Σφυρήλατος σίδηρος

Διάφορα παραδείγματα σφυρηλατημένου σίδηρου

Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι ένα κράμα σιδήρου με πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (λιγότερο από 0,08%) σε αντίθεση με αυτό του χυτοσιδήρου (2,1% έως 4%). Είναι μια ημι-συντηγμένη μάζα σιδήρου με εγκλείσματα ινώδους σκωρίας (έως 2% κατά βάρος), που της δίνουν ένα "κόκκο" που μοιάζει με ξύλο που είναι ορατός όταν είναι χαραγμένο, σκουριασμένο ή λυγισμένο μέχρι αστοχίας. Το σφυρήλατο σίδερο είναι σκληρό, εύπλαστο, όλκιμο, ανθεκτικό στη διάβρωση και συγκολλάται εύκολα, αλλά είναι πιο δύσκολο να συγκολληθεί ηλεκτρικά.

Πριν από την ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων χαλυβουργίας και τη διαθεσιμότητα μεγάλων ποσοτήτων χάλυβα, ο σφυρήλατος σίδηρος ήταν η πιο κοινή μορφή ελατού σιδήρου. Του δόθηκε το όνομα σφυρήλατο επειδή σφυρηλατήθηκε, κυλίονταν ή κατεργαζόταν με άλλο τρόπο όσο ήταν αρκετά ζεστό ώστε να αποβάλλει τη λιωμένη σκωρία. Το σύγχρονο λειτουργικό ισοδύναμο του σφυρήλατος σιδήρου είναι ο μαλακός χάλυβας, που ονομάζεται επίσης χάλυβας χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Ούτε ο σφυρήλατος σίδηρος ούτε ο μαλακός χάλυβας περιέχουν αρκετό άνθρακα για να σκληρυνθούν με θέρμανση και σβήσιμο. [1]

Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι εξαιρετικά κατεργασμένος (καθαρισμένος από προσμίξεις), με μια μικρή ποσότητα πυριτικής σκωρίας σφυρηλατημένη σε ίνες. Περιλαμβάνει περίπου 99,4% σίδηρο κατά μάζα. [2] Η παρουσία σκωρίας μπορεί να είναι ευεργετική για εργασίες σιδηρουργίας, όπως η συγκόλληση με σφυρηλάτηση, καθώς τα πυριτικά εγκλείσματα λειτουργούν ως ροή και δίνουν στο υλικό τη μοναδική, ινώδη δομή του. [3] Τα πυριτικά νημάτια στη σκωρία προστατεύουν επίσης το σίδηρο από τη διάβρωση και μειώνουν την επίδραση της κόπωσης που προκαλείται από κραδασμούς και κραδασμούς. [4]

Ιστορικά, μια μέτρια ποσότητα σφυρήλατος σιδήρου κατεργάστηκε σε χάλυβα, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την παραγωγή ξίφη, μαχαιροπίρουνα, σμίλες, τσεκούρια και άλλα εργαλεία με άκρα, καθώς και ελατήρια και λίμες. Η ζήτηση για σφυρήλατο σίδηρο έφτασε στο αποκορύφωμά της τη δεκαετία του 1860, έχοντας μεγάλη ζήτηση για σιδερένια πολεμικά πλοία και χρήση σιδηροδρόμων. Ωστόσο, καθώς ιδιότητες όπως η ευθραυστότητα του μαλακού χάλυβα βελτιώθηκαν με καλύτερη σιδηρούχα μεταλλουργία και καθώς ο χάλυβας έγινε λιγότερο δαπανηρός χάρη στη διαδικασία Bessemer και τη διαδικασία Siemens-Martin, η χρήση σφυρήλατος σιδήρου μειώθηκε.

Πολλά είδη, προτού κατασκευάζονται από μαλακό χάλυβα, κατασκευάζονταν από σφυρήλατο σίδηρο, όπως πριτσίνια, καρφιά, σύρμα, αλυσίδες, σιδηροτροχιές, σιδηροδρομικοί σύνδεσμοι, σωλήνες νερού και ατμού, παξιμάδια, μπουλόνια, πέταλα, κιγκλιδώματα, ελαστικά βαγονιών, ιμάντες για ξύλινα ζευκτά στέγης, και διακοσμητικές σιδεριές, μεταξύ πολλών άλλων. [5]

