуна, обработанные до кованого железа и стали, были найдены на месте ранней династии Хань в Теешэнго. [ 23 ] [ 24 ] : 186 Пиготт предполагает, что кузница для украшений существовала в предыдущий период Воюющих царств (403–221 до н.э.) из-за того, что в этот период из Китая существуют предметы из кованого железа, и нет никаких документальных свидетельств того, что эта кузница когда-либо использовалась в Китае. . [ 24 ] : 186–187 Процесс оклейки включал в себя разжижение чугуна в плавильном горне и удаление углерода из расплавленного чугуна посредством окисления . [ 24 ] : 186 Вагнер пишет, что помимо очагов династии Хань, которые, как полагают, служили очагами для обжига, существуют также графические свидетельства существования очага из фрески гробницы Шаньдун , датируемой 1-2 веками нашей эры, а также намек на письменные свидетельства, относящиеся к 4 веку нашей эры. Даосский текст Тайпин Цзин . [ 25 ]
Западный мир
[ редактировать ]Кованое железо использовалось на протяжении многих веков, и это «железо», которое упоминается на протяжении всей западной истории. Другая форма железа, 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 лишь для ограниченного числа целей. На протяжении большей части Средневековья железо производилось путем прямого восстановления руды в ручных заводах , хотя энергия воды . к 1104 году начала использоваться [ 26 ]
Сырьем, получаемым всеми непрямыми процессами, является чугун. Он имеет высокое содержание углерода и, как следствие, хрупкий и не может быть использован для изготовления метизов. Осмондовый процесс был первым из непрямых процессов, разработанным к 1203 году, но производство блюмери продолжалось во многих местах. Этот процесс зависел от развития доменной печи, средневековые образцы которой были обнаружены в Лапфитане , Швеция, и в Германии .
С 15 века процессы цветения и осмонда постепенно были заменены процессами украшения , которых существовало две версии: немецкая и валлонская. В свою очередь, в конце 18-го века они были заменены лужением с некоторыми вариантами, такими как шведский процесс в Ланкашире . Они тоже устарели, и кованое железо больше не производится в промышленных масштабах.
Процесс цветения
[ редактировать ]Первоначально кованое железо производилось с помощью различных процессов плавки, которые сегодня называются «блумериями». В разных местах и в разные времена использовались разные формы цветения. Цветочный завод загрузили древесным углем и железной рудой, а затем зажгли. вдували воздух Через фурму , чтобы нагреть блюмер до температуры несколько ниже точки плавления железа. В ходе плавки шлак плавился и вытекал, а окись углерода из древесного угля восстанавливала руду до железа, которое образовывало губчатую массу (называемую «налетом»), содержащую железо, а также расплавленные силикатные минералы (шлак) из руда. Железо оставалось в твердом состоянии. Если блюмери нагреться достаточно, чтобы расплавить железо, углерод растворился бы в нем и образовал бы чугун или чугун, но это не было целью. Однако конструкция блумера затрудняла достижение температуры плавления железа, а также не позволяла концентрации угарного газа стать высокой. [ 1 ] : 46–57
После завершения плавки блюм удаляли, и процесс можно было начинать заново. Таким образом, это был периодический процесс, а не непрерывный, как в доменной печи. Блюм пришлось выковать механически, чтобы закрепить его и придать ему форму бруска, удаляя при этом шлак. [ 1 ] : 62–66
В средние века к этому процессу применялась сила воды, вероятно, первоначально для привода в действие мехов, и только позже к молотам для ковки блюмов. Однако, хотя несомненно, что использовалась энергия воды, детали остаются неясными. [ 1 ] : 75–76 Это было кульминацией непосредственного процесса изготовления железа. Он сохранился в Испании и на юге Франции как каталонские кузницы до середины 19 века, в Австрии как штукофен до 1775 года, [ 1 ] : 100–101 и около Гарстанга в Англии примерно до 1770 года; [ 27 ] [ 28 ] он все еще использовался для горячего дутья в Нью-Йорке в 1880-х годах. [ 29 ] В Японии последняя из старых татарских фабрик, использовавшихся при производстве традиционной стали тамахагане , в основном используемой в изготовлении мечей, была погашена только в 1925 году, хотя в конце 20 века производство возобновилось в небольших масштабах для поставок стали мастерам-мечникам.
