Metodiky konzervování anorg. materiálů - kovy II. Ing. Alena Selucká Metodické centrum konzervace, Technické muzeum v Brně, Purkyňova 105, 612 00 Brno tel.: 541 421 452 e-mail:selucka@technicalmuseum.cz Železo - ferrum Fe Bod tání 1538 °C, měr. hmot. 7,85 g/cm3, barva bílá, magnetický kov (některé nerez oceli a korozní vrstvy železa jsou nemagnetické) n Železo ztrácí své feromagnetické vlastnosti při teplotě 7070 °C zv. Curieho bod. n Čisté železo je měkký, tvárný kov, s nízkou pevností. Je to nejvýznamnější technický kov. Mikrostruktura kovu Fe - polymorfní kov tj. krystalizuje ve dvou modifikacích Fe-a (T < 910 °C), Fe-x (910 - 1400 °C)aFe-8(1400- 1539 °C) Fe-r Fe-6 Fe-a Metastabilní soustava Fe - Fe - 1600 o 9 1400 1200 1000 600 U 00 ■ 96 F\---— L y (austenit) /y+F e3C 1 3"* ledeburit J AC1 Fe3C* ledeburit • ferit* | perlit*si perlit ] cement ík. ! perlit-Medebur i t (rozpad t j cementit* ledeburit ý) (rozpadlý) i f l 0 1 A li r i 2 3 B i -1 II 1 i 4 5 6 --cc (hm. %) pod- i nad- ] podeutektické litiny ] nadeutektické litiny eutektoidní oceli i a surová železa i a surová železa feritická struktura feriticko-perlitická v. ■ struktura neleeované bílé litinv Stabilní soustava Fe 0 0,01 ÍS 0.69 Fe 2,12 4.26 hm. ° 10 C Základní fáze ve struktuře Fe s C ferit - tuhý roztok uhlíku v Fe-a nebo Fe-5 (měkký) n austenit - tuhý roztok uhlíku v Fe-r (měkký) n cementit Fe3C - intersticiální chem. slouč. (tvrdý a křehký) n perlit - lamely feritu a cementitu (tvrdší a pevnější než ferit) n grafit - chemický volný krystalický C (stabilní fáze, měkký) ledeburit -směs austenitu a cementitu (tvrdý a křehký) martenzit - přesycený tuhý roztok uhlíku v Fe-a (+ zbytkový austenit) bainit - směs Fe-a a karbidických částic Železo - ferrum Fe Slitiny železa: - oceli do 2,1 % C - litiny nad 2,1 %C - Korozivzdorné oceli (nerez oceli) - Fe + Cr + Ni - Oceli • nízkouhlíkové do 0,2 % - svářkové železo (do 0,1 % C) • oceli se středním obsahem uhlíku - 0,2 až 0,6 % C • vysokouhlíkové - 0,6 až 1,4 % - Litiny • šedé (obsahují grafit - C) • bílé (obsahují cementit, karbid železa - Fe3C) Železo - ferrum Fe •Svářkové železo (do 0,1 % C), korozní vrstvy mají texturu podobnou jako dřevo •Ocel nekorodovaná má stříbře šedou barvu •Litina - šedo-stříbřitá barva (pánev, kříže, nádobí, •Korozivzdorná ocel (nerez ocel) -stříbrná barva (kuchyňské náčiní, dekorativní architekt, prvky, průmysl) Železo - ferrum Fe Pomník Jana Palacha v Praze - Dům syna (nerez ocel) a Dům matky (patinující ocel) OCEL (kujné železo) pod 2,1 % C nad 2,1 % C tvárné, kujnou křehké Zpracování železa v ryzí formě se téměř nevyskytuje (pouze meteority - siderit, slitina železa a niklu = meteorické železo); záměrná výroba - kolem roku 2000 př. n. I. v Anatólii, Blízký východ (nejprve luxusní předměty - zdobené dýky) Tutanchamonova hrobka (pol. 14. stol. př. n. I.) - železné předměty (dýky z meteorického železa) od 9. stol.př. n. I. výzbroj