Кованое железо - Wrought iron

Стали
FagerstaRAÄ2.jpg
Микроструктуры
Классы
Другие материалы на основе железа
Различные образцы кованого железа

Кованое железо является утюг сплав с очень низким углерод содержание (менее 0,08%) в отличие от чугун (От 2,1% до 4%). Это полурасплавленная масса железа с волокнистым шлак включения (до 2% по весу), что придает ему «текстуру», напоминающую древесину, которая видна, когда она протравлена ​​или согнута до точки разрушения. Кованое железо жесткое, пластичное, пластичный, коррозия стойкий и легко сваренный.

До разработки эффективных методов сталеплавильное производство а из-за наличия большого количества стали кованое железо было наиболее распространенной формой ковкого железа. Ему было дано имя кованый потому что его забивали, раскатывали или обрабатывали другим способом, пока он был достаточно горячим, чтобы удалить расплавленный шлак.[примечание 1] Современный функциональный эквивалент кованого железа - 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 состоит примерно на 99,4% из железа по массе.[2] Наличие шлака выгодно для кузнечных работ и придает материалу уникальную волокнистую структуру.[3] Силикатные нити шлака также защищают чугун от коррозии и уменьшают эффект усталости, вызванный ударами и вибрацией.[4]

Исторически сложилось так, что небольшое количество кованого железа было переработано в сталь, который использовался в основном для производства мечи, столовые приборы, долота, топоры и другие инструменты с обрезными краями, а также пружины и напильники. Спрос на кованое железо достиг своего пика в 1860-х годах, когда пользовались большим спросом на броненосные военные корабли и железная дорога использовать. Однако такие свойства, как хрупкость мягкая сталь улучшено с лучшим черная металлургия и в качестве производство стали стало дешевле благодаря Бессемеровский процесс и Процесс Сименс-Мартин, использование кованого железа сократилось.

Многие предметы, прежде чем они стали мягкая сталь, были изготовлены из кованого железа, в том числе заклепки, гвозди, провод, цепи, рельсы, железнодорожные муфты, водопроводные и паровые трубы, орехи, болты, подковы, поручни, вагонные шины, ремни для бруса кровельные фермы, и декоративные изделия из металла, среди прочего.[5][заметка 2]

Кованое железо больше не производится в промышленных масштабах. Многие изделия из кованого железа, например перила, Садовая мебель[6] и ворота, фактически сделаны из мягкой стали.[7] Они сохраняют это описание, потому что они сделаны так, чтобы напоминать предметы, которые в прошлом были созданы (обработаны) вручную мастером. кузнец (хотя многие декоративные железные предметы, в том числе заборы и ворота, часто были литыми, а не коваными).[7]

Терминология

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, которые производятся кузнец. В этом более узком смысле оно использовалось в Британский Обычаи записи, такое железо облагалось более высокими пошлинами, чем то, что можно было бы назвать «некованым» железом. Чугун В отличие от кованого железа, он 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 цветущий процесс производства кованого железа непосредственно из руды, чугун или чугун были исходные материалы, используемые в нарядная кузница и пудлинговая печь. 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. В литейные заводы было принято 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 термическая обработка.

Исторически кованое железо было известно как «коммерчески чистое железо»,[10][11] однако он больше не соответствует требованиям, поскольку действующие стандарты для технически чистого железа требуют содержания углерода менее 0,008. вес%.[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.

Прутки были обычным продуктом нарядная кузница, но не обязательно в результате этого процесса.

  • Катанка - вырезана из плоского прутка в продольная мельница предоставили сырье для шипов и гвоздей.
  • Обруч - подходит для обруча бочек, сделанных путем пропускания катанки через прокатные штампы.
  • Листовое железо - листы, пригодные для использования в качестве котел тарелка.
  • Blackplate - листы, возможно, тоньше листового железа, полученные на стадии черной прокатки жесть производство.
  • Железо для путешествий - узкий плоский пруток, сделанный или разрезанный на прутки определенного веса, товар для продажи в Африка для Атлантическая работорговля. 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

