Kute żelazo

Różne przykłady kutego żelaza

Kute żelazo jest stopem żelaza o bardzo niskiej zawartości węgla (poniżej 0,08%) w przeciwieństwie do żeliwa ( od 2,1% do 4%). Jest to częściowo stopiona masa żelaza z włóknistymi wtrąceniami żużla (do 2% masy), które nadają mu drewnopodobne „ziarno”, które jest widoczne, gdy jest wytrawione, zardzewiałe lub wygięte do zniszczenia . Kute żelazo jest twarde, ciągliwe, ciągliwe , odporne na korozję i łatwo spawane , ale trudniejsze do spawania elektrycznie.

Przed opracowaniem skutecznych metod wytwarzania stali i dostępnością dużych ilości stali kute żelazo było najpowszechniejszą formą żeliwa ciągliwego. Nadano mu nazwę kutego , ponieważ był młotkowany, walcowany lub w inny sposób obrabiany, gdy był wystarczająco gorący, aby wydalić stopiony żużel. Współczesnym funkcjonalnym odpowiednikiem kutego żelaza jest stal miękka , zwana też stalą niskowęglową. Ani kute żelazo, ani stal miękka nie zawierają wystarczającej ilości węgla, aby można je było utwardzić przez ogrzewanie i hartowanie. ^{[ nieudana weryfikacja ]}

Kute żelazo jest wysoce rafinowane, z niewielką ilością żużla krzemianowego wykutego we włókna. Zawiera około 99,4% masowych żelaza. Obecność żużla może być korzystna w operacjach kowalskich, takich jak spawanie kuźnicze, ponieważ wtrącenia krzemianowe działają jak topnik i nadają materiałowi wyjątkową, włóknistą strukturę. Włókna krzemianowe w żużlu chronią również żelazo przed korozją i zmniejszają efekt zmęczenia spowodowanego wstrząsami i wibracjami.

Historycznie rzecz biorąc, skromne ilości kutego żelaza były rafinowane w stal , która była używana głównie do produkcji mieczy , sztućców , dłut , toporów i innych narzędzi o ostrych krawędziach, a także sprężyn i pilników. Zapotrzebowanie na kute żelazo osiągnęło swój szczyt w latach sześćdziesiątych XIX wieku, kiedy było duże zapotrzebowanie na opancerzone okręty wojenne i kolej . Jednakże, ponieważ właściwości, takie jak kruchość stali miękkiej, poprawiły się wraz z lepszą metalurgią żelaza , a stal stała się tańsza w produkcji dzięki procesowi Bessemera i procesowi Siemensa-Martina spadło użycie kutego żelaza.

Wiele przedmiotów, zanim zaczęto robić je ze stali miękkiej , było wytwarzanych z kutego żelaza, w tym nity , gwoździe , drut , łańcuchy , szyny , złącza kolejowe , rury wodne i parowe , nakrętki , śruby , podkowy , poręcze , opony wagonów, pasy do drewnianych wiązarów dachowych i ozdobnej ślusarki , między innymi.

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

Terminologia

Słowo „kute” jest archaicznym imiesłowem czasu przeszłego czasownika „pracować”, więc „kute żelazo” dosłownie oznacza „obrobione żelazo”. Kute żelazo to ogólne określenie towaru, ale jest również używane bardziej szczegółowo w odniesieniu do gotowych wyrobów żelaznych, wytwarzanych przez kowala . Był używany w tym węższym znaczeniu w brytyjskich rejestrach celnych , takie wyprodukowane żelazo podlegało wyższej stawce celnej niż to, co można by nazwać „nieobrobionym” żelazem. Żeliwo , w przeciwieństwie do kutego żelaza, jest kruchy i nie można go obrabiać ani na gorąco, ani na zimno. Żeliwo może pęknąć, jeśli zostanie uderzone młotkiem.

W XVII, XVIII i XIX wieku kute żelazo miało wiele różnych określeń w zależności od jego formy, pochodzenia lub jakości.

