Лужение металла: история и технология покрытия оловом.

Введение

Покрытие предмета слоем олова. Фамилия.

Лужение – это процесс тонкого покрытия листов кованого железа или стали оловом, а полученный продукт известен как жесть. Этот термин также широко используется для обозначения другого процесса – покрытия металла припоем перед пайкой. Чаще всего лужение применяется для предотвращения ржавчины, но также обычно используется для обработки концов многожильных проводов, применяемых в качестве электрических проводников, чтобы предотвратить окисление (которое увеличивает электрическое сопротивление) и их распушивание или расплетение при использовании в различных типах соединителей, таких как скрутки, клеммные колодки или соединительные планки, где отдельные жилы могут вызвать короткое замыкание. Хотя раньше лужение было более широко распространено, в настоящее время его основное применение – производство жестяных банок. Ранее жесть использовалась для изготовления недорогих горшков, сковородок и другой посуды. Этот вид посуды также назывался оловянной посудой, а люди, которые ее делали, – мастерами по лужению. Листы, не покрытые оловом, используемые в производстве, называются черными листами. Сейчас они изготавливаются из стали, либо бессемеровской, либо мартенской. Ранее использовалось железо двух сортов: кокс и древесный уголь; последний, будучи более качественным, получал более толстый слой олова, и это послужило происхождением терминов «коксовая жесть» и «угольная жесть», которыми до сих пор обозначается качество жести, хотя железо больше не используется. Огромное количество жести потреблялось для изготовления жестяных банок, в которые упаковывались консервированное мясо, рыба, фрукты, печенье, сигареты и множество других продуктов, а также для изготовления различных видов бытовой посуды, производимой жестянщиками.

