Fier forjat - Wrought iron

Diverse exemple de fier forjat

Fierul forjat este un aliaj de fier cu un conținut foarte scăzut de carbon (mai puțin de 0,08%), spre deosebire de cel din fontă (2,1% până la 4%). Este o masă de fier semi-topită, cu incluziuni de zgură fibroasă (până la 2% din greutate), care îi conferă un „bob” asemănător lemnului, care este vizibil atunci când este gravat sau îndoit până la defect. Fierul forjat este dur, maleabil, ductil , rezistent la coroziune și ușor de sudat .

Înainte de dezvoltarea unor metode eficiente de fabricare a oțelului și disponibilitatea unor cantități mari de oțel, fierul forjat era cea mai comună formă de fier maleabil. I s-a dat numele forjat pentru că a fost ciocănit, rulat sau altfel lucrat în timp ce era suficient de fierbinte pentru a expulza zgura topită. Echivalentul funcțional modern al fierului forjat este oțelul blând , numit și oțel cu emisii reduse de carbon. Nici fierul forjat, nici oțelul blând nu conțin suficient carbon pentru a fi întărit prin încălzire și stingere.

Fierul forjat este foarte rafinat, cu o cantitate mică de zgură forjată în fibre. Se compune din aproximativ 99,4% fier în masă. Prezența zgurii este benefică pentru operațiile de fierar și conferă materialului structura sa fibroasă unică. Filamentele de silicat ale zgurii protejează și fierul de coroziune și diminuează efectul oboselii cauzate de șocuri și vibrații.

Din punct de vedere istoric, o cantitate modestă de fier forjat a fost rafinată în oțel , care a fost folosit în principal pentru a produce săbii , tacâmuri , dalte , topoare și alte unelte tivite, precum și arcuri și file. Cererea de fier forjat a atins apogeul în anii 1860, fiind foarte solicitată pentru navele de război ferate și pentru utilizarea căilor ferate . Cu toate acestea, pe măsură ce proprietățile precum fragilitatea oțelului ușor s-au îmbunătățit cu o metalurgie feroasă mai bună și oțelul devenind mai puțin costisitor datorită procesului Bessemer și procesului Siemens-Martin , utilizarea fierului forjat a scăzut.

Multe articole, înainte de a fi fabricate din oțel ușor , erau produse din fier forjat, inclusiv nituri , cuie , sârmă , lanțuri , șine , cuplaje de cale ferată , conducte de apă și abur , piulițe , șuruburi , potcoave , balustrade , cauciucuri pentru vagoane, curele pentru fermele de acoperiș din lemn și fierul ornamental , printre multe alte lucruri.

Fierul forjat nu mai este produs la scară comercială. Multe produse descrise ca fier forjat, cum ar fi șinele de protecție , mobilierul de grădină și porțile , sunt de fapt fabricate din oțel moale. Acestea păstrează această descriere deoarece sunt făcute să semene cu obiecte care în trecut erau prelucrate (lucrate) manual de către un fierar (deși multe obiecte decorative din fier, inclusiv garduri și porți, erau adesea turnate mai degrabă decât forjate).

Terminologie

Cuvântul „forjat” este un participat arhaic al verbului „a lucra”, așa că „fier forjat” înseamnă literalmente „fier prelucrat”. Fierul forjat este un termen general pentru marfa, dar este folosit și mai specific pentru produsele de fier finite, fabricate de un fierar . A fost folosit în acel sens mai restrâns în evidența vamală britanică , astfel de fier prelucrat era supus unui nivel mai ridicat al taxei decât ceea ce s-ar putea numi fierul "brut". Fonta , spre deosebire de fierul forjat, este fragilă și nu poate fi prelucrată nici la cald, nici la rece. Fonta se poate sparge dacă este lovită cu un ciocan.

În secolele XVII, XVIII și XIX, fierul forjat a trecut printr-o mare varietate de termeni în funcție de formă, origine sau calitate.

În timp ce procesul de înflorire a produs fier forjat direct din minereu, fonta sau fonta au fost materiile prime utilizate în cuptorul de fierărie și de furnal . Fonta brută și fonta au un conținut mai ridicat de carbon decât fierul forjat, dar au un punct de topire mai scăzut decât fierul sau oțelul. Fonta și mai ales fonta au exces de zgură care trebuie cel puțin parțial îndepărtată pentru a produce fier forjat de calitate. La turnătorii era obișnuit să amesteci fier vechi forjat cu fontă pentru a îmbunătăți proprietățile fizice ale pieselor turnate.

