Железо

Общие сведения и методы получения

Железо ( Fe ) — блестящий светло-серый металл. Железо известно че­ловеку с доисторических времен. До середины XIV века в Европе и Древней Руси железо получали путем восстановления руды древесным углем, так называемым сыродутным методом. Название «железо» про­исходит от латинского слова Ferrum (феррум). Содержание его в зем­ной коре составляет 5,1 % (по массе). В природе встречается глав­ным образом в виде оксидов, сульфидов, силикатов, карбонатов, фос­фатов и других минералов, в состав которых входит железо. Для про­мышленного производства важнейшими рудными минералами являются магнетит Fe ₃ 0₄, гематит Fe ₂ 0₃, лимонит Fe ₂ 0- H ₂ 0, сидерит FeC 0₃ и др. В виде гидроксидов железо накапливается в морских и континенталь­ных осадках, образуя осадочные руды.

Содержание железа в промышленных рудах составляет 16—70 %. Из них богатые руды (>50 % Fe ), рядовые (50—25 % Fe ), бедные (<25 % Fe ). Руды, содержащие <50 % Fe , обогащают до содержа­ния 60 % Fe . Для обогащения применяют главным образом методы магнитной сепарации или гравитационный. Рыхлые богатые руды, а также концентраты обогащения подвергают агломерации (из концен­тратов готовят также окатыши). Содержание примесей в железной руде для выплавки чугуна и стали, ограничивается: 0,1—0,3% S , Р и Си и 0,05—0,09 % As , Zn , Sn , Pb . Примеси: Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co в основном являются полезными.

Самородное железо встречается в природе крайне редко. Получа­ют чистое железо в небольших количествах либо электролизом вод­ных растворов его солей, либо восстановлением водородом оксидов железа. Увеличивается производство чистого железа восстановлением рудных концентратов водородом, природным газом и углем при срав­нительно низких температурах.

Получение железа высокой степени чистоты методом вакуумной дистилляции основано на различии упругости паров основного метал­ла и примесей. На том же основана глубокая очистка железа мето­дом зонного плавления, зонная очистка в твердом состоянии. Очист­ку от примесей (С, N, О, S), наиболее сильно влияющих на свойст­ва железа, производят в атмосфере водорода.

Один из методов получения чистого железа (обычно в виде ните­видных кристаллов) — восстановление его галогенидов.

Хранить порошкообразное железо высокой степени чистоты, на­пример карбонильное, очень трудно, так как даже 10-мин выдержка его в вакууме (1,33-10—⁸ Па) при комнатной температуре приводит к образованию пленки адсорбированного кислорода.

В основном железо применяется в виде сплавов: сталей и чугунов, которые составляют около 95 % всей металлургической продукции. Весьма широкое применение в промышленности нашло также чистое железо, благодаря высокой пластичности и уникальным магнитным свойствам.

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 26, атомная масса 55 ,847 а. е. м.; атомный объем 7,09*10^-в м³/моль, атомный радиус 0,126 нм, ионный радиус Fe ² + 0,080 нм и Fe ³ + 0,067 нм.

Строение внешних электронных оболочек атома железа — 3 d^e 4 s^J . Потенциалы ионизации атома железа J (эВ): 7,90; 16,18; 30,64. Элек-троотрицательиость 1.8.

Химические свойства

Степени окисления: +2, +3 (наиболее характерные) н +4, +6 (слабо выраженные).

Коррозионная стойкость железа зависит от его чистоты.

Во влажном воздухе при обычной температуре железо покрывается ржавчиной ( Fes 03> nH ₂ 0) рыхлого строения, которая ие препятствует дальнейшему окислению металла.

При нагревании железа в сухом воздухе выше 200 "С на его поверх­ности образуется тонкая оксидная пленка, в некоторой степени защи­щающая металл от коррозии в обычных условиях (основа процесса во­ронения). Дли защиты от коррозии железо покрывают цинком, никелем, хромом и др., а также неметаллическими покрытиями — маслами, лака­ми, красками и т. д. Существует защита протектированием железа, ког­да к изделиям из него прикрепляют более активный металл (цинк и др.), служащий анодом, постепенно растворяющийся. Этот метод эф­фективен длн судов и конструкций, находящихся под водой. Железо высокой чистоты отличается повышенной коррозионной стойкостью. Кроме того, коррозионную стойкость железа в атмосфере и нейтраль­ных растворах повышает дополнительное легирование, особенно не­большими добавками меди.

Железо легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением водорода и образованием ионов Fe'+. Концентрированная HN0₃ пас­сивирует железо, образуя тонкую пленку оксидов. Разбавленная HNOs растворяет железо.

Концентрированная серная кислота (65—100 %) пассивирует железо, в олеуме оно разъедаетси.

В щелочах, за исключением их концентрированных горячих раство­ров, железо не растворяется.