  • Древесный уголь - до конца 18 века кованое железо выплавляли из руды с использованием древесного угля. цветущий обработать. Кованое железо также производилось из чугун с помощью нарядная кузница или в Ланкаширский очаг. Полученный металл сильно варьировался как по химическому составу, так и по содержанию шлака.
  • Лужа железа - процесс лужения был первым крупномасштабным процессом производства кованого железа. В процессе лужения чугун очищается в отражательная печь для предотвращения загрязнения железа 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 годовое производство луженого железа только в Великобритании 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.
  • Руда железа - прутковый чугун особой чистоты, изготовленный из Железный от Даннемора мой в Швеция. Его наиболее важное использование было в качестве сырья для процесс цементирования сталеплавильного производства.
  • Дэнкское железо - изначально железо, импортированное в Великобританию из Гданьск, но в 18 веке, скорее всего, это железо (из восточной Швеции), которое когда-то пришло из Гданьска.
  • Лесное железо - от англ. "Железо" Форест Дина, где гематит руда позволяла производить прочное железо.
  • Луки железо - железо, импортированное из Вассал, чье голландское имя - «Луйк».[15]
  • Ames iron или amys iron - еще одна разновидность железа, импортированного в Англию из северной Европы. Предполагается, что его происхождение Амьен, но похоже, что он был импортирован из Фландрия в 15 веке и Голландия позже, предполагая происхождение в Рейн долина. Его происхождение остается спорным.[15]
  • Утюг Botolf или утюг Boutall - от Бытув (Польский Померания ) или Бытом (Польский Силезия ).[15]
  • Соболь (или Старый Соболь) - железо с клеймом (a соболь ) из Демидов семья русский железные мастера, один из лучших брендов Русское железо.[16]

Качественный

Прочное железо
Также пишется «tuf», не является хрупким и достаточно прочным, чтобы его можно было использовать для изготовления инструментов.
Смешать железо
Сделано с использованием смеси разных видов чугун.
Лучшее железо
Железо прошло несколько этапов укладки и прокатки, чтобы достичь стадии, считающейся (в XIX веке) наилучшим качеством.
Маркированный пруток
Сделано членами Отмеченная ассоциация адвокатов и отмечен 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 красный или горячий короткий если в нем содержится сера в избыточном количестве. 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 избыточный фосфор. Он очень хрупкий в холодном состоянии и трескается при сгибании.[5]:7, 215 Однако с ним можно работать при высокой температуре. Исторически холодное короткое железо считалось достаточным для гвозди.

Фосфор не обязательно вреден для железа. Древние кузнецы Ближнего Востока не добавляли известь в свои печи. Отсутствие оксид 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 Железный столб Дели дает 0,11% в железе.[1]:69 Включенный в кованое железо шлак также придает коррозионную стойкость.

Наличие фосфора (без углерода) дает ковкий чугун, пригодный для волочение проволоки для пианино провод.[21]

История

западный мир

Процесс плавки железной руды с целью получения кованого железа из чугуна, проиллюстрированный на Тиангун Кайу энциклопедия от Сун Инсин, опубликовано в 1637 году.

Кованое железо использовалось на протяжении многих столетий, и это «железо» упоминается на протяжении всей западной истории. Другая форма железа, чугун, использовался в Китае с древних времен, но не был завезен 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 вручную. цветение, несмотря на то что сила воды начал работать 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. В Осмонд процесс 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 Лаппитантский, Швеция и в Германия.

Процессы цветения и осмонда постепенно были заменены с 15 века на наряд процессов, которых было две версии, немецкая и валлонская. Они, в свою очередь, были заменены с конца 18 века на лужа, 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 древнем Китае вагранки. Древние китайцы создали кованое железо, используя нарядная кузница по крайней мере, ко II веку до нашей эры самые ранние образцы бросать и чугун оштрафован на кованое железо и сталь найден 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 предыдущие годы. Период воюющих царств (403–221 гг. До н.э.), в связи с тем, что есть изделия из кованого железа из Китая, относящиеся к тому периоду, и нет никаких документальных свидетельств того, что цветущий когда-либо использовались в Китае.[25]:186–187 Процесс очистки включал разжижение чугуна в чистящем поде и удаление углерода из расплавленного чугуна через окисление.[25]:186 Вагнер пишет, что в дополнение к очагам династии Хань, которые считались очищающими очагами, есть также наглядные свидетельства очищения очага из Шаньдун 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

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. Bloomery был обвинен в древесный уголь и железная руда, а затем горит. Воздух вдувается через фурма нагреть цветник до температуры несколько ниже точки плавления железа. В процессе плавки шлак плавился и вытекал, и монооксид углерода Из 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 укрепить его и сформировать в виде стержня, удаляя при этом шлак.[1]:62–66

