Кованое железо

Кованое железо — это сплав железа с очень низким содержанием углерода (менее 0,08 %), получаемый путём кричного передела чугуна или прямого восстановления руды. Характеризуется волокнистой структурой, высокой пластичностью, ковкостью, свариваемостью и коррозионной стойкостью. В отличие от чугуна и стали, кованое железо не закаливается при быстром охлаждении и не образует мартенсита. Исторически являлось основным материалом для изготовления оружия, инструментов, архитектурных и декоративных элементов до начала массового производства стали.

История

Древний мир и Средневековье

Первые образцы кованого железа датируются III тысячелетием до н. э. и были получены в Малой Азии, Месопотамии и Египте. Технология сыродутного процесса (прямое восстановление железной руды древесным углём) позволяла получать пористую массу — крицу, которую затем проковывали для удаления шлаков и уплотнения металла. В Древнем Риме кованое железо использовалось для изготовления мечей, наконечников копий, строительных скоб и гвоздей. В Средневековье в Европе и на Руси кузнецы производили из него доспехи, сельскохозяйственные орудия (лемехи, серпы), подковы и ограды.

Кричный передел

С XV века в Европе получил распространение кричный передел — процесс получения кованого железа из чугуна. Чугун переплавляли в кричном горне, продувая воздух через расплав. Углерод выгорал, и образовывалась крица, которую проковывали. Этот метод позволил увеличить объёмы производства, так как чугун выплавляли в доменных печах в больших количествах. В России кричный передел активно применялся на уральских заводах в XVIII—XIX веках. Уральское железо, известное как «русское железо», славилось высоким качеством и экспортировалось в Европу и Америку.

Промышленная революция и вытеснение сталью

В середине XIX века английский инженер Генри Бессемер изобрёл конвертерный способ производства стали, что позволило получать сталь в больших объёмах и по более низкой цене. Позже появились мартеновский (1864) и томасовский (1878) процессы. Сталь, обладающая большей прочностью, твёрдостью и однородностью, быстро вытеснила кованое железо из машиностроения, строительства и военного дела. К началу XX века массовое производство кованого железа практически прекратилось. В настоящее время оно выпускается в небольших количествах для реставрационных работ, художественной ковки и изготовления некоторых специализированных инструментов.

Технология производства

Сыродутный процесс

Наиболее древний способ. В печи (сыродутном горне) загружают слоями железную руду и древесный уголь. При горении угля (температура около 1200—1300 °C) оксиды железа восстанавливаются до металлического железа. Получается рыхлая губчатая масса (крица), содержащая шлаки. Крицу извлекают, многократно нагревают и проковывают для удаления шлаков и уплотнения. Выход металла из руды невысок (до 30—40 %), но качество продукта — высокое.

Кричный передел

Чугун (содержащий 2—4 % углерода) переплавляют в кричном горне. В расплав подают воздух, углерод выгорает, и образуется крица кованого железа. Процесс требует высокой квалификации мастера, так как необходимо контролировать степень выгорания углерода. После проковки получается железо с содержанием углерода менее 0,08 %.

Пудлингование

Изобретённый в 1784 году Генри Кортом метод, при котором чугун переплавляют в отражательной печи (пудлинговой печи). Расплав перемешивают длинным ломом (пудлингование), что ускоряет выгорание углерода. Крица собирается в комья, которые затем проковывают. Пудлингование позволило получать кованое железо в больших объёмах, но требовало тяжёлого ручного труда.

Свойства

Химический состав

• Углерод: менее 0,08 % (обычно 0,02—0,05 %)
• Кремний: менее 0,1 %
• Марганец: менее 0,1 %
• Фосфор: менее 0,05 %
• Сера: менее 0,05 %
• Шлаковые включения: 1—3 % (в виде силикатов, алюмосиликатов)

Физические и механические свойства

• Плотность: 7,6—7,8 г/см³
• Температура плавления: около 1530 °C
• Предел прочности на разрыв: 200—350 МПа
• Относительное удлинение: 20—40 %
• Твёрдость по Бринеллю: 80—120 HB
• Хорошая свариваемость (кузнечная сварка)
• Высокая пластичность (легко куётся, гнётся, вытягивается)
• Низкая усталостная прочность
• Не закаливается (не образует мартенсит)

Коррозионная стойкость

Кованое железо благодаря низкому содержанию углерода и наличию шлаковых включений образует плотную плёнку оксидов (патину), которая замедляет дальнейшую коррозию. В отличие от стали, оно не подвержено межкристаллитной коррозии. Однако в агрессивных средах (кислоты, морская вода) разрушается.

Применение

Историческое

• Оружие: мечи, сабли, копья, кольчуги, латы
• Инструменты: молоты, топоры, ножи, лемехи, серпы
• Строительство: гвозди, скобы, цепи, якоря, решётки, ворота
• Архитектурные элементы: ограды, балконы, решётки, кованые ворота, светильники
• Транспорт: подковы, колёсные ободья, рельсы (первые железные дороги)

Современное

• Реставрация исторических зданий и сооружений (замена утраченных элементов)
• Художественная ковка: декоративные изделия (мебель, светильники, скульптуры, ограды)
• Производство некоторых специализированных инструментов (например, кузнечных молотков, зубил)
• Изготовление деталей для музыкальных инструментов (например, струн для фортепиано — в прошлом)

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая коррозионная стойкость (долговечность)
• Пластичность и ковкость (возможность создавать сложные формы)
• Свариваемость (кузнечная сварка)
• Эстетическая привлекательность (текстура, патина)
• Экологичность (производство без химических добавок)

Недостатки

• Низкая прочность по сравнению с современными сталями
• Низкая твёрдость (быстро изнашивается)
• Высокая трудоёмкость производства
• Невозможность закалки
• Наличие шлаковых включений, снижающих однородность

Интересные факты

• Эйфелева башня (Париж, 1889) построена из кованого железа (пудлингового железа). Общий вес металла — около 7300 тонн. Благодаря коррозионной стойкости кованого железа башня сохранилась до наших дней.
• Статуя Свободы (Нью-Йорк, 1886) имеет каркас из кованого железа, спроектированный Гюставом Эйфелем.
• Кованое железо использовалось для изготовления первых рельсов (например, на железной дороге Ливерпуль — Манчестер, 1830).
• В России в XVIII—XIX веках уральское кованое железо считалось одним из лучших в мире. Его экспортировали в Англию, Францию, США.
• В современной металлургии кованое железо иногда называют «сварочным железом» (wrought iron).

Источники

• «Металловедение и термическая обработка стали» — М. Л. Бернштейн, 1983
• «История металлургии железа» — В. И. Гуляев, 1975
• «Кузнечное ремесло» — А. Г. Навроцкий, 1988
• «Технология художественной ковки» — В. М. Шапиро, 2005
• «Энциклопедия металлов» — под ред. И. А. Одинга, 1962