История

Практика лужения железных изделий для защиты от ржавчины восходит к древним временам. По словам Плиния Старшего, лужение было изобретено галльским племенем битуригов (расположенным недалеко от современного Буржеса), которые кипятили медные предметы в растворе олова, чтобы придать им вид изделий из серебра. Первое подробное описание процесса содержится в книге 6.62 Зосима из Панополиса, части труда по алхимии, написанного в римском Египте около 300 года н.э. Помимо упоминания в Англии XIV века, процесс вновь не засвидетельствован в Европе до описания в "Das Kleine Probierbuch" Лазаруса Эркера (1556). Производство белой жести долгое время было монополией Богемии, но примерно в 1620 году промышленность распространилась на Саксонию. Белая жесть, по-видимому, производилась в 1620-х годах на мельнице (или под покровительством) графа Саутгемптона, однако неясно, как долго это продолжалось. Эндрю Яррантон, английский инженер и агроном, и Амброз Кроули (кузнец из Стаурбриджа и отец более известного сэра Амброза Кроули III) были отправлены в Саксонию, чтобы по возможности узнать используемые методы. Они посетили Дрезден в 1667 году и выяснили, как она изготавливается. Их спонсировали различные местные производители железа и лица, связанные с проектом по судоходству реки Стоур. В Саксонии листы ковали, но по возвращении в Англию они попытались прокатывать железо. Это привело к тому, что два спонсора, производители железа Филипп Фоли и Джошуа Ньюборо, в 1670 году построили новую мельницу, Нижнюю мельницу (или кузницу) Вулверли. Она включала три цеха: один – режущая мельница, которая служила бы прокатной, а два других – кузницы. Вероятно, планировалось прокатывать листы, а затем дорабатывать их под молотом, но этому помешал Уильям Чемберлен, обновивший патент, выданный ему и Даду Дадли в 1662 году. Яррантон назвал этот патент "сфабрикованным". Слитер на мельнице Вулверли был Томас Кук. Другой Томас Кук, возможно, его сын, переехал в Понтипул и работал там на Джона Хэнбери (1664–1734). По словам Эдварда Лхуйда, к 1697 году Джон Хэнбери владел прокатной мельницей в Понтипуле для производства "Понтипульских листов". Утверждалось, что это завод по производству белой жести, но почти наверняка он производил только (неоцинкованный) черный лист. Однако этот метод прокатки железных листов с помощью цилиндров позволял производить более однородные черные листы, чем при старом способе ковки, и в результате английская белая жесть стала признаваться превосходящей немецкую. Белая жесть впервые упоминается в "Портовых книгах Глостера" (в которых регистрировалась торговля через Глостер, в основном из портов Бристольского канала) в 1725 году. Белая жесть отгружалась из Ньюпорта, Монмутшир. Это последовало сразу после первого появления (на французском языке) "Принципов искусства белой жести" Реамура и до публикации отчета о ней в Англии. Несколько лет спустя последовали другие мельницы, сначала во многих железоделательных районах Англии и Уэльса, а затем в основном в Южном Уэльсе. В 1805 году было произведено 80 000 ящиков, из которых 50 000 было экспортировано. Промышленность продолжала неуклонно расширяться в Англии и особенно в Уэльсе, и после 1834 года ее рост был быстрым, Великобритания стала главным источником мирового снабжения. В том году ее общая продукция составила 180 000 ящиков по 108 фунтов каждый (около 50 кг, в Америке ящик составляет 100 фунтов), в 1848 году – 420 000 ящиков, а в 1860 году – 1 700 000 ящиков. Впоследствии производство быстро росло, и в 1891 году оно достигло примерно 2 236 000 фунтов. Одним из крупнейших рынков были Соединенные Штаты Америки, но этот рынок был закрыт в 1891 году, когда там был принят тариф Мак-Кинли. Это привело к значительному сокращению британской промышленности и эмиграции в Америку многих из тех, кто больше не мог найти работу на сохранившихся заводах по производству белой жести. В 1891 году Соединенные Штаты произвели 11 000 тонн белой жести и импортировали 325 100 тонн, но в 1899 году они произвели 360 900 тонн, импортируя всего 63 500 тонн (в основном для реэкспорта). Британский экспорт был еще больше затруднен тарифом Дингли, который лишил валлийскую жесть преимущества на тихоокеанском побережье Америки, к 1900 году вырос до более чем 849 000 000 фунтов, из которых более 141 000 000 фунтов приходилось на терневую жесть. Общий объем импорта в том году составил всего 135 264 881 фунт. В последующие годы снова произошло снижение американского производства, и в 1907 году работало всего 20% американских заводов по производству белой жести, в то время как британское производство достигло 14 миллионов ящиков. Несмотря на этот удар, промышленность продолжала существовать, но в меньшем масштабе. Тем не менее, в 1937 году в эксплуатации находилось еще 518 мельниц, в том числе 224, принадлежащих компании Richard Thomas & Co. Однако традиционная "пакетная мельница" была вытеснена усовершенствованной "ленточной мельницей", первая в Великобритании была построена компанией Richard Thomas & Co. в конце 1930-х годов. Ленточные мельницы сделали старые пакетные мельницы устаревшими, и последние из них были закрыты примерно в 1960-х годах.

The practice of tinning ironware to protect it against rust is an ancient one. According to Pliny the Elder tinning was invented by the Gallic Bituriges tribe (based near modern Bourges), who boiled copper objects in a tin solution in order to make them look as if they were made from silver. The first detailed account of the process appears in Zosimus of Panopolis, Book 6.62, part of a work on alchemy written in Roman Egypt around 300 AD. Aside from an attestation in 14th century England, the process is not attested again in Europe until the description in Lazarus Ercker's Das Kleine Probierbuch (1556)

