8-3842-33-85-00 - магазин жидких обоев

г. Кемерово, Рынок "Привоз" бокс №1

Ковка железа: Ковка — это… Что такое Ковка?

Содержание

Ковка — это… Что такое Ковка?

Ковка — это высокотемпературная обработка различных металлов (железо, медь и её сплавы, титан, алюминий и его сплавы), нагретых до ковочной температуры. Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических (температура плавления, кристаллизация) и химических (наличия легирующих элементов) свойств. Для железа температурный интервал 1250–800 °С, для меди 1000–650 °С, для титана 1600—900 °С, для алюминиевых сплавов 480–400 °С.

Различают:

  • ковка на молотах (пневматических, паровых и гидравлических)
  • ручная ковка
  • штамповка.

Изделия и полуфабрикаты, получаемые ковкой, называют поковкой.

При ковке в штампах металл ограничен со всех сторон стенками штампа. При деформации он приобретает форму этой полости (см. Штампование, Ротационная ковка).

При свободной ковке (ручной и машинной) металл не ограничен совсем или же ограничен с одной стороны. При ручной ковке непосредственно на металл или на инструмент воздействуют кувалдой или молотом.

Свободную ковку применяют также для улучшения качества и структуры металла. При проковке металл упрочняется, завариваются так называемые несплошности и размельчаются крупные кристаллы, в результате чего структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение.

Машинную ковку выполняют на специальном оборудовании — молотах с массой падающих частей от 40 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2–200 МН (200–20000 тс), а также на ковочных машинах. Изготовляют поковки массой 100 т и более. Для манипулирования тяжёлыми заготовками при ковке используют подъёмные краны грузоподъёмностью до 350 т, кантователи и специальные манипуляторы.

Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном — свободная ковка.

При ковке используют набор кузнечного инструмента, с помощью которого заготовкам придают требуемую форму и размеры.

Основные операции ковки

  • осадка
  • высадка
  • протяжка
  • обкатка
  • раскатка
  • прошивка и др.

Ковка железа и стали по технологии конца XIX в

Данные в этой статье приведены по состоянию на конец XIX века
(требуется перевод в современные единицы измерения).
Вы можете помочь, обновив информацию в статье.

Ковка применяется для разных целей, и из-за этого способы обработки металла могут быть различными:

  • обжимка криц — ковка, при которой происходит уплотнение и сварка частиц, а также выделение шлаков из тестообразной железной массы (крицы) (см. Кричный передел).
  • сварка — ковка, при которой сращиваются пакеты, состоящие из отдельных кусков нагретых до вара (см. Сваривание).
  • обыкновенная ковка — уплотнение и придание желаемых форм предмету.

В зависимости от величины обрабатываемых изделий, ковка разделяется на ручную и на механическую.

Инструменты

  • наковальня
  • молот
    • ручные молоты (небольшие), которыми кузнец, сам один, или с помощью молотобойцев, обрабатывает предмет.
    • механические молоты. Важный элемент механического молота – наковальня, или нижний боек, на который кладётся предмет.
  • кузнечные клещи, которыми кузнец захватывает нагретый кусок, вынимает его из горна, или печи, подносит под молот, кладёт на наковальне и поворачивает предмет во время ударов молота.
  • подъёмные краны по обеим сторонам механического молота. Они служат для посадки болванки в печь, переноса под молот и поворачивания её во время ковки. Вспомогательным прибором при этих манипуляциях служит державка, состоящая из прочного, длинного стержня, имеющего на одном конце 4 лапы, которые захватывают болванку, а на другом — рукоятку, для поддерживания болванки рабочими на весу.

Процесс ковки

Нагрев болванки

Для изготовления предметов путём ковки берётся отлитая стальная болванка. Её необходимо сперва нагреть. Для этого вблизи молота устраиваются нагревательные печи или горны. Их размер, форма и количество зависит от производства и размера болванок. Для мелких вещей применяются обыкновенные кузнечные горны. Для крупных — пользуются сварочными печами, нагреваемыми дровами, или каменным углем, а для нагревания больших болванок устраивают газовые печи.

Печь сперва разогревают до тёмно-красного каления. Затем в неё помещают горячую болванку. (В холодных болванках внутренние слои всегда находятся в более или менее напряжённом состоянии из-за условий, в которых они после отливки затвердевают. Если в горячую печь положить холодную болванку, то наружные слои, нагреваясь и удлиняясь, вызовут возникновение трещин в малоподатливых внутренних слоях). Такая болванка должна оставаться горячей после отливки, ей не надо давать остыть ниже тёмно-красного каления и сразу же после вынимания из формы для отливки её следует поместить в печь. Если это не удалось, и болванка начала остывать, то прежде чем поместить её в печь, её надо зарыть в горячий мусор для более медленного остывания.

Если она остынет сильно, то надо её подогреть на полу мастерской. Даже после подогрева на полу в болванке могут возникнуть внутренние трещины. Чтобы избежать такой порчи болванки, её надо сначала подогревать только с концов. Тогда нагрев будет идти по направлению оси болванки, от её концов к середине, и расширение всех концентрических слоев будет равномерней. Предварительный подогрев — достаточно до 300°, что легко узнать по дыму и зажиганию масла, налитого на поверхность болванки.

Болванки кладут в печь по одной или несколько, в зависимости от их величины. Вначале жар держат небольшой. Затем его постепенно увеличивают и доводят до требуемой степени. Чем сильнее нагрев, тем сталь делается мягче, легче её обрабатывать под молотом и тем успешнее идёт ковка. Однако этим опасно злоупотреблять — чем выше нагрета сталь, тем она больше стремится кристаллизоваться при остывании, из-за чего может уменьшиться связь между отдельными кристаллами (зёрнами), и они могут разъединиться даже от одного или нескольких ударов молота.

Таким образом — болванка при ковке получит надрыв, трещину, а иногда даже отваливается целыми кусками. Это называется перегревом стали. Перегрев стали не следует путать с пережогом стали. Пережог влияет не на кристаллическую структуру металла, а уже на его химический состав, заставляя его изменяться: когда сталь долго находится под воздействием печных газов, сварочного жара, она мало-помалу теряет свой углерод и приближается к железу. Пережжённая сталь ни на что не годится, тогда как перегретую ещё можно поправить.

Чем твёрже сталь, тем больше она стремится к кристаллизации и тем ниже температура, при которой она кристаллизуется. Поэтому степень нагрева надо сообразовать с твёрдостью стали:

  • мягкая сталь переносит ковку даже при сварочном жаре, около 1300° С.
  • твёрдую инструментальную сталь выше 1000° С ковать уже опасно.
  • для средних сортов стали температура 1000° С совершенно достаточна для ковки и вполне надёжна.

Низкая температура тоже не годится для ковки. Во-первых, она сильно затрудняет обработку. Во-вторых — при перемещении малоподвижных частиц во время ковки образуются сильные натяжения, которые иногда вызывают внутренние надрывы и трещины. Надо вести нагрев так, чтобы внутренняя часть болванки успела прогреться надлежащим образом. И хотя наружные слои всегда прогреваются сильнее, но это уравновешивается быстро вследствие их охлаждения во время ковки.

Вообще, для успешной ковки надо принять за необходимое правило, что кроме степени нагрева имеет очень важное значение и равномерность нагрева. Для этого после посадки болванки в печь, надо температуру поднимать очень медленно, наблюдая, чтобы болванка нагревалась одинаково со всех сторон.

Время нагрева зависит главным образом от величины болванки и от жаровой способности печи. На Обуховском заводе для нагрева 1800-пудовой болванки требуется около 27 часов, для 900-пудовой около 12 часов, для 300-пудовой около 8 часов.

Обжимка болванки

Стальная болванка — это не одно сплошное однородное тело. Она переполнена внутри раковинами и пустотами различной формы и величины. Поэтому сразу после выдачи болванки из печи их уплотняют — ударами молотка обковывают болванку кругом, начиная от середины к нижнему концу болванки, затем к верхнему , прибыльному. Это называется «обжимкой болванки». Образовавшаяся во время нагрева окалина на поверхности болванки частью сама отваливается при обжимке, частью отбивается ломиками и счищается метлой. Поэтому болванка отливается значительно большего размера и веса по сравнению с задуманным предметом. Отношение площади поперечного сечения болванки к площади готового изделия принимали раньше от 6 до 10. Теперь, при более плотных отливках, довольствуются отношением от 3 до 4.

Заготовка
Ковка заготовки на заводе Borsig, 1954 год

Обработку стальной болванки под молотом можно разделить на две части: на заготовку и на окончательную отделку.

Заготовка предназначена для того, чтобы уплотнить болванку, и придать ей в грубом виде необходимые размеры и формы. Формы и размеры заготовок и способы ковки зависят от вида изделий. Заготовки по виду разделяются: на заготовку сплошных цилиндров, пустотелых цилиндров, колец, заготовку плоских вещей, и т. п. Способы ковки при этом также имеют разные названия.

  • Заготовка сплошных цилиндров.

При такой заготовке обжимка болванки производится на вырезном нижнем бойке, где после каждых нескольких ударов молота её поворачивают на 1/8 оборота и, после образования восьмигранника, подвигают на ширину верхнего бойка и продолжают ковку. Когда, таким образом, обожмут всю болванку, её опять подвигают на старое место и, ударяя молотом по граням, образуют шестнадцатигранник. Сообразно диаметру цилиндра продолжают ковку, пока болванка не примет надлежащих размеров. При такой обработке она уменьшается в диаметре, а металл при обжимке перемещается по направлению оси, и вследствие этого болванка удлиняется, вытягивается, отчего и самую обработку называют вытягиванием.

В случае, если при таком вытягивании заметят на поверхности болванки трещины, или другие пороки, тогда останавливают ковку, пока их не вырубят кузнечными зубилами. Верхний конец, так называемый прибыльный, заключающий в себе всегда пустоты, считается негодным для употребления и потому 1/4 по весу болванки отрубается, что носит название отрубки прибыли. Для рубки употребляется стальной топор, который накладывается на верх болванки и вдавливается молотом в её тело. Потом на верх топора накладываются бруски квадратного сечения и продолжают нажимать молотом, пока топор не углубится до половины тела болванки; наконец, её поворачивают на 180° и таким же образом продолжают рубку с противоположной стороны. Подобным образом разрубается на части заготовленная болванка, когда она предназначается для изготовления нескольких предметов.

При заготовке больших изделий молот за один нагрев не успеет обжать и заготовить всей болванки, поэтому сперва обжимают и заготовляют нижнюю половину болванки, потом переносят державку на отделанный уже конец, подогревают остальную часть болванки, обрабатывают её таким же самым образом, и, наконец, отрубают прибыль.

Если цилиндр должен иметь на конце уступы, или фланцы, диаметр которых больше, чем поперечник болванки, тогда после обжимки болванки и отрубки прибыли нижний боек удаляется прочь, а на его место устанавливается болванка стоймя (на попа) и ударами молота осаживается, причём диаметр её, в особенности на концах, увеличивается. Для выковки вала меньших размеров, или такой длины, что он не помещается стоймя под молотом, пользуются услугами так называемой балды, подвешенной на цепи, посредством ударов которой осаживают конец вала. Для заготовки изделий кольцеобразной формы, как, например бандажей, скрепляющих орудийных колец и проч., сперва, как было сказано выше, болванку обжимают, вытягивают, очищают от окалины и трещин, отрубают прибыль и разрубают на куски; после вторичного нагрева каждый кусок немного осаживают, или сплющивают в виде лепёшки. Потом пробивают отверстие посредством пробоя или прошивня, вдавливая его сперва с одной стороны до половины, потом, повернув болванку — с другой. Дальнейшая обработка кольца, то есть разводка, производится уже на оправке в особой стойчатой наковальне. Разводку бандажных шин производят на особой наковальне с рогом, где, кроме того, посредством раскатки а, делают выступ, называемый ребордой.

Для изготовления более длинных пустотелых цилиндров, как, например, скрепляющих орудийных оболочек, сперва отрезают на токарном станке прибыльную часть болванки, потом высверливают вдоль оси насквозь отверстие около 30 см в диаметре и, после нагрева болванки, просовывают в отверстие железный пустотелый стержень и на нём её обжимают. Такая обработка носит название К. на штревеле. Чтобы стержень не нагревался и не сжимался вместе с болванкой, внутри него постоянно циркулирует вода. Когда К. окончена, вынимают штревель из цилиндра посредством особого прибора, представляющего собой гидравлический пресс, или домкрат. Он состоит из пустотелого цилиндра А с двойными стенками а и а 1, между которыми пускается вода для выдвигания второго цилиндра В, который упирается в гайку С, навинченную на конец штревеля. На другом конце цилиндра А укреплена муфта D, упирающаяся в откованную оболочку. Вода выдавливает цилиндр В, который тянет за собой штревель. Заготовка для вещей прямоугольного поперечного сечения производится на плоских наковальнях, где, после предварительной обжимки, болванку сплющивают сперва наплоско, потом поворачивают на 90° и куют на ребро. Надо заметить, что вообще при ударе молота удлинение совершается по направлению её оси, по перпендикулярному же направлению перемещению частиц мешает трение о поверхность бойка и наковальни. Чтобы К. расширить размеры болванки по этому последнему направлению, раздают металл посредством раскатки. Для этого на поверхность болванки, по направлению её оси, накладывают полуцилиндрический валик, называемый раскаткой (фиг. 15), и ударом молота вдавливают его в тело. После такой раскатки по всей поверхности болванки металл расползается по направлению стрелки (фиг. 16), а причинённые неровности выглаживаются потом ударами молота. Такой обработке подвергаются броневые плиты. Для изготовления коленчатого вала, заготовляется сперва прямоугольный брус, в котором, посредством топора, делают два надреза (фиг. 17). Потом молотом отгибают оба конца (фиг. 18), отрубают топором (как показано пунктиром) образовавшиеся выступы и, наконец, обжимают, закругляют и отделывают шейки (фиг. 19). Эта сложная работа требует много времени, частых нагревов, ловкости и опытности кузнеца. Вырез, показанный на чертеже пунктиром, производится на долбёжном станке. Цапфельное кольцо (с шейками) для орудий заготовляется следующим образом. Отрезанный диск от болванки сплющивают, после нагрева, под молотом в продолговатый брус и пробивают в нём продольную щель (фиг. 20) посредством клинообразного прошивня. Потом коническими оправками расширяют постепенно эту щель (фиг. 21), пока отверстие не примет круглой формы, и, наконец, на горизонтальной оправке разводят до надлежащих размеров (фиг. 22).

Вообще для разных предметов требуются разные заготовки. От умелости выбора приёмов, от рациональной последовательности переходов из одной формы в другую, в особенности при более сложных конструкциях, зависит успешность К. и уменьшение расходов на лишний нагрев и угар металла.

Окончательная отделка

После заготовки предмет имеет довольно грубую и неровную поверхность, для выравнивания которой оставлен некоторый запас против требуемых размеров. Для этого предмет очищают ещё раз зубилом от всех трещин, волосовин и лёгкими и частыми ударами молотка проходят кругом всю его поверхность. Наконец, окончательно проверяют предмет посредством кронциркулей, линеек, или шаблонов и, если окажется надобность, его выправляют и т. п.

Для придания более чистого и гладкого вида употребляются разного рода гладилки и штампы, а иногда во время ударов молота поливают поверхность водой, вследствие чего приставшая окалина лучше отскакивает и предмет выходит чище. Такое выглаживание производится всегда в самом конце, когда изделие уже остыло до буро-красного каления и поэтому носит название холодной К. или наклепки.

После наклепки замечаются всегда такие же явления, как и при закалке, то есть металл делается твёрже и менее тягуч и образуются внутренние натяжения. Вследствие малой подвижности металла, при сильной наклёпке, нарушается связь между частицами и даже иногда получаются внутренние трещины. Если отполированный разрез сильно наклёпанного бруска подвергнуть действию слабой кислоты, то образовавшийся при этом рисунок прямо показывает на внутреннее изменение металла. Вначале предполагали, что наклёпка увеличивает абсолютную плотность стали однако, дальнейшие опыты показали обратное. Так, например, при волочении проволоки, после первого прохода через волочильную доску, плотность её уменьшилась с 7,839 до 7,836; после второго до 7,791, после третьего до 7,781. Кстати заметить, что при наклёпке меди или серебра получаем результаты совершенно противоположные.

Так как влияние наклёпки аналогично закалке, то, чтобы придать металлу желаемую твёрдость и упругость, очень часто прибегают к наклёпке. При изготовлении таких изделий, как, например резцы, инструменты, клинки и пр., этот способ оказывает большую услугу, но что касается более крупных вещей, при которых получается только поверхностная наклёпка, вызывающая внутренние натяжения, этот способ, вместо пользы, приносит изделию только вред. Лучшим доказательством служит пример изготовления локомотивных или вагонных осей, у которых шейки отделаны штамповкой. При пробе на изгиб таких осей часто случается, что при ударе груза посередине оси отламывается её конец, как раз в том месте, где была отштампована шейка. Хотя все эти вредные натяжения можно уничтожить, или, по крайней мере, уменьшить отжигом (см. Отжиг стали), однако никто не может поручиться, что во время самой наклёпки не образовались уже трещины, которых отжиг исправить не в состоянии. При изготовлении более сложных поковок, где неизбежно применять штамповку, гораздо лучше совершать это при высоком нагреве, тем более, что сталь в раскалённом состоянии хорошо выдерживает штампование и отчётливо воспроизводит форму штампы; чтобы воспрепятствовать образованию натяжения, надо делать её в несколько приёмов, каждый раз подогревая сталь до надлежащей температуры.

После обработки болванки под молотом, не прибегая даже к наклёпке, всегда появляются внутренние натяжения, происшедшие вследствие неравномерного остывания концентрических слоев, и вследствие того, что разные части болванки приходится ковать при разных температурах. Чем больше диаметр откованной болванки и чем резче переход от одной формы к другой, тем неравномернее происходит остывание и тем резче будут проявляться внутренние натяжения. Для избежания трещин и искривления откованных изделий, зарывают их сейчас же после К. в горячий мусор. Подобное зарывание может принести пользу, когда вещь довольно простой формы и когда она ещё красная. В противном случае надо непременно подвергать изделие отжигу, то есть осторожно его подогреть до температуры около 700°, затем, замазав печь, дать ему медленно остыть до полного охлаждения.

Выше было упомянуто, что назначение ковки, кроме сообщения требуемой формы, заключается ещё в уплотнении металла вследствие пороков, встречаемых внутри болванки. Газовые пузыри, образующиеся при затвердевании стали, размещаются, главным образом, снаружи. Большинство из этих пузырей, имея сообщение с окружающей атмосферой, окисляется под действием печных газов и покрывается внутри слоем окалины, которая не дозволяет им свариваться при обжимке болванки под молотом, а потому они только сплющиваются в виде прослоек и вытягиваются в виде волосовин. Толщина рыхлого слоя откованного предмета зависит от величины пузырей, глубины их размещения в болванке и от большей или меньшей обработки под молотом. Поэтому всякое откованное изделие, подвергающееся окончательной отделке на токарных или строгательных станках, должно иметь соответствующий запас металла, для удаления рыхлого слоя.

Чтобы получить чистую и гладкую поверхность, достаточно оставить, для удаления рыхлого слоя запас на обточку толщиной в ½» для больших и от ¼» до ⅛» для мелких предметов. Кроме уплотнения пороков в болванке, ковка изменяет и свойства самого металла. Если сравнить изломы кусков стали, взятых от одной и той же болванки до и после её проковки, то они представляют большую разницу. Первый из них крупнокристаллический с блестящими и сильно развитыми плоскостями отдельных зёрен, второй же мелкозернистый, матовый и как бы аморфного сложения. Испытывая на разрыв эти бруски, оказывается, что как упругость и прочное сопротивление, так и удлинение кованного бруска гораздо больше. Так, например, механические испытания бессемеровской стали от одной и той же болванки дали следующие результаты:

До ковки После ковки
Упр. сопротивление на кв. мм 24,1 кг 11,5 кг
Абсол. сопротивление на кв. мм 45,0 кг 59,8 кг
Удлинение 8 % 5 %

Поэтому долгое время полагали, да ещё и до сих пор многие такого убеждения, что К., вследствие своего сильного давления, производит сближение частиц между собой, их сжатие, а тем самым и уплотнение самого металла, и благодаря только такому действию, сталь приобретает другие свойства. Придавая К. такое значение, старались подвергать болванку как можно большей обработке и давать по возможности большее отношение площади поперечного сечения болванки к площади изделия. Однако, более тщательные исследования не оправдали этого взгляда. Во-первых, опыт показал, что удельный вес кованной стали меньше, чем литой. Ещё в 60-х годах Н. В. Калакуцкий доказал, что удельный вес литой стали, при отсутствии пороков, есть предел её уплотнения и что К., увеличивая гравиметрическую плотность болванки, уменьшает её абсолютную плотность. Из его опытов видим, что удельный вес куска стали от литой болванки равен 7,852; удельный же вес куска от этой болванки после нагрева его до светло-красного каления и хорошей проковки равнялся 7,846. Во-вторых, что повторительные нагревы и проковка не влияют уже на увеличение сопротивления и вязкости. В-третьих, что простым нагревом до известной температуры и соответственным охлаждением можно достигнуть таких же результатов относительно структуры, повышения упругости и вязкости металла. Это последнее явление было впервые замечено Д. К. Черновым и опубликовано в «З. И. Т. Общества», 1868 г.

Этот факт объясняется тем, что сталь при нагревании, начиная с некоторой температуры, принимает воскообразное состояние, то есть что отдельные зерна её размягчаются и слипаются между собой в виде тестообразной несжимаемой массы. Если станем охлаждать эту массу, тогда частицы опять собираются в отдельные зерна или кристаллы и эта группировка продолжается до тех пор, пока сталь не остынет до некоторой определенной температуры около 700°, ниже которой кристаллизация совершаться уже не может (см. Критические точки стали). Чем более нагрета сталь, то есть чем больше размягчена, и чем медленнее и спокойнее она остывала, тем более свободы и времени имели частицы для этой группировки. Если же во время этого охлаждения воспрепятствуем частицам свободно собираться в отдельные зерна ударами молота или вальцовкой, или посредством быстрого охлаждения не дадим времени к подобной группировке, или, наконец, если сталь нагреем только до температуры и позволим ей медленно остывать от этой температуры, ниже которой кристаллизация невозможна, то во всех этих случаях получим более или менее мелкозернистое сложение. Если остановить ковку при температуре выше 700°, то группировка частиц опять возможна и структура стали будет зависеть от этой температуры. Если же, наконец, нагреем болванку до очень высокой температуры и позволим болванке некоторое время остывать без ковки, то кристаллизация может принять такие размеры, что сталь теряет свойства ковкости и носит название перегретой стали.

Надо заметить, что эти замечательные исследования были сделаны г. Черновым ещё в 1860-х гг., и что они послужили исходной точкой для всех дальнейших исследований и теперешних теорий стали. Таким образом, на перемену структуры, от которой зависит вязкость и прочность стали, имеет влияние главным образом степень нагревания и условия остывания. Ковка препятствует кристаллизации и уплотняет пороки в болванке. Для успешности ковки надо стараться ковать быстро, чтобы не оставлять какого-нибудь места болванки долгое время без ударов молота. Поэтому при обжимке и вытягивании больших болванок, лучше довольствоваться зараз меньшей степенью обжимки и обрабатывать их в несколько приемов, проходя ударами молота каждый раз всю нагретую часть. Кроме того, нельзя допускать, чтобы болванка, нагретая до высокой температуры, дожидалась долго ковки или остывала в печке. При таких благоприятных условиях кристаллизация совершается очень быстро и болванка получает свойства перегретой стали. Лучше тогда дать болванке спокойно остыть, снова её нагреть до надлежащей температуры и затем ковать.