Câțiva ani după introducerea Bessemer și a oțelului cu focar deschis, au existat opinii diferite cu privire la diferențierea fierului de oțel; unii credeau că este compoziția chimică, iar alții că fierul se încălzește suficient pentru a se topi și a „fuziona”. Fuziunea a devenit în cele din urmă general acceptată ca fiind relativ mai importantă decât compoziția sub o anumită concentrație scăzută de carbon. O altă diferență este că oțelul poate fi întărit prin tratarea termică .

Din punct de vedere istoric, fierul forjat a fost cunoscut sub numele de „fier pur din punct de vedere comercial”, cu toate acestea, acesta nu se mai califică deoarece standardele actuale pentru fierul din punct de vedere comercial necesită un conținut de carbon mai mic de 0,008 % în greutate .

Tipuri și forme

Fierul cu bare este un termen generic folosit uneori pentru a-l distinge de fonta. Este echivalentul unui lingou de metal turnat, într-o formă convenabilă pentru manipulare, depozitare, expediere și prelucrare ulterioară într-un produs finit.

Barele erau produsul obișnuit al forjei de galerii , dar nu neapărat realizate prin acest proces.

  • Fierul cu tijă - tăiat din fierul plat cu bară într-o moară de tăiere a furnizat materia primă pentru țepi și cuie.
  • Fier de cerc - potrivit pentru cercurile de butoaie, realizate prin trecerea fierului de tijă prin matrițele de rulare.
  • Placă de fier - foi potrivite pentru a fi utilizate ca placă de cazan .
  • Placă neagră - foi , poate mai subțiri decât placa de fier, din etapa de rulare neagră a producției de tablă de tablă .
  • Fier de călătorie - fier de gheață plat îngust, fabricat sau tăiat în bare de o anumită greutate, o marfă de vânzare în Africa pentru comerțul cu sclavi din Atlantic . Numărul de bare pe tonă a crescut treptat de la 70 pe tonă în anii 1660 la 75-80 pe tonă în 1685 și „aproape de 92 la tonă” în 1731.

Origine

  • Fier cu cărbune - până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, fierul forjat a fost topit din minereu folosind cărbune, prin procesul de înflorire . Fierul forjat a fost produs și din fontă brută folosind o forjă de rafinărie sau într-o vatră din Lancashire . Metalul rezultat a fost foarte variabil, atât în ​​chimie, cât și în conținut de zgură.
  • Fierul bătut - procesul de bălțat a fost primul proces pe scară largă care a produs fier forjat. În procesul de budare, fonta este rafinată într-un cuptor reverberator pentru a preveni contaminarea fierului cu sulf din cărbune sau cocs. Fonta brută topită este agitată manual, expunând fierul la oxigenul atmosferic, care decarburează fierul. Pe măsură ce fierul este agitat, globurile de fier forjat sunt colectate în bile de tija de agitare (braț sau tijă de agitare) și acestea sunt îndepărtate periodic de către bălți. Puddlingul a fost brevetat în 1784 și a devenit utilizat pe scară largă după 1800. Până în 1876, producția anuală de fier puddled doar în Marea Britanie era de peste 4 milioane de tone. În acea perioadă, cuptorul deschis pentru vatră a reușit să producă oțel de calitate adecvată în scopuri structurale, iar producția de fier forjat a intrat în declin.
  • Fier de fier - o calitate deosebit de pură a fierului de fier fabricat în cele din urmă din minereu de fier din mina Dannemora din Suedia . Cea mai importantă utilizare a sa a fost ca materie primă pentru procesul de cimentare a oțelului.
  • Fierul Danks - inițial fierul a fost importat în Marea Britanie din Gdańsk , dar în secolul al XVIII-lea, probabil, felul de fier (din estul Suediei) care a venit odată din Gdańsk.
  • Fier de pădure - fier din pădurea engleză Dean , unde minereul de hematită a permis producerea fierului dur.
  • Lukes fier - fier importat din Liège , al cărui nume olandez este „Luik”.
  • Ames fier sau fier amys - o altă varietate de fier importată în Anglia din nordul Europei. S-a sugerat că originea sa este Amiens , dar se pare că a fost importată din Flandra în secolul al XV-lea și din Olanda mai târziu, sugerând o origine în valea Rinului . Originile sale rămân controversate.
  • Fier botolf sau fier Boutall - de la Bytów ( Pomerania Poloneză ) sau Bytom ( Silezia Poloneză ).
  • Sable fier (sau Old Sable) - fier care poartă marca (o zibelă ) a familiei Demidov a maeștrilor de fier ruși , una dintre cele mai bune mărci de fier rusesc .