The manufacture of tinplate was long a monopoly of Bohemia, but in about the year 1620 the industry spread to Saxony. Tinplate was apparently produced in the 1620s at a mill of (or under the patronage of) the Earl of Southampton, but it is not clear how long this continued. Andrew Yarranton, an English engineer and agriculturist, and Ambrose Crowley (a Stourbridge blacksmith and father of the more famous Sir Ambrose Crowley III) were commissioned to go to Saxony and if possible discover the methods employed. They visited Dresden in 1667 and found out how it was made. In doing so, they were sponsored by various local ironmasters and people connected with the project to make the River Stour navigable. In Saxony, the plates were forged, but when they conducted experiments on their return to England, they tried rolling the iron. This led to two of the sponsors, the ironmasters Philip Foley and Joshua Newborough, erecting a new mill, Wolverley Lower Mill (or forge), in 1670. This contained three shops: one being a slitting mill, which would serve as a rolling mill, the others being forges. In 1678 one of these was making frying pans and the other drawing out blooms made in finery forges elsewhere. It is likely that the intention was to roll the plates and then finish them under a hammer, but the plan was frustrated by one William Chamberlaine renewing a patent granted to him and Dud Dudley in 1662. Yarranton described the patent as "trumped up". The slitter at Wolverley was Thomas Cooke. Another Thomas Cooke, perhaps his son, moved to Pontypool and worked there for John Hanbury (1664–1734). According to Edward Lhuyd, by 1697, John Hanbury had a rolling mill at Pontypool for making "Pontypoole Plates" machine. This has been claimed as a tinplate works, but it was almost certainly only producing (untinned) blackplate. However, this method of rolling iron plates by means of cylinders, enabled more uniform black plates to be produced than was possible with the old plan of hammering, and in consequence the English tinplate became recognised as superior to the German. Tinplate first begins to appear in the Gloucester Port Books (which record trade passing through Gloucester, mostly from ports in the Bristol Channel) in 1725. The tinplate was shipped from Newport, Monmouthshire. This immediately follows the first appearance (in French) of Réaumur's Principes de l'art de fer blanc, and prior to a report of it being published in England. Further mills followed a few years later, initially in many ironmaking regions in England and Wales, but later mainly in south Wales. In 1805, 80,000 boxes were made and 50,000 exported. The industry continued to spread steadily in England and especially Wales, and after 1834 its expansion was rapid, Great Britain becoming the chief source of the world's supply. In that year her total production was 180,000 boxes of 108 lb each (around 50 kg, in America a box is 100 lb), in 1848 it was 420,000 boxes, in 1860 it reached 1,700,000 boxes. But subsequently the advance was rapid, and the production reached about 2,236,000 lb in 1891. One of the greatest markets was the United States of America, but that market was cut off in 1891, when the McKinley tariff was enacted there. This caused a great retrenchment in the British industry and the emigration to America of many of those who could no longer be employed in the surviving tinplate works. In 1891, the United States made 11,000 tons of tinplate and imported 325,100 tons, but in 1899, it made 360,900 tons, importing only 63,500 tons (mostly for re export). British exports were further hindered by the Dingley tariff, which removed the advantage of Welsh plate on America's Pacific coast, had by 1900 increased to more than 849,000,000 lb, of which over 141,000,000 lb were terne plates. The total imports in that year were only 135,264,881 lb. In later years, again, there was a decline in the American production, and in 1907 only 20% of the American tinplate mills were at work, while the British production reached 14 million boxes. Despite this blow, the industry continued, but on a smaller scale. Nevertheless, there were still 518 mills in operation in 1937, including 224 belonging to Richard Thomas & Co. However the traditional 'pack mill' had been overtaken by the improved 'strip mill', of which the first in Great Britain was built by Richard Thomas & Co. in the late 1930s. Strip mills rendered the old pack mills obsolete and the last of them closed in about the 1960s.

