Wpływ fosforu na mikrostrukturę starożytnych wyrobów żelaznych
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań metaloznawczych: okruchów - pochodzących z łupek - zwanych grąpiami, starożytnych i średniowiecznych półwyrobów w postaci sztab żelaznych i prętów, starożytnych wyrobów użytkowych, jak też próbek uzyskanych w wyniku laboratoryjnych procesów redukcji - rudy darniowej, fosforanu żelaza oraz węgla drzewnego.
Przeprowadzone badania dowodzą, że podczas procesu redukcyjnego rudy zawierającej fosfor, przy temperaturze 1050 °C, we wsadzie do pieca dymarskiego mogą lokalnie powstawać obszary fazy ciekłej, w miejscach styku cząstek żelaza z cząstkami fosforku żelaza Fe3P. Rozpuszczony w ciekłym żelazie fosfor jedynie nieznacznie wpływa
na aktywność węgla, a tym samym nie przeszkadza w nawęglaniu tych obszarów. Ponieważ prędkość dyfuzji węgla w żelazie w stanie ciekłym jest o kilka rzędów wielkości większa niż w stanie stałym, obszary ciekłe mimo obecności fosforu bardzo silnie się nawęglają. Fakt ten pozwala wyjaśnić obserwowane sąsiadowanie mieszanin eutektycznych w grąpiach, jak i w próbkach z laboratoryjnych procesów redukcji, z obszarami o wysokim nawęgleniu.
Z drugiej strony stwierdzenie obecności obszarów ciekłych we wsadzie do pieca dymarskiego podczas procesu redukcji stwarza szansę na szybsze tworzenie żelaznej gąbki (siatki), co w konsekwencji ułatwia później odpływanie ciekłego żużla, a tym samym sprzyja formowaniu bardziej zwartej łupki. Na przykładzie laboratoryjnych procesów redukcji jak i wytopów terenowych pokazano w pracy rolę, jaką odgrywa fosfor w procesie dymarskim oraz wykazano jego związek z wysokim nawęgleniem łupek. Zmienia to dotychczasowy pogląd o szkodliwym wpływie fosforu na żelazo dymarskie.
Influence of phosphorus on the microstructure of ancient iron artefacts Summary
Presented are results of metallographic examinations of pieces of blooms (so-called gromps), ancient and medieval semi-products, such as iron bars and rods, ancient utilitarian artefacts, as well as samples resulting from laboratory processes of reduction of bog ores, iron phosphate, and charcoal. These show that during reduction processes of a phosphorus-containing ore, at the temperature of 1050° C, local zones of liquid phase may originate in the smelting furnace where iron particles contact those of iron phosphide Fe3P.
Phosphorus, when dissolved in liquid iron, only slightly influences carbon activity, and therefore does not impede carburisation of these regions. As the speed of diffusion of carbon in iron in the liquid state is higher by several orders of magnitude than in the solid state, strong carburisation of liquid zones occurs - in spite of the presence of phosphorus. This accounts for the observations, both in gromps and laboratory specimens, of proximity of eutectic mixtures to zones of high carburisation. On the other hand, presence of liquid regions during reduction in a smelting furnace provides conditions for a faster formation of iron sponge (network). As a consequence, this facilitates a later outflow of liquid slag, and thus favours the formation of more compact bloom. Laboratory smelting experiments demonstrated the role of phosphorus in the blooming process and its relation to the high carburisation of blooms. This changes the hitherto held opinion on the detrimental influence of phosphorus on bloomery iron.