Calitate

Fier dur
De asemenea, scris "tuf", nu este fragil și este suficient de puternic pentru a fi folosit pentru unelte.
Se amestecă fierul
Realizat folosind un amestec de diferite tipuri de fontă brută .
Cel mai bun fier
Fierul a trecut prin mai multe etape de îngrămădire și rulare pentru a ajunge la stadiul considerat (în secolul al XIX-lea) drept cea mai bună calitate.
Fier de bare marcat
Realizat de membri ai Asociației Baroului Marked și marcat cu marca producătorului ca semn al calității sale.

Defecte

Fierul forjat este o formă de fier comercial care conține mai puțin de 0,10% carbon, mai puțin de 0,25% impurități totale de sulf, fosfor, siliciu și mangan și mai puțin de 2% zgură în greutate.

Fierul forjat este scurt sau roșu fierbinte dacă conține sulf în cantitate excesivă. Are suficientă tenacitate la rece, dar se fisurează când este îndoit sau terminat la căldură roșie. Fierul scurt fierbinte era considerat de nevândut.

Fierul scurt la rece , cunoscut și sub numele de forfecare rece , colshire , conține fosfor excesiv. Este foarte fragil la rece și se fisurează dacă este îndoit. Cu toate acestea, poate fi lucrat la temperaturi ridicate. Din punct de vedere istoric, fierul scurt la rece a fost considerat suficient pentru unghii .

Fosforul nu este neapărat dăunător fierului. Fierarii antici din Orientul Apropiat nu adăugau var la cuptoarele lor. Absența oxidului de calciu în zgură și utilizarea deliberată a lemnului cu un conținut ridicat de fosfor în timpul topirii, induce un conținut mai mare de fosfor (de obicei <.3%) decât în ​​fierul modern (<.02-.03%). Analiza Pilonului de Fier din Delhi dă 0,11% în fier. Zgura inclusă în fierul forjat conferă, de asemenea, rezistență la coroziune.

Prezența fosforului (fără carbon) produce un fier ductil potrivit pentru tragerea sârmei pentru sârmă de pian .

Istorie

Lumea occidentală

Procesul de bălțire a topirii minereului de fier pentru fabricarea fierului forjat din fontă brută, ilustrat în enciclopedia Tiangong Kaiwu de Song Yingxing , publicat în 1637.

Fierul forjat a fost folosit de multe secole și este „fierul” la care se face referire de-a lungul istoriei occidentale. Cealaltă formă de fier, fonta , a fost utilizată în China încă din cele mai vechi timpuri, dar nu a fost introdusă în Europa de Vest până în secolul al XV-lea; chiar și atunci, datorită fragilității sale, ar putea fi folosit doar pentru un număr limitat de scopuri. Pe tot parcursul Evului Mediu, fierul a fost produs prin reducerea directă a minereului în florăriile acționate manual , deși puterea de apă începuse să fie folosită până în 1104.

Materia primă produsă prin toate procesele indirecte este fonta. Are un conținut ridicat de carbon și, în consecință, este fragil și nu ar putea fi folosit pentru a produce hardware. Procesul osmond a fost primul dintre procesele indirecte, dezvoltat până în 1203, dar producția de flori a continuat în multe locuri. Procesul a depins de dezvoltarea furnalului, dintre care au fost descoperite exemple medievale la Lapphyttan , Suedia și Germania .

Procesele de înflorire și osmond au fost înlocuite treptat începând cu secolul al XV-lea de procese de înfrumusețare , dintre care au existat două versiuni, cea germană și valona. La rândul lor, acestea au fost înlocuite de la sfârșitul secolului al XVIII-lea prin budare , cu anumite variante, cum ar fi procesul suedez Lancashire . Și acestea sunt acum învechite, iar fierul forjat nu mai este fabricat comercial.