Осмондский процесс
[ редактировать ]Осмондовое железо состояло из шариков из кованого железа, полученных путем плавления чугуна и улавливания капель посохом, который вращался перед порывом воздуха, чтобы подвергнуть как можно большую часть его воздействию воздуха и окислить содержащийся в нем углерод. . [ 30 ] Полученный шар часто ковали в пруток на молотковой мельнице.
Процесс отделки
[ редактировать ]В 15 веке доменная печь распространилась на территорию нынешней Бельгии , где ее усовершенствовали. Оттуда он распространился через Пэи-де-Брей на границе Нормандии , а затем в Уилд в Англии. Вместе с ним распространилась кузница украшений. Они переплавляли чугун и (по сути) выжигали углерод, образуя блюм, который затем перековывали в прутковый железо. Если требовалась катанка, использовался продольно-резательный стан.
Процесс украшения существовал в двух несколько разных формах. В Великобритании, Франции и некоторых частях Швеции только валлонский процесс использовался . При этом использовались два разных очага: декоративный очаг для отделки железа и шаферный очаг для его повторного нагрева в процессе вытягивания заготовок в брусок. В украшениях всегда сжигался древесный уголь, но в шаферах можно было топить минеральным углем , так как его примеси не причиняли вреда железу, когда оно находилось в твердом состоянии. С другой стороны, немецкий процесс, используемый в Германии, России и большей части Швеции, использовал одиночный под для всех стадий. [ 31 ]
Введение кокса для использования в доменной печи Авраамом Дарби в 1709 году (или, возможно, другими странами немного раньше) поначалу мало повлияло на производство кованого железа. Лишь в 1750-х годах коксовый чугун стал использоваться в сколько-нибудь значительных масштабах в качестве сырья для кузниц. Однако древесный уголь продолжал оставаться топливом для нарядов.
Заливка и штамповка
[ редактировать ]С конца 1750-х годов мастера по производству железа начали разрабатывать процессы изготовления пруткового железа без использования древесного угля. Для этого существовал ряд запатентованных процессов, которые сегодня называются заливкой и штамповкой . Самые ранние из них были разработаны Джоном Вудом из Веднсбери и его братом Чарльзом Вудом из Лоу-Милл в Эгремонте и запатентованы в 1763 году. [ 32 ] : 723–724 для компании Coalbrookdale Другой был разработан братьями Крэнэйдж . [ 33 ] Еще одним важным событием было дело Джона Райта и Джозефа Джессона из «Вест Бромвича» . [ 32 ] : 725–726
Процесс лужи
[ редактировать ]Ряд процессов изготовления кованого железа без древесного угля был разработан, когда промышленная революция во второй половине 18 века началась . Самым успешным из них было лужение с использованием пудлинговой печи (разновидность отражательной печи ), изобретенной Генри Кортом в 1784 году. [ 34 ] Позже он был усовершенствован другими, в том числе Джозефом Холлом , который первым добавил в шихту оксид железа. В таких печах металл не контактирует с топливом и не загрязняется его примесями. Тепло продуктов сгорания проходит по поверхности ванны, а свод печи отражает (отражает) тепло на металлическую ванну на пожарном мосту печи.
Если в качестве сырья не используется белый чугун, чугун или другой сырьевой продукт лужи сначала необходимо рафинировать до рафинированного железа или более тонкого металла. Это будет сделано на нефтеперерабатывающем заводе, где сырой уголь будет использоваться для удаления кремния и преобразования углерода в сырьевом материале, находящемся в форме графита, в соединение с железом, называемое цементитом.