Процесс упаковочного завода

Процесс производства листового металла начинается с оловянного бруска – вытянутого плоского бруса, который обычно закупался на металлургическом или сталелитейном заводе. Брусок мог быть изготовлен из ковкого железа или мягкой стали. Сечение бруска должно было быть точным по размеру, поскольку это определяет длину и толщину конечных листов. Брусок отрезался до нужной длины для получения листа требуемого размера. Например, если нужен лист определенного размера, оловянный брусок разрезают на длину и ширину, кратные 14 и 20 соответственно. Затем брусок прокатывают и складывают вдвое, причем количество сложений зависит от размера бруска и требуемой конечной толщины. Если исходный оловянный брусок достаточно толстый, его необходимо прокатать как минимум четыре раза (сложить вдвое дважды), а для получения тонкого листа может потребоваться прокат в восемь раз (сложить вдвое трижды). Затем оловянный брусок нагревают до тускло-красного каления и пропускают пять-шесть раз через обжимные валки. Между каждым проходом лист переворачивают (или пропускают вокруг) валков, и зазор между валками уменьшается с помощью винта. Затем лист перегревают и пропускают через чистовые валки. Если лист не заканчивают на одиночном проходе (без складывания), его складывают вдвое в прессе-сжимателе. Пресс-сжиматель представлял собой стол, где одна половина поверхности складывается поверх другой, а пресс сплющивает сложенный лист, чтобы свернутый край поместился между валками. Затем его снова нагревают для очередного проката. Это повторяется до достижения требуемой геометрии. Следует отметить, что если лист необходимо сложить более одного раза, свернутый край срезают. Затем пачку охлаждают. После охлаждения пачку подрезают немного меньше конечных размеров, а листы разделяют разделителями. На этом этапе листы покрыты окалиной и требуют травления. Это включает в себя погружение листов в серную кислоту на пять минут. Травление превращает окалину в зеленовато-черную слизь, которая удаляется отжигом. Листы отжигают примерно 10 часов, а затем медленно охлаждают. На этом этапе листы известны как травленые и отпущенные черные листы. Эти листы обычно продавались для штамповки и эмалирования. После этого листы неровные и не прямые, поэтому их несколько раз прокатывают в холодном состоянии. Прокатка увеличивает длину листов до их окончательных размеров. Затем их снова отжигают для снятия напряжений. Эти листы называются травлеными, холоднокатаными и отпущенными черными листами (черный лист х.к. и от.). Для достижения идеальной чистоты листы снова подвергают травлению в слабой серной кислоте. Затем их промывают и хранят в воде до лужения. Установка для лужения состоит как минимум из одного горшка с расплавленным оловом, с флюсом из хлорида цинка на поверхности, и горшка со смазкой. Флюс сушит лист и подготавливает его к адгезии олова. Если используется второй горшок с оловом, называемый промывочным, он содержит олово при более низкой температуре. Затем следует горшок со смазкой, содержащий масло и лудильную машину. Лудильная машина имеет два небольших валка, соединенных пружинами, так что при введении луженого листа валки выдавливают излишки олова. На лудильной машине можно регулировать силу пружин для получения различной толщины оловянного покрытия. Наконец, масло очищают от мелких отрубей и удаляют пыль. Описанный здесь процесс применялся в течение 20-го века. Со временем процесс становился все более сложным, поскольку было обнаружено, что включение дополнительных процедур улучшает качество. Практика горячей и холодной прокатки, очевидно, восходит к начальным этапам производства, поскольку у семьи Найт была (с момента основания около 1740 года) два прокатных стана: один в Бринжвуде (к западу от Лудлоу), который производил черные листы, а другой – оловянный стан в Миттоне (ныне часть Стоурпорта), очевидно, для более поздних этапов.

The pack mill process begins with a tin bar, which is a drawn flat bar that was usually purchased from an ironworks or steel works. The tin bar could be wrought iron or mild steel. The cross section of the bar needed to be accurate in size as this dictates the length and thickness of the final plates. The bar was cut to the correct length to make the desired size plate. For instance, if a plate is desired the tin bar is cut to a length and width that is divisible by 14 and 20. The bar is then rolled and doubled over, with the number of times being doubled over dependent on how large the tin bar is and what the final thickness is. If the starting tin bar is then it must be at least finished on the fours, or doubled over twice, and if a thin gauge is required then it may be finished on the eights, or doubled over three times. The tin bar is then heated to a dull red heat and passed five or six times through the roughing rolls. Between each pass the plate is passed over (or round) the rolls, and the gap between the rolls is narrowed by means of a screw. The plate is then reheated and run through the finishing rolls. If the plate is not finished on singles, or without doubling the plate over, it is doubled over in a squeezer. The squeezer was like a table where one half of the surface folds over on top of the other and a press flattens the doubled over plate so the rolled end will fit in the rollers. It is then reheated for another set of rolling. This is repeated until the desired geometry is reached. Note that if the plate needs to be doubled over more than once the rolled end is sheared off. The pack is then allowed to cool. When cool, the pack is sheared slightly undersized from the final dimensions and the plates separated by openers. At this point, the plates are covered in scale and must be pickled. This involves dipping the plates in sulfuric acid for five minutes. The pickling turns the scales into a greenish black slime which is removed via annealing. The plates are annealed for approximately 10 hours and then allowed to slowly cool. At this point the plates are known as pickled and annealed black plates. These plates were commonly sold for stamping and enameling purposes. After this, the plates are rough and not straight, so they are cold rolled several times. The rolling lengthens the plates to their final dimension. They are then annealed again to remove any strain hardening. These plates are called black plate pickled, cold rolled, and close annealed (black plate p. cr. and ca.). To attain perfect cleanliness the plates are pickled again in a weak sulfuric acid. Finally they are rinsed and stored in water until ready to be tinned. The tinning set consists of at least one pot of molten tin, with a zinc chloride flux on top, and a grease pot. The flux dries the plate and prepares it for the tin to adhere. If a second tin pot is used, called the wash pot, it contains tin at a lower temperature. This is followed by the grease pot, which contains oil and a tinning machine. The tinning machine has two small rollers that are spring loaded together so that when the tinned plate is inserted the rolls squeeze off any excess tin. The springs on the tinning machine can be set to different forces to give different thicknesses of tin. Finally, the oil is cleaned off with fine bran and dusted clean. What is described here is the process as employed during the 20th century. The process grew somewhat in complexity over time, as it was found that the inclusion of additional procedures improved quality. The practice of hot rolling and then cold rolling evidently goes back to the early days, as the Knight family's tinplate works had (from its foundation in about 1740) two rolling mills, one at Bringewood (west of Ludlow) which made blackplate, and the other the tin mill at Mitton (now part of Stourport, evidently for the later stages.