China

În timpul dinastiei Han, noile procese de topire a fierului au condus la fabricarea de noi instrumente de fier forjat pentru utilizare în agricultură, cum ar fi semănătoarea cu mai multe tuburi și plugul de fier . În plus față de bulgări accidentale de fier forjat cu emisii reduse de carbon produse de aerul injectat excesiv în cuptoarele cupolei antice chinezești . Vechii chinezi au creat fier forjat folosind forja de tencuială cel puțin până în secolul al II-lea î.Hr., primele exemplare de fontă și fontă amendate în fier forjat și oțel găsite la începutul dinastiei Han (202 î.Hr. - 220 d.Hr.) la Tieshengguo. Pigott speculează că forja de galerii a existat în perioada anterioară a Statelor Războinice (403-221 î.Hr.), datorită faptului că există articole din fier forjat din China care datează din acea perioadă și nu există dovezi documentate ale florilor folosite vreodată în China. . Procesul de finisare a implicat lichidarea fontei într-o vatră de finisare și îndepărtarea carbonului din fonta topită prin oxidare . Wagner scrie că, pe lângă vetrele dinastiei Han, despre care se crede că acționează vetre, există și dovezi picturale ale vetrei de amendare dintr-o pictură murală a mormântului Shandong datată din secolele I-II d.Hr., precum și un indiciu de dovezi scrise în secolul al IV-lea d.Hr. Text daoist Taiping Jing .

Procesul de înflorire

Fierul forjat a fost produs inițial printr-o varietate de procese de topire, toate descrise astăzi drept „flori”. Diferite forme de înflorire au fost folosite în locuri și momente diferite. Înflorirea a fost încărcată cu cărbune și minereu de fier și apoi a fost aprinsă. Aerul a fost suflat printr-un tuyere pentru a încălzi florile la o temperatură ceva mai mică decât punctul de topire al fierului. În cursul topirii, zgura se topea și se epuiza, iar monoxidul de carbon din cărbune ar reduce minereul în fier, care a format o masă spongioasă (numită „floare”) care conține fier și, de asemenea, minerale silicatate topite (zgură) din minereul. Fierul a rămas în stare solidă. Dacă înflorirea ar fi lăsată să fie suficient de fierbinte pentru a topi fierul, carbonul s-ar dizolva în el și ar forma porc sau fontă, dar asta nu a fost intenția. Cu toate acestea, proiectarea unei infloriri a făcut dificilă atingerea punctului de topire a fierului și, de asemenea, a împiedicat concentrația de monoxid de carbon să devină ridicată.

După ce topirea a fost completă, floarea a fost îndepărtată și procesul a putut fi reluat. A fost astfel un proces discontinuu, mai degrabă decât unul continuu, cum ar fi un furnal. Floarea a trebuit să fie forjată mecanic pentru a o consolida și a o forma într-o bară, eliminând zgura în acest proces.

În timpul Evului Mediu , puterea apei a fost aplicată procesului, probabil inițial pentru alimentarea burdufului și abia mai târziu la ciocanele pentru forjarea florilor. Cu toate acestea, deși este sigur că s-a folosit puterea apei, detaliile rămân incerte. Acesta a fost punctul culminant al procesului direct de fabricare a fierului. A supraviețuit în Spania și sudul Franței sub denumirea de Forges Catalane la mijlocul secolului al XIX-lea, în Austria ca blocat până în 1775 și lângă Garstang în Anglia până în jurul anului 1770; era încă în uz cu explozia fierbinte din New York în anii 1880. În Japonia , ultimele flori vechi de tatara utilizate în producția de oțel tradițional tamahagane , utilizate în principal în fabricarea sabiei, au fost stinse abia în 1925, deși la sfârșitul secolului al XX-lea producția a fost reluată la scară mică pentru a furniza oțelul fabricanților artizanali de sabie.

Procesul Osmond

Fierul Osmond consta din bile de fier forjat, produse prin topirea fontei brute și prin prinderea picăturilor pe un toiag, care a fost învârtit în fața unei explozii de aer, astfel încât să expună cât mai mult din el posibil aerului și să-i oxideze conținutul de carbon . Mingea rezultată a fost adesea forjată în fier de călcat într-o moară cu ciocan.

Proces de rafinat

În secolul al XV-lea, furnalul s-a răspândit în ceea ce este acum Belgia, unde a fost îmbunătățit. De acolo, s-a răspândit prin Pays de Bray la granița Normandiei și apoi la Weald din Anglia. Odată cu aceasta, forja de podoabe s-a răspândit. Aceștia au retopit fonta și (de fapt) au ars carbonul, producând o floare, care a fost apoi forjată într-un fier de călcat. Dacă a fost necesară fierul cu tijă, a fost utilizată o moară de tăiere.