Podczas gdy proces dymarniczy wytwarzał kute żelazo bezpośrednio z rudy, żeliwo lub surówka były materiałami wyjściowymi używanymi w kuźni drobnoziarnistej i piecu pudlarskim . Surówka i żeliwo mają wyższą zawartość węgla niż żelazo kute, ale mają niższą temperaturę topnienia niż żelazo lub stal. Żeliwo, a zwłaszcza surówka, mają nadmiar żużla, który musi zostać przynajmniej częściowo usunięty, aby uzyskać wysokiej jakości kute żelazo. W odlewniach powszechne było mieszanie złomu kutego 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 żelazo nagrzało się wystarczająco, aby się stopić i „stopić”. Fuzja ostatecznie została ogólnie przyjęta jako stosunkowo ważniejsza niż skład poniżej danego niskiego stężenia węgla. Inną różnicą jest to, że stal może być utwardzana przez obróbkę cieplną .

W przeszłości kute żelazo było znane jako „żelazo czyste w handlu”; jednak już się nie kwalifikuje, ponieważ obecne normy dotyczące komercyjnie czystego żelaza wymagają zawartości węgla poniżej 0,008 % wag .

Rodzaje i kształty

Żeliwo prętowe to ogólny termin używany czasami w celu odróżnienia go od żeliwa. Jest odpowiednikiem wlewka odlewanego metalu, w wygodnej formie do przenoszenia, przechowywania, transportu i dalszej obróbki gotowego produktu.

Sztabki były typowym produktem wytwornej kuźni , ale niekoniecznie wykonanym w tym procesie.

Pręt żelazny - wycięty z płaskownika w młynie do cięcia wzdłużnego, dostarczał surowca na kolce i gwoździe.
Żelazo do obręczy - odpowiednie do obręczy beczek, wykonane przez przepuszczanie pręta żelaznego przez matryce do walcowania.
Płyta żeliwna — blachy nadające się do wykorzystania jako płyta kotłowa .
Blacha czarna — blachy, być może cieńsze niż blacha żelazna, pochodzące z etapu walcowania czarnego podczas produkcji blachy białej .
Żelazko podróżne - wąskie płaskie pręty żelazne, wytwarzane lub cięte na sztabki o określonej wadze, towar sprzedawany w Afryce w celu handlu niewolnikami na Atlantyku . Liczba sztabek na tonę stopniowo rosła z 70 na tonę w latach sześćdziesiątych XVII wieku do 75–80 na tonę w 1685 r. I „prawie 92 na tonę” w 1731 r.

Pochodzenie

Żelazo na węgiel drzewny - do końca XVIII wieku kute żelazo wytapiano z rudy przy użyciu węgla drzewnego w procesie dymu . Kute żelazo było również produkowane z surówki przy użyciu drobnej kuźni lub w palenisku Lancashire . Powstały metal był bardzo zmienny, zarówno pod względem chemicznym, jak i zawartości żużla.
Kałuże żelaza — proces kałuży był pierwszym procesem produkcji kutego żelaza na dużą skalę. W procesie puddingu surówka jest rafinowana w piecu pogłosowym, aby zapobiec zanieczyszczeniu żelaza siarką zawartą w węglu lub koksie. Stopiona surówka jest mieszana ręcznie, wystawiając żelazo na działanie tlenu atmosferycznego, który odwęgla żelazo. Gdy żelazo jest mieszane, grudki kutego żelaza są zbierane w kulki przez pręt mieszający (ramię lub pręt motłochu), które są okresowo usuwane przez kałużę. Puddling został opatentowany w 1784 roku i stał się szeroko stosowany po 1800 roku. Do 1876 roku roczna produkcja kałuży żelaza w samej Wielkiej Brytanii wynosiła ponad 4 miliony ton. Mniej więcej w tym czasie, piec martenowski był w stanie produkować stal o odpowiedniej jakości do celów konstrukcyjnych, a produkcja kutego żelaza spadała.
Żelazo rudne — szczególnie czysty gatunek prętów żelaznych wytwarzany ostatecznie z rudy żelaza z kopalni Dannemora w Szwecji . Jego najważniejszym zastosowaniem był surowiec do procesu cementowania stali.
Danks iron – pierwotnie żelazo importowane do Wielkiej Brytanii z Gdańska , ale w XVIII wieku bardziej prawdopodobnie ten rodzaj żelaza (ze wschodniej Szwecji), który kiedyś pochodził z Gdańska.
Leśne żelazo — żelazo z angielskiego Forest of Dean , gdzie ruda hematytu umożliwiała produkcję twardego żelaza.
Lukes iron - żelazo importowane z Liège , którego holenderska nazwa to „Luik”.
Żelazo Amesa lub żelazo Amysa – 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 pochodzenie z doliny Renu . Jego pochodzenie pozostaje kontrowersyjne.
Żelazo Botolfa lub Boutalla – z Bytowa (polskie Pomorze ) lub Bytomia (polski Śląsk ).
Sable iron (lub Old Sable) – żelazo noszące znak ( sable ) rosyjskich hutników rodziny Demidov , jedna z lepszych marek rosyjskiego żelaza .