В полностью разработанном процессе (Холла) этот металл помещался в горн пудлинговой печи, где он плавился. Очаг был покрыт окислителями, такими как гематит и оксид железа. [ 35 ] Смесь подвергали сильному потоку воздуха и перемешивали длинными брусками, называемыми лужеобразными брусками или брусками. [ 36 ] : 165 [ 37 ] через рабочие двери. [ 38 ] : 236–240 Воздух, перемешивание и «кипящее» действие металла помогли окислителям окислить примеси и углерод из чугуна. По мере окисления примесей они образовывали расплавленный шлак или улетучивались в виде газа, а оставшееся железо затвердевало в губчатое кованое железо, которое всплывало наверх лужи и вылавливалось из расплава в виде шариков лужи с помощью брусков лужи. [ 35 ]
гонт
[ редактировать ]В шарах из лужи еще оставалось немного шлака, поэтому, пока они еще горячие, их нужно было покрыть черепицей. [ 39 ] для удаления остатков шлака и огарка. [ 35 ] Это достигалось путем ковки шариков под молотком или выдавливания блюма в машине. Материал, полученный в конце гонта, известен как цветение. [ 39 ] В таком виде цветы бесполезны, поэтому их сворачивали в конечный продукт.
Иногда европейские металлургические заводы полностью пропускали процесс гонта и катали лужи. Единственным недостатком является то, что края необработанных брусков не были так хорошо сжаты. Когда необработанный брусок повторно нагревали, края могли отделиться и потеряться в печи. [ 39 ]
Роллинг
[ редактировать ]Блюм пропускали через валки и производили бруски. Прутки из кованого железа были низкого качества и назывались навозными решетками. [ 39 ] [ 36 ] : 137 или лужи-бары. [ 35 ] Чтобы улучшить их качество, прутки разрезали, складывали в стопки и связывали вместе проволокой — процесс, известный как вязанка или штабелирование. [ 39 ] Затем их повторно нагревали до сварочного состояния, подвергали ковочной сварке и снова прокатывали в прутки. Процесс можно было повторить несколько раз, чтобы получить кованое железо желаемого качества. Кованое железо, прокатанное несколько раз, называется торговым слитком или торговым железом. [ 37 ] [ 40 ]
Ланкаширский процесс
[ редактировать ]Преимущество лужи заключалось в том, что в качестве топлива использовался уголь, а не древесный уголь. Однако в Швеции, где не хватало угля, это имело мало преимуществ. Густав Экман наблюдал украшения из древесного угля в Ульверстоне , которые сильно отличались от всех других в Швеции. После своего возвращения в Швецию в 1830-х годах он экспериментировал и разработал процесс, аналогичный лужеобразованию, но с использованием дров и древесного угля, который получил широкое распространение в Бергслагене в последующие десятилетия. [ 41 ] [ 14 ] : 282–285
Астонский процесс
[ редактировать ]В 1925 году Джеймс Астон из США разработал процесс быстрого и экономичного производства кованого железа. Для этого расплавленная сталь извлекалась из бессемеровского конвертера и заливалась в более холодный жидкий шлак. Температура стали составляет около 1500 °C, а жидкий шлак поддерживается при температуре около 1200 °C. Расплавленная сталь содержит большое количество растворенных газов, поэтому, когда жидкая сталь попадает на более холодные поверхности жидкого шлака, газы высвобождаются. Затем расплавленная сталь замерзла, образовав губчатую массу с температурой около 1370°С. [ 35 ] Затем губчатую массу нужно было обрезать и раскатать, как описано в разделе «Обмазка луж» (выше). С помощью этого метода можно переработать от трех до четырех тонн на партию. [ 35 ]
Отклонить
[ редактировать ]Сталь начала заменять железо в железнодорожных рельсах, как только был принят бессемеровский процесс ее производства (1865 г.). Железо оставалось доминирующим в конструкционных целях до 1880-х годов из-за проблем с хрупкой сталью, вызванных введением азота, высокого содержания углерода, избытка фосфора или чрезмерной температуры во время или слишком быстрой прокатки. [ 9 ] : 144–151 [ примечание 2 ] К 1890 году сталь в значительной степени заменила железо в конструкционных целях.
Листовое железо (чистота железа Armco 99,97%) имело хорошие свойства для использования в бытовой технике, хорошо подходило для эмалирования и сварки, а также было устойчиво к ржавчине. [ 9 ] : 242
В 1960-х годах цены на производство стали падали из-за переработки, и даже при использовании процесса Астон производство кованого железа было трудоемким. Подсчитано, что производство кованого железа примерно в два раза дороже, чем производство низкоуглеродистой стали. [ 7 ] В США последний завод закрылся в 1969 году. [ 7 ] Последней в мире была кузница Атлас компании Thomas Walmsley and Sons в Болтоне , Великобритания, которая закрылась в 1973 году. Ее оборудование 1860-х годов было перенесено на территорию Блистс-Хилл музея Айронбридж-Гордж для сохранения. [ 42 ] Некоторая часть кованого железа все еще производится для целей восстановления наследия, но только путем переработки лома.
