Σφυρήλατος σίδηρος

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. Ο σφυρήλατος σίδηρος είναι δύσθραυστος, εύπλαστος, όλκιμος, ανθεκτικός 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 σφυρήλατος λόγω σφυρηλατήσεως, κυλινδρώσεως ή άλλης κατεργασίας όσο ήταν αρκετά ζεστό ώστε να μπορεί να αποβάλει τη λειωμένη σκωρία. Το σύγχρονο λειτουργικό ισοδύναμο του σφυρήλατου 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 βαφή (απότομη ψύξη).  

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.  Η παρουσία σκωρίας μπορεί να είναι ευεργετική για εργασίες σιδηρουργίας, όπως η συγκόλληση με σφυρηλάτηση, καθώς τα πυριτικά εγκλείσματα λειτουργούν ως συλλίπασμα (flux) και δίνουν στο υλικό τη μοναδική, ινώδη μικροδομή του.  Τα πυριτικά νημάτια στη σκωρία προστατεύουν επίσης το σίδηρο από τη διάβρωση και μειώνουν την επίδραση της κόπωσης που προκαλείται από κραδασμούς και κραδασμούς. 

Ιστορικά, μια μέτρια ποσότητα σφυρήλατου σιδήρου κατεργάστηκε σε χάλυβα, ο οποίος χρησιμοποιήθηκε κυρίως για την παραγωγή ξιφών, μαχαιροπίρουνων, σμιλών, τσεκουριών και άλλων εργαλείων με κόψη, καθώς και για ελατήρια και λίμες. Η ζήτηση για σφυρήλατο σίδηρο έφτασε στο αποκορύφωμά της τη δεκαετία του 1860, έχοντας μεγάλη ζήτηση για σιδερένια πολεμικά πλοία και σιδηροτροχιές. Ωστόσο, καθώς η ποιότητα του μαλακού χάλυβα βελτιώθηκαν λόγω προόδου της σιδηρομεταλλουργίας και καθώς ο χάλυβας έγινε λιγότερο δαπανηρός χάρη στη διαδικασία Bessemer και τη διαδικασία Siemens-Martin, η χρήση του σφυρήλατου σιδήρου περιορίστηκε.

Πολλά είδη, τα οποία τώρα παράγονται από μαλακό χάλυβα, κατασκευάζονταν από σφυρήλατο σίδηρο, όπως πριτσίνια, καρφιά, σύρματα, 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.  

Ο σφυρήλατος σίδηρος δεν παράγεται πλέον σε εμπορική κλίμακα. Πολλά προϊόντα που περιγράφονται ως σφυρήλατος σίδηρος, όπως προστατευτικά κιγκλιδώματα, έπιπλα κήπου  και πύλες είναι κατασκευασμένα από μαλακό χάλυβα.  Διατηρούν αυτή την περιγραφή, επειδή είναι φτιαγμένα για να μοιάζουν με αντικείμενα που στο παρελθόν τα επεξεργάζονταν στο χέρι ένας σιδηρουργός (αν και πολλά διακοσμητικά σιδερένια αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων των περιφράξεων και των πυλών, συχνά παράγονταν και τότε με χύτευση και όχι με σφυρηλάτηση). 

 Ορολογία 
Η λέξη «σφυρήλατος» < σφῦρα + ἐλατός (< ἐλαύνω), περιγράφει μέταλλο που έχει μορφοποιηθεί με σφυρηλάτηση. 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 εν θερμώ είτε κρύος. Ο χυτοσίδηρος μπορεί να σπάσει αν χτυπηθεί με σφυρί.

 Ποιότητα 

 Δύσθραυστος σίδηρος (tough iron)
 Μη εύθραυστος και αρκετά δυνατός για να χρησιμοποιηθεί για εργαλεία.
 Ανάμεικτος σίδηρος (blend iron)
 Κατασκευασμένος με μείγμα διαφορετικών τύπων χυτοσιδήρου.
 Άριστος σίδηρος (best iron)
 Ο σίδηρος πέρασε από πολλά στάδια στοίβαξης και έλασης για να φτάσει στη φάση που θεωρήθηκε (τον 19ο αιώνα) ως η καλύτερη ποιότητα.
 Σημασμένος σίδηρος (marked bar iron)
 Σίδηρος με ειδική σήμανση ως ένδειξη της ποιότητάς του.

 Ελαττώματα 
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.  

Η παρουσία φωσφόρου (χωρίς άνθρακα) επιτρέπει την παραγωγή  όλκιμου σιδήρου κατάλληλου για σύρμα πιάνου. 
μικρογραφία| Παραγωγή σφυρήλατου σιδήρου από χυτοσίδηρο με διαδικασία που απεικονίζεται στην εγκυκλοπαίδεια Tiangong Kaiwu από τον Song Yingxing που δημοσιεύτηκε το 1637.
Ο σφυρήλατος σίδηρος 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. Κατά το μεγαλύτερο μέρος  του Μεσαίωνα, ο σίδηρος παραγόταν με άμεση αναγωγή του μεταλλεύματος σε φρεατώδεις καμίνους, αν και η υδραυλική ενέργεια είχε αρχίσει να χρησιμοποιείται από το 1104. 

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 παραγωγή σε φρεατώδεις καμίνους συνεχίστηκε σε πολλά μέρη. Η διαδικασία εξαρτιόταν από την ανάπτυξη της υψικαμίνου, μεσαιωνικά παραδείγματα της οποίας έχουν ανακαλυφθεί στο Lappyttan της Σουηδίας και στη Γερμανία.

 Διαδικασία οsmond 
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. 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. Η προκύπτουσα σφαίρα σφυρηλατήθηκε συχνά σε ράβδο σιδήρου σε σφυρόμυλο.

 Πτώση 
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.  Μέχρι το 1890 ο χάλυβας είχε αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τον σίδηρο για δομικές εφαρμογές.

 Ιδιότητες 
μικρογραφία| Η μικροδομή του σφυρήλατου σιδήρου, που εμφανίζει βαθύχρωμα εγκλείσματα σκωρίας στον φερρίτη
Τα εγκλείσματα σκωρίας (slag), 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, μία λαμαρίνα από σφυρήλατο  σίδηρο  δεν μπορεί να λυγίσει τόσο πολύ όσο η λαμαρίνα χάλυβα όταν δουλεύεται εν ψυχρώ.   Ο σφυρήλατος σίδηρος μπορεί να λειώσει και να χυτευτεί, ωστόσο το προϊόν δεν είναι πλέον σφυρήλατος σίδηρος, καθώς οι χορδές σκωρίας που είναι χαρακτηριστικές 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.  

Ο σφυρήλατος σίδηρος μπορεί να συγκολληθεί με τον ίδιο τρόπο όπως ο μαλακός χάλυβας, αλλά η παρουσία οξειδίου ή εγκλεισμάτων θα δώσει ελαττωματικά αποτελέσματα.  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 σφυρήλατου σιδήρου συγκρίνεται με εκείνη του χυτοσιδήρου και του ανθρακούχου χάλυβα. Αν και φαίνεται ότι ο σφυρήλατος σίδηρος και ο απλός ανθρακούχος 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. 
+Πίνακας 1: Σύγκριση χημικής σύνθεσης χυτοσιδήρου, απλού ανθρακούχου χάλυβα και σφυρήλατοτ 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 τιμές δηλώνουν βάρος επί τοις εκατό. Πηγή: 
+Πίνακας 2: Ιδιότητες σφυρήλατου σιδήρου Ιδιοκτησία αξία Απόλυτη αντοχή σε εφελκυσμό [psi (MPa)]  34.000–54.000 (234–372) Τελική αντοχή συμπίεσης [psi (MPa)]  34.000–54.000 (234–372) Τελική αντοχή διάτμησης [psi (MPa)]  28.000–45.000 (193–310) Σημείο απόδοσης [psi (MPa)]  23.000–32.000 (159–221) Μέτρο ελαστικότητας (σε εφελκυσμό) [psi (MPa)]  28.000.000 (193.100) Σημείο τήξης [°F (°C)]  2.800 (1.540) Ειδικό βάρος 7,6–7,9  7,5–7,8 
Μεταξύ των άλλων ιδιοτήτων του, ο σφυρήλατος σίδηρος γίνεται μαλακός σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και μπορεί εύκολα να σφυρηλατηθεί.  Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει προσωρινούς μαγνήτες, αλλά δεν μπορεί να μαγνητιστεί μόνιμα.   Επίσης είναι όλκιμος, εύπλαστος και δύσθραυστος. 

 Καθαρότητα 
Το 2010, ο Δρ. Gerry McDonnell  απέδειξε στην Αγγλία με ανάλυση ότι ένας σπόγγος από σίδηρο, θα μπορούσε να επεξεργαστεί ώστε να φθάσει σε καθαρότητα 99,7%  χωρίς ίχνη άνθρακα. Διαπιστώθηκε ότι τα νημάτια που χαρακτηρίζουν άλλους τύπους σφυρήλατου σιδήρου απουσίαζαν, με αποτέλεσμα ευπλαστότητα και δυνατότητα εύκολης κατεργασίας τόσο εν θερμώ όσο και χωρίς θέρμανση. 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 

 Χυτοσίδηρος

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι


Κατηγορία:Σίδηρος
Κατηγορία:Κράματα σιδήρου
Κατηγορία:Οικοδομικά υλικά
Κατηγορία:Αρχιτεκτονικά στοιχεία κτιρίων
Κατηγορία:Σελίδες με μη επιθεωρημένες μεταφράσεις