С кислородом железо образует оксид (II) FeO , оксид ( III ) Fe ₂ 0₃ и окснд (II, III ) Fe ₃ 0₄ (соединение FeO и Fe ₂ 0₃, имеющее структуру шпинели). Гидроокснд (II) Fe ( OH )₂ образуется при действии щелочей иа водные растворы солей железа. При соприкосновении с воздухом гндрокснд (II) Fe ( OH )₂ переходит в гидрооксид ( III ) Fe ( OH )₃.

Железо с серой образует твердые растворы весьма малой концент­рации и соединения FeS и Fe ₂ S .

Железо с азотом образует а-, \- и в-твердые растворы внедрения, а также нитриды ^, Y '( Fe 4 N ) и £( Fe ₂ N ). Азотирование и ннтроцемеитация стальных изделий широко применяются в промышленности. Широко из­вестны сплавы железа с углеродом — стали и чугуиы. В структуре этих чрезвычайно распространенных сплавов в равновесном состоянии при­сутствуют прн нормальной температуре — феррит и цементит ( Fe ₃ C ), а в серых чугунах, кроме того, графит. Растворимость углерода в Y -железе значительно выше, чем в а(б)-фазе Наибольшая раствори­мость углерода наблюдается в y - Fe (2,14% при 1147°С); в a - Fe —до 0,025 % при 727 °С и в fi - Fe —до 0,1 % прн 1496 °С. Углерод в железе образует твердые растворы внедрения.

Железо относится к металлам переходных групп н отличается не­достроенной З^-электронной оболочкой и имеет несколько кристалличе­ских модификаций, что определяет особенности его взаимодействия с другими элементами.

Высокая растворимость углерода в у-железе и низкая в а-модифи-кации является основой термической обработки сталей и чугунов. Наи­более важные особенности взаимодействия железа с углеродом, опре­деляющие получение различных структур и широкого диапазона свойств, отражаются в диаграмме Fe —С. Влияние легирующих элемен­тов на строение и свойства сплавов железа прежде всего определяются стабилизацией a (6)- и уФ^азжелеза, а также карбидообразованнем. Стабилизируют феррит, хром, ванадий, образующие непрерывные ряды о-твердых растворов, а также Мо, W, Nb, A!, Si, Р, Со и другие эле­менты, образующие широкие области a -растворов. Непрерывные у-твер-дые растворы с железом образуют Mn, Ni, Со. Широкие области у-рас-творов с железом образуют С, N, а также Cr, Cu, Re .

Области применения

Чистое железо используется для получения порошков, предназначенных для изготовления деталей методом порошковой металлургии, сварочных материалов, аккумуляторов и других изделий. Благодаря большой пла­стичности и хорошей деформируемости чистое листовое железо или низ­коуглеродистая сталь применяется в тех случаях, когда требуется глу­бокая вытяжка, например для штамповки кузовов автомобилей. В связи с высокой магнитной проницаемостью и с малой коэрцитивной силой чистое железо н низкоуглеродистая сталь широко применяются в элек­тротехнике в качестве магнитомягкого материала для изготовления ре­ле, сердечников электромагнитов, статоров и роторов электродвигате­лей, якорей, экранирующих деталей и т. д. Низкоуглеродистая прово­лока используется как проводниковый материал. Железо применяют также для получения железобетона и железографита. Прямое восста­новление железа нз руд природным газом и водородом открывает ши­рокую перспективу промышленного использования дешевого чистого же­леза. Железо используют для нанесения покрытий на поверхность ме­таллических изделий с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости, восстановления изношенных деталей машин, в част­ности, в автомобильной н тракторной промышленности. Соединения же­леза (оксиды) являются минеральными красками, а такие соединения, как Fe ₃ 0₄, Y - Fe 20₃ используют для производства магнитных материа­лов. Соли железа находят применение в создании берлинской глазури, чернил н др.

Сплавы железа — стали и чугуны, выплавляемые ежегодно в коли­честве сотен миллионов тонн, представляют основные материалы со­временной техники. Уникальный полиморфизм железа н сочетание его большой распространенности с комплексом разнообразных физико-хи­мических характеристик послужили основой для разработки огромного числа различных широко используемых в промышленности сплавов.

К ним относятся строительные, конструкционные и машиностроитель­ные стали, высокопрочные, хладиостойкие, теплостойкие и жаропрочные стали, коррозионностойкие и нержавеющие стали, инструментальные стали для режущего, штампового и мерительного инструмента, шарико­подшипниковые и пружинные стали, магнитомягкие и магнитотвердые сплавы, различные специальные стали.

Наиболее широко применяемый в промышленности сплав для литья— серый чугун, отличается малой усадкой, жидкотекучестыо, прочностью, нзиооостойкостью и другими качествами. Используются изделия нз ков­кого и отбеленного износостойкого чугуна (например прокатные вал­ки), а также специальные чугуны.