Kute żelazo - Wrought iron

Różne przykłady kutego żelaza

Kute żelazo jest stopem żelaza o bardzo niskiej zawartości węgla (poniżej 0,08%) w przeciwieństwie do żeliwa (2,1% do 4%). Jest to półstopiona masa żelaza z włóknistymi wtrąceniami żużla (do 2% wagowo), co nadaje jej „ziarno” przypominające drewno, które jest widoczne po wytrawieniu lub wygięciu do punktu pęknięcia. Kute żelazo jest twarde, ciągliwe, ciągliwe , odporne na korozję i łatwo spawalne .

Przed opracowaniem efektywnych metod wytwarzania stali i dostępnością dużych ilości stali, kute żelazo było najpowszechniejszą formą żeliwa ciągliwego. Nadano mu nazwę kuty, ponieważ był kuty, walcowany lub w inny sposób obrabiany, gdy był wystarczająco gorący, aby usunąć stopiony żużel. Nowoczesnym funkcjonalnym odpowiednikiem kutego żelaza jest stal miękka , zwana również stalą niskowęglową. Ani kute żelazo, ani miękka stal nie zawierają wystarczającej ilości węgla, aby można było je utwardzać przez ogrzewanie i hartowanie.

Kute żelazo jest wysoce rafinowane, z niewielką ilością żużla przekutego na włókna. Składa się z około 99,4% masy żelaza. Obecność żużla jest korzystna dla prac kowalskich i nadaje materiałowi unikalną strukturę włóknistą. Włókna krzemianowe żużla chronią również żelazo przed korozją i zmniejszają efekt zmęczenia wywołanego wstrząsami i wibracjami.

Historycznie skromne ilości kutego żelaza przerabiano na stal , z której wytwarzano głównie miecze , sztućce , dłuta , siekiery i inne narzędzia o ostrych krawędziach, a także sprężyny i pilniki. Zapotrzebowanie na kute żelazo osiągnęło szczyt w latach 60. XIX wieku, kiedy to było duże zapotrzebowanie na pancerne okręty wojenne i kolej . Jednakże, ponieważ właściwości, takie jak kruchość miękkiej stali, poprawiły się wraz z lepszą metalurgią żelaza, a produkcja stali stała się mniej kosztowna dzięki procesowi Bessemera i procesowi Siemensa-Martina , zastosowanie kutego żelaza spadło.

Wiele przedmiotów, zanim zaczęto robić z miękkiej stali , wytwarzano z kutego żelaza, m.in. nity , gwoździe , druty , łańcuchy , szyny , złącza kolejowe , rury wodne i parowe , nakrętki , śruby , podkowy , poręcze , opony wagonowe, pasy między innymi do drewnianych wiązarów dachowych i ozdobnych elementów ślusarskich .

Kute żelazo nie jest już produkowane na skalę przemysłową. Wiele produktów określanych jako kute żelazo, takich jak poręcze , meble ogrodowe i bramy , jest w rzeczywistości wykonanych z miękkiej stali. Zachowują ten opis, ponieważ przypominają przedmioty, które w przeszłości były kute (obrabiane) ręcznie przez kowala (chociaż wiele ozdobnych przedmiotów z żelaza, w tym płoty i bramy, było często odlewanych, a nie kutych).

Terminologia

Słowo „kute” jest archaicznym imiesłowem przeszłym czasownika „pracować”, a więc „kute żelazo” dosłownie oznacza „obrobione żelazo”. Kute żelazo jest ogólnym określeniem towaru, ale jest również używane bardziej konkretnie w odniesieniu do gotowych wyrobów żelaznych, wytwarzanych przez kowala . W brytyjskich rejestrach celnych używano go w węższym znaczeniu , takie wyprodukowane żelazo podlegało wyższej stawce celnej niż to, co można by nazwać żelazem „nieobrobionym plastycznie”. Żeliwo , w przeciwieństwie do kutego żelaza, jest kruche i nie może być obrabiane ani na gorąco, ani na zimno. Żeliwo może pęknąć po uderzeniu młotkiem.

W XVII, XVIII i XIX wieku kute żelazo było określane różnymi terminami w zależności od formy, pochodzenia lub jakości.

Podczas gdy proces dymarki wytwarzał kute żelazo bezpośrednio z rudy, żeliwo lub surówka były materiałami wyjściowymi stosowanymi w kuźni szlachetnej i piecu pudlingowym . Surówka i żeliwo mają wyższą zawartość węgla niż kute, ale mają niższą temperaturę topnienia niż żelazo lub stal. Żeliwo, a zwłaszcza surówka, zawiera nadmiar żużla, który musi być przynajmniej częściowo usunięty, aby uzyskać wysokiej jakości kute żelazo. W odlewniach powszechne było mieszanie złomu kutego żelaza z żeliwem w celu poprawy właściwości fizycznych odlewów.

