Železo Fe (ferrum) – vlastnosti, štruktúra a význam v oceli

Železo (Fe, latinsky ferrum) je základným prvkom väčšiny materiálov označovaných ako oceľ a liatinaJeho osobitný význam v metalurgii vyplýva nielen z jeho vysokej dostupnosti a možností priemyselnej výroby, ale predovšetkým z jeho schopnosti vyskytovať sa v rôznych alotropických formách a tvoriť tuhé roztoky s uhlie a početné legujúce prvky.
Sú to štrukturálne zmeny, ku ktorým dochádza v železe a jeho zliatinách s uhlíkom, ktoré tvoria základ väčšiny procesov. tepelné spracovanie oceleSchopnosť transformovať ferit na austenit a následne po ochladení získať ferit, perlit, bainit alebo martenzit umožňuje tvarovať mechanické vlastnosti ocele v extrémne širokom rozsahu.
Po mnoho desaťročí, počnúc koncom 19. storočia, bol vývoj metalurgie neoddeliteľne spojený so štúdiom systému železo-uhlíkBolo to spôsobené obrovským praktickým významom železných zliatin, ktoré sa stali jedným zo základných stavebných materiálov modernej civilizácie.

Železo – Fe – základné údaje

Staršia technická literatúra uvádza mierne odlišné hodnoty, ako napríklad bod topenia 1535 °C, bod varu približne 3070 °C alebo Curieovu teplotu 768 °C. Tieto rozdiely vyplývajú okrem iného z historicky používaných údajov a metód merania. Moderné fyzikálno-chemické tabuľky pre čisté železo predpokladajú bod topenia približne 1538 °C , bod varu približne 2862 °C a Curieovu teplotu približne 770 °C.

Izotopy železa

Prírodné železo sa skladá zo štyroch stabilných izotopov:

Zďaleka najbežnejším izotopom je ⁵⁶ Fe. Vážený priemer hmotností prirodzene sa vyskytujúcich izotopov dáva relatívnu atómovú hmotnosť železa približne 55,845 u.

Výskyt železa v prírode

Železo je jedným z najdôležitejších prvkov v štruktúre Zeme. Vyskytuje sa predovšetkým v zemskej kôre vo forme chemických zlúčenín, pretože relatívne ľahko reaguje s inými prvkami.
Medzi najdôležitejšie priemyselné nerasty a železné rudy patria:

• hematit Fe₂O₃,
• magnetit Fe₃O₄,
• goethit FeO(OH),
• siderit FeCO3₃.

Železo sa môže vyskytovať aj v sulfidoch, silikátoch a iných mineráloch.
Prírodné železo je v prírode veľmi vzácne. Oveľa častejšie sa vyskytuje v chemicky viazanej forme. Špeciálnym prípadom je železo nachádzajúce sa v železných meteoritoch, kde môže tvoriť zliatiny s nikel.

Čisté železo a technické železo

Získanie železa s veľmi vysokou čistotou je technologicky náročné. Priemyselné metalurgické procesy vedú k materiálu obsahujúcemu malé množstvá iných prvkov.
Technické železo môže okrem iného obsahovať:

• uhlík C,
• mangán Mn,
• kremík Si,
• fosfor P,
• síra S,
• kyslík O,
• dusík N,
• vodík H

Aj malé množstvá týchto prvkov môžu ovplyvniť fyzikálne, mechanické a technologické vlastnosti železa a jeho zliatin.

Technické odrody železa

Medzi technické druhy železa patria okrem iného:

• elektrolytické železo – získané elektrochemickými metódami a charakterizované vysokou čistotou,
• karbonylové železo – získaný rozkladom pentakarbonylu železa Fe(CO)₅, vyznačujúci sa veľmi vysokou čistotou,
• vysoko čisté železo – získané špeciálnymi rafinačnými metódami,
• železo ARMCO – technicky čisté železo získané metalurgickými metódami.

Ďalšie zvýšenie čistoty materiálu je možné pomocou špeciálnych metód, napr. zónovým tavením vo vákuu.

Polymorfizmus a alotropia železa

Jednou z najdôležitejších vlastností železa z metalurgického hľadiska je jeho polymorfizmus, t. j. schopnosť vyskytovať sa v rôznych kryštálových štruktúrach v závislosti od teploty.
Pre čisté železo pri atmosférickom tlaku možno rozlíšiť tri základné štrukturálne rozsahy:

Zmena kryštálovej štruktúry železa je jedným zo základných javov, ktoré umožňujú tepelné spracovanie ocele.