Характеристики
[ редактировать ]Шлаковые включения, или стрингеры , в кованом железе придают ему свойства, недоступные другим формам черного металла. На квадратный дюйм приходится около 250 000 включений. [ 7 ] Свежий перелом имеет чистый голубоватый цвет, шелковистый блеск и волокнистый вид.
В кованом железе не хватает содержания углерода, необходимого для закалки посредством термообработки , но в регионах, где сталь была редкостью или неизвестна, инструменты иногда подвергались холодной обработке (следовательно, холодному железу ), чтобы укрепить их. [ нужна ссылка ] Преимуществом низкого содержания углерода является отличная свариваемость. [ 7 ] Кроме того, листовое кованое железо не может гнуться так сильно, как стальной лист при холодной обработке. [ 43 ] [ 44 ] Кованое железо можно плавить и отливать; однако изделие уже не является кованым железом, так как при плавке исчезают шлаковые стринги, характерные для кованого железа, поэтому изделие напоминает нечистую литой бессемеровскую сталь. Плавка и отливка кованого железа не имеет инженерных преимуществ по сравнению с использованием чугуна или стали, которые дешевле. [ 45 ] [ 46 ]
Из-за различий в происхождении железной руды и производстве железа кованое железо может быть хуже или лучше по коррозионной стойкости по сравнению с другими железными сплавами. [ 7 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] За его коррозионной стойкостью стоит множество механизмов. Чилтон и Эванс обнаружили, что полосы обогащения никелем уменьшают коррозию. [ 50 ] Они также обнаружили, что в луженом, кованом и сложенном железе в результате обработки металла выделяются примеси меди, никеля и олова, которые создают электрохимические условия, замедляющие коррозию. [ 48 ] Было показано, что шлаковые включения рассеивают коррозию, образуя равномерную пленку, что позволяет железу противостоять точечной коррозии. [ 7 ] Другое исследование показало, что шлаковые включения являются причиной коррозии. [ 51 ] Другие исследования показывают, что сера в кованом железе снижает коррозионную стойкость. [ 49 ] а фосфор повышает коррозионную стойкость. [ 52 ] Ионы хлорида также снижают коррозионную стойкость кованого железа. [ 49 ]
Кованое железо можно сваривать так же, как и мягкую сталь, но наличие оксидов или включений приведет к некачественным результатам. [ 53 ] Материал имеет шероховатую поверхность, поэтому удерживает гальванические покрытия и покрытия лучше, чем гладкая сталь. 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 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, содержащихся в кованом железе, включена в волокна шлака, что делает кованое железо более чистым, чем обычная углеродистая сталь. [ 39 ]
Материал | Железо | Углерод | Марганец | сера | Фосфор | Кремний |
---|---|---|---|---|---|---|
Чугунный 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 |
Все единицы представлены в процентах по весу. Источник: [ 39 ] |
Свойство | Ценить |
---|---|
Предельная прочность на разрыв [psi (МПа)] [ 54 ] | 34,000–54,000 (234–372) |
Предельная прочность на сжатие [psi (МПа)] [ 54 ] | 34,000–54,000 (234–372) |
Предельная прочность на сдвиг [psi (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) |
Температура плавления [°F (°C)] [ 55 ] | 2,800 (1,540) |
Удельный вес | 7.6–7.9 [ 56 ] |
7.5–7.8 [ 57 ] |
Помимо других свойств, кованое железо становится мягким при красном калении , его можно легко ковать и сваривать . [ 58 ] Его можно использовать для создания временных магнитов , но его нельзя намагничивать постоянно. [ 59 ] [ 60 ] и является пластичным , податливым и жестким . [ 39 ]
Пластичность
[ редактировать ]Для большинства целей более важным показателем качества кованого железа является пластичность, а не прочность на растяжение. При испытаниях на растяжение лучшие утюги способны претерпеть значительное удлинение перед разрушением. Кованое железо с более высоким пределом прочности является хрупким.