В течение Средний возраст, гидроэнергетика была применена к процессу, вероятно, сначала для приведения в действие сильфонов, и только позже к молоткам для ковки блюмов. Однако, хотя очевидно, что использовалась гидроэнергия, детали остаются неясными.[1]:75–76 Это было кульминацией прямого процесса производства чугуна. Он выжил в Испания и южный Франция как каталонские кузницы до середины 19 века, в Австрия как Stuckofen до 1775 г.,[1]:100–101 и рядом Гарстанг в Англии примерно до 1770 г .;[27][28] он все еще использовался с горячий взрыв в Нью-Йорк в 1880-х гг.[29] В Япония последний из старых татара шаровары, используемые в производстве традиционных тамахагане сталь, которая в основном использовалась в изготовлении мечей, была потушена только в 1925 году, хотя в конце 20 века производство возобновилось в небольших объемах, чтобы поставлять сталь ремесленным мастерам.

Осмонд процесс

Основная статья: Осмонд процесс

Осмонд утюг состоял из шариков из кованого железа, полученных 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

Основная статья: Кузница изысков

В 15 веке доменная печь распространиться на то, что сейчас Бельгия где это было улучшено. Оттуда он распространился через Пэйс де Брей на границе Нормандия а затем в Weald 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 только Валлонский процесс было использовано. При этом использовались два разных очага: декоративный очаг для отделки утюга и очаг для разогрева жвачки во время вытягивания блюма в пруток. В украшениях всегда горел древесный уголь, но чаферы можно было обжечь из минерального сырья. уголь, 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]

Вступление к кокс для использования в доменной печи Авраам Дарби в 1709 году (или, возможно, несколько раньше) первоначально 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

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 называются заливка и штамповка. Самые ранние были разработаны Джоном Вудом из Веднесбери и его брат Чарльз Вуд из Low Mill в Эгремонт, запатентовано в 1763 году.[32]:723–724 Другой был разработан для Coalbrookdale Компания Братья Крейндж.[33] Еще одним важным был рассказ Джона Райта и Джозефа Джессона из Вест Бромвич.[32]:725–726

Процесс лужения

Основная статья: Puddling (металлургия)
Схематический чертеж пудлинговой печи

Ряд процессов производства кованого железа без древесного угля был разработан как Индустриальная революция началось во второй половине 18 века. Самым успешным из них было приготовление лужа в печи для лужения (разновидность отражательная печь ), который был изобретен Генри Корт в 1784 г.[34] Позже он был улучшен другими, включая Джозеф Холл, 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 другой сырьевой продукт из лужи сначала нужно было очистить до очищенное железо, или тонкий металл. Это будет сделано на нефтеперерабатывающем заводе, где необработанный уголь использовался для удаления кремний и преобразовать углерод в сырье, находящийся 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. Под выложен 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 двери.[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 брусков лужи.[35]

Черепица

Основная статья: Гонт (металлургия)

В шариках лужи еще оставалось немного шлака, поэтому, пока они еще горячие, их можно было покрыть черепицей.[39] удалить оставшийся шлак и шлак.[35] Это было достигнуто путем ковки шариков молотком или выдавливанием блюма в машине. Материал, полученный в конце укладки черепицы, известен как цветение.[39] В таком виде цветы бесполезны, поэтому из них был получен конечный продукт.

Иногда европейский металлургический завод полностью пропустит процесс укладки черепицы и скатит 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]

Прокатка

Основная статья: Прокатный стан

Блюм пропускали через валки и получали стержни. Прутки из кованого железа были плохого качества, их называли гвоздями.[39][36]:137 или бары лужи.[35] Чтобы улучшить их качество, прутки были разрезаны, сложены и связаны проволокой. Этот процесс известен как пидор или сваи.[39] Затем их повторно нагревали до состояния сварки, сваривали кузнечной сваркой и снова скатывали 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

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 древесный уголь на Ulverston, которые сильно отличались от шведских. После своего возвращения в Швецию в 1830-х годах он экспериментировал и разработал процесс, похожий на лужение лужа, но использовал дрова и древесный уголь, которые получили широкое распространение в США. Bergslagen в последующие десятилетия.[41][14]:282–285

Астон процесс

В 1925 году Джеймс Астон из Соединенные Штаты разработали процесс производства кованого железа быстро и экономично. Это включало получение расплавленной стали из Бессемеровский конвертер и залив его 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 будет закончена, покрытый черепицей и свернутый как описано в разделе «лужа» (выше). С помощью этого метода можно было преобразовать от трех до четырех тонн за партию.[35]

Отказаться

Сталь начали заменять железные рельсы, как только Бессемеровский процесс для его изготовления был принят (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[заметка 3] 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-е годы стоимость производства 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 США последний завод закрылся в 1969 году.[7] Последней в мире была кузница Атласа. Томас Уолмсли и сыновья в Болтон, Великобритания, который был закрыт в 1973 году. Его оборудование эпохи 1860-х годов было перенесено в Сайт Blists Hill из Музей ущелья Айронбридж для сохранения.[42] Некоторое количество кованого железа все еще производится для реставрации наследия, но только путем переработки лома.

