Fém profil: Vas tulajdonságai és tulajdonságai

A vas felhasználása az emberekben kb. 5000 évvel ezelőtt nyúlik vissza. Ez a földkéreg második legelterjedtebb fém eleme, amelyet elsősorban előállításra használnak acél-, a világ egyik legfontosabb szerkezeti anyaga.

Mielőtt túl mélyen belemerülnénk a vas történetébe és a modern felhasználásába, nézzük át az alapokat:

• Atom szimbólum: Fe
• Atomi szám: 26
• Elemkategória: Átmeneti fém
• Sűrűség: 7,884 g / cm³
• Olvadáspont: 1538 ° C (2800 ° F).
• Forráspont: 2862 ° C (5182 ° F)
• Moh keménysége: 4

A tiszta vas ezüst színű fém, amely jól vezeti a hőt és az elektromosságot. A vas túl reakcióképes ahhoz, hogy önmagában létezzen, tehát a földkéregben csak természetes érc formájában fordul elő, például hematit, magnetit és siderit.

A vas egyik azonosító jellemzője, hogy erősen mágneses. Erős mágneses mezőnek kitéve bármely vasdarab mágnesezhető. A tudósok úgy vélik, hogy a Föld magja körülbelül 90% -ban vasból áll. A vas által létrehozott mágneses erő hozza létre a mágneses északi és déli pólusokat.

A vasat valószínűleg eredetileg fedezték fel és nyerték ki a fát a vastartalmú ércek tetején történő égés eredményeként.A fában lévő szén reakcióba lépne az érc oxigénjével, lágy, nyújtható vasfém. A vasolvasztás és a vas felhasználása szerszámok és fegyverek készítéséhez Mesopotámiában (a mai Irakban) kezdődött Kr. E. 2700 és 3000 között. A következő 2000 évben a vasolvadással kapcsolatos ismeretek keleti irányban terjedtek Európába és Afrikába, a vaskor néven ismert időszakban.

A 17. századtól kezdve, amíg a 19. század közepén nem fedezték fel az acélgyártás hatékony módszerét, a vasat egyre inkább szerkezeti anyagként használták hajók, hidak és épületek gyártásához. Az 1889-ben épített Eiffel-torony több mint 7 millió kilogramm kovácsoltvasból készült.

A vas leginkább zavaró tulajdonsága a rozsdaképződésre való hajlam. A rozsda (vagy vas-oxid) egy barna, morzsolt vegyület, amely akkor képződik, amikor a vas oxigén hatásának van kitéve. A vízben lévő oxigéngáz felgyorsítja a folyamatot rozsdásodás. A rozsda sebességét - hogy a vas milyen gyorsan átalakul vas-oxiddá - a víz oxigéntartalma és a vas felülete határozza meg. A sós víz több oxigént tartalmaz, mint az édesvíz, ezért a sós víz gyorsabban rozsdásodik meg, mint az édesvíz.

A rozsda kiküszöbölhető, ha a vasat más olyan fémekkel vonják be, amelyek kémiai szempontból vonzóbbak az oxigénhez, például cink (a vas cinkkel történő bevonásának folyamatát galvanizálásnak nevezik). A rozsda elleni védelem leghatékonyabb módja azonban az acél használata.

Az acél egy ötvözet vasból és más fémekből áll, amelyeket a vas tulajdonságainak (szilárdság, korrózióállóság, hőtűrés stb.) javítására használnak. A vasal ötvözött elemek típusának és mennyiségének megváltoztatása különféle típusú acélokat eredményezhet.

A leggyakoribb acélok:

• Szénacélok, amelyek 0,5–1,5% széntartalmúak: Ez a leggyakoribb acéltípus, amelyet autókarosszériákhoz, hajótestekhez, késekhez, gépekhez és mindenféle szerkezeti tartóhoz használnak.
• Alacsony ötvözött acélok, amelyek 1-5% más fémet tartalmaznak (gyakran nikkel vagy volfrám): A nikkel-acél magas feszültséget képes ellenállni, ezért gyakran használják hidak építésében és kerékpárláncok készítésében. A volfrám acélok megtartják alakjukat és szilárdságukat magas hőmérsékleti körülmények között, és ütéses, forgó alkalmazásokban használják, például fúróknál.
• Magas ötvözött acélok, amelyek 12-18% más fémeket tartalmaznak: Ezt a fajta acélt csak speciális alkalmazásokban használják magas költsége miatt. A magas ötvözött acél egyik példája a rozsdamentes acél, amely gyakran tartalmaz króm és nikkel, de ötvözhető különféle egyéb fémekkel is. A rozsdamentes acél nagyon erős és nagyon ellenálló a korrózióval szemben.

A legtöbb vasat a Föld felszíne közelében található ércekből állítják elő.A modern extrahálási technikák nagyolvasztó kemencéket használnak, amelyeket magas halomukkal (kéményszerű szerkezetek) jellemeznek. A vasat a kokszokkal (szénben gazdag szén) és mészkővel (kalcium-karbonát) együtt öntjük a kötegekbe. Manapság a vasérc általában a szinterezésen megy keresztül, mielőtt a halomba kerül. A szinterelés során ércdarabok alakulnak ki, amelyek vastagsága 10-25 mm, majd ezeket a darabokat összekeverik kokszkal és mészkővel.

A szinterezett ércet, kokszot és mészkövet ezután beleöntik a kötegbe, ahol 1800 Celsius fokon ég. A koksz hőforrásként ég, és a kemencébe öntött oxigénnel együtt elősegíti a redukáló gáz szén-monoxid képződését. A mészkő a vasban lévő szennyeződésekkel keveredik salak kialakulásához. A salak könnyebb, mint az olvadt érc, ezért felfelé emelkedik és könnyen eltávolítható. A forró vasat ezután öntőformákba öntik a nyersvas előállításához, vagy közvetlenül előkészítik az acélgyártáshoz.

A nyersvas még mindig 3,5–4,5% széntartalommal rendelkezik,más szennyeződésekkel együtt, törékeny és nehéz kezelni. Különböző eljárásokat alkalmaznak a nyersvas foszfor- és kénszennyeződéseinek csökkentésére és öntöttvas előállítására. A kovácsoltvas kevesebb mint 0,25% széntartalmú, kemény, temperönthető és könnyen hegeszthető, de sokkal munkaigényesebb és költségesebb az előállítása, mint az alacsony széntartalmú acélnál.

2010-ben a globális vasérc-termelés körülbelül 2,4 milliárd tonna volt. Kína, a legnagyobb termelő, az összes termelés kb. 37,5% -át tette ki, míg más nagyobb termelő országok Ausztrália, Brazília, India és Oroszország. Az amerikai geológiai szolgálat becslései szerint a világon előállított fémtartalom 95% -a vas vagy acél.

A vas volt az elsődleges szerkezeti anyag, ám azóta a legtöbb alkalmazásban acél váltotta fel. Ennek ellenére az öntöttvasat továbbra is használják csövekben és autóalkatrészekben, például hengerfejekben, hengerblokkokban és sebességváltó tokokban. A kovácsoltvasat továbbra is háztartási dekorációs cikkek, például bortartók, gyertyatartók és függönyrudak előállítására használják.