Procesul de frumusețe a existat în două forme ușor diferite. În Marea Britanie, Franța și părți din Suedia, a fost utilizat doar procesul valon . Aceasta a folosit două vetre diferite, o vatră de finisaj pentru finisarea fierului de călcat și o vatră de șlefuit pentru reîncălzirea acestuia în timpul extragerii florii într-un bar. Fineria a ars întotdeauna cărbune, dar șlefuirea ar putea fi arsă cu cărbune mineral , deoarece impuritățile sale nu ar dăuna fierului atunci când era în stare solidă. Pe de altă parte, procesul german, utilizat în Germania, Rusia și cea mai mare parte a Suediei a folosit o singură vatră pentru toate etapele.

Introducerea cocsului pentru utilizarea în furnal de către Abraham Darby în 1709 (sau poate altele puțin mai devreme) a avut inițial un efect redus asupra producției de fier forjat. Abia în anii 1750 s-a folosit fonta de cocs pe o scară semnificativă ca materie primă a forjelor de rafinărie. Cu toate acestea, cărbunele a continuat să fie combustibilul pentru galerii.

Împletirea și ștanțarea

De la sfârșitul anilor 1750, mașinii de fier au început să dezvolte procese pentru fabricarea fierului fără bare de cărbune. A existat o serie de procese brevetate pentru aceasta, care sunt denumite astăzi drept ghiveci și ștanțare . Cele mai vechi au fost dezvoltate de John Wood din Wednesdaybury și fratele său Charles Wood de la Low Mill la Egremont , brevetat în 1763. Un altul a fost dezvoltat pentru compania Coalbrookdale de către frații Cranage . Un alt lucru important a fost cel al lui John Wright și Joseph Jesson din West Bromwich .

Procesul de budare

Desen schematic al unui cuptor de budare

O serie de procese pentru fabricarea fierului forjat fără cărbune au fost concepute pe măsură ce Revoluția Industrială a început în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea. Cel mai de succes dintre acestea a fost bălțitul, folosind un cuptor de bălțat (o varietate a cuptorului reverberator ), care a fost inventat de Henry Cort în 1784. Ulterior a fost îmbunătățit de alții, inclusiv de Joseph Hall , care a fost primul care a adăugat oxid de fier încărca. În acel tip de cuptor, metalul nu intră în contact cu combustibilul și, prin urmare, nu este contaminat de impuritățile sale. Căldura produselor de ardere trece peste suprafața bălții și acoperișul cuptorului reverberează (reflectă) căldura pe baltă metalică de pe puntea de foc a cuptorului.

Cu excepția cazului în care materia primă utilizată este fontă albă, fonta sau alt produs brut al bălții a trebuit mai întâi să fie rafinat în fier rafinat sau metal mai fin. Acest lucru s-ar face într-o rafinărie în care cărbunele brut a fost folosit pentru a îndepărta siliciul și a transforma carbonul din materia primă, găsită sub formă de grafit, într-o combinație cu fierul numit cementită.

În procesul complet dezvoltat (al lui Hall), acest metal a fost plasat în vatra cuptorului de budare unde a fost topit. Vatra a fost căptușită cu agenți de oxidare, cum ar fi hematita și oxidul de fier. Amestecul a fost supus unui curent puternic de aer și a fost agitat cu bare lungi, numite bare sau bălți, prin ușile de lucru. Aerul, agitarea și acțiunea de „fierbere” a metalului au ajutat agenții oxidanți să oxideze impuritățile și carbonul din fonta brută. Pe măsură ce impuritățile se oxidează, au format o zgură topită sau s-au îndepărtat sub formă de gaz în timp ce fierul de reținere s-a solidificat în fier forjat spongios care a plutit până la vârful bălții și a fost pescuit din topitură ca bile de baltă folosind bare de baltă.

Șindrilă

În bilele bălții mai rămăseseră niște zgură, așa că, în timp ce erau încă fierbinți, vor fi șindrilă pentru a îndepărta zgura și cenușa rămasă. Acest lucru a fost realizat prin forjarea bilelor sub un ciocan sau prin strângerea florii într-o mașină. Materialul obținut la sfârșitul șindrilului este cunoscut sub numele de floare. Florile nu sunt utile în această formă, așa că au fost laminate într-un produs final.