α-železo – ferit a BCC mriežka

Pod približne 912 °C sa čisté železo vyskytuje ako alfa železo o pravidelnej priestorovo centrovanej sieti – BCC (objemovo centrovaný kubický).
Pevný roztok uhlíka a iných prvkov v α-železe sa nazýva ferit.
Ferit sa vyznačuje veľmi nízkou rozpustnosťou uhliaMaximálna rozpustnosť uhlíka vo feritoch je približne 0,02 hmotnostných % v blízkosti eutektoidnej teploty a klesá so znižujúcou sa teplotou.
Ferit je relatívne mäkký a tvárny. V nízkouhlíkových oceliach je jednou zo základných zložiek ich mikroštruktúry a má významný vplyv na ich tvárnosť a plastickú tvárnosť.

Železný feromagnetizmus a Curieho teplota

Alfa železo je feromagnetické pod Curieho teplotou približne 770 °C.
Po prekročení Curieho teploty železo stráca feromagnetické usporiadanie a stáva sa paramagnetickým, ale nedochádza k žiadnej zmene v kryštálovej mriežke BCC.
V staršej literatúre sa paramagnetické α železo vyskytujúce sa medzi Curieho teplotou a teplotou prechodu α→γ niekedy označovalo ako β železo.
Nie je to však samostatný alotrop železa. Označenie β má v súčasnosti predovšetkým historický význam.

γ-železo austenit a sieť FCC

Po prekročení približne 912 °C sa BCC štruktúra čistého železa transformuje na plošne centrovanú kubickú štruktúru. FCC (plošne centrovaný kubický)Potom vzniká γ železo.
Pevný roztok uhlíka a iných prvkov v γ-železe sa nazýva austenit.
Austenit je základom tepelného spracovania ocele, pretože dokáže rozpustiť výrazne viac uhlíka ako ferit. Je to spôsobené odlišnou geometriou kryštálovej mriežky FCC.
V metastabilnom systéme Fe–Fe₃C maximálna rozpustnosť uhlíka v austenite je približne 2,1 % hmotn. pri teplote približne 1147 °C.
Práve možnosť rozpustenia uhlíka v austenite a následnej transformácie tejto fázy počas chladenia umožňuje vykonávať kalenie ocele a získanie štruktúr s veľmi vysokou tvrdosťou.

δ železo – vysokoteplotná odroda železa

Pri teplote približne 1394 °C sa FCC γ-železo transformuje späť do BCC štruktúry. Vysokoteplotná forma sa označuje ako δ železo.
Železo δ sa vyskytuje od približne 1394 °C do bodu topenia približne 1538 °C.
Rovnako ako α železo má aj BCC mriežku, ale vyskytuje sa v úplne inom teplotnom rozsahu.
Železo δ má osobitný význam pri analýze procesov tuhnutia ocele a interpretácii vysokoteplotnej časti systému železo-uhlík.

Železo a systém železo-uhlík Fe-C

Systém železo-uhlík je základný rovnovážny systém používaný v metalurgii ocele a liatiny.
V praxi sa analyzujú predovšetkým:

• metastabilný systém Fe–Fe₃C, v ktorom sa vyskytuje cementit,
• stabilný systém Fe–C, v ktorom sa uhlík môže vyskytovať vo forme grafitu.

Systém železo-uhlík zahŕňa okrem iného:

• ferit – tuhý roztok uhlíka v α železe,
• austenit – tuhý roztok uhlíka v γ železe,
• Fe cementit₃C – karbid železa,
• perlit – zmes feritu a cementitu, ktorá vzniká eutektoidnou premenou,
• ledeburit – zmes vytvorená počas eutektickej premeny,
• grafit – voľná forma uhlíka vyskytujúca sa v stabilnom systéme Fe–C.

Podrobné informácie o feritoch, austenite, cemente, perlite, ledeburite a grafite sú tiež popísané na stránke Uhlík C – uhlík a systém železo-uhlík.

Prečo môže železo tvoriť oceľ?

