MATERIALELE SI SOCIETATEA. SCURT ISTORIC AL PRELUCRARII FIERULUI

Asist. univ. dr. ing. Andi-Cristian Adrianescu

Abstract

The secret of iron making originated with the Hittites in northeastern Asia Minor, around

BC. Within a couple of hundred years the technology was being spread widely through the

Middle East and into barbarian Europe by itinerant ironsmiths.

Fierul a fost cunoscut inca din Neolitic si Chalcolitic. Omul din Chalcolitic adauga minereu bogat in fier pentru a ajuta topirea cuprului. S-a observat atunci ca in urma reactiei oxidului de fier cu nisipul rezulta un subprodus bogat in fier numit zgura. Aceasta continea in special fier si dioxid de siliciu. Fierul respectiv insa era foarte poros ( blum sau burete de fier).

Fig.1. Minereu de fier

Lovirea repetata a acestuia reduce porozitatea si ajuta la separarea siliciului. Blumul rezultat era aproape fier pur - cunoscut azi sub denumirea de fier forjat, mult mai moale decat bronzul. Adevarata utilitate a fierului a aparut dupa descoperirea "fierului bun"[1]. Acesta a fost descoperit accidental de catre hititi in 1400 I.C.

Reteta "fierului bun"[1] :

¾ Incalzirea in cicluri repetate a unei bucati de blum in cuptoare cu carbuni pana la

1200 ºC;

¾ Lovirea blumului pentru eliminarea zgurii si compactare (exact ca fierul forjat);

¾ Se repeta etapele 1si2.

Explicatie: In timpul incalzirii in cuptoare cu carbuni, blumul si fierul erau expuse monoxidului de carbon (CO), avea loc o reactie intre fier si monoxidul de carbon in urma caruia carbonul difuza in fier.

Rezultat : Un otel-carbon.

Prin expunerea fierului forjat in cuptoare cu carbuni pentru incalzire intr-o perioada scurta de timp se putea controla adancimea de penetrare a carbonului. Astfel, cand s-a observat ca duritatea portiunilor respective din bucata de fier era in functie de continutul de carbon, efectul de durificare putea fi limitat prin incalzirea in intervale scurte de timp (fig.2

_).

Astazi acest proces este cunoscut sub numele de durificare, iar rezultatul obtinut se numeste otel obtinut prin durificare.

Fig.2. Expunerea fierului forjat in intervale diferite de timp

In Europa anilor 1000 I.C. prelucrarea fierului cunoaste noi progrese[3]:

¾ Calirea

^{o   racirea rapida a unei piese inrosite de otel prin introducerea in apa rece sau}

alt lichid;

o durificarea considerabila a otelului, uneori chiar pana la punctul de fragilizare;

^{o   procesul este descris si in Odiseea lui Homer.}

¾ Revenirea

o Implica reincalzirea unei piese calite de otel pana la 600 ºC intr-un interval scurt de timp;

o Otelul devine maleabil si se elimina fragilizarea; corespunzator scade si duritatea.

Fig.3. Pumnal din otel

In China prelucrarea fierului era asemanatoare ca tehnologie cu ceea ce faceau hititii insa foarte repede acestia si-au dezvoltat o metoda proprie[1]:

¾ Cuptoare mari si puternice ce utilizau suflante orizontale pentru introducerea unor cantitati mari de aer:

o Temperatura era cu cateva sute de grade mai ridicata fata de cuptoarele europene;

^{o   Reinventate in Europa de vest in secolul XV si numite furnale.}

¾ Cresterea presiunii monoxidului de carbon prin cresterea cantitatii de combustibil -

carbuni;

¾ Difuzia unei cantitati mai mari de carbon in fier;

¾ Efectul de aliere coboara punctul de topire al otelului, astfel acesta poate fi turnat in matrite pentru a obtine formele dorite: FIER TURNAT.

Fierul turnat in forme contine mai mult carbon decat otelul, se topeste la o temperatura mai joasa, iar dupa solidificare este mai dur datorita efectului de aliere sporit. Creste insa fragilizarea astfel ca este necesar un alt tratament pentru a elimina ceva carbon.

Chinezii au inventat procesul de incalzire a fierului turnat la 800-900 C in aer. Oxigenul oxideaza carbonul din fierul turnat (fig 4):

O + C CO₂ ,

Astfel, stratul superficial este relativ mai ductil decat fierul turnat, dar mai dur decat fierul forjat.

Fig.4. Expunerea fierului turnat in intervale diferite de timp

In India cea mai veche "inregistrare" despre prelucrarea fierului se gaseste in cartea religioasa hindusa Rigveda (cca. 12 0 I.C.) [1].

Specialitatea casei era aici otelul wootz : mici bucati de fier forjat amestecate cu aschii de lemn -sursa de C- erau etansate intr-un creuzet de lut si incalzite in cuptoare mari

- otelul era lasat sa absoarba o cantitate mare de C [2]. Otelul wootz era folosit ca materie prima pentru cele mai ascutite sabii si pumnale. Aceasta tehnica a fost redecoperita de sirieni care au numit rezultatul otel de Damasc. Celebrele pumnale de Damasc medievale erau fabricate prin sudarea prin lovire a mai multor straturi de otel de Damasc si fier forjat (fig.5).

Fig.5. Pumnal de Damasc

In zilele noastre otelul este obtinut in furnale din minereu prin introducerea unei cantitati uriase de aer preincalzit. Furnalele sunt alimentate cu cocs (un derivat al carbunelui) si piatra de var. Rezulta blum-ul pur (exact ca cel amestecat cu zgura obtinut

din topirea cuprului de acum cateva milenii). 2 % din productia mondiala este realizata astfel. In mare parte insa otelul este obtinut din fierul turnat, folosind tehnici similare cu cele chinezesti din antichitate.

Note bibliografice

[1] Schaffer, J.P., The science and Design of Engineering Materials, McGraw-Hill, New York, 1998

[2] Srinivasan, S., Ranganathan, S., Wootz Steel: an advanced material of the ancient world, Department of Metallurgy, Indian Institute of Science, Bangalore, (www.metalrg.iisc.ernet.in)

[3] ***, A Brief History of MSE, www.crc4mse.org/what/MSE_history.html.