Свойства

Микроструктура кованого железа с включениями темного шлака в феррит

Включения шлака, или стрингеры Кованое железо придает ему свойства, которых нет 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. термическая обработка, но в тех областях, где сталь была редкостью или неизвестной, инструменты иногда обрабатывались холодным способом (отсюда холодное железо ), чтобы укрепить их.[нужна цитата ] Преимуществом его низкого содержания углерода является отличная 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, 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 луженном, 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 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] 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 при наличии оксида или включения даст неполноценные результаты.[53]Материал имеет шероховатую поверхность, поэтому лучше удерживает обшивки 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 чугуна. углеродистая сталь. 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
СвойствоЦенность
Предел прочности на разрыв [psi (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 [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)
Точка плавления [° F (° C)][55]2,800 (1,540)
Удельный вес7.6–7.9[56]
7.5–7.8[57]

Помимо других свойств кованое железо становится мягким при Красная жара, и может быть легко кованый и кузнечно-сварной.[58] Его можно использовать для создания временных магниты, но не может быть намагничен постоянно,[59][60] и является пластичный, податливый и жесткий.[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 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, используя тестер, который они построили в 1832 году по проекту Лагерхельма в Швеции. К сожалению, из-за неправильного понимания прочности на разрыв и пластичности их работа мало способствовала уменьшению количества отказов.[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 работает как свинец», они, как также утверждается, при разрыве открываются путем разрыва и выливают свое содержимое, не вызывая обычных катастрофических последствий взрыва котла. .[61]

Различные исследования взрывов котлов в XIX веке, особенно проводимые страховыми компаниями, обнаружили, что причины, которые чаще всего являются результатом работы 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 утюга в паровых барабанах по современным меркам была невысокой.

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

В 2010 году доктор Джерри МакДоннелл[63] в Англии путем анализа продемонстрировали, что из кованого железа, полученного при традиционной плавке, можно получить железо чистотой 99,7% без каких-либо признаков углерода. Было обнаружено, что стрингеры, общие для других кованых чугунов, отсутствовали, что делало кузнецу очень пластичным при работе 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, начиная с Роман раз. Кованые ворота XIII века. Вестминстерское аббатство в Лондоне, а мебель из кованого железа, по-видимому, достигла пика популярности в Великобритании в 17 веке, во время правления Вильгельм III и Мария II.[нужна цитата ] Однако чугун и более дешевая сталь вызвали постепенный спад производства кованого железа; последний завод по производству кованого железа в Великобритании был закрыт в 1974 году.

Его также используют для изготовления предметов домашнего декора, таких как пекарские стеллажи, винные стеллажи, стеллажи для посуды, etageres, основания столов, 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.[нужна цитата ] Более высокая коррозионная стойкость кованого железа обусловлена ​​кремнеземистыми примесями (естественно встречающимися в железной руде), а именно трехвалентным железом. силикат.[64]

Кованое железо использовалось десятилетиями как общий термин для ворот и ограждение промышленность, хотя мягкая сталь для изготовления ворот из кованого железа.[65] Это в основном из-за ограниченной доступности настоящего кованого железа. Сталь также может быть горячеоцинкованный для предотвращения коррозии, чего нельзя сделать с помощью кованого железа.

Смотрите также

Заметки

  1. ^ 'Кованые' было архаичным причастием прошедшего времени 'Работа'[нужна цитата ]
  2. ^ Некоторые, но не все из этих элементов упоминаются в Gordon, R.B. (1996).[5]
  3. ^ От Мисы, T.J. (1995):[9]«Из-за проблем с качеством рельсы бессемеровская сталь приобрела такую ​​плохую репутацию, что инженеры и архитекторы отказались использовать ее для строительных работ. Мартеновская сталь имела лучшую репутацию и к 1889 году вытеснила конструкционное железо ...»