При обработке стальных болванок имеет очень важное значение, как с экономической стороны, так и относительно влияния ковки на качество изделия, сила молота, то есть отношение веса бьющей части к весу обрабатываемой болванки. Если принять вес бабы G и вес болванки g, то общепринятое отношение G/g = 2 доходит до 1. Однако, это отношение очень условное и зависит от многих причин, главным образом от формы изделия, приёмов ковки, сорта стали, допускающей более или менее сильный нагрев и, наконец, от приспособлений, имеющихся при молоте. Для обжимки болванок или для изготовления цилиндрических валов отношение G/g = 1 может быть допускаемо только в крайних случаях; вообще, для успешности действия куют при отношении 2. Так, например, под 5-тонным молотом можно свободно отковать орудийную трубу из болванки в 3 тонны, но для изготовления такого же веса коленчатого вала, следует употребить, по крайней мере, 15-тонный молот. Чем тяжелее молот в сравнении с весом болванки, тем энергичнее идёт ковка и тем глубже передаётся давление внутренним слоям болванки. Слабые удары передаются только поверхностным слоям, которые поэтому уплотняются и вытягиваются больше внутренних и откованная болванка при этих условиях имеет вогнутые концы (фиг. 25). Подобного рода явления замечаются чаще всего на ковке больших болванок. Поэтому для их успешной ковки приходится иметь громадных размеров молоты или же прибегать к частым подогревам.

В настоящее время для ковки стальных болванок стали применять гидравлические прессы, называемые пресс-молотами или жомами. Отлагая описания устройства и действия разных систем жомов, о чём будет подробно сказано в статье Пресс-молот, представителем которых есть ковальный пресс Витворта (см. Витвортов жом), сравним только в общих чертах действие парового молота и жома на болванку. Мгновенный удар молота, с громадной вначале живой силой и с полнейшей потерей в конце своего действия, распространяясь по верхней плоскости болванки, переходит по реакции и на нижнюю, соприкасающуюся с наковальней; промежуточные же слои, исполняя только передаточную роль, перемещаются, а вместе с тем и уплотняются гораздо меньше. Жом, с момента соприкосновения бойков с болванкой, своим растущим от 0 до 3 тонн давлением передаёт его, во все время нажимания, одинаково всем слоям металла. Расползанию наружных слоев металла, в плоскости нормальной к направлению давления, мешает трение о поверхности бойков, и вследствие этого, во время давления жома, главным образом перемещаются частицы внутренних слоев, которые уплотняются больше наружных, то есть жом производит действие обратное молоту. Это, впрочем, может быть устранено применением более узких бойков. Предположение лучших качеств металла, откованного под жомом, чем под молотом, пока ещё не оправдывается, тем более, что качество плотного металла зависит, главным образом, от температуры нагрева болванки, от температуры, при которой была остановлена ковка и от условий, при которых остывала болванка. Жом имеет большое преимущество перед молотом в экономическом отношении, так как он ускоряет К. в несколько раз в сравнении с молотом. Однако, надо заметить, что силой жома чересчур нельзя злоупотреблять. Очень большой сразу нажим делает на поверхности складки и наплывы металла, а при недостаточном нагреве возможны надрывы и трещины в сердцевине болванки. Подобным образом, как при К. под молотом, лучше довольствоваться и здесь небольшими нажимами и стараться поскорее пройти всю нагретую часть болванки. Если наклёпка, то есть К. при сравнительно низкой температуре под молотом, имеет дурное влияние на качество металла, вследствие образования внутренних натяжений, то тем более при К. под жомом она не должна быть допускаема. Кроме того, надо стараться по возможности хорошо прогревать центральные слои болванки, которые претерпевают самую большую работу при давлении жома. Потеря или угар металла, вследствие образования окалины, зависит от степени и продолжительности нагрева, от величины болванки и от количества повторительных нагревов. Для первого нагрева, в зависимости от диаметра, угар составляет от 1½ до 3 %, для каждого последующего подогрева болванка теряет по весу около 1 %.

Виды ковки

Ковка лошадей

Ковка лошади — прикрепление к её копытам подков, защищающих копыта от повреждений. Ковку лошади выполняет коваль — кузнец, имеющий познания в ветеринарной ортопедии и обладающий навыками обращения с лошадью.

Художественная ковка

Художественная ковка — это изготовление методом обработки металлов, который имеет общее название ковка, любых кованых изделий, любого предназначения, имеющих в обязательном порядке свойства художественного произведения. Близкое к такой формулировке пояснение можно встретить в Словарь по общественным наукам. Глоссарий.ру и других современных словарях.

Образцы художественной ковки
Изготовление кованых изделий

Основная статья: Кованные изделия

Ковка может быть горячей и холодной.

Горячая ковка создаётся методом нагревания металла и придания ему нужной формы.

В то же время холодная ковка создается без нагрева металла. При помощи сгиба либо вручную, либо на специальном станке, также в создании узора участвует болгарка (обрезание концов квадратного либо круглого прута), и сварочный аппарат, который собирает детали узора вместе.

История ковки

Ковка (меди, самородного железа) служила одним из основных способов обработки металла:

  • холодная, затем горячая ковка в Иране, Месопотамии, Египте — 4-3 тыс. до н. э.
  • холодная ковка у индейцев Северной и Южной Америки — до XVI в. н. э.

Древние металлурги Европы, Азии и Африки ковали сыродутное железо, медь, серебро и золото. Кузнецы пользовались особым почетом у народов древности, их искусство окружалось легендами и суевериями.

В Средние века кузнечное дело достигло высокого уровня: вручную отковывались ручное и огнестрельное оружие, инструменты, детали сельскохозяйственных орудий, дверей и сундуков, решетки, светильники, замки, часы и другие изделия всевозможных форм и размеров, часто с тончайшими деталями; кованые изделия украшались насечкой, просечным или рельефным узором, расплющенными в тончайший слой листами сусального золота и бронзовой потали.

В XIX в. ручная художественная ковка была вытеснена штамповкой и литьём, интерес к ней возродился в XX в. (работы Ф. Кюна в ГДР, И. С. Ефимова, В. П. Смирнова в СССР; оформление общественных интерьеров в Таллине, Каунасе и др.).

С наступлением эпохи персональных компьютеров производство сложных и уникальных кованых изделий, как правило, сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего кованого изделия до начала производства[источник не указан 195 дней]. Компьютерное 3D моделирование теперь не редкость даже для небольших компаний[источник не указан 195 дней].

Известные памятники художественной ковки

кованые фонари, ограды, решётки, ворота следующих дворцовых и городских ансамблей:

Центры кузнечного ремесла

Исследователи технологии ковки

  • П. П. Аносов в 1831 впервые применил микроскоп для изучения структуры металлов
  • Д. К. Чернов в 1868 научно обосновал режимы ковки
  • советские учёные Н. С. Курнаков, К. Ф. Грачев, С. И. Губкин, К. Ф. Неймайер и др.

Литература

Ссылки

Ковка металла — статья о том, как все происходит от «Мастерская изящной ковки»

Производство железа и сплавов

Изделия из железа появились на земле задолго до того, как человек научился сам производить его из железосодержащих материалов. Находки археологов «говорят» о том , что еще в 5 тысячелетии до нашей эры в древнем Египте , Шумерах и Индии применялись украшения из железа и наконечники для стрел были железными. Но то было железо внеземного происхождения , а именно – метеоритный камень (железоникелевый сплав). Позже в 4-3 тысячелетии от рождения Христа люди начали учиться получать железо искусственно из железосодержащих материалов (песок , руда).Это происходило в Египте, Древней Анатолии, на Кавказе.


Основным способом получения железа в древности являлся сыродутный метод , при котором железосодержащая руда перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. В результате выгорания угля получалась крица, которую очищали от шлаков ковкой, выбивая примеси ударами молотов. Железо получалось малоуглеродистым из-за низкой температуры в горне. Поэтому приходилось многократно проковывать прокаливать крицу с углем для получения более-менее прочной стали .В дальнейшем для производства стали научились применять меха для подачи воздуха в горн , что повысило температуру в печи до 1400 градусов по Цельсию и это дало возможность расплавлять чугун до жидкого состояния .


Получаемая таким методом сталь и железо «напрямую» не годились для изготовления оружия и инструментов, так как они получались или слишком хрупкими, или слишком мягкими. Поэтому оружие и инструменты приходилось делать из нескольких слоев пластин железа  и пластин стали. Такие изделия назывались сварными и они были недостаточно прочными и очень массивными. Да к тому же железные мечи было очень сложно заточить и они очень часто ломались и гнулись .


Однако несмотря на недостатки сварных изделий из железа и стали, они стали общедоступны, что привело к резкому увеличению производительности труда в земледелии и в строительстве .


Для получения упругости металлических изделий, железо необходимо разогреть до жидкого состояния (1540 градусов по Цельсию), чтобы возникла четкая кристаллическая структура. Металлургам это удалось только в середине 19 века. Однако несмотря на это, еще в 1 тысячелетии до рождения Христа в Индии научились получать булатную сталь, без расплавления железа .Но процесс изготовления был очень сложным и трудоемким. Плавка в тиглях и применяемая при этом руда , на долгое время осталось секретом для всего мира. Чуть позже в Китае научились получать упругую сталь, для изготовления которой не требовалось специальных печей и руды. Кузнецы многократно перековывали сталь и при каждой ковке заготовка складывалась вдвое .Так получалась сталь под названием дамаск. И булатная, и дамасская стали имели узорчатую поверхность. Их очень сложно отличить по виду .Но клинок из булата гибче, прочнее и острее дамаска .

Китайцы в 7 веке разработали передельный способ получения стали из чугуна. Этот двухстадийный процесс изготовления стали оказался более простым и выгодным, оставаясь и до наших дней основным способом производства стальных изделий. Кривые мечи, как раз и изготавливались из передельной стали .

Следующим этапом развития металлургии стали доменные печи ,производство стало непрерывным, так как печи работали круглосуточно. Ковки стало намного меньше, так как чугун перегонялся в железо в горнах .

Обработка металла

На первых этапах развития металлургии производством железных и стальных изделий занимались кузнецы. Кузнец занимался всем :и поиском руды с углем, и сам выплавлял и ковал, и обрабатывал металл. Производственное оборудование состояло из молота, наковальни, мехов и точильного камня. На следующем этапе железную руду и уголь  в кузницы поставляли другие люди. У кузнецов появились подсобные рабочие. Качество кованых изделий возросло. Кузнецы делали все, что технически было  возможно  изготавливать.


С развитием городов происходит разделение труда и возникает много новых специализаций. Кузнецы начинают работать на определенный ассортиментный ряд.


Кустарное производство металла перестало осуществляться после появления доменных печей. Кузнецы стали покупать железо в заготовках.


С расширением ассортиментного ряда профильной стали начала широко распространяться художественная ковка, расцвет которой приходится на 19 и начало 20 веков.

Ковка. Определение. Общие понятия.

Автор: редакционная статья

Категории: металлообработка

Ковка. Определение, общие понятие, описание процесса ковки, исторические факты о ковке.

 

Ковка. Определение. Общие понятия.

Ковка — это высокотемпературная обработка различных металлов (железо, медь и её сплавы, титан, алюминий и его сплавы), нагретых до ковочной температуры. Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических (температура плавления, кристаллизация) и химических (наличия легирующих элементов) свойств. Для железа температурный интервал 1250–800 °С, для меди 1000–650 °С, для титана 1600—900 °С, для алюминиевых сплавов 480–400 °С.
Различают:

  • ковка на молотах (пневматических, паровых и гидравлических)
  • ручная ковка
  • штамповка

Изделия и полуфабрикаты, получаемые ковкой, называют «поковка».
При ковке в штампах металл ограничен со всех сторон стенками штампа. При деформации он приобретает форму этой полости.
При свободной ковке (ручной и машинной) металл не ограничен совсем или же ограничен с одной стороны. При ручной ковке непосредственно на металл или на инструмент воздействуют кувалдой или молотом.
Свободную ковку применяют также для улучшения качества и структуры металла. При проковке металл упрочняется, завариваются так называемые несплошности и размельчаются крупные кристаллы, в результате чего структура становится мелкозернистой, приобретает волокнистое строение.
Машинную ковку  выполняют на специальном оборудовании — молотах с массой падающих частей от 40 до 5000 кг или гидравлических прессах, развивающих усилия 2–200 МН (200–20000 тс), а также на ковочных машинах. Изготовляют поковки массой 100 т и более. Для манипулирования тяжёлыми заготовками при ковке используют подъёмные краны грузоподъёмностью до 350 т, кантователи и специальные манипуляторы.
Ковка является одним из экономичных способов получения заготовок деталей. В массовом и крупносерийном производствах преимущественное применение имеет ковка в штампах, а в мелкосерийном и единичном — свободная ковка.
При ковке используют набор кузнечного инструмента, с помощью которого заготовкам придают требуемую форму и размеры.

 

Основные операции ковки

— осадка
— высадка
— протяжка
— обкатка
— раскатка
— прошивка и др.

 

Ковка железа и стали по технологии конца XIX в

Ковка применяется для разных целей, и из-за этого способы обработки металла могут быть различными:

  • обжимка криц — ковка, при которой происходит уплотнение и сварка частиц, а также выделение шлаков из тестообразной железной массы (крицы) .
  • сварка — ковка, при которой сращиваются пакеты, состоящие из отдельных кусков нагретых до вара .
  • обыкновенная ковка — уплотнение и придание желаемых форм предмету.

В зависимости от величины обрабатываемых изделий, ковка разделяется на ручную и на механическую.

Инструменты


— наковальня
— молот
— ручные молоты (небольшие), которыми кузнец, сам один, или с помощью молотобойцев, обрабатывает предмет.
— механические молоты. Важный элемент механического молота – наковальня, или нижний боек, на который кладётся предмет.
— кузнечные клещи, которыми кузнец захватывает нагретый кусок, вынимает его из горна, или печи, подносит под молот, кладёт на наковальню и поворачивает предмет во время ударов молота.
— подъёмные краны по обеим сторонам механического молота. Они служат для посадки болванки в печь, переноса под молот и поворачивания её во время ковки. Вспомогательным прибором при этих манипуляциях служит державка, состоящая из прочного, длинного стержня, имеющего на одном конце 4 лапы, которые захватывают болванку, а на другом — рукоятку, для поддерживания болванки рабочими на весу.

Процесс ковки

Нагрев заготовки

Для изготовления предметов путём ковки берётся отлитая стальная заготовка. Её необходимо сначала нагреть. Для этого вблизи молота устраиваются нагревательные печи или горны. Их размер, форма и количество зависит от производства и размера заготовок. Для мелких изделий применяются обыкновенные кузнечные горны. Для крупных — пользуются сварочными печами, нагреваемыми дровами, или каменным углем, а для нагревания больших заготовок устраивают газовые печи.
Печь сначала разогревают до тёмно-красного каления. Затем в неё помещают горячую заготовку. (В холодных заготовках внутренние слои всегда находятся в более или менее напряжённом состоянии из-за условий, в которых они после отливки затвердевают. Если в горячую печь положить холодную заготовку, то наружные слои, нагреваясь и удлиняясь, вызовут возникновение трещин в малоподатливых внутренних слоях). Такая заготовка должна оставаться горячей после отливки, ей не надо давать остыть ниже тёмно-красного каления и сразу же после извлечения из формы для отливки её следует поместить в печь. Если это не удалось, и заготовка начала остывать, то прежде чем поместить её в печь, её надо зарыть в горячий мусор для более медленного остывания. Если она остынет сильно, то надо её подогреть на полу мастерской. Даже после подогрева на полу в заготовке могут возникнуть внутренние трещины. Чтобы избежать такой порчи заготовки, её надо сначала подогревать только с концов. Тогда нагрев будет идти по направлению оси заготовки, от её концов к середине, и расширение всех концентрических слоев будет равномерней. Предварительный подогрев — достаточно до 300°, что легко узнать по дыму и зажиганию масла, налитого на поверхность заготовки.
Заготовки помещают в печь по одной или несколько, в зависимости от их величины. Вначале нагрев держат небольшой. Затем его постепенно увеличивают и доводят до требуемой степени. Чем сильнее нагрев, тем сталь делается мягче, легче её обрабатывать под молотом и тем успешнее идёт ковка. Однако этим опасно злоупотреблять — чем выше нагрета сталь, тем она больше стремится кристаллизоваться при остывании, из-за чего может уменьшиться связь между отдельными кристаллами (зёрнами), и они могут разъединиться даже от одного или нескольких ударов молота. Таким образом — заготовка при ковке получит надрыв, трещину, а иногда даже отваливается целыми кусками. Это называется перегревом стали. Перегрев стали не следует путать с пережогом стали. Пережог влияет не на кристаллическую структуру металла, а уже на его химический состав, заставляя его изменяться: когда сталь долго находится под воздействием печных газов, сварочного жара, она мало-помалу теряет свой углерод и приближается к железу. Пережжённую сталь невозможно использовать, тогда, как перегретую ещё можно поправить.
Чем твёрже сталь, тем больше она стремится к кристаллизации и тем ниже температура, при которой она кристаллизуется. Поэтому степень нагрева надо сообразовать с твёрдостью стали:

 

  • мягкая сталь переносит ковку даже при сварочном жаре, около 1300° С.
  • твёрдую инструментальную сталь выше 1000° С ковать уже опасно.
  • для средних сортов стали температура 1300° С совершенно достаточна для ковки и вполне надёжна.

Низкая температура тоже не подходит для ковки. Во-первых, она сильно затрудняет обработку. Во-вторых — при перемещении малоподвижных частиц во время ковки образуются сильные натяжения, которые иногда вызывают внутренние надрывы и трещины. Надо вести нагрев так, чтобы внутренняя часть заготовки успела прогреться надлежащим образом. И хотя наружные слои всегда прогреваются сильнее, но это уравновешивается быстро вследствие их охлаждения во время ковки.
Вообще, для успешной ковки надо принять за необходимое правило, что кроме степени нагрева имеет очень важное значение и равномерность нагрева. Для этого после посадки заготовки в печь, надо температуру поднимать очень медленно, наблюдая, чтобы заготовка нагревалась одинаково со всех сторон.
Время нагрева зависит главным образом от величины заготовки и от жаровой способности печи. На некоторых заводах для нагрева 30-ти тонной заготовки требуется около 30 часов, для 15-ти тонной около 12 часов, для 5-ти тонной около 8 часов.

Обжим заготовки


Стальная заготовка — это не одно сплошное однородное тело. Она переполнена внутри раковинами и пустотами различной формы и величины. Поэтому сразу после выдачи заготовки из печи их уплотняют — ударами молотка обковывают заготовку кругом, начиная от середины к нижнему концу заготовки, затем к верхнему ,прибыльному. Это называется «обжимом заготовки». Образовавшаяся во время нагрева окалина на поверхности заготовки частью сама отваливается при обжиме, частью отбивается ломами и счищается. Поэтому заготовка отливается несколько большего размера и веса по сравнению с задуманным предметом. Отношение площади поперечного сечения заготовки к площади готового изделия принимали раньше от 6 до 10. Теперь, при более плотных отливках, принимают от 3 до 4.

Подготовка

Обработку стальной заготовки под молотом можно разделить на две части: на подготовку и на окончательную отделку.
Подготовка предназначена для того, чтобы уплотнить заготовку, и придать ей в грубом виде необходимые размеры и формы. Формы и размеры заготовок и способы ковки зависят от вида изделий. Подготовки по виду разделяются: на подготовку сплошных цилиндров, пустотелых цилиндров, колец, подготовку плоских вещей, и т. п. Способы ковки при этом также имеют разные названия.

  • Подготовка сплошных цилиндров.

При такой подготовке обжим заготовки производится на вырезном нижнем бойке, где после каждых нескольких ударов молота её поворачивают на 1/8 оборота и, после образования восьмигранника, подвигают на ширину верхнего бойка и продолжают ковку. Когда, таким образом, обожмут всю заготовку, её опять подвигают на старое место и, ударяя молотом по граням, образуют шестнадцатигранник. Сообразно диаметру цилиндра продолжают ковку, пока заготовка не примет надлежащих размеров. При такой обработке она уменьшается в диаметре, а металл при обжимке перемещается по направлению оси, и вследствие этого заготовка удлиняется, вытягивается, отчего и самую обработку называют вытягиванием.
В случае, если при таком вытягивании заметят на поверхности заготовки трещины, или другие пороки, тогда останавливают ковку, пока их не вырубят кузнечными зубилами. Верхний конец, так называемый прибыльный, заключающий в себе всегда пустоты, считается негодным для употребления и потому 1/4 по весу заготовки отрубается, что носит название отрубки прибыли. Для рубки употребляется стальной топор, который накладывается на верх заготовки и вдавливается молотом в её тело. Потом на верх топора накладываются бруски квадратного сечения и продолжают нажимать молотом, пока топор не углубится до половины тела заготовки; наконец, её поворачивают на 180° и таким же образом продолжают рубку с противоположной стороны. Подобным образом разрубается на части заготовленная заготовка, когда она предназначается для изготовления нескольких предметов.
При заготовке больших изделий молот за один нагрев не успеет обжать и заготовить всей заготовки, поэтому сперва обжимают и заготовляют нижнюю половину заготовки, потом переносят державку на отделанный уже конец, подогревают остальную часть заготовки, обрабатывают её таким же самым образом, и, наконец, отрубают прибыль.
Если цилиндр должен иметь на конце уступы, или фланцы, диаметр которых больше, чем поперечник заготовки, тогда после обжимки заготовки и отрубки прибыли нижний боек удаляется прочь, а на его место устанавливается заготовка стоймя (на попа) и ударами молота осаживается, причём диаметр её, в особенности на концах, увеличивается. Для выковки вала меньших размеров, или такой длины, что он не помещается стоймя под молотом, пользуются услугами так называемой балды, подвешенной на цепи, посредством ударов которой, осаживают конец вала. Для заготовки изделий кольцеобразной формы, как, например бандажей, скрепляющих орудийных колец и проч., сначала, как было сказано выше, заготовку обжимают, вытягивают, очищают от окалины и трещин, отрубают прибыль и разрубают на куски; после вторичного нагрева каждый кусок немного осаживают, или сплющивают в виде лепёшки. Потом пробивают отверстие посредством пробоя или прошивня, вдавливая его сначала с одной стороны до половины, потом, повернув заготовку — с другой. Дальнейшая обработка кольца, то есть разводка, производится уже на оправке в особой стойчатой наковальне. Разводку бандажных шин производят на особой наковальне с рогом, где, кроме того, посредством раскатки,  делают выступ, называемый ребордой.
Для изготовления более длинных пустотелых цилиндров, как, например, скрепляющих орудийных оболочек, сначала отрезают на токарном станке прибыльную часть заготовки, потом высверливают вдоль оси насквозь отверстие около 300 мм в диаметре и, после нагрева заготовки, проталкивают в отверстие железный пустотелый стержень и на нём её обжимают. Такая обработка носит название Ковка на штревеле. Чтобы стержень не нагревался и не сжимался вместе с заготовкой, внутри него постоянно циркулирует вода. Когда ковка окончена, вынимают штревель из цилиндра посредством особого прибора, представляющего собой гидравлический пресс, или домкрат. Он состоит из пустотелого цилиндра  с двойными стенками,  между которыми пускается вода для выдвигания второго цилиндра , который упирается в гайку , навинченную на конец штревеля. На другом конце цилиндра  укреплена муфта,  упирающаяся в откованную оболочку. Вода выдавливает цилиндр,  который тянет за собой штревель. Подготовка для изделий прямоугольного поперечного сечения производится на плоских наковальнях, где, после предварительного обжима, заготовку сплющивают сперва наплоско, потом поворачивают на 90° и куют на ребро. При ударе молота удлинение совершается по направлению её оси, по перпендикулярному же направлению перемещению частиц мешает трение о поверхность бойка и наковальни. Чтобы ковкой расширить размеры заготовки по этому последнему направлению, раздают металл посредством раскатки. Для этого на поверхность заготовки, по направлению её оси, накладывают полуцилиндрический валик, называемый раскаткой, и ударом молота вдавливают его в тело. После такой раскатки по всей поверхности заготовки металл расползается по направлению стрелки, а причинённые неровности выглаживаются потом ударами молота. Такой обработке подвергаются броневые плиты. Для изготовления коленчатого вала, заготовляется сначала прямоугольный брус, в котором, посредством топора, делают два надреза. Потом молотом отгибают оба конца, отрубают топором образовавшиеся выступы и, наконец, обжимают, закругляют и отделывают шейки. Эта сложная работа требует много времени, частых нагревов, ловкости и опытности кузнеца. Вырез, показанный на чертеже пунктиром, производится на долбёжном станке. Цапфельное кольцо (с шейками) для орудий заготовляется следующим образом. Отрезанный диск от заготовки сплющивают, после нагрева, под молотом в продолговатый брус и пробивают в нём продольную щель  посредством клинообразного прошивня. Потом коническими оправками расширяют постепенно эту щель, пока отверстие не примет круглой формы, и, наконец, на горизонтальной оправке разводят до надлежащих размеров.
Вообще для разных предметов требуются разные заготовки. От умелости выбора приёмов, от рациональной последовательности переходов из одной формы в другую, в особенности при более сложных конструкциях, зависит успешность ковки и уменьшение расходов на лишний нагрев и угар металла.

