Metale żelazne: struktura, typy, właściwości, właściwości i przykład

Metale żelazne to takie, które zawierają żelazo (Fe), a także niewielkie ilości innych metali, które dodaje się, aby nadać im pewne korzystne właściwości. Chociaż żelazo może występować w różnych stanach utleniania, najczęściej występują +2 (żelazo) i +3 (żelazo).

Jednakże określenie „żelazny” odnosi się do obecności żelaza niezależnie od jego stanu utlenienia w materiale. Żelazo jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, ale globalnie jest głównym elementem ziemskim. Dlatego historycznie i przemysłowo metale żelazne miały udział w ewolucji człowieka.

Tak było ze względu na jego dużą obfitość i modyfikowalne właściwości. Te metale żelazne zaczynają się od ekstrakcji żelaza ze źródeł mineralogicznych, takich jak: hematyt (Fe ₂ O ₃ ), magnetyt (Fe ₃ O ₄ ) i syderyt (FeCO ₃ ). Ze względu na wydajność, tlenki te są bardziej pożądane w przetwarzaniu żelaza.

Górny obraz przedstawia żeliwo żarowe „język ognia”. Spośród wszystkich metali żelaznych najważniejszy jest stop żelaza z małymi ilościami dodanego węgla: stal.

Struktura

Ponieważ żelazo jest głównym składnikiem metali żelaznych, ich struktury składają się z krystalicznych deformacji ich czystego ciała stałego.

W związku z tym stopy żelaza, takie jak stal, nie są niczym więcej niż śródmiąższowym włączaniem innych atomów w krystaliczny układ żelaza.

Co to za układ? Żelazo tworzy alotropy (różne struktury stałe) w zależności od temperatury, w jakiej jest eksponowane, zmieniając jego właściwości magnetyczne. Tak więc, w temperaturze pokojowej przedstawia tablicę bcc, znaną również jako żelazo alfa (sześcian po lewej, górny obraz).

Jednak w zakresie wysokich temperatur (912-1394 (ºC)) układ pokazuje ccp lub fcc: żelazo-gamma (sześcian po prawej). Po przekroczeniu tej temperatury żelazo powraca do formy bcc, aby w końcu stopić.

Ta zmiana struktury alfa-gamma jest znana jako przemiana fazowa. Faza gamma jest w stanie „uwięzić” atomy węgla, podczas gdy faza alfa nie.

Tak więc, w przypadku stali, jej strukturę można uwidocznić jako zestawy atomów żelaza otaczających atom węgla.

W ten sposób struktura metali żelaznych zależy od rozkładu faz żelaza i atomów innych gatunków w ciele stałym.

Charakterystyka i właściwości

Czyste żelazo jest miękkim i bardzo plastycznym metalem, bardzo wrażliwym na korozję i utlenianie czynników zewnętrznych. Jednak gdy zawiera różne proporcje innego metalu lub węgla, nabiera nowych właściwości i właściwości.

W rzeczywistości to te zmiany sprawiają, że metale żelazne są przydatne w niezliczonych zastosowaniach.

Stopy żelaza są ogólnie odporne, trwałe i wytrzymałe, o jasnych odcieniach szarości i właściwościach magnetycznych.

Przykłady

Kute żelazo lub słodkie

Ma zawartość węgla mniejszą niż 0, 03%. Ma kolor srebrny, łatwo się utlenia i pęka wewnętrznie. Ponadto jest plastyczny i formowalny, jest dobrym przewodnikiem elektryczności i trudnym do spawania.

Jest to rodzaj metalu żelaznego, którego człowiek użył po raz pierwszy w produkcji broni, naczyń i konstrukcji. Obecnie stosowane w płytach, nitach, siatkach itp. Ponieważ jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, jest używany w rdzeniu elektromagnesów.

Żelazo w szorstkim lub żeliwie

W początkowym produkcie wielkich pieców zawiera 3-4% węgla i ślady innych pierwiastków, takich jak krzem, magnez i fosfor. Jego głównym zastosowaniem jest ingerencja w produkcję innych metali żelaznych.

