Черный металл: основные характеристики, производство и применение железа

Железо – основной конструкционный материал. Металл используется буквально везде – от ракет и подводных лодок до столовых приборов и кованых украшений на решетке. В немалой степени этому способствует элемент в природе. Однако истинной причиной является, все же, его прочность и долговечность.

В данной статье нами будет дана характеристика железа как металла, указаны его полезные физические и химические свойства. Отдельно мы рассказываем, почему железо называют черным металлом, чем оно отличается от других металлов.

Что такое железо

Как не странно, но до сих пор иногда возникает вопрос о том, железо — это металл или неметалл. Железо – элемент 8 группы, 4 периода таблицы Д. И. Менделеева. Молекулярная масса 55,8, что довольно много.

Это металл серебристо-серого цвета, довольно мягкий, пластичный, обладающий магнитными свойствами. На деле чистое железо встречается и используется крайне редко, поскольку металл химически активен и вступает в разнообразные реакции.

О том, что такое железо, расскажет это видео:

Понятие и особенности

Железом обычно называют сплав с небольшой долей примесей – до 0,8%, который сохраняет практически все свойства металла. Повсеместное применение находит даже не этот вариант, а сталь и чугун. Свое наименование – черный металл, железо, а, вернее говоря, все тот же чугун и сталь, получили благодаря цвету руды – черному.

Железо – очень распространенный элемент. По содержанию в земной коре он занимает 4 место, уступая кислороду, кремнию и алюминию. В ядре Земли находится 86% железа, и всего 14% – в мантии. В морской воде вещества содержится очень мало – до 0,02 мг/л, в речной воде несколько больше – до 2 мг/л.

Железо – типичный металл, к тому же довольно активный. Он взаимодействует с разбавленными и концентрированными кислотами, но под действием очень сильных окислителей может образовать соли железной кислоты. На воздухе железо быстро покрывается оксидной пленкой, предупреждающей дальнейшую реакцию.

Однако в присутствии влаги вместо оксидной пленки появляется ржавчина, которая благодаря рыхлой структуре дальнейшему окислению не препятствует. Эта особенность – корродирование в присутствии влаги, является главным недостатком железных сплавов. Стоит отметить, что провоцируют коррозии примеси, в то время как химически чистый металл устойчив к воде.

Важные параметры

Чистый металл железо довольно пластичен, хорошо поддается ковке и плохо литью. Однако небольшие примеси углерода значительно увеличивают его твердость и хрупкость. Это качество и стало одной из причин вытеснения бронзовых орудий труда железными.

• Если сравнить железные сплавы и бронзу, из тех, что были известны в древнем мире, очевидно, что бронза превосходила их и по прочности, и по коррозийной стойкости, а, значит, и по долговечности. Однако массовое изготовление бронзовых предметов привело к истощению оловянных рудников. А, так как олово распространено значительно меньше, чем медь, перед металлургами прошлого оставался вопрос о замене. И железо заменило бронзу. Полностью последняя была вытеснена, когда появились стали: такого сочетания твердости и упругости, бронза не дает.
• Железо образует с кобальтом и никелем триаду железа. Свойства элементов очень близки, ближе, чем у их же аналогов с таким же строение внешнего слоя. Все металлы обладают прекрасными механическими свойствами: легко обрабатываются, прокатываются, протягиваются, их можно ковать и штамповать. Кобальт и никель не столь реакционноспособны и более устойчивы к коррозии, чем железо. Однако меньшая распространенность этих элементов не позволяет использовать их так же широко, как и железо.
• Главным «конкурентом» железу по области использования выступает алюминий и его сплавы. Но на деле оба материала обладают совершенно разными качествами. Алюминий далеко не столь прочен, как железо, хуже вытягивается, не поддается ковке. С другой стороны, металл отличается, куда меньшим весом, что заметно облегчает конструкции.

Электропроводность железа весьма средняя, в то время как алюминий по этому показателю уступает лишь серебру, меди и золоту. Железо является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность при отсутствии магнитного поля, а алюминий – типичный парамагнетик и втягивается в магнитное поле.

Столь разные свойства обуславливают абсолютно разные области применения, так что «сражаются» конструкционные материалы очень редко, например, в производстве мебели, где легкость алюминиевого профиля противопоставляется прочности стального.

Преимущества и недостатки железа рассмотрены далее.

Плюсы и минусы

Главное преимущество железа по сравнению с другими конструкционными металлами – распространенность и относительная простота выплавки. Но, учитывая в каком количестве используется железо, это весьма немаловажный фактор.

