Історія освоєння та сучасні методи обробки металів

Історія освоєння та сучасні методи обробки металів

1. Освоєння металів

1.1 Перші метали в житті людини

Метали відносяться до числа найбільш поширених матеріалів, які людина використовує для забезпечення своїх життєвих потреб. На протязі багатьох років людина оточувала себе металевими предметами домашнього вжитку, зброєю і прикрасами. Тому історію освоєння металів слід розглядати на фоні історичного розвитку людства.

Метали з'явились в людини не зразу, не в результаті якогось революційного стрибка, вони з'явились поступово на протязі перехідного періоду між кам'яним віком і віком металів.

В палеоліті, початок якого відділений на сотні тисяч років від нас, людина не знала металу, їй тільки траплялися шматки металу (самородки), які вона використовувала, в основному, як прикраси. Людина помітила, що на відміну від крихкого каміння, такі шматки піддаються куванню. Але про техніку обробки металів не було ще й мови. Тому можна зробити висновок: людині спочатку стало відомо золото, потім срібло, бронза і, нарешті, залізо. Правда, з золота неможливо зробити зброю, але знайомство з ним принесло людям досвід роботи з металом. Прикладом цього може бути гробниця фараона Тутанхамона, який помер в 1350 році до нашої ери. Вага лише одного саркофагу становила близько 110,4 кг золота. Важко собі уявити, що б знайшли сучасні археологи в гробницях великих фараонів, якщо б їх не пограбували.

В той час золото плавили в горнах, і майстер виливав розплавлене золото із тигля в форму, яка стояла на землі. Подача повітря до горнів виконувалася за допомогою трубок і легенів людини. Для кування металу застосовувалося каміння.

Після золота людина зустрілась з міддю, яка також знаходиться в природі у вигляді самородків. Тому зараз вчені вважають, що перед бронзовим віком йшов кам'яно-мідний. З міді виготовляли наконечники для стріл і списів. Люди відкрили, що зміцнену холодним куванням мідь знову можна зробити м'якою, якщо нагріти її на вогні. Потім люди навчились плавити мідь і виливати її в форми так, як і золото. Мідна сокира, яка була вилита у відкриту форму, була знайдена близько 4000 років до нашої ери, мідний котел, діаметром 0,5 м був знайдений в гробниці фараона Перибсена (2695-2665 рік до нашої ери). З'явилися постійні форми, в які можна багато разів розливати метал. Люди навчились паяти мідь срібним дротом.

При всіх своїх перевагах, мідь мала великий недолік: мідна зброя і інструменти, наприклад ножі, швидко затуплювалися. Навіть в холоднозміцненому стані міцність, зносостійкість та інші властивості міді були настільки високі, що вони могли повністю замінити кам'яні. Вирішальний крок в цьому напрямку дозволив зробити сплав міді - бронза.

1.2 Бронзовий вік

Якщо до міді добавити олово, то отримаємо сплав, який називається олов'яниста бронза. Крім неї існують і інші бронзи: свинцевиста бронза, миш'яковиста бронза, сурмиста бронза і т. ін.

Головна перевага бронзи в порівнянні з міддю полягає в кращих її ливарних властивостях, більшій твердості і міцності, а також в більшій міцності в результаті холодної деформації.

Датський знавець древньої історії Христіан Юргенс Томсон (1788-1865 рр.), основоположник Національного музею в Копенгагені, систематизував всі археологічні знахідки в хронологічному порядку і прийшов до звичного для нас ділення старовинної історії на три періоди: кам'яний вік, бронзовий вік і залізний вік.

Бронзовий вік, його металургія і металообробка зародилися в перших великих культурних центрах - в долинах річок Тигр, Євфрат і Ніл. В той час бронзу плавили в тиглях, які нагрівали деревним вугіллям. Необхідну температуру підтримувало роздування вогнища міхами, які замінили скляні трубки. Виготовлення бронзових дверей храмів, прикрас, зброї і предметів вжитку говорять про набуті певні знання і навички металургів. Великий попит на бронзу стимулював розвиток гірничого ремесла, а також торгівлі.

1.3 Залізний вік

Можна передбачити, що перше залізо людина отримала з космосу, у вигляді метеоритів. Саме таке залізо знайдено в Єгипті, відноситься воно до IV тисячоліття до нашої ери і представляє собою намисто з прокованих смуг метеоритного заліза. Метеоритний метал легко відрізнити від заліза земного походження, тому що він має 8…10% нікелю. Метеоритне залізо обробляли так як і мідь (при холодному куванні воно набуває необхідну форму і одночасно підвищує свою міцність і твердість). Для повернення металу міцності його необхідно відпалити у вогні.