Ο σφυρήλατος σίδηρος δεν παράγεται πλέον σε εμπορική κλίμακα. Πολλά προϊόντα που περιγράφονται ως σφυρήλατο σίδερο, όπως προστατευτικά κιγκλιδώματα, έπιπλα κήπου [6] και πύλες είναι κατασκευασμένα από μαλακό χάλυβα. Διατηρούν αυτή την περιγραφή, επειδή είναι φτιαγμένα για να μοιάζουν με αντικείμενα που στο παρελθόν τα επεξεργαζόταν (δουλεύονταν) στο χέρι ένας σιδηρουργός (αν και πολλά διακοσμητικά σιδερένια αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων των περιφράξεων και των πυλών, συχνά χυτεύονταν παρά σφυρήλατα). [7]

Ορολογία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η λέξη «σφυρήλατος» < σφῦρα + ἐλαύνω, μέταλλο που έχει υποστεί κατεργασία με σφυρηλάτηση.[1] Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι ένας γενικός όρος για το εμπόρευμα, αλλά χρησιμοποιείται επίσης πιο συγκεκριμένα για τα τελικά προϊόντα σιδήρου, όπως κατασκευάζονται από έναν σιδηρουργό. Ο χυτοσίδηρος, σε αντίθεση με τον σφυρήλατο σίδηρο, είναι εύθραυστος και δεν μπορεί να κατεργαστεί είτε ζεστό είτε κρύο. Ο χυτοσίδηρος μπορεί να σπάσει αν χτυπηθεί με σφυρί.

Ποιότητα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Σκληρό σίδερο
Δεν είναι εύθραυστο και είναι αρκετά δυνατό για να χρησιμοποιηθεί για εργαλεία.
Ανάμειξη σιδήρου
Κατασκευασμένο με μείγμα διαφορετικών τύπων χυτοσιδήρου.
Το καλύτερο σίδερο
Ο σίδηρος πέρασε από πολλά στάδια στοίβαξης και έλασης για να φτάσει στη φάση που θεωρήθηκε (τον 19ο αιώνα) ως η καλύτερη ποιότητα.
Σίδερο με σήμανση
Φτιαγμένο από μέλη του Σημειωμένου Δικηγορικού Συλλόγου και επισημασμένο με το σήμα του κατασκευαστή ως ένδειξη της ποιότητάς του.

Ελαττώματα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι μια μορφή εμπορικού σιδήρου που περιέχει λιγότερο από 0,10% άνθρακα, λιγότερο από 0,25% των συνολικών ακαθαρσιών σε θείο, φώσφορο, πυρίτιο και μαγγάνιο και λιγότερο από 2% σκωρία κατά βάρος. [8]

Η παρουσία φωσφόρου (χωρίς άνθρακα) παράγει ένα όλκιμο σίδηρο κατάλληλο για σύρμα πιάνου. [9]

Η διαδικασία λίπανσης της τήξης σιδηρομεταλλεύματος για την παραγωγή σφυρήλατος σιδήρου από χυτοσίδηρο, που απεικονίζεται στην εγκυκλοπαίδεια Tiangong Kaiwu από τον Song Yingxing, που δημοσιεύτηκε το 1637.

Το σφυρήλατο σίδερο χρησιμοποιείται εδώ και πολλούς αιώνες, και είναι το «σίδερο» που αναφέρεται σε όλη τη δυτική ιστορία. Η άλλη μορφή σιδήρου, ο χυτοσίδηρος, ήταν σε χρήση στην Κίνα από την αρχαιότητα, αλλά δεν εισήχθη στη Δυτική Ευρώπη μέχρι τον 15ο αιώνα. Ακόμη και τότε, λόγω της ευθραυστότητάς του, μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνο για περιορισμένο αριθμό σκοπών. Στη μεγαλύτερη διάρκεια του Μεσαίωνα, ο σίδηρος παρήχθη από την άμεση αναγωγή του μεταλλεύματος σε χειροκίνητα ανθοφόρα, αν και η υδραυλική ενέργεια είχε αρχίσει να χρησιμοποιείται από το 1104. [10]

Η πρώτη ύλη που παράγεται με όλες τις έμμεσες διαδικασίες είναι ο χυτοσίδηρος. Έχει υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, συνεπώς είναι εύθραυστος και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή υλικού. Η διαδικασία του osmond ήταν η πρώτη από τις έμμεσες διαδικασίες, που αναπτύχθηκε μέχρι το 1203, αλλά η ανθισμένη παραγωγή συνεχίστηκε σε πολλά μέρη. Η διαδικασία εξαρτιόταν από την ανάπτυξη της υψικάμινου, μεσαιωνικά παραδείγματα της οποίας έχουν ανακαλυφθεί στο Lappyttan της Σουηδίας και στη Γερμανία.