Przez kilka lat po wprowadzeniu stali Bessemera i stali martenowskiej istniały różne opinie na temat tego, co odróżnia żelazo od stali; niektórzy wierzyli, że to skład chemiczny, a inni, że to, czy żelazo nagrzało się wystarczająco, aby stopić się i „stopić”. Fuzja ostatecznie została ogólnie zaakceptowana jako stosunkowo ważniejsza niż skład poniżej danego niskiego stężenia węgla. Kolejną różnicą jest to, że stal może być hartowana poprzez obróbkę cieplną .

Historycznie kute żelazo było znane jako „komercyjnie czyste żelazo”, jednak nie kwalifikuje się już, ponieważ obecne standardy dla komercyjnie czystego żelaza wymagają zawartości węgla poniżej 0,008 % wag .

Rodzaje i kształty

Pręt żelazny to ogólny termin używany czasami do odróżnienia go od żeliwa. Jest to odpowiednik wlewka odlewanego metalu, w wygodnej formie do przenoszenia, przechowywania, wysyłki i dalszej obróbki w gotowy produkt.

Sztabki były zwykłym produktem kuźni ozdobnej , ale niekoniecznie były wykonane w tym procesie.

  • Pręt żelazny — wycięty z płaskownika w walcarce wzdłużnej stanowił surowiec do wyrobu kolców i gwoździ.
  • Obręcze żelazne — odpowiednie do obręczy beczek, wykonanych przez przepuszczanie prętów żelaznych przez matryce do walcowania.
  • Blacha żelazna – blachy odpowiednie do stosowania jako blacha kotłowa .
  • Blacha czarna — arkusze, być może cieńsze niż blacha żelazna, pochodzące z etapu walcowania na czarno przy produkcji blachy ocynowanej .
  • Żelazo podróżne — wąskie płaskowniki, wykonane lub pocięte na sztabki o określonej wadze, towar na sprzedaż w Afryce w atlantyckim handlu niewolnikami . Liczba sztabek na tonę stopniowo rosła z 70 na tonę w latach 60. XVII wieku do 75-80 na tonę w 1685 roku i „prawie 92 do tony” w 1731 roku.

Początek

  • Żelazo na węgiel drzewny — do końca XVIII wieku kute żelazo było wytapiane z rudy przy użyciu węgla drzewnego w procesie dymarki . Kute żelazo produkowano również z surówki przy użyciu kuźni szlachetnej lub w palenisku Lancashire . Otrzymany metal był bardzo zmienny, zarówno pod względem składu chemicznego, jak i żużla.
  • Żelazo kałużoweproces kałużniczy był pierwszym procesem produkcji kutego żelaza na dużą skalę. W procesie puddlingu surówka jest rafinowana w piecu rewerberacyjnym, aby zapobiec zanieczyszczeniu żelaza siarką w węglu lub koksie. Stopiona surówka jest mieszana ręcznie, wystawiając żelazo na działanie tlenu atmosferycznego, który odwęgla żelazo. Podczas mieszania żelaza kulki kutego żelaza są zbierane w kulki za pomocą pręta mieszającego (ramię mieszadła lub pręta), a te są okresowo usuwane przez kałużę. Puddling został opatentowany w 1784 roku i stał się szeroko stosowany po 1800 roku. Do 1876 roku roczna produkcja puddled żelaza w samej Wielkiej Brytanii wynosiła ponad 4 miliony ton. W tym czasie w piecu martenowskim można było wyprodukować stal odpowiedniej jakości do celów konstrukcyjnych, a produkcja kutego żelaza spadła.
  • Żelazo z rudy — szczególnie czysty gatunek prętów, wytwarzany ostatecznie z rudy żelaza z kopalni Dannemora w Szwecji . Jego najważniejszym zastosowaniem było zastosowanie jako surowiec do procesu cementacji przy produkcji stali.
  • Żelazo wilgotne – pierwotnie sprowadzane do Wielkiej Brytanii z Gdańska , ale w XVIII wieku najprawdopodobniej to żelazo (ze wschodniej Szwecji), które kiedyś pochodziło z Gdańska.
  • Żelazo leśne — żelazo z angielskiego Forest of Dean , gdzie ruda hematytu umożliwiała produkcję twardego żelaza.
  • Lukes iron – żelazo importowane z Liège , którego holenderska nazwa brzmi „Luik”.
  • Ames iron lub amys iron – kolejna odmiana żelaza importowana do Anglii z północnej Europy. Sugeruje się, że pochodzi z Amiens , ale wydaje się, że został sprowadzony z Flandrii w XV wieku, a później z Holandii , co sugeruje, że pochodzi z doliny Renu . Jego początki pozostają kontrowersyjne.
  • Żelazo Botolf lub Boutall – z Bytowa (polskie Pomorze ) lub Bytomia (polski Śląsk ).
  • Żelazo sobolowe (lub stare sobolowe) — żelazo noszące znak ( sobole ) rodziny rosyjskich mistrzów żelaza Demidov , jednej z lepszych marek rosyjskiego żelaza .