Jakość

Twarde żelazo: Nazywane również „tuf”, nie jest kruche i wystarczająco mocne, aby można go było używać jako narzędzi.
Żelazo mieszane: Wykonane z mieszanki różnych rodzajów surówki .
Najlepsze: żelazo Żelazo przeszło kilka etapów palowania i walcowania, by osiągnąć etap uważany (w XIX wieku) za najlepszą jakość.
Żelazko sygnowane: Wykonane przez członków Izby Adwokackiej Oznaczone i oznaczone znakiem firmowym producenta jako znakiem jakości.

Wady

Kute żelazo jest formą handlową żelaza zawierającą mniej niż 0,10% węgla, mniej niż 0,25% zanieczyszczeń łącznie siarki, fosforu, krzemu i manganu oraz mniej niż 2% wagowych żużla.

Kute żelazo jest krótkie lub gorące, jeśli zawiera siarkę w nadmiarze. Ma wystarczającą wytrzymałość na zimno, ale pęka, gdy jest zginany lub wykończony na czerwonym ogniu. Gorące krótkie żelazko uznano za niezbywalne.

Zimne krótkie żelazo, znane również jako coldshear , colshire , zawiera nadmiar fosforu. Na zimno jest bardzo kruchy i pęka przy zginaniu. Można go jednak obrabiać w wysokiej temperaturze. Historycznie, zimne żelazo było uważane za wystarczające do paznokci .

Fosfor niekoniecznie jest szkodliwy dla żelaza. Kowale starożytnego Bliskiego Wschodu nie dodawali wapna do swoich pieców. Brak tlenku wapnia w żużlu i celowe użycie drewna o wysokiej zawartości fosforu podczas wytapiania powoduje wyższą zawartość fosforu (zwykle <0,3%) niż we współczesnym żelazie (<0,02–0,03%). Analiza żelaznego filaru z Delhi daje 0,11% żelaza. Zawarty żużel w kutym żelazie nadaje również odporność na korozję.

Obecność fosforu (bez węgla) daje żeliwo sferoidalne odpowiednie do ciągnienia drutu fortepianowego .

Historia

Zachodni świat

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

Kute żelazo było używane przez wiele stuleci i jest „żelazem”, o którym mówi się w całej historii Zachodu. Inna forma żelaza, żeliwo , było używane w Chinach od czasów starożytnych, ale zostało wprowadzone do Europy Zachodniej dopiero w XV wieku; nawet wtedy, ze względu na swoją kruchość, można go było używać tylko do ograniczonej liczby celów. Przez większą część średniowiecza żelazo produkowano poprzez bezpośrednią redukcję rudy w ręcznie obsługiwanych dymarniach , chociaż już w 1104 roku zaczęto wykorzystywać energię wodną .

Surowcem wytwarzanym we wszystkich procesach pośrednich jest surówka. Ma wysoką zawartość węgla, przez co jest kruchy i nie nadaje się do wyrobu okuć. Proces Osmonda był pierwszym z procesów pośrednich, opracowanym w 1203 roku, ale w wielu miejscach kontynuowano produkcję dymarską. Proces ten zależał od rozwoju wielkiego pieca, którego średniowieczne przykłady odkryto w Lapphyttan w Szwecji iw Niemczech .