Uneori, fierăria europeană ar sări complet procesul de șindrilă și arunca bilele bălții. Singurul dezavantaj este că marginile barelor aspre nu erau la fel de bine comprimate. Când bara dură a fost reîncălzită, marginile se pot separa și se pot pierde în cuptor.

Rulare

Floarea a fost trecută prin role și pentru a produce bare. Barele de fier forjat erau de proastă calitate, numite bare de baltă sau bare de baltă. Pentru a-și îmbunătăți calitatea, barele au fost tăiate, îngrămădite și legate între ele prin fire, un proces cunoscut sub numele de faggoting sau piling. Au fost apoi reîncălzite la o stare de sudare, forjate sudate și laminate din nou în bare. Procesul ar putea fi repetat de mai multe ori pentru a produce fier forjat de calitatea dorită. Fierul forjat care a fost rulat de mai multe ori se numește bare comerciale sau fier comerciant.

Procesul Lancashire

Avantajul bălții a fost că a folosit cărbune, nu cărbune ca combustibil. Cu toate acestea, acest lucru a avut un avantaj redus în Suedia, căreia îi lipsea cărbunele. Gustaf Ekman a observat la Ulverston galerii de cărbune , care erau destul de diferite de oricare din Suedia. După întoarcerea sa în Suedia, în anii 1830, el a experimentat și a dezvoltat un proces similar cu bălțiul, dar a folosit lemn de foc și cărbune, care a fost adoptat pe scară largă în Bergslagen în deceniile următoare.

Procesul Aston

În 1925, James Aston din Statele Unite a dezvoltat un proces pentru fabricarea fierului forjat rapid și economic. A implicat preluarea oțelului topit dintr-un convertor Bessemer și turnarea acestuia în zgură lichidă mai rece. Temperatura oțelului este de aproximativ 1500 ° C și zgura lichidă este menținută la aproximativ 1200 ° C. Oțelul topit conține o cantitate mare de gaze dizolvate, astfel încât atunci când oțelul lichid a lovit suprafețele mai reci ale zgurii lichide, gazele au fost eliberate. Oțelul topit apoi a înghețat pentru a produce o masă spongioasă având o temperatură de aproximativ 1370 ° C. Masa spongioasă ar fi apoi terminată fiind șindrilă și laminate descrise la persaj ( de mai sus). Trei până la patru tone pot fi convertite pe lot cu această metodă.

Declin

Oțelul a început să înlocuiască fierul pentru șinele de cale ferată de îndată ce a fost adoptat procesul Bessemer pentru fabricarea sa (1865). Fierul a rămas dominant pentru aplicații structurale până în anii 1880, din cauza problemelor cu oțelul fragil, cauzate de azotul introdus, carbon ridicat, excesul de fosfor sau temperatura excesivă în timpul rulării sau prea rapidă. Până în 1890, oțelul înlocuise în mare măsură fierul pentru aplicații structurale.

Foaia de fier (Armco 99,97% fier pur) avea proprietăți bune pentru utilizarea în aparate, fiind potrivită pentru emailare și sudare și fiind rezistentă la rugină.

În anii 1960, prețul producției de oțel scădea din cauza reciclării și chiar folosind procesul Aston, producția de fier forjat a fost intensivă în muncă. S-a estimat că producția de fier forjat este de aproximativ două ori mai scumpă decât cea a oțelului cu emisii reduse de carbon. În Statele Unite, ultima fabrică s-a închis în 1969. Ultima din lume a fost Atlas Forge a lui Thomas Walmsley and Sons din Bolton , Marea Britanie, care s-a închis în 1973. Echipamentele sale din anii 1860 au fost mutate pe locul Blists Hill din Ironbridge Gorge Museum pentru conservare. Unele fier forjat sunt încă produse în scopul restaurării patrimoniului, dar numai prin reciclarea resturilor.

Proprietăți

Microstructura fierului forjat, care prezintă incluziuni de zgură întunecată în ferită

Incluziunile de zgură sau șnururile din fier forjat îi conferă proprietăți care nu se regăsesc în alte forme de metal feros. Există aproximativ 250.000 de incluziuni pe inch pătrat. O fractură proaspătă prezintă o culoare albăstruie clară, cu un luciu matasos ridicat și aspect fibros.

