Кованое железо: состав, свойства и применение.

Введение

Железо с очень низким содержанием углерода

Кованое железо – это железный сплав с очень низким содержанием углерода (менее 0,05%) в отличие от чугуна (2,1%–4,5%). Оно представляет собой полурасплавленную массу железа с волокнистыми шлаковыми включениями (до 2% по весу), которые придают ему древовидную «волокнистость», видимую при травлении, ржавлении или изгибе до разрушения. Кованое железо прочное, ковкое, пластичное, коррозионностойкое и легко поддается ковке, но сложнее в электрической сварке. До разработки эффективных методов производства стали и доступности больших ее объемов, кованое железо было наиболее распространенной формой ковкого железа. Свое название оно получило потому, что его ковали, прокатывали или иным образом обрабатывали в горячем состоянии, чтобы удалить расплавленную шлаку. Современным функциональным эквивалентом кованого железа является мягкая сталь, также известная как низкоуглеродистая сталь. Ни кованое железо, ни мягкая сталь не содержат достаточного количества углерода для упрочнения посредством нагрева и закалки, однако настоящее кованое железо обладает гораздо большей коррозионной стойкостью. Кованое железо отличается высокой степенью очистки, с небольшим количеством силикатной шлаки, вытянутой в волокна. Оно состоит примерно на 99,4% из железа по массе. Наличие шлака может быть полезным при кузнечных операциях, таких как ковочная сварка, поскольку силикатные включения действуют как флюс и придают материалу уникальную волокнистую структуру. Силикатные нити в шлаке также защищают железо от коррозии и снижают эффект усталости, вызванный ударами и вибрацией. Исторически небольшое количество кованого железа перерабатывалось в сталь, которая использовалась в основном для изготовления мечей, столовых приборов, зубил, топоров и других режущих инструментов, а также пружин и напильников. Спрос на кованое железо достиг пика в 1860-х годах, когда оно пользовалось большим спросом для броненосных военных кораблей и железнодорожного строительства. Однако, по мере улучшения таких свойств, как хрупкость мягкой стали, благодаря совершенствованию черной металлургии и снижения стоимости производства стали благодаря процессу Бессемера и процессу Сименса-Мартина, использование кованого железа сократилось. Многие изделия, прежде чем их стали делать из мягкой стали, производились из кованого железа, включая заклепки, гвозди, проволоку, цепи, рельсы, железнодорожные сцепки, водопроводные и паровые трубы, гайки, болты, подковы, перила, бандажи для вагонных колес, стяжки для деревянных стропильных ферм и декоративные кованые изделия, среди прочего. Различные исследования взрывов котлов в XIX веке, особенно проведенные страховыми компаниями, показали, что наиболее частой причиной было превышение безопасного рабочего давления котла, либо для получения большей мощности, либо из-за неисправных предохранительных клапанов и трудностей с получением достоверных показаний давления и уровня воды. Плохое изготовление также было распространенной проблемой. Кроме того, толщина железа в паровых барабанах была мала по современным стандартам. К концу XIX века, когда металлурги смогли лучше понять свойства и процессы, обеспечивающие качество железа, железо в паровых двигателях стало заменяться сталью. Кроме того, старые цилиндрические котлы с жаровыми трубами были заменены водотрубными котлами, которые по своей сути более безопасны. В Англии было продемонстрировано, что из кованого железа, полученного традиционным способом плавки, можно получить 99,7% чистого железа без следов углерода. Было обнаружено, что характерные для других кованых желез прожилки отсутствуют, что делает его очень ковким для работы кузнеца в горячем и холодном состоянии. Существует коммерческий источник чистого железа, который кузнецы используют в качестве альтернативы традиционному кованому железу и другим металлам нового поколения.