asyrské armády (dle písemných pramenů - hliněné tabulky) postupně rozšíření do Řecka a dál na západ Železná dýka se zlatou rukojetí, naleziště pol. 14. stol. BC) Alaca Hôyúk, Turecko - Muzeum vAnkaře; 2350-2150 BC) Zpracování železa ve středomoří na ostrově Elba - etruská civilizace (od 9. st. př. n. I.) -šachtová pec cca 120 cm hlavní rozvoj zpracování železa v Evropě - starší doba železná (halštat, 7. st. př. n. I. -450 př. n. I. podle hornorakouského města Hallstatt; mladší doba železná - laténské období, 450 př. n. I. - poč. našeho letopočtu podle keltské stanice La Téne u Neuschatelského jezera ve Švýcarsku) postupně nástup keltského železářství (Britské ostrovy, pevninská Evropa) -zbraně, výstroj, nástroje, šperky na našem území - 400 př.n.l. - Keltové (šachtová pec se zahloubenou nístějí), kolem Prahy, Moravský kras slovanské etnikum - 6. stol. n.l. - želechovická pec (u Uničova) Železný meč, bronzová pochva, villanovská kultura -základ Etrusků Zpracování železa Železná keltská spona Železný kozlík ke krbu -pozdní keltský typ Přímá výroba svářkového železa © mm TV -'Ä v- i. .»14 .»:oc»V» 30cm c + o2 = co2 co2 + c = co FeO + CO = Fe + CO Rekonstrukce hutnických postupů výroby svářkového železa na technické památce TMB - Stará huť v Josefově u Adamova Rekonstrukce železářské pece typu Podbořany A - stav před tavbou; 1. plášť pece; 2. podloží; 4. mychadlo; 5. dřevěné uhlí; 6. železná ruda; 7. sláma, nebo proutí; B - stav po tavbě; 8. zbytky paliva; 9. železná houba; 10. struska; 11. vyhořelé palivo (podle Pleinera 2000) http s: //edu. ceskatele vize. cz/vide o/l 118-vyroba-kovu-v-historii Železná ruda Dřevěné uhlí I N , T<1000°C co2 ,N2 i Železná houba i kování, nauhličování, kalení a Dooouštění Ocel Přímá výroba svářkového železa v Železná hřivna, 9. - 10. stol., Slovácké muzeum Metalurgie železa hod 12. stol. - použití vodního kola pro pohon hamerského kladiva a měchů - hamry kolem vodních toků (v Evropě rozvoj v rámci církevních řádů -Cisterciáci) http://mve.energetika.cz/uvod/hamr.htm ■ D Metalurgie železa ■později bylo možné redukované železo nauhličit tak, že se objevil i tekutý kov (v západní Evropě první vysoké pece od 13. stol. - výška asi 3 m; později 8-14 m); vysoká pec se do českých zemí dostává až v 16. století (1595 - Karlova huť v Podbrdsku) - začíná nepřímá výroba surové železa (3,5 % C), které se buď přímo odlévalo (děla...) nebo se dále zkujňovalo ve zkujňovacích pecí (snížení obsahu nežádoucích prvků a uhlíku , surové železo se mění na tvárnou a kujnou ocel): ■ pudlovací pece (puddling = promýchávání vsázky) ■ 1855 - H. Bessemer - zkujňování v konvertorech - ocel v tekutém stavu (tzv. plávková ocel) ■ 1864 - Siemens-Martinská pec - zkujňování surového železa ■ 1709 - Abraham Darby - užití koksu jako paliva další zdokonalení výroby železa (materiál a vsázky do pecí, předehřívání vzduchu...) Konvertor 'Nepřímá výroba surového železa Vsázkový materiál Ruda, Koks, Přísady vysokopecní plyn Vodní chlazeni plaste pece Kruhový rozvaděč větru Horokovětrné dyšny (píšťaly) ■ Výpust železa Vysoká šachtová pec Předehřívání a sušení vsázky Nepřímá redukce 3 Fe203+ CO—>2 Fe304+ CO2 Fe304+ CO —► 3 FeO + C02 redukční zona Přímá redukce Fe + C02 2 CO FeO + uu C0?+ C — Zona nauhlicování Zona tavení Železná ruda Koks CO, C02 ,N2 , T>1200°C f orKy vzaucn i Surové železo (Fe - Fe3C) Odlévání 1 kurové železo (pig iron - asi 4 % uhlíku) I Historická výroba železa Technické muzeum v Brně) Vysoká železářská pec -Františka, cca 10 m vysoká v bývalém hutnickém komplexu Lichtensteinů, 18. století-dnes národní technická památka TMB Rekonstrukce hutnických postupů, Stará huť u Adamova, TMB |p://wwwiechnicalmuseumxz/pamatkv.html I Vývoj hutnického zpracování železa Svářkové železo/ Litina/ocel Ironbridge, litinový most přes řeku Severn, r. 1779 -symbol průmyslové revoluce v Anglii Ivančický viadukt, jeden z prvních celokovových mostů ze svářkového železa a litiny v Rakousko-uherské monarchii, r. 1870 (foto z r. 1978) Tepelné zpracování Oceli: - Žíhání (rekrystalizační, ke snížení pnutí, homogenizační atd.) - Kalení (martenzitické, bainitické) - Chemicko-tepelné zpracování: cementování Surová železa a litiny -temperování, žíhání, kalení Povrchové úpravy - výzdoba Cínované středověké zámky, dle ing. J. Josefa, NM Praha n černění, modření n Rytí, lept n i n leje n pokOVOVání (cínování, » poměďování, zlacení, stříbření,chromování, niklování, žárové stříkané povlaky zinkem - šopování atd.) n smaltování n damask Koroze železa Fe -> Fe2+ + 2e- 02 + 2H20 + 4e- -+ 4(OH)" 2H+ + 2e- ^ H + H -> H2 Fe2+ + 2 OH - -> Fe(OH)2 Fe(OH)2 + H20 +1/2 02 -> Fe(OH)3 Pourbaix diagram Fe Korozní produkty železa n Fe(OH)2 n n FeO(OH) n FeCI2 FeO.Fe203.... černý magnetit Fe304 Fe304.H20 .... zelený hydratovaný magnetit n Fe203.3H20 .... hnědo-oranž. rez r Fe203 n FeCI3 n FeCI3.H20 n FeS - černý sulfid železnatý - Fe 2+ + H2S = FeS + 2H+..... (anaerobní koroze, např. bahenní depozity, mořská voda) a Fe203 - červený hematit (nad 200°C, např. žárové hroby) B-FeO(OH) - akaganeit (aktivní chloridová koroze) Fe3(P04)2.8H20 - modročerný vivianit (přítomnost fosfátů) běžně se vyskytuje v korozních vrstvách železa: Fe304/ Fe203 ,3H20 (a FeO(OH) - geotit + y FeO(OH) - lepidokrocit) Koroze železa n rozsah koroze povrchová koroze objemné korozní produkty -velmi slabé kovové jádro; tvar předmětu je tvořen korozními produkty korozní produkty + kovové jádro zachované Rozsah koroze 4 ^ ^ f T/ PIV °v Má Canadian Conservation Institute Koroze archeologických nálezů Schematický řez korozními vrstvami dle ing. D. Perlíka, Středočeské muzeum v Roztokách hlína a sedimenty směs a-FeO(OH) goethit, y-FeO(OH) lepidocrocit s cizorodými příměsemi | směs a-FeO(OH) goethit, y-FeO(OH) lepidocrocit I Fe304 magnetit (3-FeO(OH) akaganeit kovovéjádro prázdné prostory I Aktivní koroze železa ATMOSFÉRA / PUDA