Fierului forjat îi lipsește conținutul de carbon necesar pentru întărire prin tratament termic , dar în zonele în care oțelul era mai puțin frecvent sau necunoscut, uneltele erau uneori prelucrate la rece (deci fier rece ) pentru a le întări. Un avantaj al conținutului său redus de carbon este sudabilitatea excelentă. Mai mult, tablă de fier forjat nu se poate îndoi la fel de mult ca tablă de oțel (atunci când lucrat la rece). Fierul forjat poate fi topit și turnat, totuși produsul nu mai este fier forjat, deoarece șnururile de zgură caracteristice fierului forjat dispar la topire, astfel încât produsul seamănă cu oțelul Bessemer turnat impur. Nu există nici un avantaj tehnic în comparație cu fonta sau oțelul, ambele fiind mai ieftine.

Datorită variațiilor în originea minereului de fier și fabricarea fierului, fierul forjat poate fi inferior sau superior în rezistența la coroziune în comparație cu alte aliaje de fier. Există multe mecanisme în spatele acestei rezistențe la coroziune. Chilton și Evans au descoperit că benzile de îmbogățire a nichelului reduc coroziunea. Ei au descoperit, de asemenea, că în fierul bălțuit, forjat și îngrămădit, prelucrarea metalului răspândea impurități de cupru, nichel și staniu, ceea ce produce condiții electrochimice care încetinesc coroziunea. Incluziunile de zgură s-au dovedit a dispersa coroziunea într-o peliculă uniformă, permițând fierului să reziste la picături. Un alt studiu a arătat că incluziunile de zgură sunt căi spre coroziune. Alte studii arată că impuritățile de sulf din fierul forjat scad rezistența la coroziune, dar fosforul crește rezistența la coroziune. Mediile cu o concentrație mare de ioni clorură scad, de asemenea, rezistența la coroziune a fierului forjat.

Fierul forjat poate fi sudat în același mod ca oțelul slab, dar prezența oxidului sau a incluziunilor va da rezultate defecte. Materialul are o suprafață rugoasă, astfel încât să poată ține mai bine placările și acoperirile. De exemplu, un finisaj zincat galvanic aplicat fierului forjat este cu aproximativ 25-40% mai gros decât același finisaj pe oțel. În tabelul 1, compoziția chimică a fierului forjat este comparată cu cea a fontei brute și a oțelului carbon . Deși se pare că fierul forjat și oțelul carbon simplu au compoziții chimice similare, acest lucru este înșelător. Majoritatea manganului, sulfului, fosforului și siliciului sunt încorporate în fibrele de zgură prezente în fierul forjat, astfel încât, într-adevăr, fierul forjat este mai pur decât oțelul carbon simplu.

Tabelul 1: Comparația compoziției chimice a fontei brute, a oțelului carbon simplu și a fierului forjat
Material Fier Carbon Mangan Sulf Fosfor Siliciu
Fontă 91-94 3.5–4.5 0,5–2,5 0,018-0,1 0,03-0,1 0,25–3,5
Otel carbon 98,1–99,5 0,07-1,3 0,3–1,0 0,02-0,06 0,002–0,1 0,005-0,5
Fier forjat 99–99,8 0,05-0,25 0,01-0,1 0,02-0,1 0,05-0,2 0,02-0,2
Toate unitățile au greutate procentuală.
Sursă:
Tabelul 2: Proprietățile fierului forjat
Proprietate Valoare
Rezistență maximă la tracțiune [psi (MPa)] 34.000-54.000 (234-372)
Rezistență maximă la compresie [psi (MPa)] 34.000-54.000 (234-372)
Rezistență maximă la forfecare [psi (MPa)] 28.000–45.000 (193–310)
Punct de randament [psi (MPa)] 23.000–32.000 (159–221)
Modul de elasticitate (în tensiune) [psi (MPa)] 28.000.000 (193.100)
Punct de topire [° F (° C)] 2.800 (1.540)
Gravitație specifică 7.6-7.9
7.5–7.8

Printre celelalte proprietăți ale sale, fierul forjat devine moale la căldură roșie și poate fi ușor forjat și sudat prin forjare . Poate fi folosit pentru a forma magneți temporari , dar nu poate fi magnetizat permanent și este ductil , maleabil și dur .

Ductilitate

În majoritatea scopurilor, ductilitatea este o măsură mai importantă a calității fierului forjat decât rezistența la tracțiune. În testarea la tracțiune, cele mai bune fiare de călcat pot suferi o alungire considerabilă înainte de eșec. Fierul forjat cu tracțiune mai mare este fragil.

