Żelazo (ferrum) – zastosowanie w stali
Przez wiele dziesiątków lat, począwszy od końca XIX wieku, rozwój metaloznawstwa był nierozłącznie związany z postępem prac badawczych nad układem żelazo-węgiel. Wynikało to głównie z ogromnego praktycznego znaczenia stopów żelaza, znanych i stosowanych od stuleci, będących zarazem dynamicznym czynnikiem rozwoju cywilizacji oraz duchowej i materialnej kultury ludzkości. Również i obecnie liczba gatunków i jakość produkowanych stopów żelaza jest miernikiem poziomu gospodarczego i stopnia uprzemysłowienia krajów.
Terminologia i pojęcia ukształtowane w czasie badań układu żelazo-węgiel zyskały z czasem znaczenie ogólne dla całej dyscypliny metaloznawstwa. Układ żelazo – węgiel, jak żaden inny ze znanych układów równowagi metali technicznych, obfituje w ogromną liczbę wzorcowych zjawisk strukturalnych oraz przemian o podstawowym znaczeniu dla obróbki cieplnej i całej technologii metali. Wiele szczegółów układu żelazo – węgiel, traktowanych z perspektywy współczesnego stanu wiedzy, jako elementarne, ustalonych zostało swego czasu wiele lat trwającymi badaniami, w których uczestniczyli zarówno uczeni zajmujący dziś trwałe miejsce w historii nauki światowej, jak również liczne zastępy szeregowych, często bezimiennych badaczy. Wyniki ich prac stworzyły podstawę do opracowania współczesnej wersji układu żelazo-węgiel.
Chociaż żelazo jest najbardziej rozpowszechnionym metalem w przyrodzie, to nie występuje w naturze w stanie rodzimym, co tłumaczy się jego własnościami chemicznymi warunkującymi dużą podatność do tworzenia wodorotlenków, tlenków, siarczków, krzemianów i węglanów. Głównymi domieszkami w żelazie są pierwiastki: węgiel, mangan, krzem, fosfor i siarka, oraz gazy: tlen, azot i wodór. Prawie wszystkie przemysłowe metody otrzymywania żelaza nie dają wyrobu na tyle czystego, by bez żadnych zastrzeżeń można go było określić, jako żelazo „chemiczni czyste”. Otrzymywanie żelaza o takiej czystości, aby jego własności odpowiadały własnościom pierwiastka, jest bardzo trudne. Najbardziej zbliżona do tych wymagań jest odmiana żelaza o zawartości ok. 0,007% domieszek i zanieczyszczeń, otrzymywanego przez redukcję tlenków. Kolejną poprawę czystości, przede wszystkim usunięcie zanieczyszczeń węgla, fosforu i siarki można uzyskać przez strefowe topienie w wysokiej próżni.
Do technicznych odmian żelaza zalicza się:
— żelazo elektrolityczne zawierające około 0,02% obcych domieszek,
— żelazo karbonylkowe otrzymywane pośrednio z karbonylku żelaza, zawierające 0,03% domieszek;
— żelazo otrzymywane poprzez zabiegi metalurgiczne ( na przykład ARMCO ) o zawartości około 0,1% domieszek.
Żelazo – liczba atomowa 26, masa atomowa 55,85 temperatura topnienia 1535°C, temperatura wrzenia 3070°C, gęstość 7,87 g/cm3 (Encyklopedia Techniki, Wydawnictwo „Śląsk”)
Przyjęty w chemii ciężar atomowy żelaza 55,85 jest średnią wagową ciężarów atomowych czterech występujących w przyrodzie jego izotopów o ciężarach atomowych: 54 (6,04%), 56 (91,57%), 57 (2,11%) i 58 (0,28%). Liczba atomowa żelaza wynosi 26, a struktura elektronowa jego swobodnego atomu składa się z 26 elektronów rozmieszczonych w powłokach X, L, M i N.
Żelazo należy do metali polimorficznych. W zakresie od temperatur najniższych aż do 910 °C występuje odmiana alotropowa żelaza krystalizująca w układzie regularnym o sieci przestrzennie centrycznej, określana jako żelazo α, natomiast roztwory stałe na osnowie żelaza αokreśla się jako ferryt. Ponieważ żelazo α do temperatury 768°C ma bardzo znaczną przenikalność magnetyczną, zalicza się je do ferromagnetyków. Ferromagnetyzm żelaza α zanika przy temperaturze 768°C, zwanej temperaturą punktu Curie. W zakresie temperatur 768 ÷ 910°C występuje paramagnetyczna odmiana żelaza α o przenikalności magnetycznej nieznacznie większej od jedności. Paramagnetyczne żelazo a uważano dawniej za jedną z odmian alotropowych i oznaczano jako żelazo β. Poznanie istoty przemian alotropowych i magnetycznych pozwoliło zweryfikować ten mylny pogląd. Przemiany alotropowe polegające na zmianie sieci krystalicznej wykazują histerezę cieplną i towarzyszy im zmiana własności mechanicznych i fizycznych oraz odpowiednie efekty cieplne. W przeciwieństwie do tego przemiana magnetyczna nie wykazuje zjawiska histerezy cieplnej, gdyż nie towarzyszy jej zjawisko pochłaniania lub wydzielania ciepła. W jej wyniku sieć krystaliczna nie ulega zmianie, jak również nie zachodzi przekrystalizowanie. Nie zmieniają się również własności mechaniczne chemiczne i niektóre fizyczne z wyjątkiem magnetycznych i elektrycznych.