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час Тайлекот, Р.Ф. (1992). История металлургии (Второе изд.). Лондон: издательство Maney Publishing для Института материалов. ISBN  978-0901462886.
  2. ^ «Кованое железо - свойства, применение». От А до Я материалов. AZoNetwork. 13 августа 2013 г.. Получено 27 октября 2019.
  3. ^ Алекс Вальтер (31 октября 2018 г.). "Что такое кованое железо?". Механический сайт. Получено 27 октября 2019.
  4. ^ "Что такое кованое железо?". Железные ворота N Railings Ltd. 2017. Получено 27 октября 2019.
  5. ^ а б c d е 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 отзывы. Получено 29 сентября 2009.
  7. ^ а б c d е ж г час я Дэниел, Тодд. «Устранение путаницы по поводу кованого железа». Изготовитель. № ноябрь / декабрь 1993 г. НОММА. п. 38.
  8. ^ "Кованый". Словарь Мерриам Вебстер: самый надежный онлайн-словарь Америки. Мерриам-Вебстер. Получено 27 ноября 2020.
  9. ^ а б c d Миса, Томас Дж. (1995). Нация стали: создание современной Америки, 1865–1925 гг.. 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). Инженерное материаловедение: свойства, использование, деградация и восстановление. Издательство Хорвуд. п. 338. ISBN  978-1-898563-11-2.
  13. ^ Кэмпбелл, Flake C. (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов. ASM International. п. 154. ISBN  978-0-87170-867-0.
  14. ^ а б Evans, C .; Риден, Г. (2007). Балтийское железо в атлантическом мире в восемнадцатом веке. Бостон, Массачусетс: Brill. ISBN  9789004161535.
  15. ^ а б c Чайлдс, W.R. (1981). «Торговля железом в Англии в пятнадцатом веке». Обзор экономической истории. 2-й. С. 25–47.
  16. ^ Кахан, А. (1985). Плуг, молот и кнут: экономическая история России XVIII 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. С. 6–18, 17. ISBN  978-0-07-004123-3.
  19. ^ "кованое железо". Британская энциклопедия (2009 Deluxe ed.). Чикаго. 2009 г.
  20. ^ «Влияние фосфора на свойства углеродистых сталей: Часть 1». Всего Материя. Октябрь 2007 г.. Получено 27 октября 2019.
  21. ^ Гудвей, Марта (май 1987 г.). «Фосфор в старинной железной музыкальной проволоке». Наука. 236 (4804): 927–932. Bibcode:1987Наука ... 236..927Г. Дои:10.1126 / наука.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. ^ а б c Пиготт, Винсент С. (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. J.J. Картрайт (ред.). Путешествие по Англии ... в 1750, 1751 и последующие годы. Camden Soc. н.с. 42, 1888. с. 13.
  28. ^ Льюис, В. (1775). Химическая и минеральная история железа (рукопись в Центральной библиотеке Кардиффа). С. IV, 76.
  29. ^ Поллард, Г. (1998). «Эксперименты в производстве цветного железа XIX века: свидетельства из Адирондак в Нью-Йорке». Историческая металлургия. №1 (32-е изд.). С. 33–40.
  30. ^ Х. Р. Шуберт, История британской черной металлургии с 450 г. до н.э. по 1775 г. (Рутледж и Кеган Пол, Лондон, 1957 г.), 299–304.
  31. ^ А. ден Ауден, «Производство кованого железа в Finery Hearths» Историческая металлургия 15 (2) (1981), 63–87 и 16 (1) (1982), 29–32.
  32. ^ а б Morton, G.R .; Баранина, Н. (1967). «Переход к процессу лужения Корта». Журнал Института железа и стали. 205.
  33. ^ Хейман, Р. (2004). «Братья Крейндж и кузнечные технологии восемнадцатого века». Историческая металлургия. № 2 (28 изд.). С. 113–120.
  34. ^ Р. А. Мотт (редактор П. Зингер), Генри Корт, The Great Finer (Общество металлов, Лондон, 1983).
  35. ^ а б c d е ж Раджпут, Р. (2000). Инженерные материалы. С. Чанд. п. 223. ISBN  81-219-1960-6.
  36. ^ а б Гейл, W.K.V. (1971). Черная металлургия: словарь терминов. Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз.
  37. ^ а б Оверман, Фредерик (1854). Производство железа во всех его отраслях. Филадельфия: Х. К. Бэрд. С. 267, 287, 344.