Из-за большого количества взрывов котлов на пароходах в начале 1800-х годов Конгресс США принял в 1830 году закон, утвердивший выделение средств на решение этой проблемы. Казначейство заключило с Институтом Франклина контракт на сумму 1500 долларов на проведение исследования. В рамках исследования Уолтер Р. Джонсон и Бенджамин Ривз провели испытания на прочность котельного железа, используя тестер, который они построили в 1832 году по проекту Лагерхьелма в Швеции. Из-за недопонимания относительно прочности на разрыв и пластичности их работа мало что сделала для уменьшения количества отказов. [ 5 ]
Важность пластичности была признана некоторыми на самом раннем этапе разработки трубчатых котлов, о чем свидетельствует комментарий 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, в случае разрыва открылись бы, разорвавшись, и вылили бы свое содержимое, не вызывая обычных катастрофических последствий взрыва котла. . [ 61 ]
Различные расследования взрывов котлов, проведенные в XIX веке, особенно страховыми компаниями, показали, что причины чаще всего являются результатом работы котлов при давлении выше безопасного диапазона, либо для получения большей мощности, либо из-за неисправных предохранительных клапанов котла и трудностей с получением надежных показания давления и уровня воды. Плохое изготовление также было распространенной проблемой. [ 62 ] Кроме того, толщина железа в паровых барабанах была небольшой по современным меркам.
К концу 19 века, когда металлурги смогли лучше понять, какие свойства и процессы делают железо хорошим, железо в паровых двигателях было вытеснено сталью. Также старые цилиндрические котлы с жаротрубными трубами были вытеснены водотрубными котлами, которые по своей сути более безопасны. [ 62 ]
Чистота
[ редактировать ]В 2010 году Джерри МакДоннелл [ 63 ] В Англии путем анализа было продемонстрировано, что блюм кованого железа, полученный из традиционной плавки, можно переработать в железо с чистотой 99,7% без каких-либо признаков углерода. Было обнаружено, что стрингеры, характерные для других видов кованого железа, отсутствовали, что делало кузнеца очень податливым для работы в горячем и холодном состоянии. Доступен коммерческий источник чистого железа, который используется кузнецами в качестве альтернативы традиционному кованому железу и другим черным металлам нового поколения.
Приложения
[ редактировать ]Кованая мебель имеет долгую историю, восходящую к римским временам. в Лондоне есть кованые ворота 13 века В Вестминстерском аббатстве , а пика популярности кованая мебель, похоже, достигла в Великобритании в 17 веке, во времена правления Вильгельма III и Марии II . [ нужна ссылка ] 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, таких как стеллажи для пекарей , винные стеллажи , подставки для кастрюль , этажи , основания столов, столы, ворота, кровати, подсвечники, карнизы, бары и барные стулья.
Подавляющее большинство кованого железа, доступного сегодня, изготовлено из вторичного сырья. Основными источниками являются старые мосты и якорные цепи, вытащенные из гаваней. [ нужна ссылка ] Большая коррозионная стойкость кованого железа обусловлена кремнистыми примесями (в природе встречающимися в железной руде), а именно силикатом железа . [ 64 ]
Кованое железо на протяжении десятилетий использовалось как общий термин в индустрии ворот и ограждений , хотя мягкая сталь . для изготовления этих ворот из «кованого железа» используется [ 65 ] Это происходит главным образом из-за ограниченной доступности настоящего кованого железа. Сталь также можно оцинковать горячим способом , чтобы предотвратить коррозию, чего нельзя сделать с кованым железом.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Некоторые, но не все из этих предметов упоминаются в Гордоне, РБ (1996). [ 5 ]
- ^ От Мисы, TJ (1995): [ 9 ] «Проблемы с качеством рельсов создали у бессемеровской стали такую плохую репутацию, что инженеры и архитекторы отказались использовать ее в строительных целях. Мартеновская сталь имела лучшую репутацию и к 1889 году вытеснила конструкционное железо…»
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Тайлекот, РФ (1992). История металлургии (второе изд.). Лондон: Maney Publishing, для Института материалов. ISBN 978-0901462886 .
- ^ «Кованое железо – свойства, применение» . Azom.com . AZoNetwork. 13 августа 2013 года . Проверено 27 октября 2019 г.
