פרופיל מתכת: מאפייני ברזל ותכונות

השימוש בברזל על ידי בני אדם נמשך כ -5,000 שנה. זהו אלמנט המתכת השני השופע ביותר בקרום כדור הארץ ומשמש בעיקר לייצור פלדה, אחד החומרים המבניים החשובים ביותר בעולם.

לפני שנעמיק יותר מדי בהיסטוריה והשימושים המודרניים בברזל, בוא נסקור את היסודות:

• סמל אטומי: Fe
• מספר אטומי: 26
• קטגוריית אלמנטים: מעבר מתכת
• צפיפות: 7.874 גרם / ס"מ³
• נקודת התכה: 1538 מעלות צלזיוס
• נקודת רתיחה: 2862 מעלות צלזיוס
• הקשיות של מו: 4

ברזל טהור הוא מתכת בצבע כסוף המוליכה חום וחשמל היטב. ברזל הוא תגובתי מכדי להתקיים לבדו, ולכן הוא מתרחש רק באופן טבעי בקרום כדור הארץ כמו עפרות ברזל, כמו המטיט, מגנטיט ו siderite.

אחד המאפיינים המזהים של ברזל הוא שהוא חזק מגנטי. חשוף לשדה מגנטי חזק, ניתן למגנט כל חתיכת ברזל. מדענים מאמינים כי ליבת כדור הארץ מורכבת מכ -90% ברזל. הכוח המגנטי שמייצר ברזל זה הוא שיוצר את הקטבים הצפוניים והדרומיים המגנטיים.

ברזל התגלה ככל הנראה ומוצא במקור כתוצאה משריפת עצים על גבי עפרות המכילות ברזל.הפחמן בתוך העץ היה מגיב עם החמצן בעפרות, ומשאיר אחריו רך, ניתן לניפוח מתכת ברזל. התכת ברזל ושימוש בברזל לייצור כלים ונשק החלו במסופוטמיה (עירק של ימינו) בין 2700 ל -3000 לפני הספירה. במהלך 2,000 השנים שלאחר מכן התפשט הידע בנושא התכת ברזל מזרחה לאירופה ואפריקה בתקופה המכונה תקופת הברזל.

החל מהמאה ה -17, עד שהתגלתה שיטה יעילה לייצור פלדה באמצע המאה ה -19, ברזל שימש יותר ויותר כחומר מבני לייצור אוניות, גשרים ומבנים. מגדל אייפל, שנבנה בשנת 1889, נעשה באמצעות מעל 7 מיליון קילוגרמים של ברזל יצוק.

המאפיין המטריד ביותר של ברזל הוא נטייתו ליצור חלודה. חלודה (או תחמוצת הברזל) היא תרכובת חומה ומתפוררת המיוצרת כאשר הברזל נחשף לחמצן. גז החמצן שמכיל מים מזרז את התהליך של קורוזיה. קצב החלודה - כמה מהר ברזל הופך לתחמוצת הברזל - נקבע על ידי תכולת החמצן של המים ואזור השטח של הברזל. מי מלח מכילים יותר חמצן מאשר מים מתוקים, וזו הסיבה שמי מלח מכתים את הברזל מהר יותר מאשר מים מתוקים.

ניתן למנוע חלודה על ידי ציפוי ברזל במתכות אחרות המושכות יותר כימית לחמצן, כגון אבץ (תהליך ציפוי הברזל באבץ מכונה "גלוון"). עם זאת, השיטה היעילה ביותר להגנה מפני חלודה היא השימוש בפלדה.

פלדה היא סגסוגת מברזל ומתכות שונות אחרות המשמשות לשיפור תכונות (חוזק, עמידות בפני קורוזיה, סובלנות חום וכו ') של ברזל. שינוי סוג וכמות האלמנטים הנתבעים בברזל יכול לייצר סוגים שונים של פלדה.