Jakość

Twarde żelazo
Również orkisz "tuf", nie jest kruchy i jest wystarczająco mocny, aby można go było używać do narzędzi.
Mieszaj żelazo
Wykonany z mieszanki różnych rodzajów surówki .
Najlepsze żelazko
Żelazo przeszło kilka etapów palowania i walcowania, aby osiągnąć etap uważany (w XIX wieku) za najlepszą jakość.
Oznakowane pręty żelazne
Wykonane przez członków Izby Adwokackiej Znakowanej i oznaczone marką producenta jako oznaką jego jakości.

Wady

Kute żelazo jest formą handlowego żelaza zawierającego mniej niż 0,10% węgla, mniej niż 0,25% sumy zanieczyszczeń siarki, fosforu, krzemu i manganu oraz mniej niż 2% żużla wagowo.

Kutego żelaza redshort lub gorące krótki , jeżeli zawiera siarkę w nadmiernej ilości. Ma wystarczającą wytrzymałość na zimno, ale pęka przy zginaniu lub wykańczaniu przy czerwonym upale. Gorące krótkie żelazo uważano za nierynkowe.

Zimne krótkie żelazo, znane również jako coldshear , colshire , zawiera nadmiar fosforu. Jest bardzo kruchy na zimno i pęka po zgięciu. Może jednak pracować w wysokiej temperaturze. Historycznie rzecz biorąc, żelazo typu coldshort było uważane za wystarczające na paznokcie .

Fosfor niekoniecznie jest szkodliwy dla żelaza. Starożytni kowale z Bliskiego Wschodu nie dodawali wapna do swoich pieców. Brak tlenku wapnia w żużlu oraz celowe wykorzystanie w trakcie wytopu drewna o wysokiej zawartości fosforu, powoduje wyższą zawartość fosforu (zwykle < 0,3%) niż w nowoczesnym żelazie (<0,02-0,03%). Analiza Iron Pillar of Delhi daje 0,11% w żelazie. Żużel zawarty w kutym żelazie również zapewnia odporność na korozję.

Obecność fosforu (bez węgla) wytwarza ciągliwego żelaza nadaje się do produkcji drutu z piano drutu.

Historia

Zachodni świat

Proces wytapiania rudy żelaza w kałuży w celu wytworzenia kutego żelaza z surówki, zilustrowany w encyklopedii Tiangong Kaiwu autorstwa Song Yingxing , opublikowanej w 1637 roku.

Kute żelazo było używane od wielu stuleci i jest „żelazem”, o którym mówi się w całej historii Zachodu. Inna forma żelaza, żeliwo , była używana w Chinach od czasów starożytnych, ale do Europy Zachodniej została wprowadzona dopiero w XV wieku; nawet wtedy, ze względu na swoją kruchość, mógł być używany tylko do ograniczonej liczby celów. Przez większą część żelaza redniowieczu wytworzono w bezpośredniej redukcji rud w ręcznie uruchamiane bloomeries chociaż waterpower zaczęły być stosowane przez 1104.

Surowcem wytwarzanym we wszystkich procesach pośrednich jest surówka. Ma wysoką zawartość węgla, przez co jest kruchy i nie nadaje się do produkcji sprzętu. Proces osmond był pierwszym z procesów pośrednich, opracowanym do 1203 r., ale produkcja bloomery była kontynuowana w wielu miejscach. Proces ten zależał od rozwoju wielkiego pieca, którego średniowieczne przykłady odkryto w Lapphyttan , Szwecji i Niemczech .

Procesy Bloomery i Osmond były stopniowo zastępowane z 15. wieku przez ozdoby procesów, które istniały dwie wersje niemiecka i Walonii. Zostały one z kolei zastąpione od końca XVIII wieku przez puddling , z pewnymi wariantami , takimi jak szwedzki proces Lancashire . Te również są już przestarzałe, a kute żelazo nie jest już produkowane komercyjnie.

