Metāla profils: dzelzs īpašības un raksturojums

Cilvēki dzelzi lieto jau aptuveni 5000 gadu. Tas ir otrs visbagātākais metāla elements Zemes garozā, un to galvenokārt izmanto ražošanai tērauda, viens no vissvarīgākajiem konstrukcijas materiāliem pasaulē.

Pirms pārāk dziļi iedziļināties dzelzs vēsturē un mūsdienu lietojumos, pārskatīsim pamatus:

• Atomu simbols: Fe
• Atomu skaitlis: 26
• Elementu kategorija: Pārejas metāls
• Blīvums: 7,874 g / cm³
• Kušanas temperatūra: 1538 ° C (2800 ° F)
• Viršanas punkts: 2862 ° C (5182 ° F)
• Moha cietība: 4

Tīrs dzelzs ir sudraba krāsas metāls, kas labi vada siltumu un elektrību. Dzelzs ir pārāk reaktīvs, lai eksistētu viens pats, tāpēc tas dabiski Zemes garozā rodas tikai kā dzelzs rūdas, piemēram, hematīts, magnetīts un siderīts.

Viena no dzelzs īpašībām ir tā, ka tā ir spēcīga magnētisks. Spēcīga magnētiskā lauka ietekmē jebkuru dzelzs gabalu var magnetizēt. Zinātnieki uzskata, ka Zemes kodolu veido aptuveni 90% dzelzs. Šī dzelzs radītais magnētiskais spēks rada magnētiskos ziemeļu un dienvidu polus.

Dzelzs, iespējams, sākotnēji tika atklāts un iegūts koksnes sadedzināšanas rezultātā virs dzelzi saturošām rūdām.Koksnē esošais ogleklis būtu reaģējis ar rūdas skābekli, atstājot mīkstu, kaļams dzelzs metāls. Dzelzs kausēšana un dzelzs izmantošana instrumentu un ieroču izgatavošanai sākās Mezopotāmijā (mūsdienu Irākā) laikā no 2700 līdz 3000 BC. Turpmākajos 2000 gados zināšanas par dzelzs kausēšanu izplatījās austrumu virzienā Eiropā un Āfrikā laika posmā, kas pazīstams kā dzelzs laikmets.

Sākot no 17. gadsimta, līdz 19. gadsimta vidū tika atklāta efektīva tērauda ražošanas metode, dzelzi arvien vairāk izmantoja kā konstrukcijas materiālu kuģu, tiltu un ēku izgatavošanai. Eifeļa tornis, kas uzcelts 1889. gadā, tika izgatavots, izmantojot vairāk nekā 7 miljonus kilogramu kaltas dzelzs.

Dzelzs visapgrūtinošākā īpašība ir tā tendence veidot rūsu. Rūsa (vai dzelzs oksīds) ir brūns, drupans savienojums, kas rodas, kad dzelzs tiek pakļauts skābeklim. Skābekļa gāze, kas atrodas ūdenī, paātrina procesu korozija. Rūsas ātrumu - cik ātri dzelzs pārvēršas dzelzs oksīdā - nosaka skābekļa saturs ūdenī un dzelzs virsmas laukums. Sālsūdens satur vairāk skābekļa nekā saldūdens, tāpēc sālsūdens dzelzi rūsē ātrāk nekā saldūdens.

Rūsu var novērst, pārklājot dzelzi ar citiem metāliem, kas ķīmiski ir pievilcīgāki skābeklim, piemēram, cinks (dzelzs pārklāšanas procesu ar cinku sauc par "cinkošanu"). Tomēr visefektīvākā metode aizsardzībai pret rūsu ir tērauda izmantošana.

Tērauds ir sakausējums dzelzs un dažādu citu metālu, kurus izmanto dzelzs īpašību (izturības, izturības pret koroziju, karstuma tolerances utt.) uzlabošanai. Mainot ar dzelzi sakausēto elementu veidu un daudzumu, var ražot dažāda veida tēraudu.

