Metallprofil: Eisen
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Die Verwendung von Eisen durch den Menschen reicht etwa 5.000 Jahre zurück. Es ist das zweithäufigste Metallelement in der Erdkruste und wird hauptsächlich zur Herstellung verwendet Stahl , eines der wichtigsten Strukturmaterialien der Welt.
Eigenschaften
Bevor wir zu tief in die Geschichte und moderne Verwendung von Eisen einsteigen, lassen Sie uns die Grundlagen wiederholen:
- Atomzeichen: Fe
- Ordnungszahl: 26
- Elementkategorie: Übergangsmetall
- Dichte: 7,874 g/cm3
- Schmelzpunkt: 2800°F (1538°C)
- Siedepunkt: 2862 °C (5182 °F)
- Mohshärte: 4
Eigenschaften
Reines Eisen ist ein silberfarbenes Metall, das Wärme und Strom gut leitet. Eisen ist zu reaktiv, um alleine zu existieren, daher kommt es in der Erdkruste nur in Form von Eisenerzen wie Hämatit, Magnetit und Siderit vor.
Eines der kennzeichnenden Merkmale von Eisen ist, dass es stark ist magnetisch . Wird es einem starken Magnetfeld ausgesetzt, kann jedes Eisenstück magnetisiert werden. Wissenschaftler glauben, dass der Erdkern zu etwa 90 % aus Eisen besteht. Die von diesem Eisen erzeugte magnetische Kraft erzeugt die magnetischen Nord- und Südpole.
Geschichte
Eisen wurde wahrscheinlich ursprünglich als Ergebnis der Holzverbrennung auf eisenhaltigen Erzen entdeckt und gewonnen. Der Kohlenstoff im Holz hätte mit dem Sauerstoff im Erz reagiert und einen weichen, formbar Eisenmetall. Das Schmelzen von Eisen und die Verwendung von Eisen zur Herstellung von Werkzeugen und Waffen begannen in Mesopotamien (dem heutigen Irak) zwischen 2700 und 3000 v. In den folgenden 2.000 Jahren breitete sich das Wissen über die Eisenschmelze in einer als Eisenzeit bekannten Zeit nach Osten nach Europa und Afrika aus.
Ab dem 17. Jahrhundert, bis Mitte des 19. Jahrhunderts eine effiziente Methode zur Stahlherstellung entdeckt wurde, wurde Eisen zunehmend als Konstruktionsmaterial für den Bau von Schiffen, Brücken und Gebäuden verwendet. Der 1889 erbaute Eiffelturm wurde aus über 7 Millionen Kilogramm Schmiedeeisen gefertigt.
Rost
Die störendste Eigenschaft von Eisen ist seine Neigung zur Rostbildung. Rost (oder Eisenoxid) ist eine braune, krümelige Verbindung, die entsteht, wenn das Eisen Sauerstoff ausgesetzt wird. Das im Wasser enthaltene Sauerstoffgas beschleunigt den VorgangKorrosion. Die Rostrate – wie schnell sich Eisen in Eisenoxid umwandelt – wird durch den Sauerstoffgehalt des Wassers und die Oberfläche des Eisens bestimmt. Salzwasser enthält mehr Sauerstoff als Süßwasser, weshalb Salzwasser Eisen schneller rostet als Süßwasser.
Rost kann verhindert werden, indem Eisen mit anderen Metallen beschichtet wird, die chemisch attraktiver für Sauerstoff sind, wie z Zink (Der Prozess des Beschichtens von Eisen mit Zink wird als „Galvanisieren“ bezeichnet). Die effektivste Methode zum Schutz vor Rost ist jedoch die Verwendung von Stahl.
Stahl
Stahl ist ein Legierung aus Eisen und verschiedenen anderen Metallen, die zur Verbesserung der Eigenschaften (Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hitzebeständigkeit usw.) von Eisen verwendet werden. Durch die Veränderung von Art und Menge der mit Eisen legierten Elemente können unterschiedliche Stahlsorten entstehen.
Die gängigsten Stähle sind:
Eisenproduktion
Das meiste Eisen wird aus Erzen gewonnen, die nahe der Erdoberfläche gefunden werden. Moderne Gewinnungstechniken verwenden Hochöfen, die durch ihre hohen Schornsteine (schornsteinartige Strukturen) gekennzeichnet sind. Das Eisen wird zusammen mit Koks (kohlenstoffreiche Kohle) und Kalkstein (Kalziumkarbonat) in die Schornsteine gegossen. Heutzutage durchläuft das Eisenerz normalerweise einen Sinterprozess, bevor es in den Stapel gelangt. Der Sinterprozess bildet 10-25 mm große Erzstücke, die dann mit Koks und Kalkstein vermischt werden.
Das gesinterte Erz, Koks und Kalkstein werden dann in den Schornstein gegossen, wo es bei 1.800 Grad Celsius brennt. Koks verbrennt als Wärmequelle und trägt zusammen mit Sauerstoff, der in den Ofen geschossen wird, zur Bildung des Reduktionsgases Kohlenmonoxid bei. Der Kalkstein vermischt sich mit Verunreinigungen im Eisen zu Schlacke. Schlacke ist leichter als geschmolzenes Eisenerz, daher steigt sie an die Oberfläche und kann leicht entfernt werden. Das heiße Eisen wird dann in Formen gegossen, um Roheisen zu produzieren oder direkt für die Stahlproduktion vorbereitet.
Roheisen enthält noch zwischen 3,5 % und 4,5 % Kohlenstoff, zusammen mit anderen Verunreinigungen, und es ist spröde und schwer zu bearbeiten. Um die Phosphor- und Schwefelverunreinigungen im Roheisen zu senken und Gusseisen herzustellen, werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Schmiedeeisen, das weniger als 0,25 % Kohlenstoff enthält, ist zäh, formbar und leicht zu schweißen, aber es ist viel mühsamer und kostspieliger in der Herstellung als kohlenstoffarmer Stahl.
Im Jahr 2010 betrug die weltweite Eisenerzproduktion rund 2,4 Milliarden Tonnen. China, der größte Produzent, machte etwa 37,5 % der gesamten Produktion aus, während andere wichtige Produktionsländer Australien, Brasilien, Indien und Russland sind. Der U.S. Geological Survey schätzt, dass 95 % aller weltweit produzierten Metalltonnagen entweder Eisen oder Stahl sind.
Anwendungen
Eisen war einst das primäre Konstruktionsmaterial, wurde aber inzwischen in den meisten Anwendungen durch Stahl ersetzt. Trotzdem wird Gusseisen immer noch in Rohren und Autoteilen wie Zylinderköpfen, Zylinderblöcken und Getriebegehäusen verwendet. Schmiedeeisen wird immer noch zur Herstellung von Wohnaccessoires wie Weinregalen, Kerzenhaltern und Gardinenstangen verwendet.