Окончательная отделка


После подготовки предмет имеет довольно грубую и неровную поверхность, для выравнивания которой оставлен некоторый запас против требуемых размеров. Для этого предмет очищают ещё раз зубилом от всех трещин, волосовин и лёгкими и частыми ударами молотка проходят кругом всю его поверхность. Наконец, окончательно проверяют предмет посредством кронциркулей, линеек, или шаблонов и, если есть необходимость, его выправляют и т. п.
Для придания более чистого и гладкого вида употребляются разного рода гладилки и штампы, а иногда во время ударов молота поливают поверхность водой, вследствие чего приставшая окалина лучше отделяется и изделие выходит чище. Такое выглаживание производится всегда в самом конце, когда изделие уже остыло до буро-красного каления и поэтому носит название холодной ковки или наклепки.
После наклепки замечаются всегда такие же явления, как и при закалке, то есть металл делается твёрже и менее тягуч и образуются внутренние натяжения. Вследствие малой подвижности металла, при сильной наклёпке, нарушается связь между частицами и даже иногда получаются внутренние трещины. Если отполированный разрез сильно наклёпанного бруска подвергнуть действию слабой кислоты, то образовавшийся при этом рисунок прямо показывает на внутреннее изменение металла. Вначале предполагали, что наклёпка увеличивает абсолютную плотность стали однако, дальнейшие опыты показали обратное. Так, например, при волочении проволоки, после первого прохода через волочильную доску, плотность её уменьшилась с 7,839 до 7,836; после второго до 7,791, после третьего до 7,781.  При наклёпке меди или серебра получаем результаты совершенно противоположные.
Так как влияние наклёпки аналогично закалке, то, чтобы придать металлу желаемую твёрдость и упругость, очень часто прибегают к наклёпке. При изготовлении таких изделий, как, например резцы, инструменты, клинки и пр., этот способ оказывает большую пользу, но, что касается более крупных изделий, при которых получается только поверхностная наклёпка, вызывающая внутренние натяжения, этот способ, вместо пользы, приносит изделию только вред. Лучшим доказательством служит пример изготовления локомотивных или вагонных осей, у которых шейки отделаны штамповкой. При пробе на изгиб таких осей часто случается, что при ударе груза посередине оси отламывается её конец, как раз в том месте, где была отштампована шейка. Хотя все эти вредные натяжения можно уничтожить, или, по крайней мере, уменьшить отжигом, однако иногда происходит, что во время самой наклёпки не образовались уже трещины, которых отжиг исправить не в состоянии. При изготовлении более сложных поковок, где неизбежно применять штамповку, гораздо лучше совершать это при высоком нагреве, тем более, что сталь в раскалённом состоянии хорошо выдерживает штамповку и отчётливо воспроизводит форму штампы; чтобы воспрепятствовать образованию натяжения, необходимо делать её в несколько приёмов, каждый раз подогревая сталь до надлежащей температуры.
После обработки заготовки под молотом, не прибегая даже к наклёпке, всегда появляются внутренние натяжения, происшедшие вследствие неравномерного остывания концентрических слоев, и вследствие того, что разные части заготовки приходится ковать при разных температурах. Чем больше диаметр откованной заготовки и чем резче переход от одной формы к другой, тем неравномернее происходит остывание, и тем резче будут проявляться внутренние натяжения. Во избежание трещин и искривления откованных изделий, зарывают их  после ковки в горячий мусор. Подобное зарывание может принести пользу, когда изделие довольно простой формы и когда она ещё красная. В противном случае надо непременно подвергать изделие отжигу, то есть осторожно его подогреть до температуры около 700°, затем, замазав печь, дать ему медленно остыть до полного охлаждения.
Выше было упомянуто, что назначение ковки, кроме сообщения требуемой формы, заключается ещё в уплотнении металла вследствие пороков, встречаемых внутри заготовки. Газовые пузыри, образующиеся при затвердевании стали, размещаются, главным образом, снаружи. Большинство из этих пузырей, имея сообщение с окружающей атмосферой, окисляется под действием печных газов и покрывается внутри слоем окалины, которая не дозволяет им свариваться при обжимке болванки под молотом, а потому они только сплющиваются в виде прослоек и вытягиваются в виде волосовин. Толщина рыхлого слоя откованного предмета зависит от величины пузырей, глубины их размещения в болванке и от большей или меньшей обработки под молотом. Поэтому всякое откованное изделие, подвергающееся окончательной отделке на токарных или строгательных станках, должно иметь соответствующий запас металла, для удаления рыхлого слоя.
Чтобы получить чистую и гладкую поверхность, достаточно оставить, для удаления рыхлого слоя запас на обточку толщиной в ½» для больших и от ¼» до ⅛» для мелких предметов. Кроме уплотнения пороков в болванке, ковка изменяет и свойства самого металла. Если сравнить изломы кусков стали, взятых от одной и той же болванки до и после её проковки, то они представляют большую разницу. Первый из них крупнокристаллический с блестящими и сильно развитыми плоскостями отдельных зёрен, второй же мелкозернистый, матовый и как бы аморфного сложения. Испытывая на разрыв эти бруски, оказывается, что как упругость и прочное сопротивление, так и удлинение кованого бруска гораздо больше. Так, например, механические испытания бессемеровской стали от одной и той же заготовки имеют следующие результаты:

 

До ковки

После ковки

Упр. сопротивление на кв. мм

24,1 кг

11,5 кг

Абсол. сопротивление на кв. мм

45,0 кг

59,8 кг

Удлинение

8 %

5 %

Поэтому долгое время полагали, да ещё и до сих пор многие такого убеждения, что ковка, вследствие своего сильного давления, производит сближение частиц между собой, их сжатие, а тем самым и уплотнение самого металла, и благодаря только такому действию, сталь приобретает другие свойства. Придавая ковке такое значение, старались подвергать болванку как можно большей обработке и давать по возможности большее отношение площади поперечного сечения заготовки к площади изделия. Однако, более тщательные исследования не оправдали этого взгляда. Во-первых, опыт показал, что удельный вес кованой стали меньше, чем литой. Ещё в 60-х годах  исследователи доказали, что удельный вес литой стали, при отсутствии пороков, есть предел её уплотнения и что ковка, увеличивая гравиметрическую плотность заготовки, уменьшает её абсолютную плотность. Из  опытов видно, что удельный вес куска стали от литой болванки равен 7,852; удельный же вес куска от этой болванки после нагрева его до светло-красного каления и хорошей проковки равнялся 7,846. Во-вторых, что повторительные нагревы и проковка не влияют уже на увеличение сопротивления и вязкости. В-третьих, что простым нагревом до известной температуры и соответственным охлаждением можно достигнуть таких же результатов относительно структуры, повышения упругости и вязкости металла. Это последнее явление было впервые замечено Д. К. Черновым и опубликовано в «З. И. Т. Общества», 1868 г.
Этот факт объясняется тем, что сталь при нагревании, начиная с некоторой температуры, принимает воскообразное состояние, то есть что отдельные зерна её размягчаются и слипаются между собой в виде тестообразной несжимаемой массы. Если станем охлаждать эту массу, тогда частицы опять собираются в отдельные зерна или кристаллы и эта группировка продолжается до тех пор, пока сталь не остынет до некоторой определенной температуры около 700°, ниже которой кристаллизация совершаться уже не может (см. Критические точки стали). Чем более нагрета сталь, то есть чем больше размягчена, и чем медленнее и спокойнее она остывала, тем более свободы и времени имели частицы для этой группировки. Если же во время этого охлаждения воспрепятствовать частицам свободно собираться в отдельные зерна ударами молота или вальцовкой, или посредством быстрого охлаждения не дать времени к подобной группировке, или, наконец, если сталь нагреть только до температуры и позволить ей медленно остывать от этой температуры, ниже которой кристаллизация невозможна, то во всех этих случаях получается более или менее мелкозернистое сложение. Если остановить ковку при температуре выше 700°, то группировка частиц опять возможна и структура стали будет зависеть от этой температуры. Если же, наконец, нагреть болванку до очень высокой температуры и позволить болванке некоторое время остывать без ковки, то кристаллизация может принять такие размеры, что сталь теряет свойства ковкости и носит название перегретой стали.
Эти  исследования были сделаны г. Черновым ещё в 1860-х гг., и что они послужили исходной точкой для всех дальнейших исследований и современных теорий стали. Таким образом, на перемену структуры, от которой зависит вязкость и прочность стали, имеет влияние, главным образом, степень нагревания и условия остывания. Ковка препятствует кристаллизации и уплотняет пороки в заготовке. Для успешности ковки надо стараться ковать быстро, чтобы не оставлять какого-нибудь места заготовки долгое время без ударов молота. Поэтому при обжимке и вытягивании больших заготовок, лучше пользоваться за один раз меньшей степенью обжимки и обрабатывать их в несколько приемов, проходя ударами молота каждый раз всю нагретую часть. Кроме того, нельзя допускать, чтобы заготовка, нагретая до высокой температуры, дожидалась долго ковки или остывала в печке. При таких благоприятных условиях кристаллизация совершается очень быстро и заготовка получает свойства перегретой стали. Лучше тогда дать заготовке спокойно остыть, снова её нагреть до надлежащей температуры и затем ковать.
При обработке стальных заготовок имеет очень важное значение, как с экономической стороны, так и относительно влияния ковки на качество изделия, сила молота, то есть отношение веса бьющей части к весу обрабатываемой болванки. Если принять вес бабы G и вес заготовки g, то общепринятое отношение G/g = 2 доходит до 1. Однако,  это отношение очень условное и зависит от многих причин, главным образом,- от формы изделия, приёмов ковки, сорта стали, допускающей более или менее сильный нагрев и, наконец, от приспособлений, имеющихся при молоте. Для обжима заготовок или для изготовления цилиндрических валов отношение G/g = 1 может быть допускаемо только в крайних случаях; вообще, для эффективности действия куют при отношении 2. Так, например, под 5-тонным молотом можно отковать орудийную трубу из заготовки в 3 тонны, но для изготовления такого же веса коленчатого вала, следует употребить, по крайней мере, 15-тонный молот. Чем тяжелее молот в сравнении с весом заготовки, тем энергичнее идёт ковка и тем глубже передаётся давление внутренним слоям заготовки. Слабые удары передаются только поверхностным слоям, которые поэтому уплотняются и вытягиваются больше внутренних и откованная заготовка при этих условиях имеет вогнутые концы. Подобного рода явления замечаются чаще всего на ковке больших заготовок. Поэтому для их успешной ковки приходится иметь больших размеров молоты или же прибегать к частым подогревам.
В настоящее время для ковки стальных заготовок стали применять гидравлические прессы, называемые пресс-молотами  или жомами.  Мгновенный удар молота, с большой в начале  силой,  и с полнейшей потерей в конце своего действия, распространяясь по верхней плоскости заготовки, переходит по реакции и на нижнюю, соприкасающуюся с наковальней; промежуточные же слои, исполняя только передаточную роль, перемещаются, а вместе с тем и уплотняются гораздо меньше. Пресс, с момента соприкосновения бойков с заготовкой, своим растущим от 0 до 3 тонн давлением передаёт его, во все время нажимания, одинаково всем слоям металла. Расползанию наружных слоев металла, в плоскости нормальной к направлению давления, препятствует трение о поверхности бойков, и, вследствие этого, во время давления пресса, главным образом перемещаются частицы внутренних слоев, которые уплотняются больше наружных, то есть пресс производит действие обратное молоту. Это может быть устранено применением более узких бойков. Предположение лучших качеств металла, откованного под пресс-молотом, чем под молотом, является предметом дискуссий, тем более, что качество плотного металла зависит, главным образом, от температуры нагрева заготовки, от температуры, при которой была остановлена ковка и от условий, при которых остывала заготовка. Пресс-молот имеет большое преимущество перед молотом в экономическом отношении, так как он ускоряет ковку в несколько раз в сравнении с молотом. Однако,  следует отметить, что силой пресс-молота  нельзя злоупотреблять. Очень большой сразу нажим делает на поверхности складки и наплывы металла, а при недостаточном нагреве возможны надрывы и трещины в сердцевине заготовки. Подобным образом, как при ковке под молотом, лучше пользоваться и здесь небольшими нажимами и стараться поскорее пройти всю нагретую часть болванки. Если наклёпка, то есть ковка при сравнительно низкой температуре под молотом, имеет негативное влияние на качество металла, вследствие образования внутренних натяжений, то тем более при ковке под пресс-молотом она не должна быть допускаема. Кроме того, надо стараться по возможности хорошо прогревать центральные слои заготовки, которые претерпевают самую большую работу при давлении пресс-молота. Потеря или угар металла, вследствие образования окалины, зависит от степени и продолжительности нагрева, от величины заготовки и от количества повторительных нагревов. Для первого нагрева, в зависимости от диаметра, угар составляет от 1½ до 3 %, для каждого последующего подогрева заготовка теряет по весу около 1 %.

 

История ковки

Ковка (меди, самородного железа) служила одним из основных способов обработки металла:

  • холодная, затем горячая ковка в Иране, Месопотамии, Египте — 4-3 тыс. до н. э.
  • холодная ковка у индейцев Северной и Южной Америки — до XVI в. н. э.

Древние металлурги Европы, Азии и Африки ковали сыродутное железо, медь, серебро и золото. Кузнецы пользовались особым почетом у народов древности, их искусство окружалось легендами и суевериями.
В Средние века кузнечное дело достигло высокого уровня: вручную отковывались ручное и огнестрельное оружие, инструменты, детали сельскохозяйственных орудий, дверей и сундуков, решетки, светильники, замки, часы и другие изделия всевозможных форм и размеров, часто с тончайшими деталями; кованые изделия украшались насечкой, просечным или рельефным узором, расплющенными в тончайший слой листами сусального золота и бронзовой потали.
В XIX в. ручная художественная ковка была вытеснена штамповкой и литьём, интерес к ней возродился в XX в. (работы Ф. Кюна в Германии, И. С. Ефимова, В. П. Смирнова в России; оформление общественных интерьеров в Таллине, Каунасе и др.).
С наступлением эпохи персональных компьютеров производство сложных и уникальных кованых изделий, как правило, сопровождается компьютерным трёхмерным имитационным моделированием. Эта точная и относительно быстрая технология позволяет накопить все необходимые знания, оборудование и полуфабрикаты для будущего кованого изделия до начала производства. Компьютерное 3D моделирование теперь не редкость даже для небольших компаний.

Известные памятники художественной ковки


кованые фонари, ограды, решётки, ворота следующих дворцовых и городских ансамблей:

  • Версаль
  • Парк кованых фигур в Донецке
  • Санкт-Петербург
  • Царское Село

 


Ковка металла своими руками | Строительный портал

Кованые изделия в архитектуре и дизайне интерьера пользуются высокой популярностью с давних пор. Решетки на окна и для каминов, ограда или балясины лестниц, выкованные из металла, всегда выглядят изысканно и привлекательно. Сегодня, несмотря на современные технологии в обработке металлов, металлические изделия ручной ковки популярны как никогда. Конечно, ковка металла своими руками – дело не из легких, и без должной подготовки трудно сделать красивое кованое изделие. Но тем, кто хочет овладеть этим древним ремеслом и готов к тяжелой физической работе, придется ознакомиться с видами и технологией ковки металла, разбираться в металлах для ковки, понимать процесс ковки и уметь обращаться с инструментом кузнеца.

  1. Ковка металла
  2. Металл для ковки
  3. Инструмент для ковки металла
  4. Ковка металла своими руками

 

Ковка металла

 

Ковкой металла называется процесс обработки металлической заготовки с целью придания ей определенной формы и размера. Фактически существует два вида ковки – холодная и горячая. Выполняя ручную ковку металла необходимо разбираться в обоих видах ковки, так как каждый обладает своими преимуществами и недостатками.

 

Горячая ковка

В процессе горячей ковки заготовка подвергается нагреванию до определенной температуры, при которой металл теряет свою прочность и становится пластичным. Высокая пластичность является основным плюсом горячей ковки. Она позволяет легко придать металлической заготовке определенную форму и размер. Также горячая ковка позволяет использовать большинство технологий самой ковки, что выгодно сказывается на разнообразии вариантов работ.

Но нагрев металла имеет и свои недостатки. В первую очередь это необходимость обустройства специального кузнечного горна и затраты на топливо для него. Это может стать реальной проблемой для тех, кто хочет заниматься горячей ковкой металла своими руками в городских условиях. К тому же, работа с огнем достаточно опасное занятие и требует повышенной пожарной безопасности. Еще одним фактором, который может существенно повлиять на выбор вида ковки, являются специфические знания по температурным режимам для ковки металла.

 

Холодная ковка

В отличие от горячей ковки, холодная ковка металла не требует обустройства горна для нагрева металла. Вся суть холодной ковки заключается в придании формы металлической заготовке путем её изгибания, опрессовывания и сварки. Холодна ковка несколько проще по выполнению, и для обустройства мастерской не требуется много места. Весь процесс создания готового изделия не требует использования высоких температур, что весьма положительно сказывается на общей безопасности.

Но холодная ковка имеет один существенный недостаток. Все работы приходится выполнять с определенными заготовками-полуфабрикатами без возможности исправить свою ошибку. Конечно, это касается не всех работ холодной ковки, но в большинстве случаев испорченная заготовка годится разве что для металлолома или учебного пособия.

В любом случае, в независимости от вида ковки, придется достаточно плотно ознакомиться с рядом важных моментов. Во-первых, это касается металлов и температурных режимов для их плавки и ковки. Во-вторых, необходимо знать и разбираться в технологиях ковки металла. Ниже мы рассмотрим, какие технологические приемы используются для ковки и как они применяются в работе.

 

Металл для ковки

 

Ручная ковка металла – достаточно трудоемкое и сложное занятие, требующее использования определенных металлов, а точнее, металлов с определенными характеристиками. Для ручной холодной или горячей ковки наиболее важной характеристикой является пластичность металла, ведь именно от нее зависит простота и удобство изменения формы заготовки. Но стоит отметить, что пластичность и прочность металла взаимосвязаны между собой. При увеличении одной из этих характеристик вторая уменьшается. Поэтому так важно разбираться в характеристиках металла и знать о составе заготовки.

Важно! Существуют и другие, не менее важные характеристики металлов. Но так как мы рассматриваем ковку декоративных изделий, таких как решетки каминов, балясины, оградки и прочее, то нет необходимости сосредотачиваться на устойчивости к износу, красностойкости и прочем, а также на легирующих элементах.

Для декоративной ковки используют следующие металлы: медь, латунь, дюралюминий, сталь, а также другие медные, магниевые, алюминиевые и никелевые сплавы. По сути, для ручной ковки используют мягкий ковкий металл, который можно легко согнуть или придать ему определенную форму. Для того чтобы подобрать наиболее легкий ковкий металл, необходимо заглянуть в Марочник Стали и Сплавов. В нем можно найти детальное описание всех металлов и сплавов с их характеристиками и составом.

Несмотря на то, что самый ковкий металл – это медь и её сплавы, мастера предпочитают использование черных металлов для холодной и горячей ковки. Такая позиция обусловлена высокой стоимостью цветных металлов. Ведь на ковку металла цена в большей степени зависит от стоимости изначальной заготовки, и не каждый может позволить себе приобрести ограду или балясины из меди. Выбирая мягкий черный металл для ковки, необходимо ориентироваться на стали с минимальным содержанием углерода, порядка 0,25 %. А также с минимальным количеством вредных примесей, таких как хром, молибден, сера и фосфор. Кроме этого следует избегать конструкционных и инструментальных сталей с высоким содержанием углерода от 0,2 % до 1,35 %. Такие стали наименее пластичны и плохо поддаются сварке.

Выбирая тот или иной металл, необходимо использовать Марочник Стали и Сплавов. Но если доступа к нему нет, то можно воспользоваться приведенными ниже таблицами для определения содержания углерода в стали. Сам процесс определения довольно прост, достаточно поднести заготовку к работающему точилу и посмотреть на сноп искр, а затем сравнить его с показателями в таблице.

Сегодня благодаря промышленному производству металла отпала необходимость в создании заготовок для ковки своими руками. Современные кузни используют уже готовую заводскую продукцию для холодной ковки. Наиболее часто используемые размеры заготовок следующие: 30х45 мм, 40х45 мм, 10х10 мм, 12х12 мм, пруты сечением 10 мм, 12 мм, 16 мм, 25 мм, 30 мм, 50 мм, листовой металл толщиной от 3,5  до 6 мм, круглые трубы 1/2″, 3/4″, 1″, профильные трубы от 20х20 мм до 30х30 мм.

 

Инструмент для ковки металла

 

Выполнение любых работ по ковке металла невозможно без специального инструмента. Кузнечный инвентарь для горячей ковки достаточно разнообразен и включает в себя наковальню, горн, различные молоты, клещи и прочее. Инструмент для холодной ковки несколько попроще и состоит из нескольких специальных станков. Конечно, современный инструмент, такой как сварочный аппарат, болгарка и шлифмашинка, используется как в холодной, так и в горячей ковке. Зная о назначении того или иного инструмента, можно правильно выполнять любые работы.

           

Инструмент для горячей ковки

 

  • Горн. Без него в горячей ковке никак не обойтись. Ведь именно в нем заготовка может нагреваться до температуры 1400 °C. В большинстве своем горн представляет собой печь, рассчитанную на высокие температуры и с поддувом.
  • Наковальня. Этот инструмент является опорой, на которой выполняется ковка. Сама наковальня имеет несколько видов, среди которых наиболее популярной является двурогая наковальня весом 200 кг. Но вес может колебаться от 150 до 350 кг.

  • Шпераки. При выполнении различной художественной и декоративной ковки используются именно шпераки. Они имеют множество различных видов, и каждый мастер может изготавливать их под себя. Общей чертой любого шперака является то, что они вставляются в квадратное отверстие наковальни или закрепляются в деревянное бревно. На фото ниже приведены наиболее распространенные шпераки.