Procesy bloomery i osmond były stopniowo zastępowane od XV wieku procesami finezyjnymi , których istniały dwie wersje, niemiecka i walońska. Zostały one z kolei zastąpione od końca XVIII wieku przez kałuże , z pewnymi wariantami , takimi jak szwedzki proces Lancashire . Te też są już przestarzałe, a kute żelazo nie jest już produkowane komercyjnie.

Chiny

W czasach dynastii Han (202 pne - 220 ne) nowe procesy wytopu żelaza doprowadziły do produkcji nowych narzędzi z kutego żelaza do użytku w rolnictwie, takich jak siewnik wielorurowy i żelazny pług . Oprócz przypadkowych grudek kutego żelaza o niskiej zawartości węgla, wytwarzanych przez nadmierne wtryskiwanie powietrza w starożytnych chińskich piecach żeliwiakowych . Starożytni Chińczycy tworzyli kute żelazo przy użyciu kuźni szlachetnej co najmniej do II wieku pne, najwcześniejsze okazy żeliwa i surówki drobnoziarnistej do kutego żelaza i stali znalezione w miejscu wczesnej dynastii Han w Tieshengguo. Pigott spekuluje, że kuźnia biżuterii istniała w poprzednim okresie Walczących Królestw (403–221 pne), ponieważ istnieją przedmioty z kutego żelaza z Chin datowane na ten okres i nie ma udokumentowanych dowodów na to, że dym kiedykolwiek był używany w Chinach . Proces klarowania polegał na upłynnieniu żeliwa w palenisku klarującym i usunięciu węgla ze stopionego żeliwa poprzez utlenianie . Wagner pisze, że oprócz palenisk z dynastii Han, które uważano za paleniska oczyszczające, istnieją również obrazowe dowody paleniska oczyszczającego z fresku grobowca Shandong datowanego na I-II wiek naszej ery, a także ślad pisemnych dowodów z IV wieku naszej ery Taoistyczny tekst Taiping Jing .

Proces kwitnienia

Kute żelazo było pierwotnie wytwarzane w różnych procesach wytapiania, z których wszystkie są dziś określane jako „bloomerie”. W różnych miejscach i czasach stosowano różne formy bloomery. Bloomery załadowano węglem drzewnym i rudą żelaza, a następnie oświetlono. Powietrze było wdmuchiwane przez dyszę , aby ogrzać dymnicę do temperatury nieco niższej od temperatury topnienia żelaza. W trakcie wytopu topił się i wypływał żużel oraz tlenek węgla z węgla drzewnego zredukowałby rudę do żelaza, które utworzyło gąbczastą masę (zwaną „kwiatem”) zawierającą żelazo, a także stopione minerały krzemianowe (żużel) z rudy. Żelazo pozostało w stanie stałym. Gdyby pozwolono, by dymarnia rozgrzała się na tyle, by stopić żelazo, węgiel rozpuściłby się w niej i utworzył surówkę lub żeliwo, ale nie taki był zamiar. Jednak konstrukcja dymarni utrudniała osiągnięcie temperatury topnienia żelaza, a także zapobiegała wzrostowi stężenia tlenku węgla.

Po zakończeniu wytapiania nalot usunięto i proces można było rozpocząć od nowa. Był to zatem proces okresowy, a nie ciągły, taki jak w wielkim piecu. Kwit musiał zostać wykuty mechanicznie, aby skonsolidować go i uformować w sztabkę, usuwając przy tym żużel.

W średniowieczu wykorzystywano do tego procesu siłę wody, prawdopodobnie początkowo do napędzania miechów, a dopiero później do młotów do kucia kwiatostanów. Jednak chociaż jest pewne, że użyto energii wodnej, szczegóły pozostają niepewne. To była kulminacja bezpośredniego procesu kucia żelaza. Przetrwał w Hiszpanii i południowej Francji jako katalońskie kuźnie do połowy XIX wieku, w Austrii jako stickofen do 1775 roku, aw pobliżu Garstang w Anglii do około 1770 roku; był nadal używany z włączonym gorącym podmuchem Nowy Jork w 1880 roku. W Japonii ostatnia ze starych dymarni tatara , używana do produkcji tradycyjnej stali tamahagane , używanej głównie do wyrobu mieczy, została wygaszona dopiero w 1925 roku, choć pod koniec XX wieku wznowiono produkcję na niewielką skalę, aby dostarczać stal rzemieślnikom szermierzy.