הפלדות הנפוצות ביותר הן:

• פלדות פחמןהמכילים בין 0.5% ל- 1.5% פחמן: זהו סוג הפלדה הנפוץ ביותר המשמש לגופי רכב, ספינות אוניות, סכינים, מכונות וכל סוגי התמיכה המבנית.
• פלדות סגסוגת נמוכות, המכילים 1-5% מתכות אחרות (לעיתים קרובות ניקל או טונגסטן): פלדת ניקל יכולה לעמוד ברמות מתח גבוהות והיא משמשת לעתים קרובות לבניית גשרים וליצור שרשראות אופניים. פלדות טונגסטן שומרות על צורתן ועוצמתן בסביבות טמפרטורה גבוהה, והן משמשות ליישומים עם סיבוב, כמו מקדחות.
• פלדות סגסוגת גבוהה, המכילים 12-18% מתכות אחרות: פלדה מסוג זה משמשת רק ליישומים מיוחדים בשל עלותה הגבוהה. דוגמה אחת לפלדת סגסוגת גבוהה היא נירוסטה, המכילה לעתים קרובות כרום וניקל, אך ניתן לסגסוגן גם במתכות אחרות. נירוסטה חזקה מאוד ועמידה מאוד בפני קורוזיה.

מרבית הברזל מיוצר מעפרות עפר שנמצאו בקרבת פני כדור הארץ.בטכניקות מיצוי מודרניות משתמשים בתנורי פיצוץ, המאופיינים בערימות הגבוהות שלהם (מבנים דמויי ארובה). הברזל מוזג לערימות יחד עם קולה (פחם עשיר בפחמן) ואבן גיר (סידן פחמתי). בימינו, עפרות הברזל עוברות בדרך כלל תהליך של סינון לפני הכניסה לערימה. תהליך הסינון יוצר חתיכות של עפרות בגודל 10-25 מ"מ, ואז חלקים אלה מעורבבים עם קוקה ואבן גיר.

לאחר מכן מוזגים את הבצרים, הקוק ואבן הגיר המסוננים לערימה בה היא נשרפת בגובה 1,800 מעלות צלזיוס. קוקה נשרפת כמקור חום, ויחד עם חמצן שנורה לתנור, מסייעת ליצירת הפחמן החד-חמצני של הגז. אבן גיר מתערבבת עם זיהומים בברזל ליצירת סיגים. סיגים קלים יותר מעפרות ברזל מותכת, כך שהוא עולה לפני השטח וניתן בקלות להסיר אותו. לאחר מכן מוזגים את הברזל החם לתבניות לייצור ברזל חזיר או מוכנים ישירות לייצור פלדה.

ברזל חזיר עדיין מכיל בין 3.5% ל- 4.5% פחמן,יחד עם זיהומים אחרים, וזה שביר וקשה לעבוד איתו. תהליכים שונים משמשים להפחתת זיהומי הזרחן והגופרית בברזל חזיר ומייצרים ברזל יצוק. ברזל יצוק, המכיל פחות מ -0.25% פחמן, הוא קשה, ניתן לניפוח ולרתך בקלות, אך הוא הרבה יותר עמל ויקר לייצור מאשר פלדת פחמן נמוכה.

בשנת 2010 הייצור העולמי של עפרות ברזל היה סביב 2.4 מיליארד טון. סין, היצרנית הגדולה ביותר, היוותה כ- 37.5% מכלל הייצור, בעוד שמדינות גדולות אחרות המייצרות כוללות אוסטרליה, ברזיל, הודו ורוסיה. הסקר הגיאולוגי האמריקני מעריך כי 95% מכל טונוס המתכת המיוצר בעולם הוא ברזל או פלדה.

ברזל היה בעבר החומר המבני העיקרי, אך מאז הוחלף בפלדה ברוב היישומים. עם זאת, ברזל יצוק עדיין משמש בצינורות ובחלקי רכב כמו ראשי צילינדר, בלוקים צילינדרים ותיבות הילוכים. ברזל יצוק עדיין משמש לייצור פריטי עיצוב לבית, כמו מדפי יין, פמוטים ומוטות וילון.