Wrought iron is an iron alloy with a very low carbon content (less than 0.05%) in contrast to that of cast iron (2.1% to 4.5%). It is a semi fused mass of iron with fibrous slag inclusions (up to 2% by weight), which give it a wood like "grain" that is visible when it is etched, rusted, or bent to failure. Wrought iron is tough, malleable, ductile, corrosion resistant, and easily forge welded, but is more difficult to weld electrically. Before the development of effective methods of steelmaking and the availability of large quantities of steel, wrought iron was the most common form of malleable iron. It was given the name wrought because it was hammered, rolled, or otherwise worked while hot enough to expel molten slag. The modern functional equivalent of wrought iron is mild steel, also called low carbon steel. Neither wrought iron nor mild steel contain enough carbon to be hardened by heating and quenching, but true wrought iron is much more corrosion resistant. Wrought iron is highly refined, with a small amount of silicate slag forged out into fibers. It comprises around 99.4% iron by mass. The presence of slag can be beneficial for blacksmithing operations, such as forge welding, since the silicate inclusions act as a flux and give the material its unique, fibrous structure. The silicate filaments in the slag also protect the iron from corrosion and diminish the effect of fatigue caused by shock and vibration. Historically, a modest amount of wrought iron was refined into steel, which was used mainly to produce swords, cutlery, chisels, axes, and other edged tools, as well as springs and files. The demand for wrought iron reached its peak in the 1860s, being in high demand for ironclad warships and railway use. However, as properties such as brittleness of mild steel improved with better ferrous metallurgy and as steel became less costly to make thanks to the Bessemer process and the Siemens–Martin process, the use of wrought iron declined. Many items, before they came to be made of mild steel, were produced from wrought iron, including rivets, nails, wire, chains, rails, railway couplings, water and steam pipes, nuts, bolts, horseshoes, handrails, wagon tires, straps for timber roof trusses, and ornamental ironwork, among many other things. Various 19th century investigations of boiler explosions, especially those by insurance companies, found causes to be most commonly the result of operating boilers above the safe pressure range, either to get more power, or due to defective boiler pressure relief valves and difficulties of obtaining reliable indications of pressure and water levels. Poor fabrication was also a common problem. Also, the thickness of the iron in steam drums was low, by modern standards. By the late 19th century, when metallurgists were able to better understand what properties and processes made good iron, iron in steam engines was being displaced by steel. Also, the old cylindrical boilers with fire tubes were displaced by water tube boilers, which are inherently safer. demonstrated in England by analysis that a wrought iron bloom, from a traditional smelt, could be worked into 99.7% pure iron with no evidence of carbon. It was found that the stringers common to other wrought irons were not present, thus making it very malleable for the smith to work hot and cold. A commercial source of pure iron is available and is used by smiths as an alternative to traditional wrought iron and other new generation ferrous metals.

Приложения

Мебель из кованого железа имеет долгую историю, восходящую к римским временам. В Вестминстерском аббатстве в Лондоне сохранились ворота из кованого железа XIII века, а пик популярности мебели из кованого железа в Британии пришелся на XVII век, во время правления Вильгельма III и Марии II. Однако чугун и более дешевая сталь привели к постепенному сокращению производства кованого железа; последний завод по производству кованого железа в Великобритании был закрыт в 1974 году. Его также используют для изготовления предметов интерьера, таких как подставки для выпечки, винные полки, подвесные полки для посуды, этажерки, основания для столов, письменные столы, ворота, кровати, подсвечники, карнизы для штор, барные стойки и барные стулья. Подавляющее большинство кованого железа, доступного сегодня, производится из вторичного сырья. Основными источниками являются старые мосты и якорные цепи, поднятые со дна портов. Повышенная коррозионная стойкость кованого железа обусловлена содержанием кремнеземных примесей (естественно содержащихся в железной руде), а именно силиката железа. В индустрии ворот и ограждений кованое железо десятилетиями использовалось как общее название, хотя для изготовления этих "кованых" ворот используется мягкая сталь. Это связано главным образом с ограниченной доступностью настоящего кованого железа. Сталь также можно подвергать горячему цинкованию для защиты от коррозии, что невозможно сделать с кованым железом.