Proces Osmonda

Żelazo Osmond składało się z kulek kutego żelaza, wytwarzanych przez topienie surówki i wyłapywanie kropelek na lasce, która była obracana przed podmuchem powietrza, aby wystawić jak najwięcej z niego na działanie powietrza i utlenić jego zawartość węgla . Powstała kula była często kuta w prętach żelaznych w młynie młotkowym.

Proces drobnoziarnisty

W XV wieku wielki piec rozprzestrzenił się na terenie dzisiejszej Belgii , gdzie został ulepszony. Stamtąd rozprzestrzenił się przez Pays de Bray na granicy Normandii , a następnie do Weald w Anglii. Wraz z nim rozprzestrzeniła się kuźnia biżuterii. Te przetopiły surówkę i (w efekcie) wypaliły węgiel, tworząc nalot, który następnie przekuto w pręty żelazne. Jeśli wymagany był pręt żelazny, używano młyna do cięcia wzdłużnego.

Proces finery istniał w dwóch nieco różnych formach. W Wielkiej Brytanii, Francji i części Szwecji stosowano tylko proces waloński . To wykorzystywało dwa różne paleniska, delikatne palenisko do wykańczania żelaza i palenisko chaferowe do podgrzewania go w trakcie wyciągania kwietnika do baru. Finery zawsze spalały węgiel drzewny, ale fartuch można było opalać węglem mineralnym , ponieważ jego zanieczyszczenia nie szkodziłyby żelazu, gdy było w stanie stałym. Z drugiej strony proces niemiecki, 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. (a może nieco wcześniej) miało początkowo niewielki wpływ na produkcję kutego żelaza. Dopiero w latach pięćdziesiątych XVIII wieku surówka koksowa była wykorzystywana na znaczną skalę jako surowiec do kuźni drobnoziarnistych. Jednak węgiel drzewny nadal był paliwem dla wytworności.

Zalewanie i stemplowanie

Od późnych lat pięćdziesiątych XVIII wieku mistrzowie żelaza zaczęli opracowywać procesy wytwarzania prętów żelaznych bez węgla drzewnego. Było na to wiele opatentowanych procesów, które dziś określa się jako zalewanie i stemplowanie . Najwcześniejsze zostały opracowane przez Johna Wooda z Wednesbury i jego brata Charlesa Wooda z Low Mill w Egremont , opatentowane w 1763 roku. Inny został opracowany dla Coalbrookdale Company przez braci Cranage . Innym ważnym był John Wright i Joseph Jesson z West Bromwich .

Proces puddingu

Schematyczny rysunek pieca puddingowego

rewolucji przemysłowej w drugiej połowie XVIII wieku opracowano szereg procesów wytwarzania kutego żelaza bez węgla drzewnego . Najbardziej udanym z nich było kałuże przy użyciu pieca kałużowego (odmiana pieca pogłosowego ) , który został wynaleziony przez Henry'ego Corta w 1784 r. Później został ulepszony przez innych, w tym Josepha Halla , który jako pierwszy dodał tlenek żelaza do opłata. W tego typu piecu metal nie styka się z paliwem, a więc nie jest zanieczyszczony jego zanieczyszczeniami. Ciepło produktów spalania przechodzi przez powierzchnię kałuży, a strop pieca odbija (odbija) ciepło na metalową kałużę na mostku ogniowym pieca.