  38. ^ Тайлекот, Р.Ф. (1991). «Железо в промышленной революции». Промышленная революция в металлах. Лондон: Институт металлов.
  39. ^ а б c d е ж г час 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. ^ Гейл, W.K.V. (1967). Британская металлургическая промышленность. Ньютон Эббот: Дэвид и Чарльз. С. 79–88.
  41. ^ 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 производстве железа: влияние британской угольной технологии в Европе XIX века. Aldershot: Ashgate. С. 121–124.
  42. ^ Смит, Стюарт Б; Гейл, W.K.V. (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). Строительная инженерия. Нью-Йорк: Longmans, Green, and Co., стр. 21 год. Получено 22 февраля 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. Получено 22 февраля 2008.
  45. ^ Скофферн, Джон (1861). Полезные металлы и их сплавы, включая горную вентиляцию, горное право и металлургическую химию. Лондон: Хоулстон и Райт. п. 328. Получено 20 февраля 2008.
  46. ^ Адамс, Генри (1891). Справочник для инженеров-механиков (2-е изд.). Нью-Йорк: E. & F.N. Spon. п. 29. Получено 20 февраля 2008.
  47. ^ Хадсон, Дж. К., 1931–43, Отчеты полевых испытаний Комитета по коррозии, Институт черной металлургии.
  48. ^ а б "Доктор Дж. П. Чилтон, 1929–2006" (PDF). Материал Глаза (Издание весны 2007 г.). Кембриджский университет, факультет материаловедения и металлургии: 4. Архивировано из оригинал (PDF) 1 сентября 2012 г.. Получено 29 ноября 2008.
  49. ^ а б 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. Дои:10.1021 / ed079p443.
  50. ^ Чилтон и Эвенс, Журнал Института железа и стали, 1955 г.
  51. ^ Харви, Л., Роль включений шлака в коррозии кованого железа, диссертация Университета Брэдфорда, 1996 г.
  52. ^ Баласубраманиам, Р. (25 января 2003 г.). «Железный столб Дели и его актуальность для современных технологий» (PDF). Текущая наука. 84 (2): 162–163.
  53. ^ Пендред, Лох (1945). Ежегодник инженера Кемпе (52-е изд.). Лондон: братья Морган. п. 1278. КАК В  B0033RUEVW.
  54. ^ а б c d е Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д .; Райффель, Генри Х. (2000). Макколи, Кристофер Дж. (Ред.). Справочник по машинам (26-е изд.). Нью-Йорк: Industrial Press, Inc., стр. 476. ISBN  0-8311-2666-3.
  55. ^ Смит, Кэрролл (1984). Инженер на победу. MotorBooks / Издательская компания MBI. С. 53–54. ISBN  0-87938-186-8.
  56. ^ «Твердые тела и металлы - удельный вес». Набор инструментов для проектирования. Получено 20 февраля 2008.
  57. ^ Поул, Уильям (1872 г.). Железо как строительный материал: суть курса лекций, читаемых в Королевской школе военно-морской архитектуры, Южный Кенсингтон (Пересмотренное и дополненное ред.). Лондон: E. & F.N. Spon. стр. 136–137. Получено 20 февраля 2008.
  58. ^ Рихтер, Виктор фон; Смит, Эдгар Фахс (1885). Учебник неорганической химии (2-е изд.). Филадельфия: П. Блэкистон, Сон и Ко. Стр. 396. Получено 21 февраля 2008.
  59. ^ Циклопедия прикладного электричества. 1. Американское техническое общество. 1916. с. 14. Получено 21 февраля 2008.
  60. ^ Тимби, Уильям Генри; Буш, Ванневар (1922). Принципы электротехники. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., стр. 318–319.. Получено 21 февраля 2008.
  61. ^ Терстон, Роберт (1878). «История развития паровой машины». п. 165. Архивировано с оригинал 29 июня 1997 г.
  62. ^ а б Хантер, Луи С. (1985). История промышленной энергетики в США, 1730–1930 гг.. Vol. 2: Сила пара. Шарлоттсвилл: Издательство Университета Вирджинии.
  63. ^ Макдоннелл, Джи (9 сентября 2010 г.). «Металлургический отчет о выплавке чугуна для мастерских». Передано (Издание весны 2010 г.).[требуется полная цитата ]
  64. ^ Промышленная химия. 1991. стр. 1645. ISBN  8187224991. Получено 22 июля 2019.
  65. ^ «Знакомство с ограждением из кованого железа». Одинокая звезда. 8 апреля 2016 г.. Получено 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