Chiny

W czasach dynastii Han nowe procesy wytapiania żelaza doprowadziły do ​​produkcji nowych narzędzi z kutego żelaza do użytku w rolnictwie, takich jak siewnik wielorurowy i pług żelazny . Oprócz przypadkowych bryłek kutego żelaza o niskiej zawartości węgla, które powstają w wyniku nadmiernego wtryskiwania powietrza w starożytnych chińskich żeliwiakach . Starożytni Chińczycy stworzyli kute żelazo, używając kuźni szlachetnej co najmniej do II wieku pne, najwcześniejsze okazy żeliwa i surówki przerobionej na kute żelazo i stal znalezione na terenie wczesnej dynastii Han (202 pne – 220 ne) w Tieshengguo. Pigott spekuluje, że kuźnia wytworna istniała w poprzednim okresie Walczących Królestw (403-221 pne), ze względu na fakt, że z tego okresu znajdują się wyroby z kutego żelaza z Chin i nie ma udokumentowanych dowodów na to, że dymarki były kiedykolwiek używane w Chinach . Proces klarowania polegał na upłynnianiu żeliwa w palenisku klarowania i usuwaniu węgla z roztopionego żeliwa poprzez utlenianie . Wagner pisze, że oprócz palenisk z dynastii Han uważanych za paleniska kastracyjne, istnieją również obrazowe dowody paleniska z fresku w grobowcu Shandong datowane na I-II wiek n.e., a także ślad pisemnych dowodów z IV wieku n.e. Taoistyczny tekst Taiping Jing .

Proces Bloomery

Kute żelazo było pierwotnie produkowane w różnych procesach wytapiania, wszystkie określane dziś jako „bloomeries”. W różnych miejscach i czasach używano różnych form bloomery. Majarnię załadowano węglem drzewnym i rudą żelaza, a następnie zapalono. Przez dyszę wdmuchiwano powietrze, aby ogrzać dymarnię do temperatury nieco niższej od temperatury topnienia żelaza. W trakcie wytapiania żużel topi się i wypływa, a tlenek węgla z węgla drzewnego redukuje rudę do żelaza, które tworzy gąbczastą masę (zwaną „rozkwitem”) zawierającą żelazo, a także stopione minerały krzemianowe (żużel) z ruda. Żelazo pozostało w stanie stałym. Gdyby dymanko rozgrzało się dostatecznie, by stopić żelazo, węgiel rozpuściłby się w nim i uformowałby świnię lub żeliwo, ale to nie było zamiarem. Jednak konstrukcja dymarki utrudniała osiągnięcie temperatury topnienia żelaza, a także zapobiegała wzrostowi stężenia tlenku węgla.

Po zakończeniu wytapiania nalot został usunięty i proces można było rozpocząć ponownie. Był to zatem proces wsadowy, a nie ciągły, taki jak wielki piec. Kwiat musiał być kuty mechanicznie, aby go skonsolidować i uformować w kostkę, usuwając przy tym żużel.

W średniowieczu do procesu stosowano energię wodną, ​​prawdopodobnie początkowo do napędzania miechów, a dopiero później do młotów do kucia kwitów. Jednak, choć pewne jest, że wykorzystano energię wodną, ​​szczegóły pozostają niepewne. Było to zwieńczeniem bezpośredniego procesu wytwarzania żelaza. Przetrwał w Hiszpanii i południowej Francji jako kataloński kuźnia do połowy XIX wieku, w Austrii jako stójka do 1775 roku, w pobliżu Garstangu w Anglii do około 1770 roku; był nadal używany z gorącym podmuchem w Nowym Jorku w latach 80. XIX wieku. W Japonii ostatnie stare dymarki tatara używane do produkcji tradycyjnej stali tamahagane , używanej głównie do wyrobu mieczy , wygasły dopiero w 1925 r., chociaż pod koniec XX wieku wznowiono produkcję na małą skalę, aby zaopatrywać w stal rzemieślników.

Proces Osmond

Żelazo Osmond składało się z kulek kutego żelaza, wytwarzanych przez topienie surówki i łapanie kropelek na kij, który był wirowany przed podmuchem powietrza, aby wystawić jak najwięcej na powietrze i utlenić zawartość węgla . Powstała kula była często przekuwana w żelazną sztabę w młynie młotkowym.

Proces delikatesowy

W XV wieku wielki piec rozprzestrzenił się na tereny dzisiejszej Belgii, gdzie został ulepszony. Stamtąd rozprzestrzenił się przez Pays de Bray na granicy Normandii, a następnie do Weald w Anglii. Wraz z nim rozprzestrzenia się finezyjna kuźnia. Ci przetopili surówkę i (w efekcie) spalili węgiel, wytwarzając nalot, który został następnie przekuty w żelazną sztabę. Jeśli potrzebne było żelazo prętowe, używano młyna do cięcia wzdłużnego.