- ^ Алекс Уолтер (31 октября 2018 г.). «Что такое кованое железо?» . Механический участок . Архивировано из оригинала 27 октября 2019 года . Проверено 27 октября 2019 г.
- ^ «Что такое кованое железо?» . ООО "Железные ворота и перила " 2017. Архивировано из оригинала 7 февраля 2023 года . Проверено 27 октября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Гордон, Роберт Б. (1996). Американский утюг 1607–1900 гг . Балтимор и Лондон: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 0-8018-6816-5 .
- ^ «Кованое железо: мечта о мебели для патио» . обзоры cnet . Архивировано из оригинала 23 января 2010 года . Проверено 29 сентября 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Дэниел, Тодд. «Устранение путаницы по поводу кованого железа» . Фабрикатор . № ноябрь/декабрь 1993 г. НОММА. п. 38. Архивировано из оригинала 24 ноября 2020 г. Проверено 27 октября 2019 г.
- ^ «Обделанный» . Словарь Мерриама Вебстера: самый надежный онлайн-словарь Америки . Мерриам-Вебстер . Проверено 27 ноября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с д Миса, Томас Дж. (1995). Нация стали: создание современной Америки, 1865–1925 гг . Балтимор: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 9780801849671 .
- ^ Имхофф, Уоллес Г. (1917). «Лужа огарка как доменная железная руда» . Журнал Кливлендского инженерного общества . 9 (621,76): 332.
- ^ Скоферн, Джон (1869). Полезные металлы и их сплавы (5-е изд.). Хоулстон и Райт. п. 6.
- ^ Макартур, Хью; Сполдинг, Дункан (2004). Инженерное материаловедение: свойства, использование, деградация и восстановление . Издательство Хорвуд. п. 338. ИСБН 978-1-898563-11-2 .
- ^ Кэмпбелл, Флейк К. (2008). Элементы металлургии и конструкционных сплавов . АСМ Интернешнл. п. 154. ИСБН 978-0-87170-867-0 .
- ^ Jump up to: а б Эванс, К.; Риден, Г. (2007). Балтийское железо в Атлантическом мире в восемнадцатом веке . Бостон, Массачусетс: Брилл. ISBN 9789004161535 .
- ^ Jump up to: а б с Чайлдс, WR (1981). «Торговля железом в Англии в пятнадцатом веке». Обзор экономической истории . 2-й. стр. 25–47.
- ^ Кахан, А. (1985). Плуг, молот и кнут: экономическая история России восемнадцатого века . Издательство Чикагского университета. ISBN 9780226422534 .
- ^ Баранина, Норман (1976). «Отмеченная коллегия адвокатов: регулирование цен в торговле кованым железом в Черной стране». Исследования Уэст-Мидленда (9-е изд.). стр. 2–8.
- ^ Баумайстер; Аваллоне; Баумайстер (1978). Стандартный справочник Маркса для инженеров-механиков (8-е изд.). МакГроу Хилл. стр. 6–18, 17. ISBN. 978-0-07-004123-3 .
- ^ «кованое железо». Британская энциклопедия (расширенное издание, 2009 г.). Чикаго. 2009.
{{cite encyclopedia}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ «Влияние фосфора на свойства углеродистых сталей: Часть 1» . Тотальная Материя . Октябрь 2007 года . Проверено 27 октября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Гудвей, Марта (май 1987 г.). «Фосфор в старинной железной музыкальной проволоке». Наука . 236 (4804): 927–932. Бибкод : 1987Sci...236..927G . дои : 10.1126/science.236.4804.927 . ПМИД 17812747 . S2CID 45929352 .
- ^ Керр, Гордон (2013). Краткая история Китая . Карманные предметы первой необходимости. ISBN 978-1842439692 .
- ^ Нидхэм, Джозеф (1995). «Часть 3: Спагирические открытия и изобретения: исторический обзор от эликсиров киновари до синтетического инсулина». Наука и цивилизация в Китае . Том. 5: Химия и химическая технология. Издательство Кембриджского университета. п. 105. ИСБН 9780521210287 .