В ті часи залізо було оточене ореолом таємності, його називали "небесною міддю". Єгиптяни завжди зображали залізні предмети синім кольором неба. Це збереглося навіть і тоді, коли залізо почали отримувати із руд (воно почало мати земне походження).

Навіть в наші дні можна знайти ножі і наконечники, які зроблені із метеоритного заліза. Американський полярний дослідник Роберт Едвін Пірі (1856-1970) в звіті про експедицію в Гренландію писав про зустріч з ескімосом, який привів його до великого метеориту, поблизу мису Йорк. Метеорит сторіччями слугував ескімосам джерелом матеріалу для виготовлення зброї і інструментів. Вони просто відбивали від нього куски і без всякого нагрівання надавали йому необхідної форми куванням. Залізний метеорит важив біля 37 тон.

В II тисячолітті до нашої ери залізо було в 15-20 разів дорожчим за мідь. Поступово ціна на нього падала. Залізо не витіснило бронзу. Один із ассірійських царів, який жив три тисячі років тому, славився своїми залізними скарбами, які були для нього дорожчими золота.

Спочатку цей метал представляв собою ковке залізо, чи дуже м'яку сталь (сталь - залізо з малою кількістю вуглецю). Ковке залізо отримували в сиродувних горнах (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Сиродувний горн

З технологією сиродувного процесу можна ознайомитися по описах і гравюрах, які дійшли до нашого часу. В робочий простір горну шарами завантажували деревне вугілля і подрібнену руду. Через повітряний канал 3 подавалося повітря для підтримання горіння. Сам сиродувний горн представляв собою яму, над якою виготовлялася куполоподібна шахта 1, кожух якої був із вогнетривкої глини і закріплювався дерев'яними жердинами 2. Дно сиродувного горна викладалося камінням 4. Крицю діставали з печі через пролом в стінці шахти.

Приблизно 1500 років до нашої ери багато заліза з'явилося у легендарного народу халібрів, які жили в Закавказзі і виплавляли його з руд. Це дало велику перевагу перед міддю, тому що руда з вмістом заліза зустрічається значно частіше.

Грецькі архітектори при будівництві великих будівель застосовували залізні дюбелі. Гермоген із Приона (біля 200 р до нашої ери), один із прославлених зодчих еллінської епохи, побудував храм Артеміди в місті Магнезія, який по розмірах і величі поступався тільки дідонському і ефеському храмам. Барабани колон храму, зроблені з білого мармуру, скріплені потужними залізними дюбелями довжиною 130 мм, шириною 90 мм і товщиною 15 мм. Як показало металографічне дослідження, дюбелі складаються із неоднорідного залізного матеріалу: одна із ділянок - сталь (має високий вміст вуглецю, що дозволяє її загартовувати), а друга - м'яке залізо високої чистоти. Міцність дюбеля складає в середньому 38 кг/мм2, тоді як у сучасної конструкційної сталі - 38.

В центральній Європі ранній залізний вік приходиться приблизно на 1000 - 450 роки до нашої ери. Цю епоху називають гальштатською - за назвою міста в Австрії, в околицях якого археологи знайшли багато залізних предметів того періоду. Поряд з залізними інструментами тоді широко застосовувались і бронзові. З заліза спочатку робили тільки зброю, а потім стали виготовляти робочі інструменти та інші знаряддя праці. Тому залізо лише в незначній мірі сприяло розвитку виробничих сил. Але по мірі поширення цей новий металічний матеріал все більше впливав на характер виробництва. Бронза також широко застосовувалася в багатьох галузях, в першу чергу для виготовлення прикрас. Вона має ту перевагу, що її можна без особливих затрат розплавляти і заливати в форму. З залізом, в якого температура плавлення значно вища, в ті часи так працювати не вміли.

В наступний період - пізній залізний вік - стало з'являтися все більше залізних предметів. Великий вклад в розповсюдження заліза внесли кельти. Європейський пізній залізний вік названий латенсною культурою (по місцевості в Швейцарії, де в основному були знайдені сліди кельтської культури).