Proces uszlachetniania istniał w dwóch nieco różnych formach. W Wielkiej Brytanii, Francji i części Szwecji stosowano wyłącznie proces waloński . W tym celu zastosowano dwa różne paleniska, eleganckie palenisko do wykańczania żelaza i palenisko osłonowe do podgrzewania go w trakcie wyciągania wykwitu do pręta. Ozdoby zawsze spalony węgiel, ale chafery mógł być zwolniony z mineralnej węgla , ponieważ jej zanieczyszczenia nie zaszkodzi żelazka, gdy był w stanie stałym. Z drugiej strony, niemiecki proces stosowany w Niemczech, Rosji i większości Szwecji wykorzystywał jedno palenisko na wszystkich etapach.

Wprowadzenie koksu do wielkiego pieca przez Abrahama Darby'ego w 1709 r. (lub być może nieco wcześniej) początkowo miało niewielki wpływ na produkcję kutego żelaza. Dopiero w latach pięćdziesiątych XVIII wieku surówka koksowa była wykorzystywana na znaczącą skalę jako surowiec dla kuźni drobnoziarnistych. Jednak węgiel drzewny nadal był paliwem dla drobiazgów.

Zalewanie i tłoczenie

Od końca lat 50. XVIII wieku mistrzowie żelaza zaczęli opracowywać procesy wytwarzania prętów żelaznych bez węgla drzewnego. Istniało w tym celu szereg opatentowanych procesów, które dziś określa się mianem zalewania i stemplowania . Najwcześniejsze zostały opracowane przez Johna Wooda z Wednesbury i jego brata Charlesa Wooda z Low Mill w Egremont , opatentowane w 1763 roku. Inne zostały opracowane dla Coalbrookdale Company przez braci Cranage . Innym ważnym było to, że John Wright i Joseph Jesson z West Bromwich .

Proces kałużenia

Schematyczny rysunek pieca pudlingowego

Wiele procesów wytwarzania kutego żelaza bez węgla drzewnego zostało opracowanych, gdy w drugiej połowie XVIII wieku rozpoczęła się rewolucja przemysłowa . Najbardziej udanym z nich było puddle przy użyciu pieca do pudlingu (odmiana pieca pogłosowego ), który został wynaleziony przez Henry'ego Corta w 1784 roku. Później został ulepszony przez innych, w tym Josepha Halla , który jako pierwszy dodał tlenek żelaza do opłata. W piecu tego typu metal nie styka się z paliwem, a więc nie jest zanieczyszczony jego zanieczyszczeniami. Ciepło produktów spalania przechodzi przez powierzchnię kałuży, a dach pieca odbija (odbija) ciepło na metalową kałużę na pomoście ogniowym pieca.

O ile użytym surowcem nie jest żeliwo białe, surówka lub inny surowiec z pudlingu musiał najpierw zostać rafinowany na żelazo rafinowane lub metal drobnoziarnisty. Byłoby to zrobione w rafinerii, w której surowy węgiel był używany do usuwania krzemu i przekształcania węgla w surowcu, występującego w postaci grafitu, w połączenie z żelazem zwanym cementytem.

W w pełni rozwiniętym procesie (Hali) metal ten został umieszczony w palenisku pieca do puddlingu, gdzie został stopiony. Palenisko zostało wyłożone środkami utleniającymi, takimi jak hematyt i tlenek żelaza. Mieszanina była poddawana silnemu strumieniowi powietrza i mieszana długimi prętami, zwanymi kałużami lub motłochami, przez drzwi robocze. Powietrze, mieszanie i „wrzenie” metalu pomogły czynnikom utleniającym utlenić zanieczyszczenia i węgiel z surówki. Gdy zanieczyszczenia utleniały się, tworzyły stopiony żużel lub dryfowały w postaci gazu, podczas gdy żelazo zatrzymujące zestalało się w gąbczaste kute żelazo, które unosiło się na szczycie kałuży i było wyławiane z roztopionego roztopu jako kulki kałuży za pomocą prętów kałuży.

Półpasiec

W kulkach kałuży pozostało jeszcze trochę żużla, więc gdy były jeszcze gorące, pokryto je gontem, aby usunąć pozostały żużel i żużel. Udało się to osiągnąć, wykuwając kulki młotkiem lub wyciskając nalot w maszynie. Materiał uzyskany na końcu gontu jest znany jako nalot. Kwiaty w tej formie nie są przydatne, więc zostały zwinięte w produkt końcowy.