Výnimočný význam železa ako stavebného materiálu vyplýva z možnosti formovať jeho vlastnosti vo veľmi širokom rozsahu prostredníctvom obsahu uhlíka, legujúcich prísad a tepelného spracovania.
Technicky čisté železo je samo o sebe relatívne mäkké a tvárne. Pridanie uhlíka však vedie k zásadným zmenám v jeho štruktúre a vlastnostiach.
V závislosti od obsahu uhlíka a tepelnej histórie je možné získať štruktúry s veľmi odlišnými vlastnosťami – od mäkkých a plastických feritických štruktúr až po veľmi tvrdé martenzitické štruktúry.
Železo preto nie je len hlavnou kvantitatívnou zložkou ocele. matrica, v ktorej dochádza k fázovým zmenám, ktoré určujú vlastnosti materiálu.

Vplyv uhlíka na vlastnosti železa a ocele

Uhlie je základným prvkom určujúcim štruktúru a vlastnosti klasických ocelí.
So zvýšením jeho obsahu – pri porovnaní podobných štrukturálnych stavov – je možné zvýšiť:

• tvrdosť,
• vytrvalosť,
• kaliteľnosť a schopnosť získať martenzitické štruktúry.

Zároveň môže vyšší obsah uhlíka viesť k zníženiu:

• plasticita,
• ťažnosť,
• nárazová pevnosť,
• zvariteľnosť.

Vplyv uhlíka však nemožno posudzovať izolovane od mikroštruktúry, legujúcich prísad a použitého tepelného spracovania.

Železo ako matrica legovaných ocelí

Vlastnosti ocele je možné modifikovať zavedením vhodne vybraných legujúcich prvkov do železnej matrice.
Medzi najdôležitejšie patria:

• chróm Cr – zvyšuje kaliteľnosť, odolnosť proti opotrebovaniu a vo vhodnej koncentrácii odolnosť voči korozii,
• Nikel Ni – stabilizuje austenit a môže zlepšiť ťažnosť a odolnosť proti korózii,
• mangán Mn – ovplyvňuje kaliteľnosť a stabilitu austenitu,
• kremík Si – pôsobí ako deoxidačné činidlo a môže zvýšiť pevnosť,
• molybdén Mo – zlepšuje kaliteľnosť a odolnosť voči popúšťaniu a je dôležitý pri oceliach pracujúcich pri zvýšených teplotách,
• vanád V – vytvára odolné karbidy a ovplyvňuje zjemňovanie zrna,
• volfrám W – vytvára tvrdé karbidy a zvyšuje odolnosť voči popúšťaniu,
• titán Ti – vytvára odolné karbidy a nitridy,
• niób Nb – tvorí karbidy a karbonitridy a môže obmedzovať rast zŕn,
• kobalt Co – používa sa okrem iného v niektorých nástrojových a rýchlorezných oceliach.

Účinky pridávania legujúcich látok sú zložitejšie než len zvýšenie alebo zníženie jednej vlastnosti. Prvky môžu ovplyvniť teploty fázovej premeny, kaliteľnosť, veľkosť zŕn, typ a stabilitu karbidu, odolnosť proti korózii a správanie materiálu počas tepelného spracovania.

Železo a feritické, austenitické a martenzitické ocele

Alotropické formy železa sú tiež základom pre pomenovanie mnohých štruktúr nachádzajúcich sa v oceliach.
Feritické ocele majú feritickú matricu so štruktúrou BCC. Príkladom je nehrdzavejúca oceľ H17 / X6Cr17 / 1.4016 / AISI 430.
Austenitické ocele majú austenitickú matricu so štruktúrou FCC, stabilizovanú predovšetkým vhodným chemickým zložením. Klasickým príkladom je 0H18N9 / 1.4301 / AISI 304.
Martenzitické ocele môže získať martenzitickú štruktúru v dôsledku vhodného ochladenia austenitu. Príkladom je 1.4313 / X3CrNiMo13-4.
Existujú aj ocele so zmiešanou štruktúrou, napr. feriticko-austenitická duplexné ocele np 1.4460, 1.4462, 1.4501, 1.4410

