MATERIALELE ŞI SOCIETATEA. SCURT ISTORIC AL PRELUCRĂRII FIERULUI

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

The secret of iron making originated with the Hittites in northeastern Asia Minor, around 1400 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 încă din Neolitic şi Chalcolitic. Omul din Chalcolitic adăuga minereu bogat în fier pentru a ajuta topirea cuprului. S-a observat atunci că în urma reacţiei oxidului de fier cu nisipul rezulta un subprodus bogat în fier numit zgură. Aceasta conţinea în special fier şi dioxid de siliciu. Fierul respectiv însă era foarte poros ( blum sau burete de fier).

Fig.1. Minereu de fier Lovirea repetată a acestuia reduce porozitatea şi ajută la separarea siliciului. Blumul

rezultat era aproape fier pur – cunoscut azi sub denumirea de fier forjat, mult mai moale decât bronzul. Adevărata utilitate a fierului a apărut după descoperirea “fierului bun”[1]. Acesta a fost descoperit accidental de către hitiţi în 1400 Î.C. Reţeta “fierului bun”[1] :

Încălzirea în cicluri repetate a unei bucăţi de blum în cuptoare cu cărbuni până la 1200 ºC;

Lovirea blumului pentru eliminarea zgurii şi compactare (exact ca fierul forjat); Se repetă etapele 1şi2.

Explicaţie: În timpul încălzirii în cuptoare cu cărbuni, blumul şi fierul erau expuse monoxidului de carbon (CO), avea loc o reacţie între fier şi monoxidul de carbon în urma căruia carbonul difuza în fier. Rezultat : Un oţel-carbon.

Prin expunerea fierului forjat în cuptoare cu cărbuni pentru încălzire într-o perioadă scurtă de timp se putea controla adâncimea de penetrare a carbonului. Astfel, când s-a observat că duritatea porţiunilor respective din bucata de fier era în funcţie de conţinutul de carbon, efectul de durificare putea fi limitat prin încălzirea în intervale scurte de timp (fig.2 ). Astăzi acest proces este cunoscut sub numele de durificare, iar rezultatul obţinut se numeşte oţel obţinut prin durificare.

Fig.2. Expunerea fierului forjat în intervale diferite de timp În Europa anilor 1000 Î.C. prelucrarea fierului cunoaşte noi progrese[3]:

Călirea o răcirea rapidă a unei piese înroşite de oţel prin introducerea în apă rece sau

alt lichid; o durificarea considerabilă a oţelului, uneori chiar până la punctul de

fragilizare; o procesul este descris şi în Odiseea lui Homer.

Revenirea o Implică reîncălzirea unei piese călite de oţel până la 600 ºC într-un interval

scurt de timp; o Oţelul devine maleabil şi se elimină fragilizarea; corespunzător scade şi

duritatea.

Fig.3. Pumnal din oţel În China prelucrarea fierului era asemănătoare ca tehnologie cu ceea ce făceau

hitiţii însă foarte repede aceştia şi-au dezvoltat o metodă proprie[1]: Cuptoare mari şi puternice ce utilizau suflante orizontale pentru introducerea unor

cantităţi mari de aer:

o Temperatura era cu câteva sute de grade mai ridicată faţă de cuptoarele europene;

o Reinventate în Europa de vest în secolul XV şi numite furnale. Creşterea presiunii monoxidului de carbon prin creşterea cantităţii de combustibil –

cărbuni; Difuzia unei cantităţi mai mari de carbon în fier; Efectul de aliere coboară punctul de topire al oţelului, astfel acesta poate fi turnat în

matriţe pentru a obţine formele dorite: FIER TURNAT. Fierul turnat în forme conţine mai mult carbon decât oţelul, se topeşte la o

temperatură mai joasă, iar după solidificare este mai dur datorită efectului de aliere sporit. Creşte însă fragilizarea astfel că este necesar un alt tratament pentru a elimina ceva carbon.

Chinezii au inventat procesul de încălzire a fierului turnat la 800-900 °C în aer. Oxigenul oxidează carbonul din fierul turnat (fig.4):

O2 + C → CO2 ,

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

Fig.4. Expunerea fierului turnat în intervale diferite de timp În India cea mai veche „înregistrare” despre prelucrarea fierului se găseşte în cartea

religioasă hindusă Rigveda (cca. 1200 Î.C.) [1]. Specialitatea casei era aici oţelul wootz : mici bucăţi de fier forjat amestecate cu

aşchii de lemn –sursă de C– erau etanşate într-un creuzet de lut şi încălzite în cuptoare mari – oţelul era lăsat să absoarbă o cantitate mare de C [2]. Oţelul wootz era folosit ca materie primă pentru cele mai ascuţite săbii şi pumnale. Această tehnică a fost redecoperită de sirieni care au numit rezultatul oţel de Damasc. Celebrele pumnale de Damasc medievale erau fabricate prin sudarea prin lovire a mai multor straturi de oţel de Damasc şi fier forjat (fig.5).

Fig.5. Pumnal de Damasc

În zilele noastre oţelul este obţinut în furnale din minereu prin introducerea unei cantităţi uriaşe de aer preîncălzit. Furnalele sunt alimentate cu cocs (un derivat al cărbunelui) şi piatră de var. Rezultă blum-ul pur (exact ca cel amestecat cu zgură obţinut din topirea cuprului de acum câteva milenii). 2 % din producţia mondială este realizată astfel. În mare parte însă oţelul este obţinut din fierul turnat, folosind tehnici similare cu cele chinezeşti 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.