Преимущества

К плюсам металла относят и другие качества.

• Прочность и твердость при сохранении упругости – речь идет не о химически чистом железе, а о сплавах. Причем качества эти варьируются в довольно широких пределах в зависимости от марки стали, способа термообработки, метода получения и так далее.
• Разнообразие сталей и ферритов позволяет создать и подобрать материал буквально для любой задачи – от каркаса моста до режущего инструмента. Возможность получения заданных свойств при добавлении очень незначительных примесей – необычайно большое достоинство.
• Легкость механической обработки позволяет получить продукцию самого разного вида: прутки, трубы, фасонные изделия, балки, листовое железо и так далее.
• Магнитные свойства железа таковы, что металл является основным материалом при получении магнитоприводов.
• Стоимость сплавов зависит, конечно, от состава, но все равно значительно ниже, чем у большинства цветных, пусть и с более высокими прочностными характеристиками.
• Ковкость железа обеспечивает материалу очень высокие декоративные возможности.

Недостатки

Минусы железных сплавов значительны.

• В первую очередь это недостаточная коррозийная стойкость. Специальные виды сталей – нержавеющие, обладают этим полезным качеством, но и стоят намного дороже. Значительно чаще металл защищают с помощью покрытия – металлического или полимерного.
• Железо способно накапливать электричество, поэтому изделия из его сплавов подвергаются электрохимической коррозии. Корпуса приборов и машин, трубопроводы должны каким-то образом защищаться – катодная защита, протекторная и так далее.
• Металл тяжелый, поэтому железные конструкции заметно утяжеляют объект строительства – здание, железнодорожный вагон, морское судно.

Состав и структура

Железо существует в 4 различных модификациях, отличающихся друг от друга параметрами решетки и структурой. Наличие фаз имеет действительно решающее значение для выплавки, поскольку именно фазовые переходы и их зависимость от легирующих элементов обеспечивает само течение металлургических процессов в этом мире. Итак, речь идет о следующих фазах:

• α-фаза устойчива до +769 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой. α-фаза является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствии магнитного поля. Температура в 769 С является точкой Кюри для металла.
• β-фаза существует от +769 С до +917 С. Структура модификации та же, но параметры решетки несколько другие. При этом сохраняются практически все физические свойства за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком.
• γ — фаза появляется в диапазоне от +917 до +1394 С. Для нее характера гранецентрированная кубическая решетка.
• δ-фаза существует выше температуры в +1394 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой.

Далее мы расскажем, какова плотность, и чему равна удельная теплоемкость железа.

Про физические и химические свойства железа поведает этот видеоролик:

Свойства и характеристики

Физические качества металла очень сильно зависят от его чистоты. Разница между свойствами химически чистого железа и обычного технического, а тем более легированной стали, весьма существенна. Как правило, физические характеристики приводят для технического железа с долей примесей 0,8%.

Необходимо отличать вредные примеси от легирующих добавок. Первые – сера и фосфор, например, придают сплаву хрупкость, не увеличивая твердость или механическую стойкость. Углерод в стали увеличивает эти параметры, то есть, является полезным компонентом.

• Плотность железа (г/см3) в некоторой степени зависит от фазы. Так, α-Fe имеет плотность равную 7,87 г/куб. см при нормальной температуре и 7,67 г/куб. см при +600 С. Плотность γ-фазы ниже – 7,59 г/куб. см. а δ-фазы еще меньше – 7,409 г/куб.см.
• Температура плавления вещества – +1539 С. Железо относится к умеренно тугоплавким металлам.
• Температура кипения – +2862 С.
• Прочность, то есть стойкость к нагрузкам разного рода – давление, растяжение, изгиб, регламентируется для каждой марки стали, чугуна и феррита, так что об этих показателях говорить в общем сложно. Так, быстрорежущие стали имеет предел прочности на изгиб равный 2,5–2,8 ГПа. А тот же параметр обычного технического железа составляет 300 МПА.
• Твердость по шкале Мооса – 4–5. Специальные стали и химически чистое железо достигают куда более высоких показателей.
• Удельное электрическое сопротивление 9,7·10-8 ом·м. Железо проводит ток куда хуже меди или алюминия.
• Теплопроводность тоже ниже, чем у этих металлов и зависит от фазового состава. При 25 С составляет 74,04 вт/(м·К)., при 1500 С — 31,8 [Вт/(м.К)].
• Железо прекрасно куется, причем как при нормальной, так и повышенной температуре. Чугун и сталь поддаются литью.
• Биологически инертным вещество назвать нельзя. Однако токсичность его очень низкая. Связано это, правда, не столько с активностью элемента, сколько с неспособностью человеческого организма хорошо его усвоить: максимум составляет 20% от получаемой дозы.