Czasami europejskie huty całkowicie pomijały proces układania gontów i toczyły kule z kałuży. Jedyną wadą jest to, że krawędzie szorstkich prętów nie były tak dobrze ściśnięte. Po ponownym podgrzaniu nieobrobionego pręta krawędzie mogą się oddzielić i zgubić w piecu.

Walcowanie

Wykwit przepuszczano przez wałki i wytwarzano pręty. Pręty z kutego żelaza były złej jakości, zwane prętami z mułu lub prętami kałuży. Aby poprawić ich jakość, sztabki zostały pocięte, ułożone w stos i połączone ze sobą drutami w procesie znanym jako faggoting lub palowanie. Następnie były ponownie podgrzewane do stanu spawania, spawane kuźniczo i ponownie walcowane na pręty. Proces można powtórzyć kilka razy, aby wytworzyć kute żelazo o pożądanej jakości. Kute żelazo, które było wielokrotnie walcowane, nazywa się sztabką kupiecką lub żelazem kupieckim.

Proces Lancashire

Zaletą kałuży było to, że używał węgla, a nie węgla drzewnego jako paliwa. Nie było to jednak korzystne w Szwecji, w której brakowało węgla. Gustaf Ekman obserwował w Ulverston ozdoby z węgla drzewnego , które różniły się od wszystkich w Szwecji. Po powrocie do Szwecji w latach 30. XIX wieku eksperymentował i opracował proces podobny do kałuży, ale używał drewna opałowego i węgla drzewnego, który był szeroko stosowany w Bergslagen w następnych dziesięcioleciach.

Proces Aston

W 1925 roku James Aston ze Stanów Zjednoczonych opracował proces szybkiego i ekonomicznego wytwarzania kutego żelaza. Polegało to na pobraniu roztopionej stali z konwertora Bessemera i wlaniu jej do chłodniejszego ciekłego żużla. Temperatura stali wynosi około 1500 °C, a ciekły żużel utrzymywany jest na poziomie około 1200 °C. Stopiona stal zawiera dużą ilość rozpuszczonych gazów, więc gdy ciekła stal uderzyła w chłodniejsze powierzchnie płynnego żużla, gazy zostały uwolnione. Stopiona stal następnie zamarzła, dając gąbczastą masę o temperaturze około 1370°C. Gąbczastą masę następnie wykańczano by gontem i zwijano jak opisano w kałuży (powyżej). Metodą można przerobić od trzech do czterech ton na partię.

Spadek

Stal zaczęła zastępować żelazo w szynach kolejowych, gdy tylko przyjęto proces Bessemera do jej produkcji (1865 r.). Żelazo pozostawało dominujące w zastosowaniach konstrukcyjnych do lat 80. XIX wieku z powodu problemów z kruchą stalą, spowodowanych przez wprowadzony azot, wysoką zawartość węgla, nadmiar fosforu lub nadmierną temperaturę podczas lub zbyt szybkiego walcowania. Do 1890 r. stal w dużej mierze zastąpiła żelazo w zastosowaniach konstrukcyjnych.

Blacha żelazna (czysta żelazo Armco 99,97%) miała dobre właściwości do stosowania w urządzeniach, dobrze nadawała się do emaliowania i spawania oraz była odporna na rdzę.

W latach 60. cena produkcji stali spadała z powodu recyklingu, a nawet przy użyciu procesu Aston produkcja kutego żelaza była pracochłonna. Szacuje się, że produkcja kutego żelaza jest około dwa razy droższa niż stali niskowęglowej. W Stanach Zjednoczonych, ostatni zakład zamknięty w 1969 roku na ostatnim miejscu w świecie był Atlas Forge of Thomas Walmsley and Sons w Bolton w Wielkiej Brytanii, która została zamknięta w roku 1973. Jej wyposażenie 1860s-era został przeniesiony do strony Blists Hill z Muzeum Wąwozu Ironbridge do konserwacji. Część kutego żelaza jest nadal produkowana do celów renowacji dziedzictwa, ale tylko poprzez recykling złomu.

Nieruchomości

Mikrostruktura kutego żelaza, wykazująca ciemne wtrącenia żużla w ferrycie

Wtrącenia żużla lub podłużnice w kutym żelazie nadają mu właściwości niespotykane w innych formach metali żelaznych. Na cal kwadratowy przypada około 250 000 wtrąceń. Świeże pęknięcie ma wyraźnie niebieskawy kolor z wysokim jedwabistym połyskiem i włóknistym wyglądem.