- ^ Jump up to: а б с Пиготт, Винсент К. (1999). Археометаллургия азиатского Старого Света . Археологический музей Университета Пенсильвании. ISBN 9780924171345 .
- ^ Вагнер, Рудольф Г. (2001). Мастерство китайского комментатора: Ван Би о Лаоцзы . стр. 80–83.
- ^ Лукас, А. (2006). Ветер, вода, работа: древние и средневековые технологии фрезерования . Лейден, Нидерланды, и Бостон, Массачусетс: Brill. стр. 251–255, 347.
- ^ Ричард Покок . Джей Джей Картрайт (ред.). Путешествие по Англии... в 1750, 1751 и последующие годы . Камден Сок. нс 42, 1888. с. 13.
- ^ Льюис, В. (1775). Химическая и минеральная история железа (рукопись в Центральной библиотеке Кардиффа). стр. IV, 76.
- ^ Поллард, GC (1998). «Эксперименты по производству цветного железа в XIX веке: свидетельства Адирондака в Нью-Йорке». Историческая металлургия . № 1 (32-е изд.). стр. 33–40.
- ^ HR Шуберт, История британской черной металлургии с 450 г. до н.э. по 1775 г. н.э. (Рутледж и Кеган Пол, Лондон, 1957) , 299–304.
- ^ А. ден Оуден, «Производство кованого железа в изысканных очагах», «Историческая металлургия » 15 (2) (1981), 63–87 и 16 (1) (1982), 29–32.
- ^ Jump up to: а б Мортон, Греция; Баранина, Н. (1967). «Переход к процессу лужи Корта». Журнал Института железа и стали . 205 .
- ^ Хейман, Р. (2004). «Братья Кранаж и кузнечная технология восемнадцатого века». Историческая металлургия . № 2 (28-е изд.). стр. 113–120.
- ^ Р. А. Мотт (редактор П. Сингер), Генри Корт, The Great Finer (Общество металлов, Лондон, 1983).
- ^ Jump up to: а б с д и ж Раджпут, РК (2000). Инженерные материалы . С. Чанд. п. 223. ИСБН 81-219-1960-6 .
- ^ Jump up to: а б Гейл, WKV (1971). Металлургическая промышленность: Словарь терминов . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз.
- ^ Jump up to: а б Оверман, Фредрик (1854). Производство железа во всех его отраслях . Филадельфия: ХК Бэрд. стр. 267, 287, 344.
- ^ Тайлекот, РФ (1991). «Железо в промышленной революции». Промышленная революция в металлургии . Лондон: Институт металлов.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Кэмп, Джеймс Макинтайр; Фрэнсис, Чарльз Блейн (1920). Изготовление, обработка и обработка стали . Питтсбург: Carnegie Steel Company. стр. 173–174. ISBN 1-147-64423-3 .
- ^ Гейл, WKV (1967). Британская металлургическая промышленность . Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз. стр. 79–88.
- ^ Риден, Г. (2005). «Ответы на угольную технологию без угля: производство железа в Швеции в девятнадцатом веке». Ин Риден, Г.; Эванс, К. (ред.). Промышленная революция в железе: влияние британской угольной технологии на Европу XIX века . Олдершот : Эшгейт. стр. 121–124.
- ^ Смит, Стюарт Б; Гейл, WKV (1987). «Снова кованое железо: официально открыт металлургический завод в Блистс-Хилл». Историческая металлургия . № 1 (21-е изд.). стр. 44–45.
- ^ Муж Джозеф; Харби, Уильям (1911). Структурная инженерия . Нью-Йорк: Longmans, Green and Co. p. 21 . Проверено 22 февраля 2008 г.
- ^ Бирн, Остин Томас (1899). Проверка материалов и качества изготовления, использованных в строительстве (1-е изд.). Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 105 . Проверено 22 февраля 2008 г.
- ^ Скоферн, Джон (1861). Полезные металлы и их сплавы, в том числе шахтная вентиляция, горное правоведение и металлургическая химия . Лондон: Хоулстон и Райт. п. 328 . Проверено 20 февраля 2008 г.
- ^ Адамс, Генри (1891). Справочник для инженеров-механиков (2-е изд.). Нью-Йорк: E. & FN Spon. п. 29 . Проверено 20 февраля 2008 г.