Czyste żelazo

Jest to szaro-biały metal o właściwościach magnetycznych. Pomimo swojej twardości jest kruchy i łamliwy. Jego temperatura topnienia jest wysoka (1500 ° C). Szybko się utlenia.

Jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, więc jest stosowany w elementach elektrycznych i elektronicznych. Dla reszty jest mało użyteczny.

Żeliwo lub żeliwo (odlewnie)

Mają wysoką zawartość węgla (od 1, 76% do 6, 67%). Są twardsze niż stal, ale bardziej kruche. Topią się w niższej temperaturze niż czyste żelazo, około 1100 ° C.

Ponieważ można go formować, można wytwarzać z niego elementy o różnych rozmiarach i złożoności. W tego rodzaju żelazie stosuje się żeliwo szare, co nadaje mu stabilność i formowalność.

Mają większą odporność na korozję niż stal. Ponadto są tanie i gęste. Prezentują płynność w stosunkowo niskich temperaturach, będąc w stanie wypełnić formy.

Mają też dobre właściwości kompresji, ale są kruche i łamliwe przed zginaniem, więc nie są użyteczne w przypadku bardzo skomplikowanych elementów.

Szare żelazo

Jest to najpowszechniejsze żeliwo, jego szary odcień ze względu na obecność grafitu. Ma stężenie węgla między 2, 5% a 4%; dodatkowo zawiera 1-3% silikonu do stabilizacji grafitu.

Przedstawia wiele cech podstawowych żeliw, charakteryzujących się dużą płynnością. Jest nieelastyczny i wygina się na krótko przed złamaniem.

Żeliwo sferoidalne

Dodawany jest węgiel w postaci sferycznego granitu w stężeniu od 3, 2% do 3, 6%. Kulisty kształt grafitu zapewnia mu większą odporność na uderzenia i plastyczność niż żeliwo szare, co pozwala na jego zastosowanie w projektach szczegółowych i na obrzeżach.

Stale

Zawartość węgla między 0, 03% a 1, 76%. Wśród jego cech są twardość, wytrzymałość i odporność na wysiłek fizyczny. Na ogół łatwo się utleniają. Są spawalne i mogą być przetwarzane w kuźni lub mechanicznie.

Ponadto mają większą twardość i mniej płynność niż żeliwa. Z tego powodu potrzebują wysokich temperatur do przepływu w formach.

Stal i jej zastosowania

Istnieje kilka rodzajów stali, każda o różnych zastosowaniach:

Stal węglowa lub konstrukcja

Stężenie węgla może się różnić, ustanawiając cztery formy: stal miękka (0, 25% węgla), stal półsłodka (0, 35% węgla), stal półtwarda (0, 45% węgla) i twarda (0, 5%) ).

Jest używany do produkcji narzędzi, blach stalowych, pojazdów szynowych, gwoździ, śrub, samochodów i łodzi.

Stal krzemowa

Zwany także stalą elektryczną lub stalą magnetyczną. Stężenie krzemu waha się między 1% a 5%, Fe zmienia się między 95% a 99%, a węgiel ma 0, 5%.

Ponadto dodaje się niewielkie ilości manganu i aluminium. Ma dużą twardość i wysoką oporność elektryczną. Służy do produkcji magnesów i transformatorów elektrycznych.

Stal ocynkowana

Jest pokryta powłoką cynkową, która chroni ją przed utlenianiem i korozją. Dlatego jest przydatny do produkcji części rur i narzędzi.

Stal nierdzewna

Ma skład Cr (14-18%), Ni (7-9%), Fe (73-79%) i C (0, 2%). Jest odporny na utlenianie i korozję. Służy do produkcji sztućców oraz materiałów do cięcia.

Stal manganowa

Jego skład to Mn (10-18%), Fe (82-90%) i C (1, 12%). Jest twardy i odporny na zużycie. Jest on używany na szynach kolejowych, sejfach i zbroi.

Stal nierdzewna

Prezentuje 36% Ni, 64% Fe i 0, 5% węgla. Ma niski współczynnik rozszerzalności. Służy do konstruowania skal wskaźnikowych; na przykład: mierniki taśm.