Стрип-мельница

Ранние станы горячей прокатки ленты не производили ленту, пригодную для лужения, но в 1929 году начала применяться холодная прокатка для дальнейшего уменьшения толщины, что сделало лужение возможным. Затем лист лудили, используя описанный выше процесс.

Процессы оцинкования

Для лужения черных листов используются два процесса: горячее цинкование и электролитическое лужение.

Горячее погружение

Горячее лужение — это процесс погружения детали в ванну с чистым расплавленным оловом при температуре выше 450 °F или 232 °C. Жесть, изготовленная методом горячего лужения, производится путем холодной прокатки стали или железа, травления для удаления окалины, отжига для снятия напряжений и последующего нанесения тонкого слоя олова. Изначально это делалось путем производства отдельных листов или небольших стопок, что получило название процесса производства в упаковочных мельницах. В конце 1920-х годов ленточные мельницы начали заменять упаковочные мельницы, поскольку они позволяли производить исходные листы в больших количествах и более экономично.

Электропластика

При электроплакировке изделие, подлежащее покрытию, помещается в емкость, содержащую раствор одной или нескольких солей олова. Изделие подключается к электрической цепи, образуя катод (отрицательный) цепи, а электрод, обычно из того же металла, которым производится покрытие, образует анод (положительный). При прохождении электрического тока через цепь ионы металла в растворе притягиваются к изделию. Для получения гладкой и блестящей поверхности электроплакированную поверхность затем кратковременно нагревают выше температуры плавления олова. Большая часть стали, покрытой оловом, производимой сегодня, затем дополнительно покрывается очень тонким слоем хрома для предотвращения потускнения поверхности из-за окисления олова.

Альтернативы

Терновая плита – продукт, аналогичный лужению, но покрытие наносится не чистым оловом, а сплавом олова и свинца, причем последний составляет 7,59% от общей массы. Название происходит от слова "terne", означающего тусклый или потемневший. Производство терновой плиты началось в Англии примерно в середине XIX века, и она получила широкое распространение в США в качестве кровельного материала. Также она использовалась для изготовления топливных баков и газовых счетчиков. Последний завод по производству терновой плиты, расположенный в Брокмуре (Вест-Мидлендс, Великобритания), был закрыт в 2006 году. Во многих областях применения лужение было заменено оцинкованными (покрытыми цинком) изделиями, однако не для приготовления пищи, поскольку цинк может быть токсичен. Цинк защищает железо электролитически: он окисляется, превращаясь в белый порошок, тем самым сохраняя железо, в то время как олово защищает железо только при условии сохранения целостности покрытия, поскольку в противном случае оно будет электролитически разрушать незащищенное железо для собственной защиты.