Железо и его сплавы. Коррозия металла

Железо, безусловно, самый важный металл для человека. Его производство составляет 90% от валового производства всех металлов. Уже с древних времен, когда произошел переход от бронзового к железному веку, железо стоит на первом месте среди всех остальных металлов. В каком-то смысле можно ска­зать, что железный век продолжается до сих пор, потому что значение железа не снизилось.

По распространенности в земной коре железо занимает чет­вер­тое место (второе после алюминия среди металлических элементов). При этом оно составляет основную часть ядра Земли. В природе железо встречается главным образом в соединениях и иногда – в виде простого ве­щества (прежде всего в метеоритах). Соединения железа входят в состав песка, глины и других гор­ных пород, природной воды и т. д. Количество богатых место­рождений железной руды невелико.

В состав самых распространенных железных руд входят окси­ды железа. Основным компонентом бурого и красного желез­няка является оксид железа (III) Fe₂O₃, а в состав магнитного же­лезняка, или магнетита, входит Fe₃O₄ (магнетит имеет такой же состав, как железная окалина, образующаяся на повер­хнос­ти железа при нагревании). Магнетит получил свое наз­ва­ние благодаря магнитным свойствам.

Железо входит в состав живых организмов. Оно содержится главным образом в красных кровяных тельцах в составе гемо­глобина, который переносит кислород от органов дыхания к тканям.

Железо относится к элементам группы B (так называемым пе­реходным металлам) и находится в 4 периоде, в группе VIIIB (вместе с такими элементами, как кобальт и никель, по свойствам похожими на железо).

Свойства железа

• серебристо-серый блестящий металл;
• относительно тяжелый (плотность 7,9 г/см³);
• имеет высокую температуру плавления (~1540 °C);
• легко поддается механической обработке;
• относительно твердый (твердость зависит от степени чисто­ты и способа обработки);
• обладает магнитными свойствами;
• металл средней активности;
• в соединениях железо имеет две основные степени окисле­ния – II и III.

С растворами кислот железо взаимодействует гораздо мед­лен­нее, чем алюминий. При этом образуются соли железа (II) и выделяется водород, например:

$\mathrm{Fe} + 2 \mathrm{HCl} \to {\mathrm{FeCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{\uparrow }$

При нагревании на воздухе на поверхности железа образу­ет­ся плотный слой оксидов – железная окалина, которая дос­та­точно хорошо защищает железо от дальнейшего окисле­ния. Железная окалина состоит в основном из оксида желе­за Fe₃O₄.

$3 \mathrm{Fe} + 2 {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{Fe}}_3{\mathrm{O}}_4$

Выплавка железа осуществляется в доменных печах путем рас­плав­ле­ния железной руды вместе с восстановителем (уг­ле­род) и другими необходимыми добавками. Конечным продуктом доменного процесса является не чистое железо, а его сплав – чугун, который содержит до 5% углерода (обычно 3–4%), а иногда – и небольшое количество других добавок.

Большая часть произведенного чугуна перерабатывается в сталеплавильных печах в сталь. В процессе выплавки стали происходит сжигание части углерода, который под действием кислорода окисляется до углекислого газа.

Сталь также содержит углерод, но меньше чем чугун (до 2%). Благодаря этому сталь немного мягче чугуна и лучше подда­ется механической обработке. Сталь, в состав которой входит свыше 0,5% углерода, хрупкая, но твердая. Ее твердость можно увели­чить методом закаливания. Для этого раскален­ную сталь быстро охлаждают.

Помимо обычных марок стали, производятся различные ви­ды специальной (легированной) стали, при выплавке кото­рых в чугун вводятся различные добавки, чаще всего – пере­ходные металлы. Это позволяет увеличить прочность, пла­стичность, износостойкость и химическую устойчивость ста­ли до желаемых значений. Самой известной разновидностью специальной стали является нержавеющая сталь, которая в качестве основных добавок содержит хром и никель. Из по­вседневной жизни нам хорошо известно, что ножи и вилки из такой стали не ржавеют (как и следует из ее названия).

Сплавы железа находят широкое применение. Чугун из-за свойственной ему хрупкости плохо поддается механической обработке, но имеет достаточно низкую температуру плавле­ния (около 900 °С) и обладает хорошими литейными свой­ствами. Поэтому чугунные изделия производятся в основном методом разливки расплавленного чугуна в соответствующие формы. Так изготовляют батареи отопления, варочные пане­ли для плит, посуду и т. д.

Из высокопрочных сортов стали изготовляют различные ин­стру­мен­ты, ножи, буры и т. д. В тех случаях, когда твердость принципиального значения не имеет, применяются более мягкие сорта стали. Из них делают стальные конструкции, корпуса автомобилей и другие изделия.

Особо чистое железо довольно устойчиво к действию кисло­ро­да воздуха и воды. Обычное, или так называемое техниче­ское железо, а также простейшие стали такой химической ус­тойчивостью не обладают. На влажном воздухе (или в воде) на их поверхности быстро образуется рыхлый слой ржавчи­ны. При ржавлении железо окисляется. Основным продуктом этой реакции является оксид железа (III) Fe₂O₃.

$4 \mathrm{Fe} + 3 {\mathrm{O}}_2 \to 2 {\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3$

Состав ржавчины может быть описан формулой Fe₂O₃ ⋅ nH₂O (по составу ржавчина находится между оксидом и гидрокси­дом). В отличие от оксида алюминия, слой ржавчины очень рыхлый и не защищает железо от дальнейшего окисления. Процесс окисления на влажном воздухе длится до тех пор, по­ка весь металл не превратится в ржавчину, то есть пока все железо не перейдет в оксид.

Ржавление железа (коррозия, от лат. corrodere – разъедание) наносит большой экономический ущерб: выходят из строя оборудование, несущие конструкции, корпуса машин и т. д.

Одним из путей уменьшения таких потерь может быть ис­поль­зование специальных сталей, обладающих более высо­кой химической устойчивостью, например, нержавеющей стали. Однако широкое применение таких сталей ограничи­ва­ется их высокой стоимостью (в их состав входят добавки до­рогих металлов).

Другим способом защиты металла от коррозии является со­зда­ние условий, препятствующих его окислению. Это можно осуществить разными методами. Чаще всего поверхность же­леза покрывают лаком, краской или слоем более устойчивого металла, что препятствует проникновению кислорода возду­ха и влаги к железу. Защитный слой нужно время от времени обновлять, поскольку он постепенно изнашивается.

Иногда в применении сплавов решающее значение имеет не цена металла, а его свойства. В качестве примера можно при­вести сверхзвуковые самолеты. Их корпуса изготовляют из специальных сталей, которые содержат большое количество титана. Такой сплав выдерживает большие механические на­грузки и обладает высокой химической устойчивостью даже при высоких температурах.