Вже в гальштатський період виникли зв'язки між нащадками кельтів і грецькими містами-державами. Пізніше ці зв'язки і торгові відносини широко розвивалися. Всюди залишала сліди передова, для тих часів, кельтська технологія добування і переробка заліза. Велике переселення кельтів почалося на, рубежі V сторіччя до нашої ери. Кельтські племена населяли східну Галію, західну і середню Германію, Англію і Шотландію на півночі, сучасну Польщу на сході. Вони досягли Балкан і Піренейського (тоді Іберійського) півострова. Кельти освоїли обробку заліза і ковалі в германських сагах мали своїм праобразом кельтських ковалів. Кельтську назву заліза "ізарнон" перейняли всі германські племена (сьогодні по-німецькі це звучить "айзен", а англійською - "айрон"). Іберійські кельти (кельтибери) прославилися свою сталлю. Щоб отримати особливо хорошу сталь, вони закопували залізні смуги в землю, для того щоб ті частково ржавіли, а потім метал, який залишився, проковували. Звичайне залізо в той час було неоднорідне: воно складалося з м'якого заліза і сталі. Іржа руйнувала, в першу чергу, м'яке залізо, так що описаний метод кельтиберських ковалів дозволяв отримати більш однорідну і тверду сталь.

Способи одержання більш твердих сортів сталі ковалі тримали під великим секретом. А секрет був перш за все в підвищенні вмісту вуглецю. Така сталь отримувала властивість до загартування.

Існує старовинна древньо-германська сага. Коваль Вілану своєму конкуренту запропонував підступні умови: нехай він виготовить шолом і кольчугу, а він меч, тоді буде відомо, чия робота краща. Вони взялися за роботу. Вілану розділив залізо на малі шматки і підмішав в корм гусям метал, який пройшовши шлунок птиці став міцнішим, тому що шлунковий сік краще діє на м'яку сталь. Також метал з'єднався з азотом, а азотована сталь більш твердіша. Шматочки заліза після гусячого перетравлення краще підходять для виготовлення мечей. Повторивши ще раз цю операцію Вілану викував меч. В день змагання Вілану встав перед своїм суперником, поклав меч на його голову і без особливих зусиль перерізав шолом, голову, кольчугу і тіло.

1.4 Освоєння інших металів

Поряд із золотом, сріблом, міддю, оловом і залізом люди знали свинець, ртуть, сурму і платину.

Індійці Америки давно були знайомі з платиною. М'який і відносно легкодоступний свинець використовувався для різних цілей. Відомо, що з гнутих свинцевих листів виготовляли труби, чеканили монети, медалі і печатки, виготовляли грузила для рибної ловлі. Римляни називали свинець і олово одним словом, "плюмбум". Тільки добавляли "плюмбум" білий і чорний.

Набагато менше відома сурма - сріблясто білий, дуже крихкий метал. У Вавилоні з нього виготовляли посуд. Також сурма служила як легуючий елемент при виплавленні сурмистих бронз.

Ртуть римляни називали "аргентум вів ум" - живе срібло. Перша письмова згадка про неї належить Аристотелю і відноситься приблизно до 350 року до нашої ери. Ртуть застосовували для позолочення. Золото легко розчиняється в ртуті і утворює сплав - золоту амальгаму, яку наносили на виріб, який оброблювали. Потім його нагрівали, ртуть випаровувалася, а на виробі залишався шар золота. В наш час від цього відмовилися, тому що пари ртуті дуже шкідливі для здоров'я. Подібний процес був покладений в основу розробленого в XVI столітті способу отримання різних металів (амальзанірування): подрібнену руду обробляли ртуттю, в якій метали розчинялися, потім ртуть випаровувалася, а метали залишалися в твердому стані.

У період розпаду Римської імперії почався перехід до феодалізму, люди вже мали великі знання в області металургії. Знали добуток і переробку золота, срібла, міді, заліза, олова, свинцю, ртуті і сурми. Почали застосовувати сурмисті і миш'яковисті бронзи. З'явилися мідні сплави (латунь). Якщо мідь легувати цинком, то вона буде нагадувати золото. Мідь сплавляли з цинковою рудою і чеканили латунні монети.

2. Виробництво сталі і чавуну

2.1 Перші спроби промислового отримання заліза і сталі (пудлінговий метод)

З стародавніх часів ковке губчасте залізо отримували методом прямого відновлення безпосередньо з руди. В XVIII столітті цей сиродувний процес був широко розповсюджений. В Європі він зберігся до 1850 року, в Північній Америці - до 1890 року. В наш час сиродувні горни можна зустріти у народів центральної Африки і Китаю.

В 90-х роках, недалеко від річки Оскол в Бєлгородській області (Росія) знайшли старовинний горн для отримання заліза (рис 2.1).

Рис. 2.1 Старовинний горн для отримання залізної криці

Цінність знахідки перевірили і підтвердили при розкопках вчені експедиції. Вони встановили, що діяв він більше тисячі років тому - в VIII-IX віці. В той час тут жили хазари - войовничі кочівники, які і займалися металургією. Залізної руди в цих краях було багато, тут знаходиться гігантське природне сховище заліза (курська магнітна аномалія). Вихідною сировиною для отримання залізної криці є залізна руда, а паливом - дрібне деревне вугілля. Отримували в горні кусок залізної криці - губчастого заліза.

Процес отримання заліза із руди в горні увійшов в історію металургії під назвою "сиродувний", тому що в горн вдувалося не підігріте сире повітря (гаряче дуття з'явилося на металургійних заводах лише в XIX столітті). Отримане в сиродувному горні залізо інколи було не міцним і не твердим, а вироби з нього - ножі, сокири, піки - недовго залишалися гострими, гнулися, швидко виходили із ладу.

На дні горна, поряд з порівняно м'якими шматками заліза траплялись і більш тверді - ті, що безпосередньо контактували з деревним вугіллям. Помітивши цю закономірність, люди почали збільшувати зону контакту з вугіллям і тим самим навуглецьовувати залізо. Це була сталь - сплав заліза, який і зараз служить основним конструкційним матеріалом.

Для управління процесом дуття в горн, плавильник або горновий керує засувкою, яка приводить в рух кузнечний міх (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Горн з повітряним дуттям XVI сторіччя. 1 - горн; 2 - кузнечний міх; 3 - водяне колесо

Лице плавильника захищене войлочною маскою. З горна через бічний отвір стікає шлак. Після 4…8 годин важкої ручної праці, працівники за допомогою залізних стержнів дістають з горна губчасту масу, яка включає зерна металу разом із шлаковими частинками, крицю. В залежності від розмірів горна, криця могла мати вагу до 150 кг. Двоє робітників довго обробляли крицю молотами, для того щоб ущільнити її і виділити частину шлаку. Потім крицю розділяють на частини, які проковують на наковальні і надають їй форму, необхідну для продажу.

Таким чином, розвиток горнів йшов від простих плавильних ям, які встановлювалися на відкритому місці, до шахтних печей з відкритим випускним порогом і міхом для дуття. Продуктивність ще більше збільшилася завдяки введенню викладання із цегли сиродутних печей замість подових. Подрібнену руду і деревне вугілля і деревне вугілля завантажували в піч зверху. Для виймання криці із печі потрібно відкрити її поріг, який закритий цегляною кладкою і обмазаний глиною. В XI сторіччі металурги користувалися сиродувними горнами об'ємом 1,1…1,7 м3. Вони давали за добу 1200…1300 кг металу. В Росії ці печі називали доминцями, від древньоруського слова "дмение", що означало "дуття". Ці печі "дихали" за допомогою енергії води: повітродувні міхи приводились в рух спочатку спеціальними водяними трубами, а пізніше великими водяними колесами.

В шахтній печі в одиницю часу згоряло більше палива, ніж в горни, і більше виділялося тепла. Високі температури в печі і привели до того, що частина відновленого заліза звільнялась від кисню, але сильно насичувалася вуглецем, розплавлялася і витікала із печі. Охолоджуючись, такий залізовуглецевий сплав мав у декілька разів більший вміст вуглецю ніж сталь. Він ставав більш твердим, але водночас і більш крихким. Таким чином, металурги стали отримувати побічний продукт - чавун. Спочатку його просто викидали, тому що під ударами молота такий метал розлітався на шматки і зробити із нього зброю чи інструмент було просто неможливо. В той же час через цей сплав міцність добротного продукт - залізної криці - різко скоротилась. Яких тільки назв не давали металурги новому сплаву в XV-XVII сторіччях. В країнах Центральної Європи його називали "диким камінням", "гусаком", в Англії - "свинячим залізом" (по-англійські чавун так називається і зараз), і російське слово "чушка" (чавунний виливок) має теж саме походження.

Оскільки ніякого застосування чавун не знаходив, його, звичайно, викидали. Але потім комусь прийшла в голову ідея завантажити чавун знову в піч і переплавити разом з рудою. Ця спроба зробила переворот в металургії заліза. Такий спосіб дозволяє порівняно легко отримати потрібну сталь, причому в великих кількостям. Історія не зберегла ім'я цього середньовічного винахідника, який отримав з чавуну ковке залізо, видаливши з нього вуглець. Цей процес називається в металургів "кричний переділ".

Нововведення призвело до чіткого розподілу праці: в доминцях, які в той час стали більш досконалими доменними печами, з руди виплавляли чавун, а в кричних горнах з нього видаляли вуглець, виконуючи процес перетворення чавуну в сталь - "кричний переділ". Так виник двостадійний спосіб отримання сталі з залізної руди: руда - чавун, чавун - сталь. Це приклад, як просте збільшення розмірів обладнання (в даному випадку - сиродутних горнів) призвело до принципово нової технології.

Тепер попит на чавун, перш за все як на напівпродукт, який потім перетворюється в сталь, різко збільшився. І доменні печі почали використовувати всюди. Але оскільки для доменної плавки потрібно було багато деревного вугілля, то це призвело до того, що в багатих рудою районах ліси були швидко вирубані. Особливо це стосується Англії. І металургія, залишившись без палива, пішла на збиток.

Тяжке положення, в якому опинилась в зв'язку з цим англійська промисловість, яка довгий час займала головні позиції в металургії, змушена була шукати заміну деревного вугілля. Металурги звернули увагу на кам'яне вугілля, яким Британські острови були багаті. Але всі спроби виплавити на ньому чавун кінчалися невдачею: вугілля в процесі нагріву подрібнювалося, а це сильно сповільнювало дуття. В 1735 році Абрахаму Дербі з англійського міста Колбрукдейл вперше вдалося застосувати в доменній печі кам'яновугільний кокс і тим самим модернізувати першу ступінь процесу виробництва сталі. Кокс - це паливо, отримане з кам'яного вугілля при його нагріванні без доступу повітря при високих температурах (950 - 1050 °С), при цьому вугілля не подрібнювалось, а спікалось в куски. Сьогодні без коксу неможливі ні доменна плавка, ні ряд інших металургійних процесів.

Але для переробки чавуну в сталь необхідно було деревне вугілля. Кам'яне вугілля ще не вміли застосовувати для цієї мети. Сірка, яка знаходилася в ньому, переходила в сталь і робила її непридатною. Проблему вирішив англієць Генрі Корт, який в 1784 році винайшов спосіб пудлінгування (puddle - місити, перемішувати).

В пудлінговій печі (рис. 2.3) паливо не контактує з чавуном, який переробляється.

Рис. 2.3 Пудлінгова піч

Кам'яне вугілля 1 горить в топці, яка віддалена від горна 2 порогом 3. Перші пудлінгові печі мали дві димові труби 4: одну безпосередньо над топкою, другу з протилежного кінця печі, над плавильним горном чи ванною. Пудлінгування - це очистка чавуну в полум'яній печі. Процес починається з завантаження чавуна в горн. Для того, щоб прискорити плавку, куски чавуна (вагою 10 - 30 кг, всього близько 150 кг) розміщують поблизу топки, де температура сама висока. Приблизно через 45 хвилин чавун розплавляється. Пудлінгувальник вставляє в завантажувальне вікно 5 печі залізну штангу з крюком на кінці і проводить нею борозди по тістоподібній чавунній масі. При цьому чавун добре перемішується і поверхня ванни збільшується. Закриваючі горн і закидаючи вологий шлак, пудлінгувальник регулює температуру ванни. Крім того, в ванну добавляють пісок, який вступає в хімічну реакцію з футеровкою печі, при цьому утворюється шлак; останній окислює вуглець, і чим більше його окислюється, тим сильніше розріджується ванна і залізні зерна збираються в грудки.

Пудлінгувальник штангою багато разів перевертає масу і під кінець розділяє її на три - п'ять частин криць. Вони ще гарячі попадають до коваля, який до кожної криці приварює залізний стержень дюймової товщини, і проковує їх в ковбаски діаметром 7 -10 см і довжиною 50 см. Ці заготовки в прокатній машині розкачують в полоси, потім знову розділяють на куски довжиною 50 см і ще раз прокатують, накладаючи по 4 полоси одна на другу. Для процесу пудлінгування були характерні ці операції прокатки криць, які потрібно не стільки для надання заготовці форми, скільки для того, щоб зварити зерна і грудки заліза. В результаті отримуємо зварювальне залізо (чи зварювальну сталь). Одна пудлінгова піч за добу давала 3500 кг великозернистого кричного заліза або 1600 кг мілкозернистого заліза - пудлінгової сталі.

Страницы: 1, 2