Tepelné spracovanie železa a ocele

Transformácia štruktúry α-železa na γ-železo a naopak je základom mnohých procesov tepelné spracovanie ocele.
Pri ohrevu vhodne zvolenej ocele do austenitického rozsahu, austenitizáciaUhlík a niektoré legujúce prvky môžu vstúpiť do roztoku v austenite.
Ďalší účinok závisí od spôsobu chladenia.
Pomalé ochladzovanie umožňuje difúzne transformácie a tvorbu štruktúr blízkych rovnováhe. Rýchle ochladzovanie však môže difúzne transformácie brzdiť a viesť k tvorbe martenzitu.
Procesy kalenia, normalizácie a početné druhy žíhania sú založené na tomto princípe.
Po vytvrdnutí je veľmi bežné používať kalenie ocele, čo umožňuje znížiť napätie a krehkosť kalenej štruktúry a dosiahnuť požadovanú kombináciu tvrdosti, pevnosti a ťažnosti.

Železo a mechanické vlastnosti ocele

Mechanické vlastnosti ocele nie sú výlučne spôsobené prítomnosťou železa. Sú výsledkom interakcie:

• chemické zloženie,
• obsah uhlíka,
• druh a množstvo legujúcich prvkov,
• veľkosť zrna,
• mikroštruktúry,
• tepelné spracovanie,
• termochemické spracovanie,
• spracovanie plastov,
• stav vnútorných napätí.

Táto schopnosť modifikovať mikroštruktúru znamená, že materiály na báze železa sa môžu pohybovať od mäkkých a veľmi tvárnych ocelí určených na hlboké ťahanie až po vysokopevnostné konštrukčné ocele, pružinové ocele, ložiskové ocele, nástrojové ocele, nehrdzavejúce ocele, žiaruvzdorné ocele a ocele určené na použitie v extrémnych podmienkach.

Železo v procesoch termochemického spracovania

Železná matrica tiež umožňuje difúziu prvkov zámerne zavedených do povrchovej vrstvy počas termochemického spracovania.
V závislosti od procesu môže byť povrchová vrstva obohatená okrem iného:

• uhlie - zatiaľ čo nauhličovanie,
• dusík - zatiaľ čo nitridácia,
• uhlík a dusík – počas karbonitridácia a nitrocementácia.

Tieto procesy využívajú schopnosť elementárnych atómov difundovať v kryštálovej mriežke železa a umožňujú tvorbu povrchových vrstiev s vlastnosťami odlišnými od vlastností jadra prvku.

Význam železa v moderných oceliach

Napriek vývoju hliníka, titánu, niklových zliatin, kompozitov a iných technických materiálov zostáva železo základom najdôležitejšej skupiny kovových konštrukčných materiálov.
Je to vďaka jedinečnej kombinácii:

• dostupnosť surovín,
• relatívne nízke výrobné náklady,
• veľmi široký rozsah mechanických vlastností,
• možnosti úpravy chemického zloženia,
• schopnosť podliehať fázovým transformáciám,
• možnosti použitia rôznych metód tepelného spracovania,
• náchylnosť na plastické a mechanické spracovanie,
• možnosti recyklácie.

Železo teda nie je len hlavnou zložkou ocele, ale predovšetkým matricou, ktorá umožňuje tvarovanie jej mikroštruktúry a funkčných vlastností.

Železo Fe – význam v metalurgii a oceliarstve

Význam železa v metalurgii je spôsobený predovšetkým jeho alotropiaTransformácie medzi BCC α-železom, FCC γ-železom a vysokoteplotným δ-železom umožňujú množstvo štrukturálnych transformácií používaných počas výroby a spracovania ocele.
Obzvlášť dôležitá je schopnosť γ-železa rozpúšťať oveľa väčšie množstvá uhlia ako α železo. To umožňuje vyrobiť austenit a následne – vhodne zvoleným chladením – získať rôzne mikroštruktúry a mechanické vlastnosti.
V kombinácii s uhlíkom a legujúcimi prvkami, ako napr. chróm, nikel, mangán, molybdén, vanád, volfrám, titán alebo niobŽelezo tvorí obrovskú skupinu materiálov s vlastnosťami, ktoré možno prispôsobiť veľmi odlišným technickým aplikáciám.
Preto systém železo-uhlík zostáva jedným zo základov modernej metalurgie a znalosť fázových premien železa je základom pre pochopenie procesov kalenia, žíhania, normalizácie, popúšťania a termochemického spracovania ocele.

Železo Fe – najdôležitejšie informácie