  • Кувалда и Ручник. Это основной инструмент кузнеца. Кувалда весит от 4 до 8 кг и служит для нанесения сильных ударов. В зависимости от типа работ и толщины заготовки подбирается и вес кувалды. Ручник весит от 0,5 до 2 кг. Используется для придания окончательной формы изделию.
  • Клещи. Горновые клещи второй по значимости инструмент. Без них невозможно удержать горячую заготовку для обработки. Существует несколько видов горновых клещей под определенный профиль и размер заготовки. На приведенном ниже фото изображены горновые клещи различной формы.

  • Фасонные молотки. При выполнении художественной ковки требуется создавать загнутые заготовки или заготовки определенной формы. Для этого используются фасонные молотки. Они могут быть как нижними, на которых производится обработка, так и верхними. Вариантов фасонных молотков множество и у каждого мастера они свои. На фото ниже изображен основной вспомогательный инструмент.

Кроме описанных выше, используются различный измерительный инструмент, такой как обычная рулетка, двойной кронциркуль, кузнечный наугольник, шаблоны и калибры. Выбор кузнечного инструмента огромен, весь перечислить представляется затруднительным, поэтому у каждого мастера есть свой набор лишь необходимого и часто используемого инструмента.

 

Инструмент для холодной ковки

 

  • Гнутик (фото ниже). Это базовый инструмент холодной ковки. Как следует из названия, он позволяет гнуть металлическую заготовку под определенным углом. В дополнение гнутик позволяет создавать дуговые элементы определенного радиуса.

  • Улитка. Название говорит само за себя. При помощи улитки можно создавать различные спиралевидные декоративные элементы. Спираль выполняется под определенный шаблон, который при необходимости можно сменить на другой, с меньшим или большим радиусом.

  • Фонарик. Этот станок предназначен для создания декоративного элемента с одноименным названием.

  • Волна. Позволяет создавать волнообразные элементы. При протаскивании прута через этот станок на выходе получается красивая синусоидальная заготовка.

  • Твистер. По принципу работы этот станок схож с Фонариком, но в отличие от него твистер лишь скручивает заготовку вдоль оси.

  • Станок для колец. Как во всех предыдущих станках название говорит за себя.

Кроме описанных выше существуют еще универсальные станки для клепки, резки, опрессовки и придания объема. Все описанные выше станки можно изготовить как самостоятельно, так и приобрести в магазине. Конечно, самодельные приспособления для холодной ковки будут несколько уступать по качеству заводским, но это компенсируется уникальностью созданных с их помощью элементов. Для изготовления станков холодной ковки чертежи можно найти как в свободном доступе, так и купить у специалистов.

Важно! Станки для холодной ковки могут быть ручными или снабжены электродвигателями. Несмотря на наличие передаточных шестерен, ручная холодная ковка довольно трудоемкое и долгое занятие, и для получения больших объемов кованых элементов лучше оборудовать станок электродвигателем.

Отдельно стоит отметить промышленные станки для холодной ковки. На подобные станки холодной ковки цены порядка 6000 у.е., но один такой станок может выполнять практически все технологические операции холодной ковки. Примером может служить станок Мастер 2 компании «МАН». На демонстрирующем холодную ковку видео можно увидеть возможности этого станка.

 

Ковка металла своими руками

 

В процессе ковки для придания заготовке определенной формы используются различные приемы и методы ковки. Для выполнения каждого из них используется определенная технология и инструмент для ковки металла. Технология ковки металла горячим и холодным методом существенно отличается. Как уже отмечалось, для горячей ковки требуется нагрев заготовки для изменения её формы, а при холодной ковке заготовка лишь изгибается. На основании этого и выделяются основные технологические приемы, зная которые можно смело браться за ковку металла своими руками.

 
Холодная ковка металла своими руками

 

Выполняется холодная ковка своими руками достаточно легко и особых усилий не требуется. Все работы разбиты на несколько этапов: создание эскиза или чертежа будущего изделия, закупка материалов и сам процесс ковки металла.

Чертеж можно создать в специальной компьютерной программе, приобрести уже готовый или нарисовать от руки. Можно найти для холодной ковки чертежи бесплатно. Для этого достаточно обратиться к мастерам, которые уже не первый год занимаются ковкой, и попросить один или два чертежа для тренировки. По сути, чертеж преследует несколько целей. Во-первых, чтобы знать какие элементы потребуется изготовить путем холодной ковки. Во-вторых, имея на руках такой проект, можно рассчитать количество и тип металлических заготовок, таких как пруты, профильные трубы и прочее. В-третьих, чертеж потребуется для сборки всех элементов в единое целое.

Отдельно необходимо рассмотреть элементы холодной ковки, из которых состоит проект. Сегодня можно найти довольно много различных кованых элементов, но их все можно объединить в несколько классических групп.

  • Лапки. Этот элемент представляет собой раскатанный в какой-либо форме конец металлического прута. В эту группу входят так называемые Пики. Несмотря на заостренный конец, Пики изготавливаются по схожей технологии.

  • Завитки. В эту группу входит несколько распространенных элементов: волюта, червонка и улитка. Волюта или Баранка представляет собой прут, концы которого загнуты в одну сторону. Червонка – прут, концы которого загнуты в разные стороны. Этот элемент иногда называют «долларом» из-за его схожести со знаком американской валюты. Запятая или Улитка – простой завиток, один конец которого загнут, а второй прямой.

  • Кольца. Создается этот элемент довольно просто: на болванку станка накручивается прут круглого или квадратного сечения, в результате получается пружина, которую затем разрезают на отдельные кольца.

  • Торсион. Этот элемент довольно легко узнать по винтовому скручиванию вдоль оси. Вариантов торсионов довольно много и одним из самых распространенных является такой элемент, как Фонарик, а также простой винтообразный прут для решетки или ограды.

Весь процесс изготовления элементов холодной ковки основывается на следующих общепринятых технологиях ковки – гибка, закручивание, вытяжка.

Вытяжка – это технология, которая заключается в увеличении длины заготовки путем уменьшения её сечения. В холодной ковке используется один из вариантов вытяжки – раскатка. Именно с её помощью создаются различные лапки и пики. Для создания лапок  используется специальный раскаточный станок. Конец заготовки заводится внутрь и затем запускается механизм раскатки, в результате конец получается расплющенным с рельефом или без него. Для изготовления пик используют прессовочный станок. Процедура та же, но в результате конец получается раскатанный и опрессованный в определенной форме.

Гибка. Эта технология ковки заключается в загибании концов либо другой части заготовки под определенным углом. Сама гибка выполняется практически на всех станках холодной ковки. Процесс гибки можно проследить при изготовлении заготовки на станке Улитка. Вначале конец заготовки помещается внутрь специального шаблона и затем загибается под определенным углом. Эти работы выполняются на станке Улитка.

Закручивание. Эта технология ковки подразумевает скручивание заготовки вдоль своей оси. В холодной ковке этот процесс можно наблюдать при использовании станка Твистер, на котором создаются различные торсионы. Для этого один конец заготовки помещается в тиски, а второй конец проворачивается вдоль оси. Отдельно стоит выделить элемент Фонарик. Для него используют два и более прута, которые вначале скручивают вдоль оси, а затем вдоль оси сжимают, в результате прутья в определенном месте расходятся в стороны.

Сборка всех элементов в единую конструкцию выполняется при помощи сварки на специальном сборочном столе. Сегодня сварочный аппарат общедоступен и является обязательным инструментом современных кузнецов. Самодельная холодная ковка довольно распространена среди начинающих мастеров и частных предпринимателей. Она не требует особых знаний, навыков и больших помещений для работы.

 

Холодная ковка своими руками: видео-урок

 

Горячая ковка металла своими руками

 

По сравнению с холодной, ручная горячая ковка намного сложнее и требует от мастера опыта в обращении с инструментом и хорошей физической подготовки. Работы выполняются в несколько этапов: создание эскиза или чертежа, закупка материалов и ковка.

По сути, разница между горячей и холодной ковкой заключается в технологических процессах обработки металла. Во-первых, это касается способа обработки. Во-вторых, для горячей ковки можно использовать практически любые металлические заготовки. Но для удобства принято использовать уже готовые пруты квадратного и круглого сечения. В-третьих, в художественной горячей ковке отсутствуют какие-либо рамки для элементов готового изделия. Конечно, можно придерживаться создания классических элементов ковки – завитков, лап, пик и прочего, но горячая ковка позволяет использовать весь потенциал воображения мастера, что раскрывает неограниченные возможности. Все изделия из металла ковки горячим способом создаются с помощью следующих технологий обработки металла: осадка, вытяжка, гибка, закручивание, разрубка, насечение рисунка и набивка рельефа.

Осадка применяется при ковке металла для увеличения поперечного сечения всей заготовки или её части. При ковке в зависимости от необходимости проводится полный или местный нагрев заготовки для осадки.

Вытяжка заключается в увеличении длины заготовки путем уменьшения её сечения. Это можно выполнять как путем нанесения ударов кувалдой или ручником, так и с помощью раскатки металла между валов на станке. В отличие от холодной ковки создание пик при помощи вытяжки требует точных и аккуратных ударов.

Гибка. Эта операция выполняется для придания заготовке загнутой формы. При этом следует учесть, что гибка толстых заготовок может повлечь их искажение и для придания первоначальной формы необходимо выполнить осадку. Для гибки заготовки применяют различные шпераки, рог наковальни, фасонные молотки и кондукторы.

Закручивание. Данная технология ковки подразумевает скручивание заготовки вдоль своей оси. Как и в холодной ковке, заготовку зажимают в тиски и проворачивают. Но в отличие от холодной ковки, можно нагревать заготовку локально, что дает возможность легко делать локальное закручивание.

Такие технологии ковки как разрубка, насечение рисунка и набивка рельефа применяются в художественной ковке с использованием зубил. Края горячих заготовок, в зависимости от проекта, рассекаются и закручиваются клещами. Также пока заготовка раскаленная, на её поверхности набивается различный узор.

При горячей ковке металла важно знать температурные режимы нагрева. Это поможет более качественно обрабатывать металл. Ковка черного металла выполняется при 800 – 1250 °C. Конечно, измерять градусником раскаленную заготовку будет невозможно и для определения температуры придется ориентироваться по её цвету. В приведенной ниже таблице указаны температуры и цвет заготовки из черных металлов.

 

Горячая ковка металла: видео-урок

Ковка металла своими руками – дело довольно увлекательное, требующее постоянного совершенствования. Это касается в первую очередь создания различных художественных и декоративных элементов. Тем, кто только начал заниматься ковкой, придется немало потрудиться, чтобы их работы имели идеальную форму и высокое качество.

Виды металлов, применяемых для изготовления изделий художественной ковки

Кованые изделия создаются для декоративных и защитных целей. Поэтому для их изготовления применяются металлические сплавы соответствующей заявленному назначению прочности. Также в зависимости от применения готовой продукции, некоторые элементы либо всё изделие может быть выковано различными способами.

Особенности углеродистой стали

Наиболее популярной в ковке является углеродистая сталь. Она представляет собой универсальный сплав, на 90% состоящий из продуктов черной металлургии. Основными характеристиками, по которым производители останавливают на этом сплаве свой выбор, считаются:

  • невысокая стоимость производства;
  • удобство обработки;
  • высокие показатели при эксплуатации.

По составу углеродистые стали наполнены сложными сочетаниями элементов, преобладающим из которых выступает железо. Также в сплав включают:

  • медь;
  • никель;
  • хром;
  • серу;
  • азот;
  • кислород;
  • водород;
  • фосфор;
  • кремний;
  • марганец.

Перечисленные элементы вводят для раскисления стали и вытеснения соединений, снижающих прочность сплава.


Стальные заготовки

 

Характеристики металлов для изготовления кованых изделий

В кузнечной практике могут применяться следующие металлы и сплавы из них:

  • железо;
  • чугун;
  • сталь;
  • алюминий;
  • медь;
  • латунь;
  • бронза;
  • мельхиор;
  • нейзильбер.

Эти металлы достаточно пластичны, имеют невысокую стоимость, легко поддаются механическим трансформациям под воздействием высоких температур:

  • ковке;
  • резке;
  • штамповке;
  • прокатке.

 

Железо

При сильном нагревании до каления железо утрачивает магнитные свойства, оставаясь немагнитным при всех последующих переработках. Высокие температуры перестраивают кристаллическую структуру молекул железа, наделяя новыми физическими показателями окончательную продукцию.

Железо с минимальным количеством примесей отличается высокой коррозийной стойкостью, приближающейся к благородным металлам. Поскольку производство железа такого качества является весьма затратным, в изготовлении кованых изделий применяются железные сплавы.


Железный слиток накануне обработки

 

Чугун

Чугун – сплав железа с углеродом, которого в процентном отношении вводится не более 5%. Также чугун содержит примеси марганца, фосфора, кремния, серы.

Чугун раскаляют до жидкого текучего состояния, чтобы заливать в формы и получать конечное изделие. Ввиду высокого содержания углерода чугунный сплав невозможно ковать.


Литые изделия из чугуна

 

Сталь

Сплав железа с углеродом, когда содержание последнего не превышает 2%, называется сталью. Благодаря таким пропорциям сталь поддается пластическим деформациям при высоких температурных режимах. Сталь считается наиболее востребованным металлом для изготовления кованых изделий.

Технологические характеристики стали зависят от процентного содержания включенных в неё элементов и примесей. С возрастанием процента содержания углерода в стальном сплаве существенно снижается его ковкость. В сталеплавильных работах могут применяться два типа сплавов:

  1. Углеродистая. Процентное содержание углерода – 1,7%. Это мягкий пластичный металл, легко поддающийся ковке, сварке и химической обработке. Из такой стали производят строительную арматуру, болты, фланцы, решетки для ограждений и другие конструкции не слишком высокой прочности.
  2. Легированная. Имеет в своем составе включения хрома, молибдена, никеля, вольфрама. Такой тип стали называется «специальным» или «легированным». Легирующие элементы оказывают воздействие на показатели сплава в целом. Значительные добавки кремния повышают упругость и твердость сплава, однако, уменьшают тягучесть и свариваемость. В процессе выплавки образуются фрагменты серы и фосфора. Особенную прочность и долговечность придают вставки вольфрама и хрома. Легированная сталь трудно поддается ковке, поскольку она сохраняет свою твердость до 600 0С. Добавление никеля увеличивает жаропрочность стали и делает её устойчивой к коррозии. Применяется для выплавки металлообрабатывающих инструментов.

Стальные листы

 

Алюминий

Алюминий обладает ломкостью и низкой прочностью. Сплавы из алюминия очень пластичны, из них легко вытягивают проволочные канаты, прокатывают фольгу толщиной листа до 0,005 мм. Поверхность алюминиевых изделий обычно покрыта тонкой прозрачной окисной пленкой, наделенной способностью быстро восстанавливаться при малейших повреждениях. Таким образом, сплав «защищается» от разрушительных воздействий воды, воздуха, щелочей, кислот. Изделия из алюминия практически никогда не подвергаются коррозии, поэтому их можно применять в любых климатических условиях. Ввиду высокой мягкости, кованые изделия из алюминия могут применяться в качестве декора.

Алюминиевые сплавы с добавками прочных элементов придают металлу твердость и долговечность. Кованые изделия из таких сплавов можно использовать для строительных конструкций, подвергающихся существенным нагрузкам.


Изделия из алюминия

 

Медь

Медь является одним из самых мягких металлов. Однако при холодной ковке она имеет свойство уплотняться, становясь довольно твердой. Медные изделия невозможно закалять. При высокой влажности медные изделия быстро окисляются, покрываясь характерным зеленым налетом – патиной – препятствующей дальнейшему разрушению. Кузнецы изготавливают продукцию из медных сплавов для придания старинного вида различным архитектурным памятникам и постройкам.


Изделия из меди

 

Латунь

Сплав меди с цинком в пропорции 62% к 38% называется латунью. Это достаточно прочный и легко обрабатываемый материал с золотистым отливом. Латунь незначительно окисляется, наделена высокой твердостью и низкой пластичностью. При воздействии высоких температур изделия могут раскалываться, а не плавиться.

В ковке из латуни создают колеса, трубы, шестеренки, антикоррозионные муфты и фланцы. В ручной ковке применяют марки латуни с высоким содержанием меди.


Латунные изделия

 

Бронза

Сплав меди с оловом в пропорции 90% к 10%, соответственно, называется бронзой. Металл наделен высокой прочностью, поддается ковке, устойчив к коррозиям. Из бронзы преимущественно производят кованые художественные изделия и изысканную домашнюю утварь.

Однако олово относится к достаточно дорогостоящим материалам, поэтому бронзовая ковка замещается по возможности более бюджетными сплавами.


Художественная ковка из бронзы

 

Мельхиор

Сплав меди с добавлением 5-33% никеля называется мельхиором. Отличается повышенной устойчивостью к воздействию агрессивных сред, высокой плотностью, ковкостью и вязкостью. Хорошо куется в холодном состоянии. Из мельхиора производят ювелирную продукцию, посуду, которую затем можно подвергать серебрению.


Декоративные изделия из мельхиора

 

Нейзильбер

Нейзильбер – сплав меди (18-80%), цинка (13-45%) и никеля (5-35%). Имеет высокую устойчивость к воздействию влаги, солей, органических кислот. Металл отличается упругостью и твердостью. Из нейзильбера изготавливают хирургические инструменты, медицинскую посуду и ювелирные изделия.


Кованая фурнитура из нейзильбера

 

Источники

http://elport.ru/articles/metallyi_v_kuznechnom_proizvodstve

https://www.ams-kovka.ru/statyi/materialy-dlya-izgotovleniya-kovanyh-izdeliy

https://stankiexpert.ru/spravochnik/obrabotka-davleniem/kovka-metalla.html

Особенности изготовления изделий из различных металлов – все от стали до титана

https://wikimetall.ru/metalloobrabotka/kovka-metalla.html

 

Кованые изделия из металла в Крыму Алуште: ковка эскизы заборы– готовые изделия для сада

Наш ассортимент кованых изделий из металла в Алуште

По современным технологиям на базе качественного и высокоточного оборудования компания «Железный мир» производит простые и сложные кованые элементы, среди которых: 

А также кованые мелочи, которые станут изюминками кованых изделий: кованые пики и навершия, листья и цветы, а также различные вставки, кольца и завитки, хомутная полоса и подпятники, заглушки и многое другое. Компания «Железный мир» приглашает к содрудничеству партнеров.

Кроме того, коваными изделиями являются интересные скамейки, шикарные беседки, навесы, козырки. Есть и кованая мебель, являющаяся признаком не только прекрасного вкуса, но и богатства, обеспечивающего на многие поколения наследников вперед. Даже взятые отдельно, но с чувством прекрасного, элементы композиции могут преображать облик каждого, какого угодно поместья, здания, дворика. Отдельные элементы и кованые изделия из металла в Алуште, Симферополе, Севастополе, Керчи, Феодосии, Ялте, Евпатории и других городах Крыма придают любой местности, любой территории изысканный вид, строгость, утонченность, основательность.

Изделия из кованого металла от производителя в Симферополе

Высококачественно и неповторимо преображают любой дом во дворец, крепость или замок специалисты, работающие в компании «Железный мир». В том случае, если Вы сами обладаете необходимыми знаниями и умениями в деле сварки либо имеете штат профильных специалистов в своем предприятии, то можете пользоваться широким ассортиментом кованых элементов. Также мы предлагаем не только изделия из кованого металла, но и декоративный металлопрокат. Из него в золотых руках мастера вырастают полноценные изделия, которые так и хочется назвать произведениями искусства.

Благодаря современным технологиям и базе высокоточного оборудования, в компании «Железный мир» производятся самые разнообразные кованые изделия для сада, от простых до сложнейших форм. Все это в кратчайшие сроки доставляется в Симферополь.

Продажа кованых изделий по оптимальным ценам — с доставкой в Севастополь!

Какой металл используется для ковки? » Ковка изделий в Ступино, Кашира


Кованые изделия уже долгое время пользуются заслуженной популярностью в самых разных областях. Это и кружевные ограждения, и стильные элементы ландшафтного дизайна, и изящная мебель, предназначенная для убранства внутренних помещений. Априори кованые предметы выполняются из металла. Как же выбирают подобную основу для декоративных шедевров столь широкого назначения?

О применяемых материалах.
Металл должен обладать пластичностью и ковкостью. В частности, такие элементы могут изготавливаться из стали, алюминия, меди, титана и всевозможных сплавов. До настоящего времени рейтинг востребованности возглавляют черные металлы, к примеру, сплав железа и углерода. Надо сказать, что сталь обладает большей прочностью при увеличении в ней процентного содержания углерода. Одновременно сплав теряет в пластичности и ковкости.

О видах ковки.
Поскольку мастер имеет дело с самыми разными видами металла, как с цветными сплавами, так и со сталями разных марок, то для нагревания основы требуется сжигание разного количества топлива. Ударяя молотом по раскаленной заготовке, кузнец вызывает ее деформацию в нужном направлении.
В отличие от горячей ковки ее «холодная» разновидность не требует существенного нагревания будущего продукта, поскольку мастер работает с заранее подготовленным металлом. Как правило, в этом случае используется листовая основа, так как ее можно легко отрезать или изогнуть при необходимости.

О необходимом оборудовании.
Оснащение для ковки весьма дорогостоящие, особенно это касается горячего способа обработки изделий. Надо сказать, что начинающие мастера нередко стараются получить первичные навыки на изделиях, изготавливаемых холодным способом, поскольку в этом случае не требуется кузнечная печь, а это удешевляет процесс. Нередко кузнец дорабатывает посредством сварки те или иные предметы, полученные путем штамповки.
Нельзя не отметить, что холодная ковка, обладающая такими достоинствами, как меньшие трудозатраты и стоимость получаемых изделий, обладает и собственными недостатками. В частности, она характеризуется меньшей пластичностью металла. Чтобы справиться с названной проблемой возможно применение рекристаллизационного отжига, осуществляемого для упрочения стальных конструкций.

О разнообразии кованых изделий.
Мастера холодной и горячей ковки дают нам счастливую возможность любоваться многочисленными изделиями из металла, поражающими своей красотой и индивидуальностью. Это могут быть ограждения самых разных видов и форм, в том числе витые заборы, невесомые лестничные или балконные перила. Кроме того, прекрасным внешним видом и практичностью в использовании обладают кованые предметы мебели и интерьера, ажурные беседки на приусадебном участке и многое другое. Нередко для придания особой изысканности тем или иным элементам их укрывают тонким слоем меди, серебра и даже золота.

О сочетаниях металла с другими материалами.
Универсальность кованых изделий дает возможность комбинировать основной материал с камнем, стеклом или деревом. Подобные предметы могут гармонично вписаться практически в любой интерьер, важно лишь то, каким образом мастер преподнесет готовый продукт взору зрителя. Например, хромирование кованых поверхностей будет уместно в помещениях, оформленных с элементами хай-тека, а патинированные или окрашенные изделия будут органично смотреться в классических интерьерах.

История методов ковки | Узнайте об истории ковки в Canton Drop Forge

Ковка на базовом уровне — это техника формовки металлических деталей с использованием тепла и силы, часто с помощью молотка, в детали для машин, инструментов и оружия. Искусство ковки и обработки металла встречается в человеческой культуре уже с 4500 г. до н. Э. В первые годы кузнечного дела в поселениях Месопотамии использовалась медь для создания ручных инструментов и оружия для выживания.Небольшие дровяные костры и камни использовались для нагрева металла перед тем, как придать ему желаемую форму. Вскоре после этого были обнаружены другие металлы, ведущие к созданию более сильного оружия и инструментов. К 1000 году до нашей эры методы ковки и металлы распространились по всей Европе и остальному старому миру.