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

W pełni rozwiniętym procesie (Hallowym) metal ten umieszczano w trzonie pieca puddingowego, gdzie ulegał topieniu. Palenisko było wyłożone utleniaczami, takimi jak hematyt i tlenek żelaza. Mieszaninę poddawano silnemu prądowi powietrza i mieszano długimi prętami, zwanymi kałużami lub motłochami, przez działające drzwi. Powietrze, mieszanie i „wrzące” działanie metalu pomogły utleniaczom w utlenieniu zanieczyszczeń i węgla z surówki. Gdy zanieczyszczenia utleniają się, utworzyły stopiony żużel lub unosiły się w postaci gazu, podczas gdy pozostałe żelazo zestalało się w gąbczaste kute żelazo, które unosiło się na wierzch kałuży i było wyławiane ze stopu jako kulki kałuży za pomocą prętów kałuży.

gontem

W kulach kałuży wciąż pozostawało trochę żużla, więc gdy były jeszcze gorące, były kładzione gontem, aby usunąć pozostały żużel i popiół. Osiągnięto to poprzez kucie kulek pod młotkiem lub wyciskanie nalotu w maszynie. Materiał uzyskany na końcu gontu nazywany jest wykwitem. Kwiaty nie są przydatne w tej formie, więc zostały zwinięte w produkt końcowy.

Czasami europejskie huty całkowicie pomijały proces układania gontem i toczyły kałuże. Jedyną wadą jest to, że krawędzie szorstkich prętów nie były tak dobrze ściśnięte. Po ponownym podgrzaniu surowego pręta krawędzie mogą się rozdzielić i zostać utracone w piecu.

Walcowanie

Kwit przechodził przez walce i do produkcji prętów. Pręty z kutego żelaza były złej jakości, zwane prętami błotnymi lub prętami kałużowymi. Aby poprawić ich jakość, pręty były cięte, układane w stosy i łączone ze sobą drutami w procesie znanym jako faggoting lub palowanie. Następnie ponownie podgrzano je do stanu spawania, spawano kuźnią i ponownie walcowano na pręty. Proces można powtórzyć kilka razy, aby uzyskać kute żelazo o pożądanej jakości. Kute żelazo, które było wielokrotnie walcowane, nazywane jest prętem handlowym lub żelazem handlowym.

Proces Lancashire'a

Zaletą kałuży było to, że jako paliwo wykorzystywano węgiel, a nie węgiel drzewny. Było to jednak mało korzystne w Szwecji, której brakowało węgla. Gustaf Ekman obserwował ozdoby z węgla drzewnego w Ulverston , które były zupełnie inne niż w Szwecji. Po powrocie do Szwecji w latach trzydziestych 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 Astona

W 1925 roku James Aston ze Stanów Zjednoczonych opracował proces szybkiej i ekonomicznej produkcji kutego żelaza. Polegało to na pobraniu stopionej stali z konwertora Bessemera i wlaniu jej do chłodniejszego ciekłego żużla. Temperatura stali wynosi około 1500°C, a ciekły żużel jest utrzymywany w temperaturze około 1200°C. Stopiona stal zawiera dużą ilość rozpuszczonych gazów, więc kiedy ciekła stal uderzyła w chłodniejsze powierzchnie ciekłego żużla, gazy zostały uwolnione. Następnie stopiona stal zamarzła, tworząc gąbczastą masę o temperaturze około 1370°C. Gąbczasta masa byłaby następnie wykończona gontem i rozwałkować , jak opisano w sekcji Pudding (powyżej). Tą metodą można przeliczyć od trzech do czterech ton na partię.

Spadek

Stal zaczęła zastępować żelazo w szynach kolejowych, gdy tylko przyjęto proces Bessemera do jej produkcji (od 1865 r.). Żelazo pozostawało dominujące w zastosowaniach konstrukcyjnych do lat osiemdziesiątych XIX wieku z powodu problemów z kruchą stalą, spowodowanych wprowadzanym azotem, wysoką zawartością węgla, nadmiarem fosforu lub nadmierną temperaturą podczas lub zbyt szybkim walcowaniem. Do 1890 roku stal w dużej mierze zastąpiła żelazo w zastosowaniach konstrukcyjnych.