Διαδικασία οsmond

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο σίδηρος οsmond αποτελούταν από σφυρήλατο σίδηρο, που παράγεται από την τήξη του χυτοσιδήρου και τη σύλληψη των σταγονιδίων σε ένα ραβδί, το οποίο περιστρεφόταν μπροστά από μια έκρηξη αέρα, ώστε να εκτεθεί όσο το δυνατόν περισσότερο στον αέρα και να οξειδωθεί η περιεκτικότητά του σε άνθρακα. . [11] Η προκύπτουσα σφαίρα σφυρηλατήθηκε συχνά σε ράβδο σιδήρου σε σφυρόμυλο.

Πτώση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ο χάλυβας άρχισε να αντικαθιστά τον σίδηρο για τις σιδηροτροχιές αμέσως μόλις υιοθετήθηκε η διαδικασία Bessemer για την κατασκευή του (1865). Ο σίδηρος παρέμεινε κυρίαρχος για δομικές εφαρμογές μέχρι τη δεκαετία του 1880, λόγω προβλημάτων με εύθραυστο χάλυβα, που προκλήθηκαν από το εισαγόμενο άζωτο, τον υψηλό άνθρακα, την περίσσεια φωσφόρου ή την υπερβολική θερμοκρασία κατά τη διάρκεια ή την πολύ γρήγορη έλαση. [12] Μέχρι το 1890 ο χάλυβας είχε αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τον σίδηρο για δομικές εφαρμογές.

Ιδιότητες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Η μικροδομή του σφυρήλατου σιδήρου, που εμφανίζει εγκλείσματα σκοτεινής σκωρίας στον φερρίτη

Τα εγκλείσματα σκωρίας, ή οι χορδές, στον σφυρήλατο σίδηρο του δίνουν ιδιότητες που δε βρίσκονται σε άλλες μορφές σιδηρούχων μετάλλων. Υπάρχουν περίπου 250.000 εγκλείσματα ανά τετραγωνική ίντσα (635.000 ανά τετραγωνικό εκατοστό). Ένα φρέσκο κάταγμα δείχνει ένα καθαρό γαλαζωπό χρώμα με υψηλή μεταξένια λάμψη και ινώδη εμφάνιση.

Ο σφυρήλατος σίδηρος στερείται της απαραίτητης περιεκτικότητας σε άνθρακα για τη σκλήρυνση μέσω θερμικής επεξεργασίας, αλλά σε περιοχές όπου ο χάλυβας ήταν ασυνήθιστος ή άγνωστος, τα εργαλεία μερικές φορές δεν κατεργάζονταν σε υψηλή θερμοκρασία (εν ψυχρώ) (εξού και ψυχρός σίδηρος) για να σκληρυνθούν.  Ένα πλεονέκτημα της χαμηλής περιεκτικότητάς του σε άνθρακα είναι η εξαιρετική του ικανότητα συγκόλλησης. Επιπλέον, ο λαμαρίνας σφυρήλατος σίδηρος δεν μπορεί να λυγίσει τόσο πολύ όσο η λαμαρίνα χάλυβα όταν δουλεύεται εν ψυχρώ. [13] [14] Ο σφυρήλατος σίδηρος μπορεί να λιώσει και να χυτευτεί, ωστόσο το προϊόν δεν είναι πλέον σφυρήλατος σίδηρος, καθώς οι χορδές σκωρίας που είναι χαρακτηριστικοί του σφυρηλατημένου σιδήρου εξαφανίζονται κατά την τήξη, έτσι το προϊόν μοιάζει με ακάθαρτο, χυτό χάλυβα Bessemer. Δεν υπάρχει κανένα πλεονέκτημα μηχανικής σε σύγκριση με τον χυτοσίδηρο ή τον χάλυβα, τα οποία είναι και τα δύο φθηνότερα. [15] [16]

Ο σφυρήλατος σίδηρος μπορεί να συγκολληθεί με τον ίδιο τρόπο όπως ο μαλακός χάλυβας, αλλά η παρουσία οξειδίου ή εγκλεισμάτων θα δώσει ελαττωματικά αποτελέσματα. [17] Το υλικό έχει μια τραχιά επιφάνεια, ώστε να μπορεί να συγκρατεί καλύτερα επιμεταλλώσεις και επιστρώσεις. Για παράδειγμα, ένα φινίρισμα από γαλβανικό ψευδάργυρο που εφαρμόζεται σε σφυρήλατο σίδηρο είναι περίπου 25–40% παχύτερο από το ίδιο φινίρισμα σε χάλυβα. Στον Πίνακα 1, η χημική σύνθεση του σφυρήλατος σιδήρου συγκρίνεται με εκείνη του χυτοσιδήρου και του ανθρακούχου χάλυβα. Αν και φαίνεται ότι ο σφυρήλατος σίδηρος και ο απλός ανθρακούχο χάλυβας έχουν παρόμοιες χημικές συνθέσεις, αυτό είναι παραπλανητικό. Το μεγαλύτερο μέρος του μαγγανίου, του θείου, του φωσφόρου και του πυριτίου ενσωματώνονται στις ίνες σκωρίας στον σφυρήλατο σίδηρο, καθιστώντας τον σφυρήλατο σίδηρο καθαρότερο από τον απλό ανθρακούχο χάλυβα. [18]

Πίνακας 1: Σύγκριση χημικής σύνθεσης χυτοσιδήρου, απλού ανθρακούχου χάλυβα και σφυρήλατος σιδήρου
Υλικό Σίδερο Ανθρακας Μαγγάνιο Θείο Φώσφορος Πυρίτιο
Ακατέργαστος σίδηρος 91–94 3,5–4,5 0,5–2,5 0,018–0,1 0,03–0,1 0,25–3,5
Ανθρακούχος χάλυβας 98,1–99,5 0,07–1,3 0,3–1,0 0,02–0,06 0,002–0,1 0,005–0,5
Κατεργασμένος σίδηρος 99–99,8 0,05–0,25 0,01–0,1 0,02–0,1 0,05–0,2 0,02–0,2
Όλες οι μονάδες έχουν τοις εκατό βάρος.
Πηγή: [18]
Πίνακας 2: Ιδιότητες σφυρήλατος σιδήρου
Ιδιοκτησία αξία
Απόλυτη αντοχή σε εφελκυσμό [psi (MPa)] [19] 34.000–54.000 (234–372)
Τελική αντοχή συμπίεσης [psi (MPa)] [19] 34.000–54.000 (234–372)
Τελική αντοχή διάτμησης [psi (MPa)] [19] 28.000–45.000 (193–310)
Σημείο απόδοσης [psi (MPa)] [19] 23.000–32.000 (159–221)
Μέτρο ελαστικότητας (σε τάση) [psi (MPa)] [19] 28.000.000 (193.100)
Σημείο τήξης [°F (°C)] [20] 2.800 (1.540)
Ειδικό βάρος 7,6–7,9 [21]
7,5–7,8 [22]

Μεταξύ των άλλων ιδιοτήτων του, ο σφυρήλατος σίδηρος γίνεται μαλακός σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και μπορεί εύκολα να σφυρηλατηθεί. [23] Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει προσωρινούς μαγνήτες, αλλά δεν μπορεί να μαγνητιστεί μόνιμα. [24] Επίσης είναι όλκιμο, εύπλαστο και σκληρό. [18]

Καθαρότητα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το 2010, ο Δρ. Gerry McDonnell απέδειξε στην Αγγλία με ανάλυση ότι ένας σπόγγος από σίδερο, θα μπορούσε να επεξεργαστεί σε 99,7% καθαρό σίδηρο χωρίς ενδείξεις άνθρακα. Διαπιστώθηκε ότι οι χορδές που είναι κοινές σε άλλα σφυρήλατα σίδερα δεν υπήρχαν, καθιστώντας το έτσι πολύ εύπλαστο για τον σιδηρουργό να το δουλεύει ζεστό και κρύο. Μια εμπορική πηγή καθαρού σιδήρου είναι διαθέσιμη και χρησιμοποιείται από τους σιδηρουργούς ως εναλλακτική λύση στον παραδοσιακό σφυρήλατο σίδηρο και άλλα σιδηρούχα μέταλλα νέας γενιάς.

Δείτε επίσης

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. ↑ Tylecote, R.F. (1992). A History of Metallurgy (Second έκδοση). London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886. 
  2. ↑ «Wrought Iron – Properties, Applications». Azom.com (AZoNetwork). 13 August 2013. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=9555. Ανακτήθηκε στις 27 October 2019. 
  3. ↑ Alex Walter (31 Οκτωβρίου 2018). «What is wrought iron?». Mechanical Site. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 27 Οκτωβρίου 2019. Ανακτήθηκε στις 27 Οκτωβρίου 2019. 
  4. ↑ «What is wrought iron?». Iron Gates N Railings Ltd. 2017. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 7 Φεβρουαρίου 2023. Ανακτήθηκε στις 27 Οκτωβρίου 2019. 
  5. ↑ Gordon, Robert B. (1996). American Iron 1607–1900. Baltimore and London: Johns Hopkins University Press. ISBN 0-8018-6816-5. 
  6. ↑ «Wrought Iron: A Patio Furniture dream». cnet reviews. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 23 January 2010. https://web.archive.org/web/20100123062138/http://www.patioset.com/Wrought_Iron_Patio_Sets/. Ανακτήθηκε στις 29 September 2009. 
  7. ↑ Daniel, Todd. «Clearing the Confusion Over Wrought Iron». Fabricator (NOMMA) (November/December 1993): 38. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2020-11-24. https://web.archive.org/web/20201124090246/https://avionmetalworks.com/useful-articles/rod-or-wrought-iron/. Ανακτήθηκε στις 2019-10-27. 
  8. ↑ Baumeister· Avallone (1978). Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers (8th έκδοση). McGraw Hill. σελίδες 6–18, 17. ISBN 978-0-07-004123-3. 
  9. ↑ Goodway, Martha (May 1987). «Phosphorus in antique iron music wire». Science 236 (4804): 927–932. doi:10.1126/science.236.4804.927. PMID 17812747. Bibcode: 1987Sci...236..927G. https://archive.org/details/sim_science_1987-05-22_236_4804/page/n49. 
  10. ↑ Lucas, A. (2006). Wind, Water, Work: Ancient and Medieval Milling Technology. Leiden NL and Boston Mass.: Brill. σελίδες 251–255, 347. 
  11. ↑ H. R. Schubert, History of the British Iron and Steel Industry from 450 BC to AD 1775 (Routledge and Kegan Paul, London 1957), 299–304.
  12. ↑ Misa, Thomas J. (1995). A Nation of Steel: The Making of Modern America, 1865–1925. Baltimore: Johns Hopkins University Press. ISBN 9780801849671. 
  13. ↑ Husband, Joseph· Harby, William (1911). Structural Engineering. New York: Longmans, Green, and Co. σελ. 21. Ανακτήθηκε στις 22 Φεβρουαρίου 2008. 
  14. ↑ Byrne, Austin Thomas (1899). Inspection of the Materials and Workmanship Employed in Construction (1st έκδοση). New York: John Wiley & Sons. σελ. 105. Ανακτήθηκε στις 22 Φεβρουαρίου 2008. 
  15. ↑ Scoffern, John (1861). The Useful Metals and Their Alloys, Including Mining Ventilation, Mining Jurisprudence, and Metallurgic Chemistry. London: Houlston and Wright. σελ. 328. Ανακτήθηκε στις 20 Φεβρουαρίου 2008. 
  16. ↑ Adams, Henry (1891). Handbook for Mechanical Engineers (2nd έκδοση). New York: E. & F.N. Spon. σελ. 29. Ανακτήθηκε στις 20 Φεβρουαρίου 2008. 
  17. ↑ Pendred, Lough (1945). Kempe's Engineer's Year-Book (52nd έκδοση). London: Morgan Brothers. σελ. 1278. 
  18. ↑ 18,0 18,1 18,2 Camp, James McIntyre· Francis, Charles Blaine (1920). The Making, Shaping and Treating of Steel. Pittsburgh: Carnegie Steel Company. σελίδες 173–174. ISBN 1-147-64423-3. 
  19. ↑ 19,0 19,1 19,2 19,3 19,4 Oberg, Erik· Jones, Franklin D. (2000). McCauley, Christopher J., επιμ. Machinery's Handbook (26th έκδοση). New York: Industrial Press, Inc. σελ. 476. ISBN 0-8311-2666-3. 
  20. ↑ Smith, Carroll (1984). Engineer to Win. MotorBooks / MBI Publishing Company. σελίδες 53–54. ISBN 0-87938-186-8. 
  21. ↑ «Solids and Metals – Specific Gravity». Engineering Toolbox. Ανακτήθηκε στις 20 Φεβρουαρίου 2008. 
  22. ↑ Pole, William (1872). Iron as a Material of Construction: Being the Substance of a Course of Lectures Delivered at the Royal School of Naval Architecture, South Kensington (Revised and Enlarged έκδοση). London: E. & F.N. Spon. σελίδες 136–137. Ανακτήθηκε στις 20 Φεβρουαρίου 2008. 
  23. ↑ Richter, Victor von· Smith, Edgar Fahs (1885). A Text-book of Inorganic Chemistry (2nd έκδοση). Philadelphia: P. Blakiston, Son & Co. σελ. 396. Ανακτήθηκε στις 21 Φεβρουαρίου 2008. 
  24. ↑ Timbie, William Henry· Bush, Vannevar (1922). Principles of Electrical Engineering. New York: John Wiley & Sons, Inc. σελίδες 318–319. Ανακτήθηκε στις 21 Φεβρουαρίου 2008. 

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  • Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Wrought iron στο Wikimedia Commons