Visizplatītākie tēraudi ir:

• Oglekļa tēraudi, kas satur no 0,5% līdz 1,5% oglekļa: Šis ir visizplatītākais tērauda tips, ko izmanto automašīnu virsbūvēm, kuģu korpusiem, nažiem, mašīnām un visu veidu konstrukciju balstiem.
• Tēraudi ar zemu leģējumu, kas satur 1-5% citu metālu (bieži niķelis vai volframa): Niķeļa tērauds var izturēt lielu spriedzi, tāpēc to bieži izmanto tiltu būvē un velosipēdu ķēžu veidošanā. Volframa tēraudi saglabā savu formu un izturību vidē ar augstu temperatūru, un tos izmanto trieciena un rotācijas darbos, piemēram, urbjos.
• Augsti leģēti tēraudi, kas satur 12-18% citu metālu: Šis tērauda veids tiek izmantots tikai speciāliem lietojumiem tā augsto izmaksu dēļ. Viens no leģētā tērauda piemēriem ir nerūsējošais tērauds, kas bieži satur hroms un niķelis, bet to var sakausēt arī ar dažādiem citiem metāliem. Nerūsējošais tērauds ir ļoti spēcīgs un ļoti izturīgs pret koroziju.

Lielāko dzelzs daudzumu iegūst no rūdām, kas atrodamas netālu no Zemes virsmas.Mūsdienu ieguves paņēmienos tiek izmantotas domnas, kuras raksturo to augstās kaudzes (skurstenim līdzīgās struktūras). Dzelzi ielej kaudzēs kopā ar koksu (ogles bagātas ogles) un kaļķakmeni (kalcija karbonāts). Mūsdienās dzelzsrūda parasti nonāk saķepināšanas procesā pirms ieiešanas kaudzē. Kausēšanas procesā veidojas rūdas gabali, kuru izmērs ir 10-25 mm, un pēc tam šos gabalus sajauc ar koksu un kaļķakmeni.

Pēc tam saķepināto rūdu, koksu un kaļķakmeni ielej kaudzī, kur tā deg 1800 grādos pēc Celsija. Kokss sadedzina kā siltuma avots un kopā ar skābekli, kas tiek izvadīts krāsnī, palīdz veidot reducējošās gāzes oglekļa monoksīdu. Kaļķakmens sajaucas ar dzelzs piemaisījumiem, veidojot sārņus. Sārņi ir vieglāki par izkausētu dzelzsrūdu, tāpēc tie paceļas uz virsmu un tos var viegli noņemt. Pēc tam karsto dzelzi ielej veidnēs, lai iegūtu čugunu, vai tieši sagatavo tērauda ražošanai.

Čuguns joprojām satur no 3,5% līdz 4,5% oglekļa,kopā ar citiem piemaisījumiem, un tas ir trausls un ar to grūti strādāt. Čuguna fosfora un sēra piemaisījumu pazemināšanai un čuguna iegūšanai tiek izmantoti dažādi procesi. Kalta dzelzs, kas satur mazāk nekā 0,25% oglekļa, ir izturīga, kaļama un viegli metināma, taču to ražošana ir daudz darbietilpīgāka un dārgāka nekā zema oglekļa tērauda.

2010. gadā pasaules dzelzs rūdas ieguve bija aptuveni 2,4 miljardi tonnu. Ķīna, kas ir lielākais ražotājs, saražoja apmēram 37,5% no visas saražotās produkcijas, bet citas lielākās ražotājvalstis ir Austrālija, Brazīlija, Indija un Krievija. ASV Ģeoloģijas dienests lēš, ka 95% no visas pasaulē saražotās metāla tonnāžas ir dzelzs vai tērauds.

Dzelzs kādreiz bija galvenais strukturālais materiāls, taču kopš tā laika lielākajā daļā lietojumu tas ir aizstāts ar tēraudu. Tomēr čugunu joprojām izmanto caurulēs un automobiļu detaļās, piemēram, cilindru galvās, cilindru blokos un pārnesumkārbas korpusos. Kalta dzelzs joprojām tiek izmantota mājas dekoru priekšmetu, piemēram, vīna statīvu, sveču turētāju un aizkaru stieņu, ražošanai.