Blacha żelazna (Armco 99,97% czystego żelaza) 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 Astona produkcja kutego żelaza była pracochłonna. Szacuje się, że produkcja kutego żelaza jest około dwukrotnie droższa niż produkcja stali niskowęglowej. W Stanach Zjednoczonych ostatnią fabrykę zamknięto w 1969 r. Ostatnią na świecie była Atlas Forge of Thomas Walmsley and Sons w Bolton w Wielkiej Brytanii, którą zamknięto w 1973 r. Jej sprzęt z lat 60 . Muzeum Wąwozu Ironbridge do konserwacji. Część kutego żelaza jest nadal produkowana do celów renowacji dziedzictwa, ale wyłącznie poprzez recykling złomu.

Nieruchomości

Mikrostruktura kutego żelaza, ukazująca 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 inkluzji. Świeże złamanie ma wyraźny niebieskawy kolor z wysokim jedwabistym połyskiem i włóknistym wyglądem.

Kute żelazo nie zawiera węgla niezbędnego do utwardzania poprzez obróbkę cieplną , ale w obszarach, w których stal była rzadkością lub nieznana, narzędzia były czasami obrabiane na zimno (stąd zimne żelazo ), aby je utwardzić. ^{[ potrzebne źródło ]} Zaletą jego niskiej zawartości węgla jest jego doskonała spawalność. Co więcej, blacha kuta nie może wyginać się tak bardzo jak blacha stalowa podczas obróbki plastycznej na zimno. Kute żelazo można topić i odlewać, jednak produkt nie jest już kutym żelazem, ponieważ charakterystyczne dla kutego żelaza podłużnice znikają podczas topienia, więc produkt przypomina zanieczyszczoną, odlewaną stal Bessemera. Nie ma 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 jego odpornością na korozję stoi wiele mechanizmów. Chilton i Evans odkryli, że pasma wzbogacające nikiel zmniejszają korozję. Odkryli również, że w żelazie kałuży, kutym i ułożonym w stosy, obróbka metalu powoduje rozproszenie zanieczyszczeń miedzią, niklem i cyną, które wytwarzają warunki elektrochemiczne, które spowalniają korozję. Wykazano, że wtrącenia żużla rozpraszają korozję do równej warstwy, dzięki czemu żelazo jest odporne na wżery. Inne badanie wykazało, że wtrącenia żużla są drogami korozji. Inne badania pokazują, że siarka w kutym żelazie zmniejsza odporność na korozję, podczas gdy fosfor zwiększa odporność na korozję. Jony chlorkowe zmniejszają również odporność na korozję kutego żelaza.

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 może lepiej trzymać poszycia i powłoki. Na przykład galwaniczne wykończenie cynkiem nałożone na kute żelazo jest o 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, jest to zwodnicze. Większość manganu, siarki, fosforu i krzemu jest włączona do włókien żużla w kutym żelazie, dzięki czemu 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 to procenty wagowe. Źródło:

Tabela 2: Właściwości kutego żelaza
Nieruchomość	Wartość
Wytrzymałość na rozciąganie [psi (MPa)]	34 000–54 000 (234–372)
Maksymalna wytrzymałość na ściskanie [psi (MPa)]	34 000–54 000 (234–372)
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
Środek ciężkości	7,5–7,8

Wśród innych swoich właściwości, kute żelazo staje się miękkie w czerwonym ogniu i może być łatwo kute i spawane . Może być używany do tworzenia tymczasowych magnesów , ale nie może być namagnesowany na stałe i jest ciągliwy , ciągliwy i twardy .

Plastyczność

W większości przypadków plastyczność, a nie wytrzymałość na rozciąganie, jest ważniejszą miarą jakości kutego żelaza. W próbie rozciągania najlepsze żelazka są w stanie ulec znacznemu wydłużeniu przed uszkodzeniem. Wyższa wytrzymałość na rozciąganie kute żelazo jest kruche.

Ze względu na dużą liczbę wybuchów kotłów na parowcach Kongres Stanów Zjednoczonych uchwalił w 1830 r. Ustawę, która zatwierdziła fundusze na rozwiązanie problemu. Skarbiec przyznał Instytutowi Franklina kontrakt na przeprowadzenie badań o wartości 1500 dolarów. W ramach badań Walter R. Johnson i Benjamin Reeves przeprowadzili testy wytrzymałościowe żeliwa kotłowego za pomocą testera, który zbudowali w 1832 roku na podstawie projektu Lagerhjelm w Szwecji. Niestety, z powodu niezrozumienia wytrzymałości na rozciąganie i plastyczności, ich praca w niewielkim stopniu przyczyniła się do zmniejszenia liczby awarii.

Znaczenie ciągliwości zostało uznane przez niektórych na bardzo wczesnym etapie rozwoju kotłów rurowych, o czym świadczy komentarz Thurstona:

Gdyby były wykonane z tak dobrego żelaza, jak twierdzili twórcy, „które działało jak ołów”, po pęknięciu, jak również twierdzili, otworzyłyby się przez rozdarcie i wyrzuciły swoją zawartość bez powodowania zwykłych katastrofalnych skutków wybuchu kotła .

Różne XIX-wieczne badania eksplozji kotłów, zwłaszcza przeprowadzone przez firmy ubezpieczeniowe, wykazały, że przyczyny były najczęściej wynikiem pracy kotłów powyżej bezpiecznego zakresu ciśnień, albo w celu uzyskania większej mocy, albo z powodu wadliwych zaworów bezpieczeństwa kotła i trudności w uzyskaniu niezawodnego wskazania ciśnienia i poziomu wody. Słaba produkcja była również częstym problemem. Również grubość żelaza w bębnach parowych była niska, jak na współczesne standardy.

Pod koniec XIX wieku, kiedy metalurdzy byli w stanie lepiej zrozumieć, jakie właściwości i procesy sprawiają, że żelazo jest dobre, zostało ono wyparte przez stal. Ponadto stare cylindryczne kotły z płomieniówkami zostały wyparte przez kotły wodnorurowe, które są z natury bezpieczniejsze.

Czystość

W 2010 r. dr Gerry McDonnell wykazał w Anglii, przeprowadzając analizę, że wykwit kutego żelaza z tradycyjnego wytopu można przekształcić w żelazo o czystości 99,7% bez śladów węgla. Stwierdzono, że podłużnice wspólne dla innych kutych żelaza nie były obecne, co czyni go bardzo plastycznym dla kowala 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 Westminsterskim w Londynie znajdują się XIII-wieczne bramy z kutego żelaza , a meble z kutego żelaza osiągnęły szczyt popularności w Wielkiej Brytanii w XVII wieku, za panowania Wilhelma III i Marii II . ^{[ potrzebne źródło ]} Jednak żeliwo i tańsza stal spowodowały stopniowy spadek produkcji kutego żelaza; ostatnia huta kutego żelaza w Wielkiej Brytanii została zamknięta w 1974 roku.

Służy również do wykonywania elementów wystroju domu, takich jak stojaki piekarnicze , stojaki na wino , stojaki na garnki , etagery , podstawy stołów, biurka, bramy, łóżka, świeczniki, karnisze, bary i stołki barowe.

Zdecydowana większość dostępnego obecnie kutego żelaza pochodzi z materiałów odzyskanych. Głównymi źródłami są stare mosty i łańcuchy kotwiczne wydobyte z portów. ^{[ Potrzebne źródło ]} Większa odporność na korozję kutego żelaza wynika z zanieczyszczeń krzemionkowych (naturalnie występujących w rudzie żelaza), a mianowicie krzemianu żelazowego .

Kute żelazo jest używane od dziesięcioleci jako ogólny termin w branży bram i ogrodzeń , mimo że do produkcji tych bram z „kutego żelaza” używana jest stal miękka . Wynika to głównie z ograniczonej dostępności prawdziwego kutego żelaza. Stal może być również cynkowana ogniowo , aby zapobiec korozji, czego nie można zrobić z kutego żelaza.

Zobacz też

Notatki

Dalsza lektura

Bealer, Alex W. (1995). Sztuka kowalstwa . Edison, NJ: Castle Books. s. 28–45. ISBN 0-7858-0395-5 .
Gordon, Robert B. (1996). Amerykańskie żelazo 1607–1900 . Baltimore i Londyn: Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-6816-5 .

Linki zewnętrzne

Media związane z kutym żelazem w Wikimedia Commons