Кузнечное дело

В течение 1200–1000 гг. До н. Э. По мере того как ковка стала неотъемлемой частью человеческой цивилизации, появился термин «кузнец» или «кузнец». В этот период компания Smith’s на Западе выковывала кованое железо, используя древесный уголь и сильфоны, чтобы усилить жар огня, и молоток, чтобы гнуть, разрезать и придавать форму металлу наконечники стрел, ножи, скребки, инструменты и даже произведения искусства.К этому моменту ковка и производство металлов распространились по всему Китаю и стали частью повседневной жизни.

Блумерная печь

В железный век печи для обжига быстро вытеснили открытый уголь в качестве эффективного способа кузнечного дела. Эти печи или ямы были сделаны из глины и камня и были спроектированы так, чтобы быть термостойкими, и построены из труб, называемых фурмами. Эти фурмы использовались для нагнетания воздуха в печь с помощью сильфонов для нагрева древесного угля и повышения температуры печи.

Открытие водной силы

Кузнечная и кузнечная промышленность в основном оставались неизменными до открытия гидроэнергетики. В 13 веке энергия воды была открыта как эффективный способ питания цветущих растений. Водяные колеса использовались для приведения в действие сильфонов, что позволило использовать более крупные и более горячие обводные печи с улучшением производства поковок. Последний известный цветок использовался в Испании до начала 19 века.

Современная ковка

XIX век стал поворотным моментом в кузнечной промышленности, положив начало тому, что известно как современные методы ковки.Джеймс Холл Нэсмит (19 августа 1808 — 7 мая 1890) был шотландским инженером, художником и изобретателем. Создатель парового молота получил патент в июне 1842 года. Кузнечные молоты с паровым приводом появились в это время и используются до сих пор сегодня наряду с гидравлическими и электрическими агрегатами.

Многие процессы ковки теперь можно автоматизировать с помощью компьютеров, оптимизируя процесс и создавая быстрые и точные детали для таких отраслей, как аэрокосмическая и транспортная.Ковка, разработанная тысячи лет назад, остается одним из наиболее эффективных способов производства металлических деталей для ответственных применений.

Простая ковка чугуна

Blacksmith Code поддерживается для чтения. Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Узнать больше

Знаете ли вы, что хрупкость чугуна не ограничивает возможности кузнецов из него? Одна из фундаментальных характеристик каждого кузнеца — творчество.Их креативность позволяет создавать полезные изделия из всего металлического. Читайте дальше, чтобы узнать, как из чугуна изготавливать различные изделия.

Чугун — отличный материал для кузнечного дела. Чугун — это сплав углерода и железа. Обычно он содержит около 2% углерода, причем железо является преобладающим компонентом.

Важные свойства чугуна включают хрупкость, высокую гибкость, низкую температуру плавления, превосходную механическую прочность и высокую текучесть.

Первое, что приходит на ум многим людям, когда они слышат о чугуне, — это то, что он хрупкий. Эта особенность является причиной того, что многие люди думают, что ковка чугуном невозможна. Однако у кузнецов ковка всегда возможна.

Единственное, что вам нужно, это технические ноу-хау кузнечного дела и необходимые знания о материале. Вот основные этапы процесса ковки чугуна.

Инструкции по ковке чугуна

Шаг 1. Организуйте свои материалы

Во-первых, получите чугун.Получение чугуна не должно быть большой проблемой. Если у вас его нет, вы можете приобрести его в розничных магазинах кузнечного дела.

Количество необходимого материала зависит от продукта, который вы хотите создать.

Шаг 2: Термическая обработка

Ага, вот оно. Не удивляйся. Этот процесс — один из отличий ковки чугуна от других материалов.

Ковка чугуна без термической обработки может быть затруднена или невозможна.Причина проста. Идея заключается в том, что чугун является хрупким из-за содержания в нем углерода. Следовательно, вы должны найти способ избавиться от углерода.

Этот процесс направлен на избавление от углерода, повышение прочности чугуна и улучшение его пластичности.

Быстрые шаги
  • Нагрейте чугун в кузнице до очень высокой температуры.
  • Выньте из кузницы, как только убедитесь, что она достигла желаемой температуры.
  • Дайте ему медленно остыть в присутствии воздуха.Вы даже можете положить его в древесную золу, чтобы он охладился медленнее.
  • Пожалуйста, не делайте ошибку, закалывая материал в воде или закалочном масле, потому что это не поможет вам достичь желаемого результата.
  • Повторите процесс столько раз, сколько считаете нужным, пока не добьетесь идеального эффекта.

Шаг 3: Резка

В конце шага 2, описанного выше, ваш чугун уже должен имитировать стандартный чугун. Пришло время отрезать железо и приступить к проекту.Резка зависит от того, что вы пытаетесь выковать, и от формы, которую она примет.

Вы можете резать утюг, пока он горячий или холодный. Вы можете использовать ножовку или любой другой подходящий резак, если режете утюг в холодном состоянии. Долото может помочь вам в резке горячего металла.

Шаг 4: вытяжка и ковка

Теперь начните придавать утюгу желаемую форму. Ударьте по утюгу, пока он еще горячий. Ковкость железа увеличивается с повышением температуры.

Быстрые шаги
  • Нагрейте металл до приемлемой температуры.
  • Молоток, чтобы принять желаемую форму.
  • Повторно нагрейте утюг, если он остынет, и вы не получили желаемой формы.
  • Техника перфорации и молоток для этого процесса зависят от проекта.

Шаг 5: Сварка

Сварка чугуна — дело несложное. Еще комфортнее, если правильно провести термообработку.Вы можете слегка ударить молотком, чтобы улучшить качество сварного шва.

Кроме того, не забудьте очистить сварочный шлак после того, как закончите.

Шаг 6: Шлифование

Шлифовка — стандартный процесс в кузнечном деле. Все, что вам нужно для этого шага, — это надлежащие технические знания о том, как правильно обращаться с кофемолкой.

Шлифовка

помогает вам точно настроить все грани вашего проекта и придать ему идеальную форму. Это также может помочь вам создать шаблон, если вам нужно заострить края вашего материала.Шлифовка зависит от проекта и технических характеристик ответственного лица.

Шаг 7: Чистовая обработка

Отделка — это завершение вашей работы, придание ей превосходного внешнего вида и повышение ее экономической ценности. Обычная отделка чугуна — полировка. Убедитесь, что вы используете подходящий полироль для своего проекта.

Другие формы отделки зависят от проекта и от лица, ответственного за проект.

Необходимые меры предосторожности при ковке чугуна включают:

  • При работе в мастерской используйте перчатки и другие защитные покрытия.
  • Рассмотрите возможность использования респиратора для этого процесса.
  • Убедитесь, что ваше рабочее место должным образом проветривается, чтобы обеспечить свободный поток воздуха.
  • Убедитесь, что вы используете только те инструменты и оборудование, с которыми вы можете надлежащим образом обращаться.

Как было сделано железо — Национальный исторический комплекс Saugus Iron Works (Служба национальных парков США)

Введение

Производство железа развивалось в течение нескольких тысяч лет. Используя древний метод «цветения», железную руду превращали непосредственно в кованое железо путем нагревания руды, в то же время плавления примесей руды и выдавливания их ручными молотками.Это также называется «прямым процессом». К 1100-м годам гидравлические молоты заменили ручные молоты для ковки железных прутков.

В конце 1300-х годов некоторые предполагают, что из-за разрушительного воздействия чумы на рабочую силу в Европе энергия воды начала заменять человеческую или животную силу, направленную на то, чтобы нагнетать воздух в печи для производства чугуна. Используя сильфоны с водным приводом, большой и постоянный объем воздуха создавал достаточно тепла, чтобы полностью расплавить руду, из которой было сделано железо. Эта технология привела к двум крупным достижениям в производстве чугуна.Во-первых, доменные печи теперь могли производить чугун для производства полых изделий, таких как горшки и чайники. Во-вторых, в новом «непрямом процессе» чугун можно было преобразовать в кованое железо с более высоким выходом железа из руды, чем при прямом процессе.

Это косвенный процесс, который был привезен в Массачусетс и распространился по Северной Америке квалифицированными металлургами / производителями чугуна, прибывшими в Saugus. Благодаря усовершенствованиям, прямой процесс также продолжился, и несколько заводов по производству чугуна второго поколения после Saugus процветали в сельской экономике, используя более старый метод цветения.

Эта страница последовательно проведет вас через процессы плавки, рафинирования, ковки, прокатки, продольной резки и кузнечного дела, которые выполнялись в Saugus.

Плавка

В 1646 году оригинальная доменная печь ожила, зажженная огнем в 3000 градусов, который продолжался 24 часа в сутки в течение нескольких месяцев. В доменной печи выплавлялась болотная руда для создания чугунных «чушек», названных так потому, что жидкий чугун подавался из траншеи большего размера в траншеи меньшего размера в качестве свиноматки для поросят-поросят.Для производства чугуна по загрузочному мосту были перенесены три вида сырья и загружены в дымовую трубу печи.

Древесный уголь разжигал огонь, который горел достаточно сильно, чтобы плавить руду. Производство древесного угля было очень трудоемким и требовало работы многих лесорубов, возчиков и угольщиков, которые наблюдали за переработкой выдержанной древесины в древесный уголь.

Болотная руда — это богатая железом осадочная порода, добываемая на местном уровне из болот и аналогичных водоемов. Его также находили на полях и лугах, которые раньше были болотами.Болотная руда часто содержит менее 50% железа. Остальная часть породы состояла из примесей, которые рабочие должны были удалить.

Габбро использовался как флюс, способ очистки руды. Он был заминирован на соседнем Наханте и доставлен на лодке вверх по реке Согус.

На дне печи разожгли дров, чтобы высушить раствор между новыми облицовочными камнями и кирпичом. Постепенно сначала в верхнюю часть печи слоями загружались древесный уголь, железная руда и габбро.Основатель бережно управлял «ношей». Основатель также отвечал за управление потоком воздуха из сильфонов.

Шихта удерживалась на месте над тиглем (где собирался расплавленный чугун) на дне печи за счет сужения футеровки печи, называемого «бушей». Воздух закачивался в печь над тиглем, но ниже чаш.

Воздух, хотя и невидимый, также был сырьем и вдувался в печь с помощью больших водяных сильфонов.Кислород в воздухе разогрел огонь и (при правильном управлении) создал соответствующие условия для угарного газа, чтобы удалить кислород из железной руды. Когда воздух проходил вверх через ношу, он сначала натолкнулся на древесный уголь. Когда уголь горел, воздух превращался в окись углерода. Окись углерода продолжала расти. Он зацепился за атомы кислорода в руде и унесся дальше вверх и из дымовой трубы в виде углекислого газа.

Высокая температура, вызванная огнем, заставила габбро расплавиться и образовать флюс.Flux выполнял несколько функций. Поскольку оно плавилось при более низкой температуре, чем железо в руде, оно облегчало выход силикатов и других примесей из руды. Стекловидный флюс также покрыл железо при его плавлении. Он образовывал защитный барьер между жидким чугуном и кислородом печных газов и предохранял железо от окисления.

По мере преобразования заряда поток с его примесями спускался мимо пустот в тигель. Жидкое железо, покрытое флюсом, просачивалось мимо пустот, через шлак и оседало на дно тигля.Вытесненный жидкий шлак плавал поверх расплавленного чугуна вместе с несгоревшими частицами древесного угля, золой и другим шлаком.

Чугун был классифицирован как серый, белый или крапчатый и был проверен испытанием на излом, то есть разрушением чугуна для визуального контроля того, как углерод проникает в чугун. Кристаллизация, в результате которой были получены различные сорта, сознательно контролировалась основателем. Обладая большими знаниями и навыками, он регулировал скорость руды, топлива, воздуха, флюса и даже охлаждения для создания желаемых свойств чугуна.

Кастинг

Литейный сарай в основании печи — это место, где из печи удалялись отходы чугуна и шлака. Формы были специально подготовлены и ждали расплавленного металла.

Серый чугун разливали в формы, состоящие из смеси глины и песка «суглинок» для изготовления чугунной посуды, такой как кастрюли, чайники, поснецы и сковороды. Формы необходимо тщательно сушить, чтобы снизить риск взрыва паровых карманов, когда влажная форма постоянно попадает в расплавленное железо.Серый чугун также выливали в песок для изготовления костров. При заливке в формы необходимо было отделить шлак от чугуна, чтобы шлак не застрял в чугуне. Перед тем, как отнести посуду к реке для отправки, ее запилили и очистили.

Пятнистое железо также было отлито в песок в виде длинных прутков. В этом случае чугун будет отливаться со шлаком, и весь шлак всплывет к верху прутков, где он отломится. Затем железо превратилось в тяжелые слитки или «свиней».Чугун был промежуточным этапом в производстве кованого железа. Свиньи слитки тащили в кузницу на волах.

Отходы шлака при охлаждении затвердевают и иногда напоминают стекло. Шлак утилизировали на набережной, сбрасывая его через переборку. Со временем куча шлака росла. Куча шлака сохранилась и сегодня, и когда археолог искал печь, он проследил ее происхождение от печи.

Переработка кованого железа

Рабочие кузницы превратили «свиней» и «свиней» из хрупкого чугуна в ковкое кованое железо путем тщательного удаления излишков углерода в двух отдельных процессах: чистовой и ударной.

Подробностей относительно оригинальной конструкции очагов для украшений еще предстоит узнать. Как правило, они были специально построены из камня и облицованы чугунными пластинами. Возможно, что и серый чугун, и белый чугун обрабатывались путем позиционирования железных пластин и направления потока воздуха из сильфонов с приводом от воды. Разведен костер на древесном угле, достаточно большой, чтобы накрыть конец свиноматки.

Чтобы превратить чугун в кованое железо, тяжелых свиней и свиней тащили из печи в кузницу на волах.Их помещали в парадный очаг через отверстие в боковой стенке дымохода. Ролики направляли свиноматок в огонь, где они медленно плавились. Для работы с расплавленным железом использовались длинные железные прутья или «звонари». Расплавленное железо. Железо снова и снова поднимали в поток воздуха, пока углерод в достаточной степени не восстановился. По мере снижения содержания углерода температура плавления повышалась. Возможно, это был индикатор того, что железо достигло желаемого содержания углерода.В процессе образовалось больше шлака, и возможно, что некоторое количество шлака могло быть добавлено намеренно, чтобы способствовать процессу уменьшения углерода.

Утюг вынули из убранства очага в виде «петли». Излишки древесного угля удаляли с внешней поверхности петли, после чего начиналась забивка. Первоначальная забивка производилась кувалдой с длинной ручкой. Затем его перетащили к 500-фунтовому отбойному молотку для более тяжелых ударов.

Молоты завершили изготовление прутьев из кованого железа, вковав их между молотом и наковальней.Петля забивалась в блок или «блум». Оттуда цветок систематически выковывался от середины к одному концу. Пруток многократно нагревали в «жгутом очаге» для поддержания тепла при сварке. Пруток поворачивали встык в щипцах, и молоточник вытягивал другой конец штанги, снова из середины, наружу.

На стадии петли железо имело форму губчатой ​​массы кристаллов железа с карманами шлака по всей поверхности. В процессе ковки кристаллы железа сваривались и удлинялись.Как и в доменной печи, шлак действовал как флюс для уменьшения окисления, пока чугун сваривали. Работая от центра наружу, излишки шлака выдавливались к концам стержней. Результатом стал основной продукт металлургического завода — купеческие слитки из кованого железа.

Большинство торговых слитков было доставлено в реку Саугус для отправки купцам или кузнецам. В конце концов, именно кузнецы за пределами строительной площадки смогли превратить кованое железо в исправные инструменты и оборудование.

Изготовление лыски и стержня гвоздя

Торговые слитки были переработаны для создания других полуфабрикатов, которые могли использовать кузнецы. В отличие от доменной печи и кузницы, в начале 1950-х годов об археологических основах прокатного и продольного стана практически ничего не известно. Многое из того, что известно о прокатном и продольно-продольном стане, основано на описаниях и отчетах об оригинальных чугунолитейных заводах и гравюрах 17-го и 18-го веков, посвященных аналогичному оборудованию.

В то время как доменная печь и кузня были чудесами химического и металлургического машиностроения, прокатные и продольно-резательные станки представляют собой относительно новое применение точности в машиностроении. Когда-то в 1580-х годах шестерни (аналогичные тем, что можно было увидеть в мельницах или лесопильных заводах) применялись на прокатных станах для правки железа.

Прокатный стан состоял из пары чугунных валков, поддерживаемых прочным каркасом из кованого железа.Машина была связана с водяными колесами железными муфтами. Верхние и нижние ролики вращались в противоположных направлениях, так что пруток можно было втянуть в машину.

Торговые прутки из кованого железа предварительно нагревали в отражательной печи с дровяной печью, чтобы довести железо до красного / оранжевого цвета. Когда железо было ковким, его подавали в ролики. Крутящий момент водяных колес на роликах создавал высокое давление и сплющивал железные стержни. Вероятно, существовал механизм для регулировки расстояния между роликами, чтобы можно было делать лыски различной толщины.Плоский пруток был отправлен, чтобы кузнецы имели кованый инвентарь для изготовления покрышек для повозок, топоров, пильных полотен и петель.

Некоторый плоский пруток можно также обрабатывать с помощью продольно-резательного оборудования. Археологические находки свидетельствуют о том, что продольно-резательная машина делала железный пруток размером ¼ «X ¼» для изготовления гвоздей. Оборудование для продольной резки состояло из двух квадратных стальных прутков с цилиндрическими подшипниками. В случае продольно-резательных станков толщиной дюйма стальные [?] Режущие диски и проставочные диски толщиной ¼ дюйма поочередно устанавливались на квадратный вал и скреплялись вместе болтами.Аналогичный, но взаимосвязанный набор фрез и проставок был установлен на другом квадратном валу. Они также были соединены с водяными колесами и вращались в противоположных направлениях. Вода подавалась над режущими пластинами, чтобы прецизионные резцы охлаждались и подвергались надлежащей термообработке. Железные плоские листы нагревали до красно-оранжевого цвета и подавали в устройства для продольной резки. Плоские бруски протягивали через режущие устройства и нарезали продольно. Таким образом, из плоского стержня толщиной четверть дюйма, проходящего через четвертьдюймовые прорези, получился щелевой стержень размером «X ¼».

Возможно, что резцы были большего размера, например, толщиной 1 дюйм. Плоское полотно толщиной 1/4 дюйма, прошедшее через резаки толщиной 1 дюйм, даст плоские прорези ¼ «X 1», которые могут быть полезны для изготовления обуви для лошадей или волов. .

И плоские стержни, и стержни для гвоздей представляли собой полуфабрикаты из размерного железа, что помогало кузнецу экономить много времени. Раньше плоский стержень и пруток с прорезями можно было измельчить до размеров с помощью серии гидравлических молотов. «батарея» или, возможно, чаще, с использованием ручных молотков.

Сайт кузницы Джозефа Дженкеса

В кузнечной мастерской Джозефа Йенкеса полуфабрикаты из кузнечно-прессового и продольно-продольного цехов превращались в готовые изделия. Дженкес был независимым кузнецом, напрямую связанным с металлургическим заводом. Он построил свой цех на отводе доменной печи и использовал его силу воды, чтобы запустить молот и волочильный стан, прежде чем вода вернулась в реку.

Его молотковое колесо было небольшим водяным колесом, то есть вода проходила по колесу.Кулачки врезались в вал водяного колеса, и кулачки ударяли по задней части молота, который поддерживался в середине руля. Вероятно, это был молоток с «хвостовой опорой», который производил быстрые удары, чтобы использовать тепло в тонких частях железа. Между молотком и наковальней Дженкес выковывал топоры, пилы, косы и брелся.

Для изготовления топора плоский пруток прокатного стана сначала нагревали до необходимой температуры (обозначенной визуальным наблюдением до ярко-оранжевого цвета) и выковывали вручную или с помощью молотка в симметричную форму бабочки.Крылья бабочки складывались и сваривались молотком. Поскольку Дженкесу заплатили за «стальные топоры» для металлургического завода, мы знаем, что он приваривал более твердую и долговечную (импортную) стальную коронку к корпусу топора из кованого железа. Лезвие стального топора будет выковано в форму клина, отшлифовано, закалено, отпущено и заточено. Закалка и отпуск были специализированными металлургическими процессами, которые контролировали свойства стали. Инструмент был нагрет до точки, при которой он перестает быть магнитным (это можно было сделать визуально), и закалился в специальной смеси воды или масла, которая могла быть усилена другими присадками.Сталь стала твердой, но очень хрупкой. Чтобы контролировать хрупкость, топор (особенно сталь) закаляли, медленно нагревая корпус топора и наблюдая за продвижением лезвия через ряд окисляющих цветов. Отводя сталь от источника тепла после достижения желаемого цвета, опытный кузнец контролировал твердость своего готового инструмента, таким образом уравновешивая твердость и долговечность для конкретной функции, например, резки дуба по сравнению с сосновой древесиной.

Jenckes производил полотна для ручных пил и полотна для пил.Возможно, он сделал их своим силовым молотом, но более вероятно, что он купил прокатное железо на металлургическом заводе. Пока не будет проведен дальнейший анализ, похоже, что Дженкес для изготовления своих клинков использовал кованое железо, а не сталь. Для ручной пилы на двоих в концах лезвия будут пробиты отверстия, которые позволят приклепанным хвостовикам удерживать деревянные ручки. В случае полотна фрезерной пилы в концах пилы должны быть прорезаны отверстия, на концах которых полотно будет установлено в его водоприводной возвратно-поступательной раме.«Новаторская лесопилка» Дженкеса, возможно, была способом вырезания зубьев на его лезвиях. Из корпуса пилы был вырезан треугольник для образования каждого зуба. Затем, либо в ручной, либо в фрезерной пиле, нужно было «установить» зубья. Каждый зуб нужно было согнуть так, чтобы режущая кромка лезвия была немного шире задней части лезвия. Это предотвратит заклинивание задней части лезвия в «прорези» (прорезь) пропила. Затем каждый зуб затачивался опиливанием. Если пилу повторно затачивали, то и лезвие перетягивалось.Металлургический завод заплатил Дженкесу за изготовление «выдергивания пилы», инструмента с прорезями, который использовался для сгибания зубов.

В свои 60 лет Джозеф Дженкес рисовал латунную и железную проволоку в своей мастерской Saugus. Для протяжки проволоки тонкие полоски металла закруглялись и сужались на концах. Проволока пропускалась через «вытяжную пластину». Тяговая пластина была сделана из стали с рядом отверстий все меньшего размера и подверглась термообработке для повышения твердости. Тяговая пластина крепко удерживалась в каркасе. В выдвижном ящике для проволоки использовались специальные щипцы, которые зажимались кожаным ремешком и прикреплялись к механизму, который тянул с большой силой.Чем сильнее натянут ремешок, тем крепче зажимаются щипцы. Латунную проволоку, скорее всего, тянули с помощью ручного шпиля или лебедки для получения механического преимущества.

Оборудование для волочения железной проволоки Jenckes основывалось на гидроэнергетике. Железная рукоятка крепилась непосредственно к водяному колесу. На половине оборота рукоятка повернулась в сторону от выдвижного ящика для проволоки. На другой половине оборота рукоятка повернулась в сторону выдвижного ящика для проволоки. Чтобы протянуть железную проволоку, нужно было время и ритм. Ящик для проволоки удерживал клещи и при вращении в сторону захватывал проволоку в наиболее удаленной точке, рядом с волочильной пластиной.Щипцы вонзаются в проволоку и протягивают утюг через вытяжную пластину по направлению вращения. Когда они провисли, ящик освободил щипцы и снова схватился за проволоку. Движения повторялись снова и снова, пока вся проволока не была протянута через волочильную пластину. Проволоку постепенно делали тоньше и длиннее, повторяя процесс через все меньшие отверстия.