- ^ Хадсон, Дж. К., 1931–43, Отчеты полевых испытаний Комитета по коррозии, Институт железа и стали.
- ^ Jump up to: а б «Доктор Дж. П. Чилтон, 1929–2006» (PDF) . Material Eyes (изд. Весны 2007 г.). Факультет материаловедения и металлургии Кембриджского университета: 4. Архивировано из оригинала (PDF) 1 сентября 2012 года . Проверено 29 ноября 2008 г.
- ^ Jump up to: а б с Уокер VII, Роберт (апрель 2002 г.). «Производство, микроструктура и свойства кованого железа» (PDF) . Журнал химического образования . 79 (4): 443–447. Бибкод : 2002JChEd..79..443W . дои : 10.1021/ed079p443 . Архивировано (PDF) из оригинала 24 сентября 2007 г.
- ^ Чилтон и Эвенс, Журнал Института железа и стали, 1955 г.
- ^ Харви, Л., Роль шлаковых включений в коррозии кованого железа, диссертация Брэдфордского университета, 1996 г.
- ^ Баласубраманиам, Р. (25 января 2003 г.). «Железный столб Дели и его значение для современных технологий» (PDF) . Современная наука . 84 (2): 162–163. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2009 года . Проверено 29 ноября 2008 г.
- ^ Пендред, Лох (1945). Ежегодник инженера Кемпе (52-е изд.). Лондон: Братья Морган. п. 1278. АСИН B0033RUEVW .
- ^ Jump up to: а б с д и Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д.; Райффель, Генри Х. (2000). МакКоли, Кристофер Дж. (ред.). Справочник по машинам (26-е изд.). Нью-Йорк: Industrial Press, Inc., с. 476. ИСБН 0-8311-2666-3 .
- ^ Смит, Кэрролл (1984). Инженер, чтобы победить . MotorBooks / Издательство МБИ. стр. 53–54. ISBN 0-87938-186-8 .
- ^ «Твердые тела и металлы – удельный вес» . Инженерный набор инструментов . Проверено 20 февраля 2008 г.
- ^ Поул, Уильям (1872). Железо как строительный материал: содержание курса лекций, читаемых в Королевской школе военно-морской архитектуры, Южный Кенсингтон (пересмотренное и расширенное изд.). Лондон: E. & FN Spon. стр. 136–137 . Проверено 20 февраля 2008 г.
- ^ Рихтер, Виктор фон; Смит, Эдгар Фас (1885). Учебник неорганической химии (2-е изд.). Филадельфия: П. Блейкистон, Son & Co., с. 396 . Проверено 21 февраля 2008 г.
- ^ Циклопедия прикладного электричества . Том. 1. Американское техническое общество. 1916. с. 14 . Проверено 21 февраля 2008 г.
- ^ Тимби, Уильям Генри; Буш, Ванневар (1922). Основы электротехники . Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., стр. 318–319 . Проверено 21 февраля 2008 г.
- ^ Терстон, Роберт (1878). «История развития парового двигателя» . п. 165. Архивировано из оригинала 29 июня 1997 года.
- ^ Jump up to: а б Хантер, Луи К. (1985). История промышленной мощи в Соединенных Штатах, 1730–1930 гг . Том. 2: Сила пара. Шарлоттсвилл: Университетское издательство Вирджинии.
- ^ Макдоннелл, Дж. (9 сентября 2010 г.). «Металлургический отчет о выплавленном железе для серии Master Crafts». Передано (изд. весны 2010 г.). [ нужна полная цитата ]
- ^ Промышленная химия . Кришна Пракашан Медиа. 1991. с. 1645.ISBN 8187224991 . Проверено 22 июля 2019 г.
- ^ «Знакомство с коваными ограждениями» . Одинокая звезда. 8 апреля 2016 года . Проверено 12 июля 2019 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Билер, Алекс В. (1995). Искусство кузнечного дела . Эдисон, Нью-Джерси: Castle Books. стр. 28–45. ISBN 0-7858-0395-5 .
- Гордон, Роберт Б. (1996). Американский утюг 1607–1900 гг . Балтимор и Лондон: Издательство Университета Джонса Хопкинса. ISBN 0-8018-6816-5 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- СМИ, связанные с кованым железом, на Викискладе?