Kute żelazo nie zawiera węgla niezbędnego do hartowania poprzez obróbkę cieplną , ale w miejscach, gdzie stal była rzadkością lub nieznana, narzędzia były czasami obrabiane na zimno (stąd zimne żelazo ) w celu ich utwardzenia. Zaletą niskiej zawartości węgla jest doskonała spawalność. Co więcej, blacha z kutego żelaza nie może zginać się tak bardzo jak blacha stalowa (podczas obróbki na zimno). Kute żelazo można topić i odlewać, jednak produkt nie jest już kutym żelazem, ponieważ podłużnice żużla charakterystyczne dla kutego żelaza zanikają podczas topienia, przez co produkt przypomina nieczystą stal Bessemera. Nie ma żadnej przewagi inżynieryjnej w porównaniu z żeliwem lub stalą, które są tańsze.

Ze względu na różnice w pochodzeniu rudy żelaza i produkcji żelaza, kute żelazo może mieć gorszą lub lepszą odporność na korozję w porównaniu z innymi stopami żelaza. Za tą odpornością na korozję kryje się wiele mechanizmów. Chilton i Evans odkryli, że pasma wzbogacające nikiel zmniejszają korozję. Odkryli również, że w żelazie kałużowym, kutym i ułożonym w stosy obróbka metalu powoduje rozproszenie zanieczyszczeń z miedzi, niklu i cyny, co powoduje powstawanie warunków elektrochemicznych, które spowalniają korozję. Wykazano, że wtrącenia żużla powodują rozproszenie korozji na równą warstwę, dzięki czemu żelazo jest odporne na wżery. Inne badanie wykazało, że wtrącenia żużla są drogami do korozji. Inne badania pokazują, że zanieczyszczenia siarką w kutym żelazie zmniejszają odporność na korozję, ale fosfor zwiększa odporność na korozję. Środowiska o wysokim stężeniu jonów chlorkowych również obniżają odporność kutego żelaza na korozję.

Kute żelazo może być spawane w taki sam sposób jak stal miękka, ale obecność tlenku lub wtrąceń da wadliwe wyniki. Materiał ma chropowatą powierzchnię, dzięki czemu lepiej trzyma galwanizację i powłoki. Na przykład galwaniczne wykończenie cynkowe nałożone na kute żelazo jest około 25-40% grubsze niż to samo wykończenie na stali. W tabeli 1 porównano skład chemiczny kutego żelaza ze składem surówki i stali węglowej . Chociaż wydaje się, że kute żelazo i zwykła stal węglowa mają podobny skład chemiczny, to jest mylące. Większość manganu, siarki, fosforu i krzemu jest wbudowana we włókna żużlowe obecne w kutym żelazie, więc tak naprawdę kute żelazo jest czystsze niż zwykła stal węglowa.

Tabela 1: Porównanie składu chemicznego surówki, zwykłej stali węglowej i kutego żelaza
Materiał Żelazo Węgiel Mangan Siarka Fosfor Krzem
Surówka 91-94 3,5-4,5 0,5-2,5 0,018–0,1 0,03-0,1 0,25–3,5
Stal węglowa 98,1-99,5 0,07–1,3 0,3–1,0 0,02–0,06 0,002–0,1 0,005–0,5
Kute żelazo 99–99,8 0,05-0,25 0,01–0,1 0,02–0,1 0,05–0,2 0,02–0,2
Wszystkie jednostki są wagą procentową.
Źródło:
Tabela 2: Właściwości kutego żelaza
Nieruchomość Wartość
Graniczna wytrzymałość na rozciąganie [psi (MPa)] 34 000–54 000 (234–372)
Maksymalna wytrzymałość na ściskanie [psi (MPa)] 34 000–54 000 (234–372)
Graniczna wytrzymałość na ścinanie [psi (MPa)] 28 000–45 000 (193-310)
Granica plastyczności [psi (MPa)] 23 000–32 000 (159–221)
Moduł sprężystości (przy rozciąganiu) [psi (MPa)] 28 000 000 (193 100)
Temperatura topnienia [°F (°C)] 2800 (1540)
Środek ciężkości 7,6-7,9
7,5–7,8

Wśród innych właściwości, kute żelazo staje się miękkie pod wpływem czerwonego ciepła i można je łatwo kuć i spawać . Może być używany do tworzenia magnesów tymczasowych , ale nie może być namagnesowany na stałe i jest ciągliwy , plastyczny i wytrzymały .

Plastyczność

W większości przypadków plastyczność jest ważniejszą miarą jakości kutego żelaza niż wytrzymałość na rozciąganie. W próbach rozciągania najlepsze żelazka są w stanie przejść znaczne wydłużenie przed uszkodzeniem. Kute żelazo o wyższej wytrzymałości jest kruche.