Производство

Железо относится к весьма распространенным элементам, так что его добыча относительно проста и не требует больших расходов. Разрабатываются месторождения как открытым, так и шахтным методом. По сути, все горные руды включают в состав железо, но разрабатываются лишь те, где доля металла достаточно велика. Это богатые руды – красный, магнитный и бурый железняк с долей железо до 74 %, руды со средним содержанием – марказит, например, и бедные руды с долей железа не менее 26% – сидерит.

Богатая руда сразу же отправляется на завод. Породы со средним и низким содержанием обогащаются.

Существует несколько методов получения железных сплавов. Как правило, выплавка любой стали включает получение чугуна. Его выплавляют в доменной печи при температуре 1600 С. Шихту – агломерат, окатыши, загружают вместе с флюсом в печь и продувают горячим воздухом. При этом металл плавится, а кокс горит, что позволяет выжечь нежелательные примеси и отделить шлак.

Для получения стали обычно используют белый чугун – в нем углерод связан в химическое соединение с железом. Наиболее распространены 3 способа:

• мартеновский – расплавленный чугун с добавкой руды и скрапа плавят при 2000 С с тем, чтобы уменьшить содержание углерода. Дополнительные ингредиенты, если они есть, добавляют в конце плавки. Таким образом получают самую высококачественную сталь.
• кислородно-конвертерный – более производительный способ. В печи толщу чугуна продувают воздухом под давлением в 26 кг/кв. см. Может использоваться смесь кислорода с воздухом или чистый кислород с целью улучшить свойства стали;
• электроплавильный – чаще применяется для получения специальных легированных сталей. Чугун палят в электрической  печи при температуре в 2200 С.

Сталь можно получить и прямым методом. Для этого в шахтную печь загружают окатыши с большим содержанием железа и при температуре в 1000 С продувают водородом. Последний восстанавливает железо из оксида без промежуточных стадий.

В связи со спецификой черной металлургии на продажу попадает либо руда с определенным содержанием железа, либо готовая продукция – чугун, сталь, феррит. Цена их очень сильно отличается. Средняя стоимость железной руды в 2016 году – богатой, с содержанием элементов более 60%, составляет 50$ за тонну.

Стоимость стали зависит от множества факторов, что порой делает взлеты и падение цен совершено непредсказуемо. Осенью 2016 стоимость арматуры, горяче- и холоднокатаной стали резко возросла благодаря не менее резкому подъему цен на коксующийся уголь – непременного участника выплавки. В ноябре европейские компании предлагает рулон горячекатаной стали по 500 Евро за т.

Область применения

Сфера использования железа и железных сплавов огромна. Проще указать, где металл не применяется.

• Строительство – сооружение всех видов каркасов, от несущего каркаса моста, до коробки декоративного камина в квартире, не может обойтись без стали разных сортов. Арматура, прутки, двутавры, швеллеры, уголки, трубы: абсолютно вся фасонная и сортовая продукция используется в строительстве. То же самое касается и листового проката: из него изготавливают кровлю, металлочерепицу, профнастил и так далее.
• Машиностроение – по прочности и стойкости к износу со сталью очень мало, что может сравниться, так что детали корпуса абсолютного большинства машин изготавливаются из сталей. Тем более в тех случаях, когда оборудование должно работать в условиях высоких температур и давления.
• Инструменты – с помощью легирующих элементов и закалки металлу можно придать твердость и прочность близкую к алмазам. Быстрорежущие стали – основа любых обрабатывающих инструментов.
• В электротехнике использование железа более ограничено, именно потому, что примеси заметно ухудшают его электрические свойства, а они и так невелики. Зато металл незаменим в производстве магнитных частей электрооборудования.
• Трубопровод – из стали и чугуна изготавливают коммуникации любого рода и вида: отопление, водопроводы, газопроводы, включая магистральные, оболочки для силовых кабелей, нефтепроводы и так далее. Только сталь способна выдерживать столь огромные нагрузки и внутреннее давление.
• Бытовое использование – сталь применяется везде: от фурнитуры и столовых приборов до железных дверей и замков. Прочность металла и износостойкость делают его незаменимым.

Железо и его сплавы сочетают в себе прочность, долговечностью стойкость к износу. Кроме того, металл относительно дешев в производстве, что и делает его незаменимым материалом для современного народного хозяйства.

Про сплавы железа с цветными металлами и тяжелыми черными расскажет это видео: