Средневековое железо и сталь. Коротко о главном

Железо — один из самых полезных металлов, когда-либо обнаруженных, но это также один из самых сложных металлов для понимания в истории, особенно в средневековой истории. Железо бывает нескольких форм, и сложности, связанные с производством каждой из них, вызывают дальнейшую путаницу. Далее следует руководство по средневековому железу для непрофессионала — максимально простое, но не более!

Металлургия железа в средние века, на эту тему вы можете подробней узнать перейдя по ссылке — http://www.gbmk.spb.ru/4109-metallurgiya-zheleza-v-srednie-veka.html

Три формы железа:

Чистое, чистое железо имеет умеренную твердость, что может подтвердить любой, кто гнул гвоздь молотком. Когда он становится докрасна, например, при температуре около 700 градусов по Цельсию, его можно легко согнуть и придать ему любую форму, которую пожелает мастер — ремни, петли, подковы. По этой причине мы говорим о «кованом железе» (кованое, поврежденное, сгибаемое или скрученное). К сожалению, это тоже довольно сложно; его можно легко согнуть при использовании. Кроме того, он очень быстро теряет острые кромки под действием рабочего давления или истирания.

С другой стороны, чугун чрезвычайно прочен. Чугун получил свое название от того факта, что он выходит из плавильной печи в жидкой форме (см. Ниже) и может быть отлит в формы, похожие на бронзу или серебро. К сожалению, он довольно хрупкий, и, что еще хуже, его нельзя ни согнуть, ни изменить, когда он затвердеет. Удар по раскаленному докрасна, даже раскаленному добела чугуну просто сломает его.

Сталь, железо с небольшим количеством растворенного в его структуре углерода, сочетает в себе лучшее из обоих миров. Его можно заливать в формы из печи, придавать им форму, когда она раскалена докрасна, и она держит кромку, когда она заточена, даже при довольно интенсивном использовании. Сталь, несомненно, является князем железных металлов, но сделать ее непросто.

Углерод — основная переменная, которая различает кованое железо, сталь и чугун. Мало — и железо кованое; слишком много и чугун начинает течь как чугун. Достаточное количество углерода (около 1% или немного больше), и у вас есть сталь. Так почему же не все стали делать сталь? Потому что плавильная печь не позволяет оператору контролировать содержание углерода с какой-либо степенью точности.

Что происходит в плавильной печи?

Работа плавильной печи заключается в восстановлении металла из химически связанного состояния до металлического состояния. Железо — довольно распространенное вещество в земле, но, как подтвердит любой владелец старого автомобиля, в большинстве случаев оно принимает форму ржавчины, оксида железа. В плавильном заводе химические связи оксидов железа и других химически связанных форм железа разрываются. Это позволяет атомам железа объединяться в массу металла. Ржавчина входит; выходит железо.

В плавильной печи есть два инструмента для осуществления этого преобразования: тепло и углерод. Плавильные печи, как и все печи, сжигают углеродное топливо для производства тепла; это очевидно. Но горение никогда не бывает полным, а горячие газы в плавильном заводе богаты углеродом, который является химически активным. Горячий углерод имеет сильное сродство к кислороду, и атомы кислорода буквально отделяются от железа газообразным углеродом. Оставшись без каких-либо химических партнеров, атомы железа образуют массу почти чистого металла.

Тепло и формы железа

Температура внутри печи является критическим параметром. Большинство первых плавильных заводов в Европе не могли достичь средней температуры около 700 градусов. Сейчас чистое железо имеет очень высокую температуру плавления, около 1530 градусов. Таким образом, когда новообразованная масса железа сливается при температуре 700 градусов, она остается раскаленным, слегка пластичным твердым телом, называемым налетом. Кузнец может стучать по этой горячей массе, чтобы придать ей форму (и заставить ее выдавить комки примесей, которые в противном случае могли бы застыть вокруг).

Плавильный цех должен производить кованое железо. Углерод не может раствориться в блюде железа при температуре 700 градусов. Но что произойдет, если мы начнем повышать температуру внутри плавильного завода, богатого углеродом? Проще говоря, мы ожидаем, что нужно будет достичь примерно 1500 градусов, прежде чем цветение начнет таять. Но это совсем не так.

При гораздо более низких температурах, около 1150-1200 градусов, утюг начинает течь как жидкость. Произошедшее — одна из величайших «уловок» физики — так называемая эвтектическая точка. Когда температура в плавильном цехе повышается, железо поглощает все больше и больше углерода. При содержании углерода около 3,5% сплав железа с углеродом имеет температуру плавления намного ниже, чем любой элемент сам по себе. Он сжижается и начинает вытекать из печи.

Железо имеет очень сильную склонность к такому поведению. Энергия в его химических связях такова, что железо очень быстро поглощает свободный углерод до отметки 3,5% после достижения нужной температуры, и железо при этом превращается в жидкость. Просто невозможно остановить процесс, когда он начался, и именно поэтому ни один мастер-кузнец не может реально рассчитывать на изготовление стали на плавильном заводе.

То, что вы получаете от плавильной печи, зависит от количества выделяемого ею тепла. При более низких температурах железо восстанавливается, но никогда не становится жидким; он вытянут как губчатое твердое вещество, раскаленное докрасна и податливое, практически без углерода в его кристаллической структуре. При более высоких температурах железо перетекает из печи в изложницы, но оно практически насыщено углеродом, и после охлаждения и извлечения из формы ему не может быть больше придана форма.

Изготовление стали

И кованое, и чугунное железо имеют свое применение, но поскольку ни одна из форм железа не имеет идеальных свойств, кузнец, вероятно, захочет производить сталь, по крайней мере, в небольших количествах. Для этого ему понадобится печь другого типа. Если он сталкивается с высокоуглеродистым чугуном, он должен использовать обогащенную кислородом печь, чтобы попытаться «обезуглерожить» или снизить содержание углерода. Если он сталкивается с кованым железом с низким содержанием углерода, он должен каким-то образом создать богатую углеродом среду, которая будет способствовать соединению ограниченного количества углерода с железом.

Обе задачи трудно контролировать на практике, но есть свидетельства того, что оба метода применялись в разных частях мира. Западные кузнецы обычно следовали процессу нагрева низкоуглеродистого кованого железа в каком-либо герметичном контейнере, содержащем углерод, идея заключалась в том, чтобы способствовать миграции атомов углерода в металл. Это было сложно, и часто производилось только небольшое количество стали, но сталь была настолько полезна для инструментов и оружия, что даже небольшие количества были важны. Стальные кромки обычно приваривались к сердечнику или лезвию из кованого железа, чтобы сделать инструмент из стали наиболее экономичным.

Немного истории

Вообще говоря, европейцы были преданы процессу цветения до позднего средневековья, в то время как китайцы пошли по противоположному пути, производя высококачественные чугунные отливки, начиная с династии Чжоу. Китайцы производили сталь или кованое железо, обезуглероживая свой высокоуглеродистый чугун, в то время как европейцы производили сталь из своего низкоуглеродистого кованого железа и, похоже, вообще не использовали чугун. (Есть некоторые свидетельства того, что римляне случайно сделали небольшое количество чугуна и выбросили его как «отходы».)

На протяжении европейского средневековья использовалось много железа. Есть много центров производства и много экспериментов по изменению техники. Одной из постоянных тем является применение гидроэнергии к «мускульной работе», заключающейся в том, чтобы забивать блюм и обдувать огонь плавильного завода воздухом. Более крупные сильфоны, с которыми может работать водяное колесо, означают более сильный пожар в плавильном заводе, и, наряду с изменениями размера и формы печей, они позволяют достичь критических температур.

Текущие археологические данные указывают на то, что чугун был впервые произведен в Европе на двух участках в Швеции, Лапфиттане и Винархиттане, где-то между 1150 и 1350 годами. Это предполагает возможную связь с гораздо более ранней китайской практикой литья чугуна, возможно, через монголов и Поселения викингов в Поволжье. Это предположение подтверждается и общими формами печей. С другой стороны, могло просто случиться так, что большие печи и большие сильфоны неизбежно приводили к вытеканию чугуна из плавильных печей.

Остается одна загадка: даже если европейцы производили чугун в Швеции к XIII веку, они не использовали его в качестве чугунного литья. У нас нет ни кастрюль, ни сковородок, ни колокольчиков, ни каминов с такого раннего свидания. Скорее всего, шведские кузнецы обезуглероживали продукты своих плавильных заводов, чтобы получить обычное кованое железо. В самом деле, возможно даже, что их усилия потерпели неудачу, а их знания были потеряны на время.

Рынок чугунных изделий в Европе появился в конце четырнадцатого века, когда пушечные ядра стали пользоваться спросом. Отливка из чугуна могла производить дешевые однородные пушечные выстрелы в огромных количествах, и, взяв за основу эту основу, мастера по чугуну научились производить и продавать другие простые предметы для домашнего использования. Кузнецы также приобрели навыки изготовления различных форм стали из чугуна, предметов высокой ценности, когда они превращались в оружие.

Со временем они научатся делать из чугуна не только пушечные ядра, но и пушки, но основная часть продукции завода должна была быть превращена в кованое железо, знакомую и легко обрабатываемую форму железа на европейском рынке. Только в середине девятнадцатого века Генри Бессемер научился производить сталь в огромных количествах и по ценам, которые могли конкурировать с кованым железом.