После одного или двух протягиваний через пластину проволока станет «деформированной». Это похоже на то, что происходит, когда вы несколько раз сгибаете плечики, чтобы сломать их.Металл становится хрупким. Для снятия напряжений металлическая проволока была «отожжена» для ее размягчения. Железную проволоку помещали в уголь и доводили до оранжевого огня. Огонь уложили, и железу дали медленно остыть, пока огонь не погас. Проволока была готова к еще двум протяжкам через прижимную пластину.

Чтобы протянуть железную проволоку, железо нужно было изготовить с особой тщательностью. При рафинировании чугуна процесс должен был устранить карманы стекловидного шлака, потому что, если шлак попадет на волочильную пластину, проволока сломается.Дженкес обратился в суд штата Массачусетс с ходатайством о деньгах на постройку сарая над его операцией по волочению проволоки. Получил ли он деньги — неизвестно. Он намеревался использовать проволоку для изготовления рыболовных крючков и деталей для прялок. В ходе археологических исследований его лавки в 1952 году археологи обнаружили более 900 латунных булавок. Для изготовления булавки понадобится проволока двух толщин. Для изготовления стержня используется более тяжелая проволока. Более легкая проволока плотно наматывается на стержень, а головка выкована круглая с помощью очень небольшого набора прецизионных «обжимок», каждая из которых имеет полусферическую полость, которая используется для придания головке круглой формы.Затем штифт имел точечную заточку на конце, и вполне вероятно, что штифты были погружены в горячее олово, чтобы предотвратить их коррозию и сплавить головку с хвостовиком. Возможно, один из самых больших вкладов Дженкеса. В 1646 году Дженкес обратился в суд штата Массачусетс с ходатайством о защите своих прав на интеллектуальную собственность. Он собирался построить свой цех на отводе доменной печи. Генеральный суд признал ценность наличия кузнеца, который мог бы превращать полуфабрикаты в готовую продукцию, которая удовлетворяла бы потребности зарождающейся отрасли Новой Англии, такой как сельское хозяйство (косы), деревообработка и судостроение (пилы и топоры) и рыболовство. (крючки).

Составлено и написано Кертисом Уайтом, бывшим инспектором парка национального исторического памятника Saugus Iron Works, 2015 .

Разница между железом и сталью

Разница между железом и сталью заключается просто в том, что железо — это элемент, а сталь в своей основной форме — это сплав железа и углерода. Некоторые могут полагать, что «кованое железо» в некотором роде также относится к стали, поскольку «кованое» означает кованое. Эти термины восходят к , когда были изготовлены изделия из металла , еще до того, как они стали производиться в промышленных масштабах.Первоначальная очистка железа от руды была, по сегодняшним меркам, необработанным процессом, в результате которого получался литой материал с множеством дефектов и включений. Изготовление «кованого железа», термомеханический процесс ковки чугуна, было средством дальнейшей очистки и улучшения железа, что сделало его более полезным в качестве конструкционного материала.

По мере того, как производство железа превратилось из ремесленного ремесла в промышленный процесс , для конечных продуктов процесса плавки были установлены новые названия — «плавка» — процесс нагрева железосодержащей руды для извлечения элемента и его плавления.После отделения и расплавления жидкое железо разливали в формы, называемые слитками, также называемые «свиноматками», получая исходную форму, «сырое железо». Свиноматки были разделены на более мелкие части для дальнейшей обработки. От «свиноматок» произошли «свиньи» меньшего размера — откуда происходит термин «чугун».

Кузнец нагревает небольшие слитки в кузнице и молотит их, чтобы превратить «чугун» в более полезный материал, кованое железо, измельчая пустоты и рассеивая примеси. Хотя примеси не могли быть удалены, процесс ковки перераспределял большие кластеры загрязняющих веществ на меньшие размеры, которые имели меньшую склонность к ослаблению структуры элементарного металла.

С добавлением очень небольшого количества углерода в расплавленный чугун был создан сплав, известный как сталь. Диспергированные атомы углерода нарушают и искажают кристаллическую решетку железа, что увеличивает механические свойства. Последующая термомеханическая обработка , такая как ковка, была и остается важным этапом в обеспечении преобразования литой структуры исходного слитка, обеспечивая постоянные механические свойства за счет диспергирования скоплений примесей или легирующих элементов и дробления пустот, которые ослабили бы конечный продукт. .Горячая ковка также вызывает рекристаллизацию сплава, создавая микроструктуру с «мелким зерном». Это максимизирует ударную вязкость и усталостные свойства стали.

Сталь Vs. Свойства железа

Сталь прочнее железа (текучесть и предел прочности) и прочнее , чем многие типы железа (часто измеряется как вязкость разрушения). Наиболее распространенные типы стали содержат менее 0,5% углерода по весу. Добавление более высокого процента углерода, хотя и увеличивает прочность, делает сталь хрупкой.Другие элементы, обычно встречающиеся в стали, — это марганец, кремний, фосфор и сера. Класс сталей, называемый «легированной сталью», также может иметь добавки никеля, хрома, молибдена и ванадия. Нержавеющая сталь — это популярная сталь с низким содержанием углерода, которая содержит хром. Каждый добавленный элемент, даже в небольших количествах, придает стальному сплаву дополнительные желаемые свойства. Когда рецепт стального сплава контролируется и материал обрабатывается правильно, сплав, состоящий в основном из железа, становится одним из самых полезных материалов, когда-либо изобретенных.

Ковка поля: золотой век биологии железа | Кровь

Ах, какое значение имеет десятилетие! В исторической статье, опубликованной в 1996 году, Федер и его коллеги определили долгожданный ген, мутировавший у пациентов с классическим наследственным гемохроматозом. Во многих отношениях это, казалось, вызвало взрыв в биологии железа, который в течение следующих 10 лет привел к удивительно подробному (хотя и неполному) пониманию патофизиологии гемохроматоза.Однако многие открытия, имеющие решающее значение для понимания гомеостаза железа, были вызваны более ранними работами, датируемыми полвека и более. В этом обзоре будет сделан акцент на успехах, достигнутых с момента создания Американского общества гематологов (ASH) в 1958 году до настоящего времени. В начале этого периода феррокинетические исследования предоставили важную информацию о гомеостазе железа человека in vivo (обзор Finch et al. -1 ). Совсем недавно современная молекулярная биология и генетические исследования модельных организмов расширили наши знания о нормальной биологии железа и привели к детальному пониманию заболеваний, связанных с железом у человека.По иронии судьбы, подробный обзор метаболизма железа появился в Blood ровно 50 лет назад, описывая текущее состояние знаний, которое в то время считалось достаточно полным. 2 Вдобавок к иронии судьбы у автора, Хью Джозефса (еще одного педиатрического гематолога), было 54 страницы журнала, а у меня только 12!

Самые ранние молекулярные исследования метаболизма железа были сосредоточены на 2 молекулах, которые одновременно многочисленны и легко выделяются.В 1937 году ферритин селезенки лошади был вторым из всех белков, кристаллизовавшихся. 3 Десятилетие спустя трансферрин был идентифицирован как распространенный белок, транспортирующий железо в плазме. 4 Обе эти молекулы в настоящее время используются в клинических исследованиях для определения статуса железа. И ферритин, и трансферрин связывают железо, чтобы оно не вступало в реакцию, тем самым препятствуя химии Фентона, которая способствует образованию кислородных радикалов. Но они делают это по-разному. Ферритин, который имеет гомологи во всех организмах, кроме дрожжей, представляет собой клетчатый гетерополимер из 24 субъединиц H- (тяжелый или сердечный) и L- (легкий или печеночный) типов, которые могут содержать до 4500 атомов железа. 5 Как указал Манро, он уникален среди ферментов тем, что сохраняет свой субстрат после воздействия на него. 6 H-ферритин немного больше L-ферритина и обладает ферроксидазной активностью, важной для перемещения железа в твердое ядро ​​белка. Большая часть ферритина используется для хранения в клетках, но очень небольшое количество входит в отдельный секреторный путь, предназначенный для гликозилирования и высвобождения в сыворотку. Помимо его полезной роли в качестве полуколичественного индикатора запасов железа, биологическое назначение сывороточного ферритина остается неизвестным.Рецепторы ферритина присутствуют на лимфоцитах и ​​некоторых других типах клеток, но их физиологическая функция полностью не определена. 7 Ферритин также является предшественником гемосидерина, гетерогенного агрегата железа, лизосомных компонентов и других продуктов внутриклеточного пищеварения. 8

Напротив, трансферрин активно секретируется гепатоцитами, клетками, которые его экспрессируют наиболее интенсивно.Трансферрин также продуцируется на защитных стенках гематоэнцефалического барьера клетками Сертоли, а гематоэнцефалический барьер — несколькими различными типами клеток. Он служит общей цели связывания железа, сохранения его растворимости в водной среде и доставки в ткани. Молекула трансферрина млекопитающего имеет 2 одинаковых железосвязывающих доли, каждая из которых может удерживать один атом. У низших эукариот трансферрины аналогичны 1 из 2 долей млекопитающих. Было высказано предположение, что молекула трансферрина с двумя сайтами эволюционировала одновременно с появлением функциональных почек, увеличивая размер белка для предотвращения потери при фильтрации. 9

Трансферрин удерживает железо в инертном состоянии в кровотоке и во внесосудистой жидкости, доставляя его к клеткам, несущим специфические рецепторы трансферрина. Классический рецептор трансферрина, TFR1, обнаруживается в наибольших количествах на быстро делящихся клетках, на активированных лимфоцитах и ​​на предшественниках эритроидов. Он избирательно связывает диферрический трансферрин для его интернализации посредством конститутивного пути рецептор-опосредованного эндоцитоза (цикл трансферрина), который стал парадигмой клеточной биологии (рис. 1).

Рисунок 1

Обзор гомеостаза железа. В центральной части рисунка изображен поток железа в организм (через тонкий кишечник) к трансферрину (Tf), к основному месту утилизации (эритроидный костный мозг), к циркулирующим эритроцитам, к тканевым макрофагам, которые фагоцитируют стареющие эритроциты и рециркулирующее железо (селезенка) на хранение в гепатоцитах и ​​обратно в ТФ посредством мобилизации запасов железа.Транспорт клеточного железа подробно описан в тексте и схематически показан на внешних краях этого рисунка. (A) Транспорт негемового железа через энтероцит кишечника. (B) Эритрофагоцитоз и рециркуляция железа в тканевом макрофаге. Акваовал в цитоплазме представляет собой хранилище белка ферропортина внутри клетки. (C) Транспорт железа в гепатоцитах, стрелки указывают на то, что ни импорт, ни экспорт не изучены. (D) Поглощение железа через цикл трансферрина в эритобласте.Иллюстрация Кеннета Пробста.

Рисунок 1

Обзор гомеостаза железа. В центральной части рисунка изображен поток железа в организм (через тонкий кишечник) к трансферрину (Tf), к основному месту утилизации (эритроидный костный мозг), к циркулирующим эритроцитам, к тканевым макрофагам, которые фагоцитируют стареющие эритроциты и рециркулирующее железо (селезенка) на хранение в гепатоцитах и ​​обратно в ТФ посредством мобилизации запасов железа. Транспорт клеточного железа подробно описан в тексте и схематически показан на внешних краях этого рисунка.(A) Транспорт негемового железа через энтероцит кишечника. (B) Эритрофагоцитоз и рециркуляция железа в тканевом макрофаге. Акваовал в цитоплазме представляет собой хранилище белка ферропортина внутри клетки. (C) Транспорт железа в гепатоцитах, стрелки указывают на то, что ни импорт, ни экспорт не изучены. (D) Поглощение железа через цикл трансферрина в эритобласте. Иллюстрация Кеннета Пробста.

Чтобы инициировать цикл трансферрина, участки мембраны клеточной поверхности, несущие комплексы рецептор-лиганд, инвагинируют с образованием эндосом, покрытых клатрином.После удаления клатрина эндосомы подкисляются за счет притока протонов, что приводит к конформационным изменениям как трансферрина, так и TFR1 и способствует высвобождению железа. Затем высвобожденное неорганическое железо восстанавливается ферриредуктазой STEAP3 до Fe 2+ , 10 , который является субстратом для трансмембранного транспорта переносчиком двухвалентного металла 1 (DMT1 или SLC11A2, ранее называвшийся NRAMP2, DCT1). 11-13 И STEAP3, и DMT1 были обнаружены путем позиционного клонирования измененных генов у грызунов, несущих спонтанные мутации, нарушающие транспорт железа. 10,11 Использование мутантных животных моделей для идентификации ключевых молекул транспорта железа было чрезвычайно продуктивным и отличительным признаком работы последнего десятилетия (обзор в Andrews 14 ). Эта мощная стратегия использует мутанты, обнаруженные и поддерживаемые в течение последнего столетия, проанализированные с использованием современных генетических методов.

Gunshin 13 и Hediger 15 показали, что DMT1 является электрогенным, требуя котранспорта протонов для перемещения Fe 2+ через мембрану.Эта потребность удовлетворяется за счет низкого pH среды эндосомы трансферринового цикла (внутренний pH приблизительно 5,5). Дальнейшая судьба железа, которое выходит из эндосомы трансферринового цикла, не совсем понятна, но в эритроидных клетках большая часть необходима для биосинтеза гема. Чтобы произвести гем, железо должно снова пройти через ионно-непроницаемую мембрану, чтобы попасть в митохондрию. Митохондриальный импортер железа был недавно идентифицирован как митоферрин (также известный как SLC25A37), трансмембранный белок, который играет критическую роль в снабжении феррохелатазой железа для встраивания в протопорфирин IX.Первоначально митоферрин был обнаружен у дрожжей (названных MRS3 / MRS4 16 ) и у мутантных рыбок данио. 17 Интересно, что мутации митоферрина приводят к клиническому заболеванию, которое очень похоже на эритропоэтическую протопорфирию, вызванную мутациями феррохелатазы. 17

Хотя многие ткани экспрессируют TFR1 на низких уровнях, относительно небольшое количество типов клеток строго зависит от цикла трансферрина для поглощения железа.Направленное разрушение гена Tfr1 у мышей продемонстрировало, что большинство тканей нормально развивается без Tfr1, но предшественникам эритроидов, ранним лимфоидным клеткам и нейроэпителиальным клеткам необходим Tfr1 для дифференцировки. 18,19 Вероятная роль TFR1 в эритропоэзе очевидна — цикл трансферрина служит для концентрации железа в непосредственной близости от DMT1, чтобы максимизировать ассимиляцию железа для производства гемоглобина. Однако менее ясно, почему лимфопоэз и развитие нервной системы должны требовать TFR1.

В прошлом предполагалось, что железо, ассимилированное предшественниками эритроидов, включается в гемоглобин, оставаясь внутри клеток до старения эритроцитов. Однако недавно Quigley и его коллеги 20 описали экспортер гема, FLVCR, который, по-видимому, необходим для нормального развития эритроидов. Они выдвигают гипотезу, что эритробласты должны иметь откидной клапан для дополнительного гема, чтобы избежать его токсичности.Направленное разрушение мышиного гена, кодирующего FLVCR, продемонстрировало важность этого белка in vivo. 21 FLVCR-нулевые мыши имели недостаточность дефинитивного эритропоэза, что привело к гибели плода. Интересно, что у плода были черепно-лицевые деформации и деформации конечностей, указывающие на анемию Даймонда-Блэкфана. Когда ген FLVCR был инактивирован после рождения, у животных развилась тяжелая макроцитарная анемия, что означает, что экспорт гема важен для нормального эритропоэза.

Внутриклеточный гомеостаз железа поддерживается, по крайней мере частично, с помощью очень элегантного посттранскрипционного регуляторного механизма.В 1987 году исследователи обнаружили, что консервативные последовательности в 5′-нетранслируемых областях (UTR) мРНК H- и L-ферритина необходимы для контроля готового, но покоящегося пула мРНК ферритина в клетке, которая может быстро мобилизоваться для производства ферритина. белок, когда железа было в изобилии. 22,23 Термодинамические прогнозы показали, что последовательности UTR могут образовывать стабильные шпильки РНК с характерной вторичной структурой, называемые чувствительными к железу (или регуляторными) элементами (IRE). 24 Вскоре после этого было показано, что цитоплазматические белки, теперь известные как белки, регулирующие железо (IRP, ранее IREBP), распознают и связываются с IRE. 25–28

Два известных IRP обладают гомологией последовательностей, но имеют отличительные свойства. Во время своего открытия было обнаружено, что IRP1 имеет большое сходство с аконитазой, митохондриальным ферментом цикла трикарбоновых кислот. Примечательно, что IRP1 также обладает аконитазной активностью, что делает его главным кандидатом на ранее описанную цитоплазматическую аконитазу. 29,30 Но аконитаза и IRE-связывающая активность исключают друг друга, что дает ключ к умному переключению регуляторов. Подобно ряду других железосодержащих белков, IRP1 включает кластер железо-сера (4Fe • 4S). Кластер железо-сера образуется, когда железа много, но распадается, когда железа не хватает. Haile и Rouault показали, что аконитазная активность IRP1 присутствует только тогда, когда кластер железо-сера завершен; когда это не так, IRP1 действует как РНК-связывающий белок, распознающий IRE. 31 IRP2, с другой стороны, не включает железо-серный кластер. Скорее его активность регулируется на уровне стабильности белка. В условиях низкого содержания железа IRP2 накапливается, но когда железа много, он запускает деградацию IRP2. 32-36 До сих пор не совсем понятно, почему необходимо иметь 2 IRP, но недавние наблюдения показывают, что 2 могут реагировать по-разному в физиологически значимом диапазоне напряжений кислорода. 37 Они также могут иметь несколько отличающуюся избирательность по отношению к мишеням среди мРНК, содержащих IRE.

Ферритин IRE расположен прямо перед стартовым кодоном трансляции белка. Muckenthaler и др. Показали, что связывание IRP стерически блокирует рекрутирование малой субъединицы рибосомы в комплекс инициации, таким образом предотвращая трансляцию. 38 В результате производство белка ферритина прекращается в условиях низкого содержания железа, когда небольшое количество внутриклеточного железа необходимо для клеточных функций.С другой стороны, когда железа много, репрессия трансляции снимается, и вновь созданные субъединицы ферритина собираются, чтобы обеспечить емкость для хранения железа.

Регуляторная система IRE / IRP также используется для контроля экспрессии других белков. Лучше всего изучен TFR1, который имеет несколько IRE в 3′-UTR его мРНК. 39 В этом случае регулирование IRP работает совсем по-другому. В условиях низкого содержания железа связывание IRP не оказывает прямого влияния на трансляцию, а скорее защищает мРНК TFR1 от эндонуклеолитического расщепления и последующей деградации.Когда железа много, нуклеазы атакуют богатые A-U последовательности мРНК, прилегающие к IRE, и дестабилизируют мРНК TFR1. Таким образом, когда клетки нуждаются в железе, может производиться больше TFR1, но экспрессия TFR1 прерывается, когда клетки насыщаются железом.

Было показано, что другие мРНК, кодирующие важные белки метаболизма железа, имеют 5 ‘IRE (например, ферропортин, синтаза аминолевулиновой кислоты) или 3’ IRE (например, DMT1), хотя их регуляция системой IRE / IRP до конца не изучена. . 40

Возможно, удивительно, что целенаправленное нарушение гена IRP1 у мышей не вызывает явных фенотипических аномалий. 41 Напротив, целенаправленное нарушение IRP2 приводит к нарушению гомеостаза железа, характеризующемуся микроцитарной, гипохромной анемией, 42,43 и, по крайней мере, в одной лаборатории, нейродегенеративным расстройством с поздним началом. 42,44,45 Когда гены, кодирующие оба белка, инактивированы, сложные мутантные мыши умирают на ранних стадиях эмбрионального развития, что доказывает общую важность этих белков in vivo.

Спонтанные мутации IRE были описаны у людей и мышей. 46-48 Beaumont et al. 48 показали, что нарушение IRE L-ферритина приводит к гиперферритинемии-катаракте, с выраженными глазными симптомами и повышенным уровнем ферритина в сыворотке, но без признаков нарушения гомеостаза железа. Нарушение IRE H-ферритина в одной японской семье было связано с семейным расстройством, связанным с перегрузкой железа. 49 Интересно, что мутация, которая предотвращает образование IRE ферропортина мыши, вызывает необычное и сложное нарушение гомеостаза железа, подчеркивая важность этого IRE in vivo. 50

У лиц, не перенесших переливание крови, железо попадает в организм исключительно с пищей. Поскольку выведение железа через печень или почки не регулируется, баланс железа в основном контролируется на уровне кишечной абсорбции.Изящные феррокинетические исследования, проведенные в середине прошлого века, дали важную физиологическую информацию об абсорбции и распределении железа у человека 51 , но молекулярное понимание абсорбции железа пришло десятилетия спустя (и все еще не завершено). Когда в середине 1990-х годов мы и другие начали попытки найти кишечные транспортеры железа, доступные подсказки не были особенно полезными: (1) цикл трансферрина не имел прямой роли в абсорбции железа в кишечнике, (2) транспорт железа у млекопитающих, по-видимому, не влиял. механически отличаться от бактерий и одноклеточных эукариот, и (3) переносчики меди АТФазы, открытые несколькими годами ранее, не показали сродства к железу.Очистка белков безуспешно предпринималась десятилетиями. Несмотря на эти препятствия и совершенно случайно, первый трансмембранный транспортер железа у млекопитающих был обнаружен одновременно в 2 лабораториях, расположенных в пределах одного городского квартала друг от друга в Бостоне, с использованием исключительно современных методов. 12,13 Наша лаборатория была одной из таких, и это ознаменовало наш вход в область биологии железа. Наш подход заключался в использовании хорошо изученных линий мышей, несущих спонтанные мутации, нарушающие гомеостаз железа.На тот момент было идентифицировано 6 штаммов; все теперь понятны в молекулярных деталях. 14 Одна, в частности, микроцитарная анемия ( mk ) была тщательно изучена, и было показано, что она имеет нарушение всасывания железа в кишечнике. 52

Абсорбция железа происходит в проксимальной части двенадцатиперстной кишки (рис. 1), где поляризованные клетки располагаются в ворсинках, похожих на пальцы, которые выступают в просвет кишечника для увеличения площади абсорбирующей поверхности.Каждая индивидуальная абсорбирующая клетка или энтероцит имеет щеточную микроворсинчатую кайму на апикальной (просветной) поверхности. Большая часть диетического негемового железа находится в форме трехвалентного железа (Fe 3+ ). Он должен быть восстановлен до двухвалентного (Fe 2+ ) железа либо химически, либо под действием ферриредуктазы щеточной каймы, такой как дуоденальный цитохром B (CYBRD1, также известный как DCYTB), гомолог цитохрома B561, который может использовать аскорбиновую кислоту в качестве кофактор. 53 CYBRD1 был одной из 2 молекул, связанных с транспортом железа, открытых Маккаем с помощью очень продуктивного метода вычитания РНК. 53,54 Неожиданно, хотя экспрессия Cybrd1 заметно индуцируется у животных с дефицитом железа, целевое нарушение мышиного гена Cybrd1 не было связано с каким-либо явным фенотипом у мышей, получавших стандартную пищу. 55 Члены семейства ферриредуктаз STEAP также экспрессируются в кишечнике. 56 Хотя они являются хорошими кандидатами для ферментативных ферриредуктаз на щеточной кайме, роль CYBRD1 и STEAPs в абсорбции железа в кишечнике остается неопределенной.