Datorită numărului mare de explozii ale cazanelor de pe bărcile cu aburi, Congresul SUA a adoptat o legislație în 1830 care a aprobat fonduri pentru corectarea problemei. Trezoreria a acordat un contract de 1500 USD Institutului Franklin pentru efectuarea unui studiu. Ca parte a studiului, Walter R. Johnson și Benjamin Reeves au efectuat teste de rezistență pe diverse fier de fier cazan folosind un tester pe care l-au construit în 1832 pe baza proiectării unuia de către Lagerhjelm în Suedia. Din păcate, din cauza neînțelegerii rezistenței la tracțiune și a ductilității, munca lor a făcut puțin pentru a reduce defecțiunile.

Importanța ductilității a fost recunoscută de unii foarte devreme în dezvoltarea cazanelor cu tuburi, cum ar fi comentariul lui Thurston:

Dacă ar fi făcute dintr-un fier atât de bun pe care producătorii au pretins că l-au pus în ele „care funcționează ca plumbul”, așa cum s-a susținut, atunci când s-ar rupe, s-ar deschide prin rupere și le-ar descărca conținutul fără a produce consecințele dezastruoase obișnuite ale unei explozii a cazanului. .

Diverse investigații din secolul al XIX-lea privind exploziile cazanelor, în special cele efectuate de companiile de asigurări, au constatat că cauzele sunt cel mai frecvent rezultatul funcționării cazanelor peste intervalul de presiune sigură, fie pentru a obține mai multă putere, fie din cauza supapelor de siguranță defectuoase ale cazanului și a dificultăților de a obține fiabilitate indicarea presiunii și a nivelului apei. Fabricarea slabă a fost, de asemenea, o problemă obișnuită. De asemenea, grosimea fierului din tamburele cu aburi era scăzută conform standardelor moderne.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, când metalurgienii au reușit să înțeleagă mai bine ce proprietăți și procese au făcut fierul bun, acesta a fost înlocuit de oțel. De asemenea, cazanele cilindrice vechi cu tuburi de incendiu au fost deplasate de cazane cu tuburi de apă, care sunt inerent mai sigure.

Puritate

În 2010, dr. Gerry McDonnell a demonstrat în Anglia, prin analize, că o floare de fier forjat, dintr-un topit tradițional, ar putea fi transformată în 99,7% fier pur, fără dovezi de carbon. S-a constatat că șireturile comune altor fieruri de forjat nu erau prezente, făcându-l astfel foarte maleabil pentru fierar să lucreze la cald și la rece. O sursă comercială de fier pur este disponibilă și este utilizată de fierari ca alternativă la fierul forjat tradițional și alte metale feroase de nouă generație.

Aplicații

Mobilierul din fier forjat are o istorie lungă, datând din epoca romană . Există porți din fier forjat din secolul al XIII-lea în Abația Westminster din Londra, iar mobilierul din fier forjat părea să-și atingă popularitatea maximă în Marea Britanie în secolul al XVII-lea, în timpul domniei lui William al III-lea și Maria a II-a . Cu toate acestea, fonta și oțelul mai ieftin au cauzat o scădere treptată a fabricării fierului forjat; ultima fabrică de fier forjat din Marea Britanie s-a închis în 1974.

Este , de asemenea , folosit pentru a face elemente de decor acasă , cum ar fi rack - uri de brutărie , rafturi de vin , rafturi oală , etageres , baze de masă, birouri, porți, paturi, sfesnice, tije cortina, baruri și scaune de bar.

Marea majoritate a fierului forjat disponibil astăzi provine din materiale recuperate. Podurile vechi și lanțurile de ancorare dragate din porturi sunt surse majore. Rezistența mai mare la coroziune a fierului forjat se datorează impurităților silicioase (care apar în mod natural în minereul de fier), și anume silicatul feric .

Fierul forjat a fost folosit de zeci de ani ca termen generic în toată poarta și industria de garduri , chiar dacă oțelul blând este utilizat pentru fabricarea acestor porți de "fier forjat". Acest lucru se datorează în principal disponibilității limitate a fierului forjat adevărat. Oțelul poate fi, de asemenea , zincat la cald pentru a preveni coroziunea, care nu se poate face cu fierul forjat.

Vezi si

Note

Referințe

Lecturi suplimentare

  • Bealer, Alex W. (1995). Arta fierarului . Edison, NJ: Castle Books. pp. 28-45. ISBN 0-7858-0395-5.
  • Gordon, Robert B (1996). American Iron 1607–1900 . Baltimore și Londra: Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-6816-5.

linkuri externe