Илья Мельников - Художественная обработка металла. Черные металлы. Железо. Чугун. Сталь

В состав черных металлов входят железо, сталь и чугуны.

Железо (Fe) – это химический элемент 8 группы периодической системы Д.И. Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55, 847, валентность 2, 3, плотность 7874 кг/м 3, температура плавления 1812 К, температура кипения 3013 К, твердость по Бринеллю 350 – 450 Мн/м 2.

Железо известно человеку с доисторических времен. В большинстве очагов древней культуры железный век пришел на смену бронзового или медного века.

В Европе железная культура возникла около 1000 лет до нашей эры, сменив более древнюю бронзовую эру, которая относится ко второму тысячелетию до нашей эры. Смена бронзового века железным в различных частях земного шара совершалась не одновременно. Более того, некоторые народы открыли железо, не зная бронзы, каменные орудия труда сменились сразу железными.

Например, когда в Египте использовали только литье из бронзы и драгоценных металлов, негритянские племена центральной Африки уже умели ковать железо. Возможно высокоразвитое кузнечное искусство Верхнего Египта воспринято от африканских кузнецов.

Похожим было положение и в Индии, богатой железной рудами. Культура железа здесь развилась очень давно, минуя бронзовый век. Высоко было искусство черных металлов в Вавилоне и Ассирии. В 9 и 8 веках до нашей эры древние кузнецы умели ковать из железа оружие, а также украшать железные шлемы и панцири бронзой.

При раскопках Вавилона был обнаружен клад общим весом до 160 кг. Состоял он из железных слитков в форме двойной пирамиды. Металл был отличного качества, совершенно не ржавым. Железо было известно также на восточном побережье Черного моря.

В древней Руси техника обработки черного металла достигла высокого уровня. В 9 – 10 веках русские мастера пользовались многими технологическим приемами обработки железа – ковкой, сваркой, термической обработкой, пайкой. Тогда железо добывали из болотной или луговой руды, загружая в яму, обмазанную глиной измельченную руду и древесный уголь. В нижней части ямы делали отверстие, через которое осуществлялось дутье ручными, а позднее механическими мехами. Окись железа восстанавливалась до металла, пустая порода ошлаковывалась и стекала вниз, а на дне скапливались зерна железа, которые, слипались в рыхлую губчатую массу, пропитанную шлаками. Эту, раскаленную до бела, массу вынимали и быстро проковывали на наковальне, отжимая из нее шлак, и сваривали в монолитный кусок железа, похожий по форму на лепешку весом от двух до шести килограмм.

Такой способ прямого получения железа из руды существовал почти 300 лет. Только в начале 13 века он начал заменяться доменным процессом. В Финляндии этот способ использовали до 19 века, а в некоторых странах применяют до сих пор.

Сыродутое железо по своему составу представляло собой сплав железа с углеродом. Однако процентное содержание углерода не превышало и сотых долей.

В наше время существует классификация железоуглеродистых сплавов. Сплавы, содержащие углерода до 2 процентов, называют сталью. При этом если в сплаве углерода меньше 0,25 процента, то такую сталь называют малоуглеродистой или мягкой сталью. При содержании углерода от 0,25 до 0,6 процента сплав называют среднеуглеродистой сталью, а при содержании от 0,6 до 2 процентов – высокоуглеродистой сталью. При содержании углерода более 2 процентов железные сплавы называют чугуном.

В сталях, кроме железа и углерода присутствуют примеси фосфора, серы, кремния, марганца. Железо и его сплавы – сталь, чугун, которые относятся к черным металлам, занимают первое место по производству и использованию в современной металлургии.

Как художественный материал железо использовалось уже в глубокой древности, например в Древнем Египте в гробнице Тутанхамона найдены изделия из железа, в Индии до наших дней сохранилась железная колонна близ Дели, воздвигнутая в 5 веке до нашей эры и др.

В ювелирном деле железо почти не применяют из-за легкой окисляемости и высокой температуры плавления.

Железо представляет собой блестящий серебристо-белый металл, ковкий и пластичный.

При температуре 768˚С намагничивается, а при дальнейшем нагревании теряет ферромагнитные свойства.

В сухой среде почти не окисляется, однако при наличии в воздухе влаги и кислорода покрывается коричневым слоем ржавчины, состоящим из водосодержащего окисла железа. Строение этого слоя пористое, процесс коррозии продолжается до тех пор, пока весь металл не превратиться в ржавчину.

Коррозия происходит и в воде. Если железо подогреть до температуры свыше 650˚С, на его поверхности образуется хрупкий черный слой окалины.

Железо растворяется в соляной кислоте (хлорид FeC2), а в концентрированных серной и азотных кислотах покрывается защитным слоем, который предохраняет железо от дальнейшего разъедания.

Чугуном называется сплав железа с углеродом. Обычно это 3 – 4 процента. Используют в данном сплаве некоторое количество марганца (2,5 – 4,5 процента), кремния (до 4,5 процента), серы (около 0,08 процента), фосфора (до 1,8 процента), и некоторых других элементов.

Чугун – первичный продукт переработки железных руд путем их плавки в доменных печах.

По мнению специалистов впервые чугун стали получать на Востоке. В 13 веке его стали выплавлять в Европе, а в России первые доменные печи были построены под Тулой в 17 веке.

При современном доменном процессе получают чугун белый, серый и ковкий, высокопрочный.

Углерод в чугуне может находится в химически связанном состоянии в виде цементита или в структурно свободном состоянии в виде графита.

Если в чугуне содержится 3,0 – 4,5 процента углерода, то повышается его твердость и прочность, но уменьшается пластичность и снижается температура плавления.

При повышении содержания кремния от 0,3 до 2,5 процентов улучшаются литейные свойства чугуна.

Присутствие 0,5 – 0,6 процента марганца способствует образованию карбида железа, повышению твердости и прочности чугуна.

Примесь 0,08 – 2,2 процента фосфора делает его жидкотекучим, твердым и хрупким, а вредная примесь 0,03 – 0,12 процента серы ухудшает жидкотекучесть чугуна, при повышении температуры он становится очень хрупким.

В белом чугуне большая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита. Цементит имеет белый цвет, очень твердый и хрупкий.

Белый чугун в изломе также светло-серого, почти белого цвета, твердый, не поддается механической обработке и сварке. Используется для получения ковкого чугуна.

В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Он мягок, хорошо обрабатывается, обладает отличными литейными качествами, в изломе темно-серого цвета. После отделки его цвет колеблется от теплого темно-серого до черного с коричневатым оттенком. Он одинаково красив на матовой, и на глянцевой блестящей поверхности.