Fe 2+ Железо поступает в абсорбирующие энтероциты через DMT1, тот же транспортер железа, который используется для эндосомального переноса в цикле трансферрина. Кишечная форма DMT1 продуцируется из другой изоформы сплайсинга мРНК, что приводит к альтернативному С-концу белка. 57,58 Кишечный DMT1 преимущественно локализуется на апикальной мембране и в субапикальных эндосомах. 59 Протоны, необходимые для котранспорта металлов, предоставляются желудочной кислотой, протекающей в проксимальную часть двенадцатиперстной кишки, где DMT1 экспрессируется наиболее высоко и, вероятно, наиболее активен.Требование котранспорта протонов объясняет, почему лечение антацидами или блокаторами гистамина h3 нарушает всасывание железа. Экспрессия DMT1 резко индуцируется при дефиците железа, 13 и, возможно, регулируется на посттранскрипционном уровне с помощью 3’IRE, присутствующего в изоформе сплайсинга, экспрессируемой в кишечнике. 57 DMT1 может также служить физиологически значимым порталом входа для других катионов двухвалентных металлов, включая Mn 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ и Pb 2+ , хотя его важность была окончательно установлена ​​только для Fe 2+ in vivo. 13

Единственный гомолог DMT1 у млекопитающих, обозначенный как NRAMP1 для белка 1 макрофагов, ассоциированного с естественной резистентностью, был идентифицирован Видалем и др. Посредством позиционного клонирования локуса мыши, участвующего в защите хозяина от внутриклеточных патогенов в макрофагах мыши. 60 NRAMP1 экспрессируется в фагосомах профессиональных фагоцитов. 61 После того, как было показано, что DMT1 служит трансмембранным переносчиком металлов, функциональные исследования показали, что NRAMP1 обладает аналогичной активностью. 62 Он обладает бактериостатической, но не бактерицидной активностью, предположительно потому, что он действует, истощая металлы из фагосом, в которых размножаются микроорганизмы, тем самым лишая их железа и / или марганца. Гомологичные белки дрожжей, 63 мух, 64 и рыбок данио 65 также переносят железо и аналогичные двухвалентные катионы.

Целевое нарушение мышиного гена, кодирующего DMT1, подтвердило, что DMT1 является первичным трансмембранным транспортером железа, доставляющим диетическое негемовое железо в эпителиальные клетки кишечника и опосредующим захват железа через цикл трансферрина в предшественниках эритроидов. 66 Однако удивительно, что большинству других типов клеток не требуется ДМТ1 для поглощения железа. Это говорит о существовании других импортеров трансмембранного железа. Исследования поглощения железа, не связанного с трансферрином, культивируемыми клетками подтверждают этот вывод. 67-72 Однако, кроме кальциевых каналов L-типа, которые обладают некоторой способностью переносить железо, 73 не было идентифицировано убедительных кандидатов, которые переносят атомы железа непосредственно в клетки. Существует подобный сидерофору путь захвата железа, опосредованный липокалином-2 (также называемым NGAL, 24p3), но его физиологическая роль полностью не выяснена. 74-76

Оказавшись в эпителиальной клетке кишечника, железо имеет по крайней мере 2 возможных судьбы. Часть остается в ячейке для использования или хранения. Это железо никогда не всасывается в организм; скорее, он теряется, когда энтероциты стареют и попадают в просвет кишечника. Абсорбируется только железо, поступающее через базолатеральную мембрану энтероцита. Базолатеральный транспортер железа, обнаруженный одновременно в 3 лабораториях, — это ферропортин (также называемый IREG1, MTP1, SLC39A1, а теперь SLC40A1). 54,77,78 Ферропортин находится на базолатеральной мембране, а также обнаруживается в макрофагах, участвующих в рециркуляции железа из гемоглобина эффективных эритроцитов (рис. 1). Целенаправленное разрушение гена ферропортина мыши продемонстрировало его важность в обоих сайтах. 79

Хотя функциональные исследования неполны, ферропортин, вероятно, переносит ионы двухвалентного железа. Транспорту способствуют мульти-медные ферроксидазы, в том числе обильный сывороточный белок церулоплазмин и его мембраносвязанный кишечный гомолог гефестин. 80-83 До недавнего времени считалось, что ферроксидазы важны просто для окисления Fe 2+ , чтобы загрузить его на трансферрин. Однако Де Доменико и его коллеги недавно показали, что церулоплазмин необходим для поддержания локализации ферропортина на клеточной поверхности. 84 Эта ситуация в некоторой степени аналогична транспорту железа в дрожжах, где пермеаза двухвалентного железа FTR1 (функционально аналогична, но структурно не связана с DMT1) требует мульти-медной ферроксидазы FET3 для правильной локализации на поверхности клетки. 85,86

В настоящее время всасывание негемового железа в кишечнике изучено достаточно подробно, но абсорбция гемового железа, в основном получаемого из мяса, остается малоизученной. Описание предполагаемого импортера гема в 2005 г. 87 позже оказалось неверным. 88 Хотя были описаны белки-экспортеры гема, 20,89 кажется вероятным, что большая часть железа, содержащегося в диетическом геме, высвобождается из протопорфирина гемоксигеназой, чтобы вступить в общий путь с диетическим негемовым железом, прежде чем оно покинет абсорбирующий эпителий.

Хотя обращение с ним часто называют «метаболизмом» железа, само железо не метаболизируется в классическом смысле. Соответственно, нарушения у человека, связанные с железом, неизменно представляют собой нарушения баланса железа или распределения железа. Железодефицитная анемия, гемохроматоз и анемия хронического заболевания (также известная как анемия воспаления) — все это общие примеры этого принципа, как будет обсуждаться позже.Следовательно, понимание гомеостаза железа имеет решающее значение для понимания этих нарушений. И наоборот, понимание генетических нарушений, связанных с железом (таблица 1), дало важные сведения о гомеостазе железа.

Таблица 1

Гены, участвующие в наследственных нарушениях железа у человека

90c18
Белок (символ гена) [псевдонимы] . Хромосома человека (положение на карте) . Функция белка . Болезнь (вызванная мутациями потери функции, если не указано иное) .
Церулоплазмин ( CP ) 3 (150 МБ) Ферроксидаза плазмы Ацерулоплазминемия 184
12241 DMT501 (Mb) ) Трансмембранный транспортер железа (импортер) Анемия с перегрузкой печеночного железа 172
Н-цепь ферритина ( FTh2 ) 11 (61 Mb) Субъединица белка хранения железа; обладает ферроксидазной активностью Перегрузка железом (мутации, нарушающие регуляторный элемент железа ) 49
L-цепь ферритина ( FTL ) 19 (54 Mb) Субъединица запасного белка железа синдром (мутации, нарушающие регуляторный элемент железа ) 48
Ферропортин ( SLC40A1 ) [IREG1, MTP1] 2 (190 Mb) Трансмембранный переносчик железа (экспортер) макрофагальная нагрузка 50 -14 ( мутаций потери функции, которые вызывают неправильную локализацию белка ) 156
Гемохроматоз ( мутаций потери функции, вызывающих нечувствительность к гепсидину ) 159
Фратаксин ( FXN ) 9 (71 Мб) Митохондриальная железный шаперон атаксия Фридрейха 212
Глутаредоксин 5 ( GLRX5 ) [GRX5] 14 (95 Mb) Участвует в биогенезе кластера Fe-S с перегрузкой железом 171 и анемией
Гемодювелин ( HFE2 ) [RGMC] 1 (144 Mb) Костный морфогенетический белок корецептор Ювенильный гемохроматоз 138
Hep 40 Mb) Гормон, регулирующий железо, связывает ферропортин, вызывая его инактивацию и деградацию Ювенильный гемохроматоз 161
HFE ( HFE ) [HLA-H] 6 (26 Mb) Hepc1 регулирует 902 выражение, механизм неуверенный; взаимодействует с TFR1 и TFR2; может участвовать в сигнальном комплексе с TFR2 Классический HLA-связанный гемохроматоз 121
Митоферрин ( SLC25A37 ) 8 (23 Mb) Митохондриальное железо Трансферрин ( TF ) 3 (135 Mb) Железосвязывающий белок в плазме, лиганд для TFR1 и TFR2 Атрансферринемия (гипотрансферринемия) 178

47 рецептор-2 TFR2 7 (100 Мб)

Сенсор на диферриновый трансферрин; регулирует экспрессию гепсидина; может участвовать в сигнальном комплексе с HFE Гемохроматоз 213

90c18
Белок (символ гена) [псевдонимы] . Хромосома человека (положение на карте) . Функция белка . Болезнь (вызванная мутациями потери функции, если не указано иное) .
Церулоплазмин ( CP ) 3 (150 МБ) Ферроксидаза плазмы Ацерулоплазминемия 184
12241 DMT501 (Mb) ) Трансмембранный транспортер железа (импортер) Анемия с перегрузкой печеночного железа 172
Н-цепь ферритина ( FTh2 ) 11 (61 Mb) Субъединица белка хранения железа; обладает ферроксидазной активностью Перегрузка железом (мутации, нарушающие регуляторный элемент железа ) 49
L-цепь ферритина ( FTL ) 19 (54 Mb) Субъединица запасного белка железа синдром (мутации, нарушающие регуляторный элемент железа ) 48
Ферропортин ( SLC40A1 ) [IREG1, MTP1] 2 (190 Mb) Трансмембранный переносчик железа (экспортер) макрофагальная нагрузка 50 -14 ( мутаций потери функции, которые вызывают неправильную локализацию белка ) 156
Гемохроматоз ( мутаций потери функции, вызывающих нечувствительность к гепсидину ) 159
Фратаксин ( FXN ) 9 (71 Мб) Митохондриальная железный шаперон атаксия Фридрейха 212
Глутаредоксин 5 ( GLRX5 ) [GRX5] 14 (95 Mb) Участвует в биогенезе кластера Fe-S с перегрузкой железом 171 и анемией
Гемодювелин ( HFE2 ) [RGMC] 1 (144 Mb) Костный морфогенетический белок корецептор Ювенильный гемохроматоз 138
Hep 40 Mb) Гормон, регулирующий железо, связывает ферропортин, вызывая его инактивацию и деградацию Ювенильный гемохроматоз 161
HFE ( HFE ) [HLA-H] 6 (26 Mb) Hepc1 регулирует 902 выражение, механизм неуверенный; взаимодействует с TFR1 и TFR2; может участвовать в сигнальном комплексе с TFR2 Классический HLA-связанный гемохроматоз 121
Митоферрин ( SLC25A37 ) 8 (23 Mb) Митохондриальное железо Трансферрин ( TF ) 3 (135 Mb) Железосвязывающий белок в плазме, лиганд для TFR1 и TFR2 Атрансферринемия (гипотрансферринемия) 178

47 рецептор-2 TFR2 7 (100 Мб)

Сенсор на диферриновый трансферрин; регулирует экспрессию гепсидина; может участвовать в сигнальном комплексе с HFE Гемохроматоз 213

Системный гомеостаз железа включает в себя тщательный контроль всасывания железа в кишечнике, эффективное использование железа для эритропоэза, эффективную рециркуляцию железа из неэффективных эритроцитов и контролируемое хранение железа гепатоцитами и макрофагами (рис. 1).Утилизация эритроидного железа в первую очередь определяется эффективностью ассимиляции сывороточного железа в цикле трансферрина. Напротив, кишечная абсорбция, рециркуляция железа и хранение железа контролируются системно и скоординированно. В этом контексте мы теперь знаем, что гепсидин, пептидный гормон, вырабатываемый в печени, несет основную ответственность за регулирование доступности железа для удовлетворения потребностей в железе.

Обнаруженный независимо 3 лабораториями и впервые обнаруженный в 2000 и 2001 годах, гепсидин представляет собой белок из 25 аминокислот, полученный путем обработки более крупного предшественника. 90-92 Хотя он имеет сходство с пептидами дефенсина, участвующими в врожденном иммунитете, его основная функция, по-видимому, заключается в регуляции гомеостаза железа с помощью механизма, который был элегантно объяснен Капланом, Неметом, Ганцем, Де Доменико и их коллегами. Гепсидин связывается с ферропортином на клеточной поверхности, запуская его фосфорилирование тирозина, интернализацию и опосредованную убиквитином деградацию в лизосомах. 93,94 Удаляя ферропортин из плазматической мембраны, гепсидин блокирует экспорт клеточного железа.Это особенно важно в кишечнике, где инактивация базолатерального ферропортина приводит к удержанию железа в кишечном эпителии и в макрофагах ретикулоэндотелиальной системы, рециркулирующих железо, где инактивация ферропортина прерывает высвобождение железа, извлеченного из стареющих эритроцитов (рис. 2А). ). Оба события имеют одно и то же последствие — снижение сывороточного железа. Интересно, что важность контроля базолатерального переноса для регуляции всасывания железа в кишечнике была первоначально постулирована Кросби и Конрадом более чем за 40 лет до того, как механизм был выяснен. 95

Рисунок 2

Гепсидин и гемохроматоз. (A) Активность гепсидина изображена, показывая ферропортин в качестве мишени как для энтероцитов, так и для макрофагов. Гепсидин связывается с ферропортином, запуская его интернализацию и лизосомную деградацию. (B) Три класса нарушений гемохроматоза влияют на регуляторную ось гепсидин / ферропортин: класс I, дефекты гена гепсидина ( HAMP ), препятствующие выработке функционального гепсидина; Класс II, дефекты в генах HFE, TFR2 или HFE2 , препятствующие нормальной печеночной регуляции экспрессии гепсидина; Класс III, дефекты ферропортина, препятствующие нормальной регуляции гепсидином.Иллюстрация Кеннета Пробста.

Рисунок 2

Гепцидин и гемохроматоз. (A) Активность гепсидина изображена, показывая ферропортин в качестве мишени как для энтероцитов, так и для макрофагов. Гепсидин связывается с ферропортином, запуская его интернализацию и лизосомную деградацию. (B) Три класса нарушений гемохроматоза влияют на регуляторную ось гепсидин / ферропортин: класс I, дефекты гена гепсидина ( HAMP ), препятствующие выработке функционального гепсидина; Класс II, дефекты в генах HFE, TFR2 или HFE2 , препятствующие нормальной печеночной регуляции экспрессии гепсидина; Класс III, дефекты ферропортина, препятствующие нормальной регуляции гепсидином.Иллюстрация Кеннета Пробста.

Гепсидин в основном вырабатывается гепатоцитами и секретируется в кровоток. Печень действует как центр обмена различными сигналами, влияющими на гомеостаз железа. Из-за своего небольшого размера гепсидин, вероятно, фильтруется почками при первом прохождении. Он был обнаружен и количественно определен в образцах мочи, 91,96 и, что еще сложнее, в сыворотке крови. 97 Его быстрое выведение означает, что большая часть регуляции уровней гепсидина в сыворотке происходит на уровне продукции. Протеолитическая обработка прогормона осуществляется фурином относительно нерегулируемым образом. 98 Напротив, транскрипция гепсидина жестко регулируется в очень широком динамическом диапазоне.

Первоначально было показано, что мРНК мышиного гепсидина повышается в ответ на перегрузку железом 92 и снижается в ответ на дефицит железа. 99,100 Функциональные эффекты измененной экспрессии гепсидина in vivo были очевидны, когда Николас, Лесбордес-Брион и его коллеги показали, что инактивация гена гепсидина у мышей связана с тяжелой перегрузкой железом. 101,102 Напротив, трансгенная сверхэкспрессия гепсидина приводила к дефициту железа. 103,104 Кроме того, количество мРНК гепсидина в клетках печени снижается в ответ на гипоксию и неэффективный эритропоэз (перекрывается с ответом на дефицит железа) 99,105 и индуцируется в ответ на лечение липополисахаридом или воспалением другой этиологии. 92,99 Все эти ответы имеют смысл: когда необходимо ускорить эритропоэз, прерывание экспрессии гепсидина приводит к увеличению доступности железа. Напротив, индукция гепсидина при воспалении и, как следствие, секвестрация железа усиливает врожденную иммунную защиту от вторжения патогенов. 106

Текущая информация о промоторе гепсидина указывает на то, что он относительно компактен, поскольку он должен быть таким, чтобы избежать вторжения в близко соседний ген, кодирующий USF2.Самый проксимальный регион высоко консервативен у всех видов млекопитающих. 107 Было показано, что консенсусный сайт связывания STAT3 опосредует индукцию гепсидина при воспалении через сигнальный путь, запускаемый интерлейкином-6. 107,108 Система фон Хиппеля-Линдау / гипоксия-индуцируемый фактор транскрипции (HIF), по-видимому, также контролирует экспрессию гепсидина, при этом HIF1α действует как репрессор, когда он связывается с промотором гепсидина. 109 Потенциальные сайты связывания для C / EBPα, USF2, HNF4α, p53 и других широко экспрессируемых факторов транскрипции также были идентифицированы в промоторе гепсидина, но пока не ясно, какую роль они играют в регуляции экспрессии гепсидина, если таковая имеется. in vivo. 110-112

Передача сигналов через костный морфогенетический белок (BMP) / SMAD путь является наиболее мощным из известных механизмов активации транскрипции гепсидина. Эта удивительная связь между BMP и гепсидином была первоначально обнаружена в ходе двух независимых исследований. В ходе общих исследований клеточной передачи сигналов Ван и его коллеги инактивировали ген, кодирующий важный белок SMAD, SMAD4, исключительно в гепатоцитах. 113 К их удивлению, доминантным фенотипом, который в результате был получен, был тяжелый гемохроматоз, подобный тому, который наблюдается у мышей, лишенных гепсидина. Параллельно Бабитт и его коллеги изучали хемоювелин, белок, мутировавший у пациентов с тяжелым ранним началом «ювенильного гемохроматоза». 114 Они показали, что гемоювелин действует как корецептор BMP, чтобы стимулировать транскрипцию гепсидина. Обе группы продемонстрировали, что обработка клеток печени BMP стимулировала экспрессию гепсидина способом, зависящим от присутствия SMAD4, 113 BMP и геможувелина. 114

Кажется вероятным, что активированные SMAD связываются непосредственно с промотором гепсидина в ответ на передачу сигналов BMP. Однако, в отличие от некоторых других факторов транскрипции, консенсусные сайты для связывания SMAD очень вариабельны и их трудно предсказать только с помощью анализа последовательности. Truksa et al. Локализовали предполагаемые BMP-чувствительные элементы в промоторе гепсидина, 115 , но все еще неясно, как именно происходит регуляция транскрипции BMP.Тем не менее обработка BMP является мощным стимулом для экспрессии гепсидина как в культивируемых клетках 113,114,116,117 , так и у животных. 117

Наше понимание регуляции гепсидина значительно улучшилось благодаря попыткам понять гемохроматоз, генетическое заболевание, вызывающее перегрузку железом. Описанный Труссо в 1865 году как «бронзовый диабет», 118 гемохроматоз не был известен как заболевание, связанное с железом, вплоть до 20 века. 119 Это было одно из первых генетических заболеваний, которое было связано с дискретным положением хромосомы, благодаря новаторской работе Саймона, проницательного французского врача-ученого, который обнаружил, что пациенты с гемохроматозом с непропорционально высокой вероятностью имеют определенные гаплотипы HLA. 120 Два десятилетия спустя это понимание привело к идентификации HFE (первоначально называвшегося HLA-H ), гена, мутировавшего у подавляющего большинства пациентов с гемохроматозом. 121 Позиционное клонирование HFE ныне прекратившей существование биотехнологической компанией было явлением силы и одним из знаковых достижений середины периода развития проекта генома человека.

Однако, как это часто бывает, ситуация сложнее, чем предполагалось изначально. Теперь мы знаем, что HFE является одним из нескольких генов, которые могут мутировать при гемохроматозе. Кроме того, пенетрантность гемохроматоза HFE является неполной, и только часть пораженных пациентов имеет клиническое заболевание, предположительно из-за как генетических модификаторов, так и факторов окружающей среды. 122 Несколько кандидатов в гены-модификаторы были изучены и, в некоторых случаях, проверены. 123-135 Неудивительно, что гетерозиготные мутации в других генах, связанных с гемохроматозом, могут усугубить клиническое течение пациентов, которые также являются гомозиготными по мутациям HFE.

Предполагается, что, как и гемоювелин, и HFE, и рецептор трансферрина-2 (TFR2, другой белок, связанный с гемохроматозом) участвуют в регуляции экспрессии гепсидина.Люди-пациенты с мутациями в генах, кодирующих гемоювелин, HFE или TFR2, имеют неадекватно низкие уровни гепсидина в моче для их общего состояния железа в организме. 136-139 Как следствие, абсорбция железа в кишечнике и высвобождение железа макрофагами не контролируются должным образом, что приводит к перегрузке железом, увеличению сывороточного железа и отложению железа в печени, сердце и эндокринных тканях. Точно так же мышиные модели гемохроматоза, разработанные путем целенаправленного разрушения любого из этих 3 генов, снизили мРНК гепсидина в их печени. 140-144 Хотя это убедительное доказательство того, что все 3 белка участвуют в регуляции гепсидина, роль HFE и TFR2 не так хорошо изучена, как роль геможувелина.

HFE представляет собой атипичную молекулу, подобную основному классу гистосовместимости, которая образует гетеродимер с β2-микроглобулином, но неспособна связывать небольшой пептид. 145 Вскоре после своего открытия было показано, что HFE взаимодействует с TFR1 с образованием комплекса белок-белок. 145-147 Первоначально считалось, что его роль в гомеостазе железа связана с нарушением цикла трансферрина либо в гепатоцитах, либо в эпителиальных клетках кишечника (обзор в Roy and Enns 148 ). Однако более поздние результаты предполагают другой сценарий: TFR1 регулирует активность HFE и ингибирует HFE, секвестрируя его. 149 Поскольку TF и ​​HFE конкурируют за связывание с TFR1, вытеснение HFE из TFR1 с помощью TF может быть средством активации HFE для передачи сигнала через пока еще неизвестный механизм увеличения транскрипции гепсидина.

TFR2, вероятно, каким-то образом вписывается в этот сценарий. Мутации в TFR2 гораздо реже, чем мутации в HFE, но клиническое заболевание может быть неотличимым. 133 Подобно TFR1, TFR2 взаимодействует с HFE с образованием стабильного белкового комплекса. 150 Однако, как показали Чен и Эннс, HFE не связывается с гомологичными частями TFR1 и TFR2. 151 Хотя TFR2 на 43% гомологичен TFR1 в его внеклеточном домене, он не поглощает диферрический TF эффективно. 152 Скорее, его основная функция, по-видимому, заключается в интерпретации статуса железа в организме. Количество белка TFR2 увеличивается в ответ на насыщенный железом трансферрин. 151,153-155 Принимая это во внимание, мы предложили модель, в которой TFR2 отводит HFE от TFR1, когда уровень сывороточного железа (отраженный в насыщении трансферрина) повышен. 149,150 Смысл этой модели состоит в том, что HFE и TFR2 взаимодействуют в сигнальном комплексе, который действует, увеличивая экспрессию гепсидина.Эти белки могут быть частью более крупного сигнального комплекса BMP вместе с гемоювелином (P.J. Schmidt, F.W. Huang и N.C.A., неопубликованные результаты).