Ze względu na dużą liczbę wybuchów kotłów na statkach parowych, Kongres USA w 1830 r. uchwalił ustawę, która zatwierdziła fundusze na rozwiązanie problemu. Skarb Państwa przyznał Franklin Institute kontrakt o wartości 1500 dolarów na przeprowadzenie badań. W ramach badań Walter R. Johnson i Benjamin Reeves przeprowadzili testy wytrzymałościowe różnych żeli kotłowych za pomocą testera, który zbudowali w 1832 r. na podstawie projektu opracowanego przez Lagerhjelm w Szwecji. Niestety, z powodu niezrozumienia wytrzymałości na rozciąganie i ciągliwości, ich praca nie przyczyniła się do zmniejszenia awarii.

Znaczenie ciągliwości zostało dostrzeżone przez niektórych bardzo wcześnie w rozwoju kotłów rurowych, takich jak komentarz Thurstona:

Gdyby były wykonane z tak dobrego żelaza, jakie producenci twierdzili, że włożyli w nie „działające jak ołów”, to, jak również twierdzili, po rozerwaniu otwierałyby się przez rozerwanie i wyładowywałyby swoją zawartość bez powodowania typowych katastrofalnych konsekwencji wybuchu kotła. .

Różnorodne XIX-wieczne badania wybuchów kotłów, zwłaszcza prowadzone przez towarzystwa ubezpieczeniowe, wykazały, że przyczyny są najczęściej wynikiem pracy kotłów powyżej bezpiecznego zakresu ciśnienia, albo w celu uzyskania większej mocy, albo z powodu wadliwych zaworów bezpieczeństwa kotłów i trudności z uzyskaniem niezawodnego wskazanie ciśnienia i poziomu wody. Częstym problemem była również słaba produkcja. Również grubość żelazka w bębnach parowych była niska jak na współczesne standardy.

Pod koniec XIX wieku, kiedy metalurdzy mogli lepiej zrozumieć, jakie właściwości i procesy tworzą dobre żelazo, zostało ono wyparte przez stal. Również stare cylindryczne kotły z płomieniówkami zostały zastąpione przez kotły wodnorurkowe, które są z natury bezpieczniejsze.

Czystość

W 2010 roku dr Gerry McDonnell wykazał w Anglii poprzez analizę, że nalot kutego żelaza z tradycyjnej wytopu można przetworzyć na 99,7% czystego żelaza bez śladów węgla. Stwierdzono, że podłużnice wspólne dla innych kutych żelaza nie były obecne, co czyniło kowala bardzo plastycznym do pracy na gorąco i na zimno. Dostępne jest komercyjne źródło czystego żelaza, które jest wykorzystywane przez kowali jako alternatywa dla tradycyjnego kutego żelaza i innych metali żelaznych nowej generacji.

Aplikacje

Meble z kutego żelaza mają długą historię, sięgającą czasów rzymskich . W opactwie Westminster w Londynie znajdują się XIII-wieczne bramy z kutego żelaza , a meble z kutego żelaza osiągnęły największą popularność w Wielkiej Brytanii w XVII wieku, za panowania Wilhelma III i Marii II . Jednak żeliwo i tańsza stal spowodowały stopniowy spadek produkcji kutego żelaza; ostatnia huta żelaza w Wielkiej Brytanii została zamknięta w 1974 roku.

Jest również stosowany do elementów wystroju domu, takie jak stojaki piekarniczych , stojaki na wino , stojaki doniczkowych , etageres , podstawy stołów, biurek, bram, łóżka, świeczniki, karnisze, barów i stołki barowe.

Zdecydowana większość dostępnego obecnie kutego żelaza pochodzi z materiałów z odzysku. Głównymi źródłami są stare mosty i łańcuchy kotwiczne wydobyte z portów. Większa odporność na korozję kutego żelaza jest spowodowana zanieczyszczeniami krzemionkowymi (naturalnie występującymi w rudzie żelaza), a mianowicie krzemianem żelaza .

Kute żelazo jest używane od dziesięcioleci jako ogólny termin w branży bram i ogrodzeń , mimo że do produkcji tych „kutych żelaznych” bram używa się miękkiej stali . Wynika to głównie z ograniczonej dostępności prawdziwego kutego żelaza. Stal można również cynkować ogniowo, aby zapobiec korozji, czego nie można zrobić w przypadku kutego żelaza.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Bealer, Alex W. (1995). Sztuka Kowalstwa . Edison, NJ: Książki zamkowe. s. 28–45. Numer ISBN 0-7858-0395-5.
  • Gordon, Robert B (1996). Żelazo amerykańskie 1607-1900 . Baltimore i Londyn: Johns Hopkins University Press. Numer ISBN 0-8018-6816-5.

Zewnętrzne linki