Гемохроматоз также может быть результатом мутаций в гене, кодирующем ферропортин, мишень активности гепсидина. Первые мутации в ферропортине были обнаружены одновременно Montosi et al. , 156, и Njajou, et al., , 157, , в семьях с перегрузкой железом, сегрегированной по аутосомно-доминантному типу.Впоследствии сообщалось о многих других мутациях. Первоначально возникли разногласия по поводу клинической картины: у некоторых пациентов, по-видимому, преобладала макрофагальная нагрузка железа и иногда наблюдалась анемия, в то время как у других были клинические признаки, неотличимые от гемохроматоза HFE. Поразительно, что все мутации ферропортина вызывали несмысленные изменения, а не усечения или сдвиги рамки считывания. Кроме того, мыши с нокаутом, гетерозиготные по нулевому аллелю ферропортина, не имели значимого фенотипа железа и, по-видимому, не моделировали заболевание человека. 79

Эти проблемы были решены после открытия, что существует 2 широких категории мутаций ферропортина. 158,159 Миссенс-мутации, которые повлияли на субклеточную локализацию или функцию транспортера ферропортина («потеря функции»), были связаны с загрузкой макрофагами железа, но мало, если вообще были, последствиями, напоминающими классический гемохроматоз. Напротив, миссенс-мутации, которые сделали ферропортин нечувствительным к регуляции гепсидином («усиление функции»), вызвали гемохроматоз.Тот факт, что оба типа мутаций имеют аутосомно-доминантные паттерны клинической экспрессии, можно согласовать, сделав вывод, что полипептиды ферропортина собираются в гомо-мультимеры. 158 Недавно с помощью позиционного клонирования была идентифицирована мышиная модель заболевания, связанного с мутациями ферропортина с потерей функции, flatiron . 160

Прецедентов инактивации и активации мутаций в одном гене, вызывающих 2 различных заболевания, немного.Соответственно, пока нет единого мнения о номенклатуре этих расстройств. Было высказано предположение, что состояние, связанное с мутациями потери функции, должно называться «болезнью ферропортина», а состояние, связанное с мутациями увеличения функции, должно называться гемохроматозом типа IV. Однако схема классификации размыта из-за того, что некоторые мутации, по-видимому, имеют признаки обоих типов.

Таким образом, исходя из наших текущих представлений, молекулярный патогенез гемохроматоза можно разделить на 3 класса (рис. 2B).Во-первых, мутации в самом гене гепсидина (называемом HAMP ) вызывают гемохроматоз, предотвращая выработку функционального белка гепсидина. 161 Во-вторых, мутации в генах, кодирующих HFE ( HFE ), TFR2 ( TFR2 ) и гемоджувелин ( HFE2 ), инактивируют сигнальные пути, которые обычно повышают экспрессию гепсидина. Наконец, мутации в гене, кодирующем ферропортин ( SLC40A1 ), могут вызывать гемохроматоз, делая переносчик нечувствительным к регуляции гепсидина. 158,162

Железодефицитная анемия продолжает оставаться серьезной проблемой общественного здравоохранения во всем мире, от которой, по оценкам, страдают 3 миллиарда человек. Вероятно, первые подробные описания дефицита железа и его лечения касались хлороза, озадачивающего состояния, по крайней мере, в значительной степени из-за железодефицитной анемии, которая была диагностирована между средневековьем и концом викторианской эпохи в 1920-х годах.Примечательно то, что некоторые из основателей ASH могли видеть пациентов с этим заболеванием. Сиденхэм в 1681 году признал, что хлороз можно вылечить «воздействием стали». 163 Таблетки с сульфатом железа, которые до сих пор являются основой лечения дефицита железа, используются уже почти 2 века. 164 Эффективность лечения железом была официально установлена ​​в классическом эксперименте, проведенном Каслом. Он доказал, что действующим веществом было железо, когда он вводил парентеральное железо, и показал пропорциональное повышение гемоглобина у пациентов с гипохромной анемией. 165

В подавляющем большинстве случаев дефицит железа возникает в результате кровопотери (например, кишечного паразитоза), недостаточного потребления железа с пищей или и того, и другого. Дети младшего возраста и женщины во время менструации страдают непропорционально сильно, потому что их железный статус изначально маргинален. Недавно было заново открыто, что инфекция H pylori , даже при отсутствии значительного кровотечения, может привести к тяжелой железодефицитной анемии, которая плохо поддается пероральной терапии железом.Это заболевание обычно наблюдается у молодых женщин, связано с атрофией желудка и может быть связано с другими аутоиммунными явлениями. 166,167 Как указали Хершко и его коллеги, 168 эта совокупность открытий была представлена ​​столетие назад Фабером 169 и далее описана Винтробом и Биби. 170 Ликвидация инфекции H pylori может привести к коррекции анемии. 167

В настоящее время признано, что редкие генетические дефекты также могут вызывать железодефицитную анемию.Мутации в генах, кодирующих DMT1 ( SLC11A2 ) и глутаредоксин 5 ( GLRX5 ), связаны с аутосомно-рецессивной гипохромной микроцитарной анемией. 171,172 Интересно, что клинический фенотип пациентов с мутациями DMT1 незначительно отличается от соответствующей мышиной модели, mk . 12 Пациенты-люди имеют похожие мазки крови и аномалии эритроцитов, но также имеют перегрузку железом в печени, что не полностью объясняется их историями переливания крови. 172-176 Возможно, менее удивительно, что клинический фенотип уникального пациента, несущего мутацию GLRX5 , также несколько отличается от более ранней модели на животных с делецией этого гена, шираз рыбок данио. 177

Две формы генетической железодефицитной анемии связаны с перегрузкой железом вне эритрона. Дефицит сывороточного трансферрина из-за мутаций в самом гене TF 178,179 прерывает доставку железа к предшественникам эритроидов, вызывая массивное, но бесполезное увеличение всасывания железа в кишечнике и последующее отложение железа в тканях.Это заболевание, гипотрансферринемия (также называемая атрансферринемией), наблюдается как у людей, так и у мышей. 180-183 По другому механизму дефицит другого основного белка плазмы, церулопазмина, также вызывает легкую железодефицитную анемию, связанную с накоплением железа в печени и головном мозге. 184 Как сообщили Харрис и его коллеги, 184 дефицит железа возникает из-за отсутствия активности ферроксидазы, необходимой для мобилизации железа из хранилища. Хотя оба эти расстройства встречаются редко, каждое из них можно спутать с гемохроматозом, если не принимать во внимание всю клиническую картину.

Мы и другие наблюдали, что у некоторых пациентов есть врожденная железорезистентная железодефицитная анемия (IRIDA), которую нельзя объяснить мутациями в генах, кодирующих DMT1, GLRX5, TF или церулоплазмин. 185-190 Эти люди, по-видимому, имеют дефект в экспорте клеточного железа, 191 , но заболевание имеет аутосомно-рецессивный характер наследования, и никаких мутаций не обнаружено ни в ферропортине, ни в регуляторных областях гена гепсидина. 190 Важный ключ к разгадке этиологии IRIDA был получен недавно, когда Эрнест Бейтлер и его сын Брюс идентифицировали Tmprss6 , кодирующий матриптазу-2, как ген, мутировавший в новом мутанте мыши, Mask . 192

В дополнение к причудливому рисунку волос, который привел к названию штамма, мыши Mask страдают тяжелой железодефицитной анемией, связанной с повышенной экспрессией гепсидина.Матриптаза-2 представляет собой трансмембранную сериновую протеазу типа II с неизвестной функцией, которая экспрессируется на высоких уровнях в печени. Механизм, посредством которого матриптаза-2 регулирует экспрессию гепсидина, еще не определен. Мы спросили, могут ли мутации в человеческом ортологе TMPRSS6 вызывать IRIDA. Мы собирали образцы ДНК у пациентов с IRIDA с тех пор, как я впервые увидел мальчика с этим заболеванием в 1996 году. Каждый пациент, который соответствовал нашим строгим критериям для IRIDA, имел инактивирующие мутации в TMPRSS6 , которые могли объяснить болезнь. 190,192 Потребуются дальнейшие исследования для определения распространенности этого редкого заболевания и оценки возможности того, что менее тяжелые мутации увеличивают восприимчивость к распространенной приобретенной железодефицитной анемии.

Анемия хронического заболевания (также называемая анемией воспаления) представляет собой приобретенное нарушение гомеостаза железа (см. Обзор Роя и Эндрюса, , 193, ). Распространенное объяснение анемии у хронических больных, анемия хронического заболевания в прошлом в значительной степени была диагнозом исключения.Это состояние, элегантно описанное Картрайтом в классическом обзоре 194 , может быть связано с инфекцией, злокачественными новообразованиями, органной недостаточностью, травмой или другими причинами воспаления. Анемия обычно бывает легкой или умеренной, и эритроциты могут не проявлять никаких признаков дефицита железа. Но основная этиология железа очевидна: обнаружено, что макрофаги, которые обычно рециркулируют железо, изолируют его, всасывание железа в кишечнике прерывается, а предшественники эритроидов очень быстро реагируют, когда становится доступным трансферрин железа.Связь с провоспалительными цитокинами подозревалась в течение некоторого времени, 195 , но не была хорошо изучена до недавнего времени.

Изучая необычную группу пациентов, мы разработали гипотезу, объясняющую анемию хронического заболевания, которая впоследствии была подтверждена другими. 196 У пролеченных лиц, переживших болезнь накопления гликогена типа 1a, в раннем взрослом возрасте часто развиваются доброкачественные аденомы печени.Вместе с Вайнштейном, Роем и коллегами мы наблюдали, что у этих пациентов также развивается анемия, напоминающая анемию хронического заболевания, тяжесть которой напрямую коррелирует со степенью опухолевой нагрузки. 100 Мы обнаружили, что гепатоцитоподобные клетки аденом экспрессировали очень высокие уровни гепсидина 100 , и предположили, что наши результаты могут быть обобщены — что индукция экспрессии гепсидина в ответ на воспаление может объяснить анемию хронического заболевания.Последующие исследования Немета и его коллег 96,197 убедительно подтвердили нашу гипотезу, и теперь она широко принята.

В некотором смысле анемия при хроническом заболевании является фенотипической противоположностью гемохроматоза. Экспрессия гепсидина, которая является неадекватно высокой для статуса железа в организме, приводит к прерыванию всасывания железа в кишечнике и его рециркуляции. Следовательно, пониженное содержание железа в сыворотке доступно для эритропоэза.Соответственно, Рой и его коллеги разработали модель трансгенной мыши, экспрессирующую гепсидин, которая показывает, что наиболее устойчивые признаки анемии при хроническом заболевании могут быть приписаны повышенной экспрессии гепсидина. 104 Наше недавнее открытие, что IRIDA также вызывается чрезмерно высокой экспрессией гепсидина, предполагает, что IRIDA и анемия хронического заболевания должны иметь общие клинические признаки. Хотя в некоторых отношениях это верно, одно поразительное отличие состоит в том, что IRIDA связана с тяжелым микроцитозом, тогда как анемия при хронических заболеваниях обычно является нормоцитарной.Мыши, экспрессирующие трансген гепсидина, являются микроцитарными, как и IRIDA. 104 Я предполагаю, что нормоцитарные эритроциты при анемии при хроническом заболевании являются результатом сочетания недостаточности железа и пока еще необъяснимой тенденции к макроцитозу. Например, вполне вероятно, что гомеостаз фолиевой кислоты также нарушается в ответ на воспаление.

Биология железа — обширная область, и, безусловно, есть важные области, которым я не уделил внимания в этом обзоре.К ним относятся метаболизм железа в митохондриях, метаболизм гема, накопление железа в мозге при нейродегенеративных расстройствах, образование кластеров Fe • S, терапевтическое хелатирование, классическая феррокинетика, микробный метаболизм железа и другие. Сосредоточившись на физиологии больше, чем на биохимии, я не уделил должного внимания недавним структурным характеристикам TFR1, HFE или IRP1 по отдельности и во взаимодействиях с молекулами, с которыми они связываются. 145,198-200 Мой выбор тем не следует рассматривать как суждение о том, что является наиболее важным; скорее, он просто отражает мои области знаний и внимание к болезням, которые только недавно стали понятны.Забегая вперед, интересно поразмышлять о том, что мы узнаем в следующем раунде открытий в биологии железа. На мой взгляд, любой список желаний должен фокусироваться на заболеваниях, связанных с железом, которые влияют на наших пациентов — в конечном счете, именно они являются причиной того, что большинство из нас выбрали работу в этой области.

Во-первых, я думаю, что будет новый всплеск интереса к дефициту железа. Мы находимся в беспрецедентном положении, чтобы понять взаимодействия генома и окружающей среды, которые делают некоторых людей особенно восприимчивыми к дефициту железа.Среди этих взаимодействий мы скоро должны понять, почему инфекция H pylori вызывает глубокий дефицит железа, который нельзя объяснить потерей крови или нарушением всасывания железа. Мы поймем «регулятор эритроида», который передает потребности организма в железе гепатоцитам печени, продуцирующим гепсидин, что позволяет мобилизовать все доступное железо при ускорении эритропоэза. Новое понимание биологии железа также может иметь терапевтические преимущества. Возможно, это приведет к появлению новых методов перорального восполнения запасов железа, позволяющих добиться этого за несколько дней, а не месяцев.Если это станет возможным, это будет иметь огромные последствия по всему миру. Наконец, pica, загадочный, но почти патогномоничный симптом тяжелого дефицита железа, может дать нам подсказки, которые помогут нам понять сложные связи между питанием и поведением.

Во-вторых, нам еще предстоит узнать больше о нарушениях, связанных с первичной перегрузкой железом. Мутации в 5 генах, которые в настоящее время связаны с гемохроматозом, вероятно, не у всех пациентов с этим заболеванием.Вероятно, еще предстоит идентифицировать по крайней мере один дополнительный ген. Даже когда список будет полным, нам потребуется лучшее понимание генетических модификаторов, чтобы полностью понять, почему клинические проявления сильно различаются. Знание полного генетического ландшафта гемохроматоза может привести к новым подходам к замене кровопускания (флеботомии), лечения, которое было введено почти за десять лет до основания ASH. Поскольку флеботомия — это дешево, легко, безопасно и эффективно, заменить ее будет сложно.Но, учитывая, насколько чувствительна экспрессия гепсидина к множеству стимулов, вполне возможно, что безопасный и эффективный препарат, используемый в настоящее время для другой цели, может иметь неожиданную гепсидин-индуцирующую активность, решая проблему. Наконец, хотя мы добились больших успехов в понимании гемохроматоза у лиц европейского происхождения, мы по-прежнему в значительной степени игнорируем причины и проявления перегрузки железом у лиц африканского происхождения, несмотря на очевидную распространенность этого состояния в этой популяции. 201-210

Перегрузка железом при переливании крови достаточно хорошо изучена. На мой взгляд, целью в ближайшие годы должно быть использование биологии, а не химии для ее лечения. Под этим я подразумеваю, что подробные знания о гомеостазе железа предложат новые терапевтические возможности для преднамеренного удаления железа из организма, даже если нет естественного пути выведения через печень или почки. Преднамеренное управление потерей железа через эпителий кишечника или через почки — два возможных подхода.

Наше понимание анемии как хронического заболевания значительно расширилось за последние несколько лет. По мере того, как мы уточняем наше понимание проявлений, связанных с гепсидином, и других проявлений, должно стать возможным разделение этого расстройства по причинам и следствиям. Несомненно, появятся новые стратегии лечения, основанные на нашем понимании биологии анемии хронического заболевания. Вполне вероятно, что это понимание также приведет к лучшему пониманию молекулярной патологии анемии старения.

Лучшее понимание гомеостаза железа может также улучшить лечение других заболеваний. Нам еще многое предстоит узнать о гомеостазе железа в солидных опухолях и о возможной роли липокалина-2 и его рецептора 76 в злокачественной трансформации. Отложение железа является признаком многих нейродегенеративных расстройств, 211 , и регулирование распределения железа в центральной нервной системе может стать важным терапевтическим подходом.Точно так же стратегии истощения запасов железа могут когда-нибудь использоваться для изменения врожденного иммунитета и усиления защиты организма от вторжения патогенов. Рискну предположить, что лучшее понимание биологии железа принесет пользу практически во всех областях медицины, что позволит нашим студентам и коллегам быть занятыми на десятилетия вперед.

Я хотел бы поблагодарить коллег в области биологии железа, которые щедро приветствовали меня в своем мире 12 лет назад, и, в частности, Марка Флеминга, давнего сотрудника, который дал мне мощный толчок к этому.Для меня большая честь работать в области, которая так много выиграла от разнообразия исследователей: биология железа — это действительно международное направление, которое возникло благодаря усилиям ученых из Европы, Австралии, Азии, Африки и Америки; Плодотворные подходы варьировались от традиционной биохимии до современной генетики мышей, клинических измерений и всего, что между ними. Как и я, многие другие сталкивались с биологией железа, часто заявляя, что они просто немного поработают, а затем вернутся на родину, но почти всегда решают остаться.Их свежие взгляды сделали эту область исследований еще более интересной и привлекательной для молодых ученых. Наконец, мне посчастливилось работать с выдающимися студентами, аспирантами и техническими специалистами в моей собственной лаборатории. Я многим обязан им за то, что они сделали это путешествие таким полезным и веселым.

Работа в моей лаборатории в настоящее время поддерживается грантами R01 Национального института здоровья HL051057, DK066373 и DK053813, а также грантом Фонда исследований анемии Рош.

Национальные институты здравоохранения

Ковка из кованого железа

Ковка из кованого железа

Кованые изделия

Поскольку кованое железо не является хорошим проводником тепла, оно дает кузнецу ряд преимуществ. Один конец куска кованого железа можно нагреть до температуры ковки, в то время как другой конец останется относительно холодным.Также из-за низкой теплопроводности кованого железа нагретая часть будет оставаться горячей в течение более длительного периода времени.

Индикация цветовой температуры кованого железа

Самый распространенный способ для кузнецов определить, когда кованое железо достигло температуры ковки, — это наблюдать за изменениями цвета, которые происходят при нагревании кованого железа. При ковке кованого железа важно иметь возможность видеть изменения цвета металла, так как это является основным индикатором того, когда кованое железо достаточно горячее, чтобы работать с ним, и еще недостаточно горячее, чтобы перегреть или сжечь железо.По этой причине, когда вы помещаете кусок кованого железа в кузницу для нагрева, его следует размещать горизонтально поверх центра углей, а не на углях, чтобы вы могли легко видеть изменения цвета. как они происходят. Все стороны кованого изделия должны быть нагреты равномерно.

Температура ковки из кованого железа

Ковка из кованого железа наиболее эффективна, когда температура железа достигает 2100 ° по Фаренгейту (1149 ° по Цельсию), при этой температуре кованое железо будет иметь желтый цвет.При температуре всего на несколько сотен градусов выше идеальной 2100 ° F кованое железо станет белым, и вы начнете обжигать кованое железо. Однако многие основные методы ковки из кованого железа могут выполняться при более низких температурах. гнуть кованое железо можно, когда кованое железо имеет красный цвет при температуре около 1400 ° по Фаренгейту (760 ° по Цельсию). Все другие основные методы ковки железа могут быть выполнены, когда кованое железо достигает ярко-оранжевого цвета при температуре около 1800 ° по Фаренгейту (982 ° по Цельсию).

Поделиться:

Ковкое кованое железо | Товары для кованого железа

Зачем нужно кованое железо?

Невооруженным глазом нет видимой разницы между коваными прутками из кованого железа и мягкой стали (ее современный эквивалент), однако кованое железо отличается не внешним видом, а рабочими свойствами и устойчивостью к коррозии. Кованое железо легче ковать, так как оно поддается обработке при более высоких температурах, чем мягкая сталь, что делает его более «ковким» под действием молотка.Однако наиболее заметными являются превосходные погодные свойства кованого железа.

Хотя кованое железо, как и все черные металлы, при определенных обстоятельствах подвержено коррозии (см. Техническое обслуживание), доказательства его прочности и продолжительности жизни являются обычным явлением в наших городах и сельской местности. Перила в викторианском таунхаусе — кованое железо, которому двести лет. Огромные декоративные ворота в величественные дома восемнадцатого века — кованое железо триста лет. Каменные корки на тюдоровских мостах — кованое железо пятисотлетней давности.Тот простой факт, что так много декоративных кованых изделий сохранилось, часто с минимальным обслуживанием или без него, говорит о материале.

Проблемы быстрой коррозии мягкой стали по сравнению с кованым железом были хорошо известны к началу двадцатого века, и это побудило Мэтью Верити из США заняться исследованием. Он пришел к выводу, что углерод в стали ответственен за ее коррозионную стойкость; приводя к теории, что удаление углерода устраняет проблему коррозии.Его усилия по производству чистого железа привели не к получению металла, обладающего какой-либо устойчивостью к коррозии, а к тому, что он был очень прочным и податливым и нашел признание на развивающихся рынках для массового производства холодных штамповок; ARMCO утюг. Никаких убедительных доказательств, подтверждающих заявления о том, что чистое железо не подвержено коррозии, никогда не было, и на самом деле сами производители чистого железа не заявляют о его коррозионной стойкости. Фактически, эти же производители предлагают другие материалы, известные как «Weathering Steel» в Великобритании или «Corten Steel» в США, в отношении которых они делают такие заявления.Одно из основных применений чистого железа в современной промышленности — это расходные аноды для защиты стальных резервуаров и кораблей, поскольку было обнаружено, что он подвержен коррозии преимущественно по сравнению с мягкой сталью.

Верити провела химический анализ кованого железа и мягкой стали, который, судя по всему, упустил из виду наличие шлаков. Во время производственного процесса кованое железо не расплавляется, как более очищенные металлы, так что примеси включаются в матрицу железа, а не отделяются и утилизируются.При таких высоких температурах примеси превращаются в стекло и широко известны как «шлак», состоящий из карбидов и силикатов, которые придают кованому железу его волокнистую структуру; примерно 250 000 кремнеземных волокон появляется в каждом квадратном дюйме поперечного сечения кованого железа хорошего качества. Требуется специальное испытание, чтобы обнаружить шлак, в котором кованое железо содержит до 5%, однако именно этот шлак придает кованому железу его коррозионные свойства.

Шлак, присутствующий в структуре кованого железа, ингибирует коррозию несколькими способами:

  • Сами по себе шлаки не подвержены коррозии и служат эффективным механическим барьером против развития коррозии.
  • Структура чугуна приводит к очень шероховатой (с точки зрения микроскопии) текстуре поверхности, которая сцепляется с оксидным слоем, будь то ржавчина или прокатная окалина, не позволяя ей отслаиваться от поверхности. Таким образом, оксиды действуют как защитное покрытие, предотвращающее дальнейшую коррозию.
  • Говоря электрически, там, где на поверхности появляется шлак, он действует как изолятор между участками химически активного железа, замедляя электролитическое действие.

Таким образом, важные коррозионные свойства кованого железа обусловлены его примесями в виде шлака.Отсюда следует, что чугун и сталь без шлака не будут иметь одинаковой коррозионной стойкости, и это то, что обнаруживается на практике. Кроме того, шлак имеет дополнительные преимущества по сравнению с традиционными методами ковки, особенно с огневой сваркой.

Когда кованое железо нагревается на огне до высокой температуры, шлак плавится и покрывает поверхность железа подобно флюсу. Этот стекловидный слой замедляет окисление до такой степени, что железо может быть нагрето больше, чем более чистый металл без горения, и по этой причине кованое железо более ковкое для ковки, чем любой другой металл, но, что более важно, именно поэтому так красиво подавать огневую сварку, шлак действует как флюс.Кузнецы часто отмечают свойство кованого железа, которое делает его более мягким для ковки, чем даже чистое железо. Это происходит за счет шлаков, которые плавятся внутри чугуна при температурах ковки и действуют как внутренняя смазка, уменьшая внутреннее трение и, следовательно, сопротивление деформации под действием молотка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *