Żelazo jest najczęściej stosowanym ze wszystkich metali. Niski koszt i wysoka wytrzymałość sprawiają, że jest niezastąpiony w zastosowaniach inżynierskich, takich jak budowa maszyn samochodów, kadłubów statków i elementów konstrukcyjnych budynków. Służy również do ochrony przed promieniowaniem jonizującym. Ponieważ czyste żelazo jest dość miękkie, to najczęściej używa się go w połączeniu z pierwiastkami stopowymi do produkcji stali czy żeliwa, używanych w architekturze od wieków.

Żelazo znajduje zastosowanie w lotnictwie, energetyce, przemyśle paliwowym (olej i gaz), medycynie, motoryzacji, żywności i rolnictwie. Stosowane jest także do budowy statków, wałów, pomp czy elektrowni jądrowych.

Wyróżniamy trzy formy żelaza: kute żelazo, żeliwo i stal. W zależności od tego, jaką formę chcemy uzyskać, stosuje się różne drogi produkcji.

Jest, w przeciwieństwie do żeliwa (2,1% do 4%), formą żelaza o bardzo niskiej zawartości węgla (0,25%). Kute żelazo jest wytrzymałe, ciągliwe i łatwe do spawania. Jest to najczystsza forma żelaza, w której całkowite zanieczyszczenia nie przekraczają 0,5%. Jest znacznie droższe w produkcji. Większość elementów z kutego żelaza łączy się nitowaniem.

Ten typ żelaza nie wykazuje dobrych właściwości magnetycznych. Można go używać do tworzenia magnesów tymczasowych, jednak nie można namagnesować go na stałe. Łączy się z trudem. Wykazuje dobre właściwości mechaniczne. Cechuje się wysoką elastycznością i wytrzymałością na rozciąganie. Złamania powodują pęknięcia włókniste. Jest także odporne na ściskanie i posiada dużą wartość udźwigu. Kute żelazo odporne jest na działanie słonej wody.

Znajduje zastosowanie w produkcji nitów oraz łańcuchów ozdobnych. Wykorzystywane jest również w ślusarstwie. Stosuje się je w połączeniach kolejowych, w konstrukcjach mostów oraz rur wodnych i parowych. Z kutego żelaza wykonuje się płyty dachowe i blachy faliste, ale także śruby, podkowy, poręcze, bojlery, pokrycia dachowe itp. Żelazny filar w Delhi (Indie) zawiera aż 98% kutego żelaza.

W skład żeliwa wchodzą m.in. węgiel i krzem, które są głównymi pierwiastkami stopowymi. Zwartość węgla w żeliwie wynosi od 2% do 4,5%. Jest idealne dla środowiska. Można go poddać recyklingowi łatwiej niż PC.

Charakteryzuje się jednak niezbyt dobrymi właściwościami mechanicznymi. Jest wytrzymałe na ściskanie, ale słabo odporne na naprężenia i zgięcia. Wykazuje cechy, które umożliwiają przenoszenie dużych elementów (nawet całych budynków) bez spowodowania większych uszkodzeń. Należy jednak pamiętać, że na jego wytrzymałość i sztywność wpływa temperatura. Im wyższa temperatura, tym żeliwo staje się mniej wytrzymałe i sztywne. Posiada stosunkowo kruchą strukturę krystaliczną, a duża gęstość uniemożliwia powstawanie echa podczas przepływu wody. Nie rdzewieje, jest niedrogie, trwałe i łatwo nadawać mu różne kształty wysoce odporne na szlifowanie i ścieranie.

Właściwości te spowodowały, że żeliwo stosowane jest w produkcji żaluzji, ościeżnic, fasady czy tralek. Z żeliwa wykonuje się także kolumny i łuki. Wykorzystywane jest również w transporcie wody i ścieków (kanalizacja) oraz budowaniu maszyn.

Z żeliwa wykonywane są elementy dekoracyjne. Utlenianie lub rdzewienie występuje wtedy, gdy żeliwo jest narażone na wilgoć lub powietrze. Typowe problemy napotykane przy konstrukcji żeliwnej obejmują mocno zardzewiałe elementy.

Wyróżniamy trzy rodzaje żeliwa: białe, szare i ciągliwe.

Żeliwo białe to stopy żelazo‑węgiel o zawartości węgla powyżej 2,11%. Cały węgiel jest obecny w formie kruchego cementytucementytcementytu. Uznawane za żeliwo niższej jakości, jest mniej ciągliwe, gorzej obrabialne, charakteryzuje się nie najlepszą lejnościąlejnośćlejnością.

Do jego zalet zaliczamy: twardość i odporność na zużycie oraz wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie. Niestety, ze względu na dużą kruchość i brak obrabialności, żeliwo białe cechuje się ograniczonymi zastosowaniami inżynierskimi.

Da się je jednak wykorzystać w betoniarkach, młynach kulkowych, niektórych meblach i dyszach do wytłaczania.

Żeliwami szarymi są stopy żelaza i węgla w postaci grafitu zatopionego w stalowej matrycy. Wytrzymałość żeliwa szarego zależy od wytrzymałości stalowej matrycy oraz wielkości charakteru płatków grafitowych. Uznawane za żeliwo wyższej jakości jest bardziej ciągliwe, łatwiej obrabialne, charakteryzuje się dobrą lejnością.

Innymi cechami charakteryzującymi żeliwo szare jest niski koszt produkcji, niska temperatura topnienia (1150–1250°C). Jest wytrzymałe na ściskanie, posiada bardzo dobre właściwości przewodzenia ciepła i jest odporne na szok termiczny. Wykazuje wysoką odporność na korozję atmosferyczną. Ma wysoką zdolność tłumienia dźwięku dzięki grafitowym płatkom. Podobnie jak pozostałe żeliwa, charakteryzuje się doskonałą płynnością.

Znajduje zastosowanie w budowie silników spalinowych i elektrycznych. Wykonuje się z niego obudowy pomp i hamulców tarczowych oraz naczynia kuchenne.

Ostatni rodzaj żeliwa to żeliwo ciągliwe. Jest wytwarzane przez obróbkę cieplną żeliwa białego. Właściwości żeliwa ciągliwego są bardzo podobne do stali miękkiej. Charakteryzuje się dobrą odpornością na wstrząsy i plastycznością.

Stosowane jest do wykonywania cienkich odlewów i części pojazdów (układy napędowe, ramy, zawieszenia, koła, elementy układu kierowniczego, przekładnie, korbowody). Wykonuje się z niego komponenty kolejowe, złączki rurowe i osprzęt elektryczny.

Stal jest stopem żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierającym do ok. 2% węgla. Otrzymywana jest w procesach stalowniczych z przeznaczeniem na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie. Stale konstrukcyjne stosowane są w budownictwie oraz budowie urządzeń i maszyn, pracujących w środowiskach mało agresywnych. Im większa jest zawartość C, tym większa jest granica plastyczności i zdolność stali do przenoszenia obciążeń.

Wykorzystywana jest do produkcji narzędzi chirurgicznych i pomiarowych, części maszyn i urządzeń w przemyśle chemicznym, spożywczym, rafineryjnym, petrochemicznym, papierniczym, sprzętów gospodarstwa domowego.

Zastosowania stali zależą od zawartości węgla:

• 0,10% - blachy do głębokiego tłoczenia (np. karoseryjne);

• 0,20% - części rowerowe, rurociągi;

• 0,20‑0,35% - konstrukcje mostów, zbiorników, budynków;

• 0,25‑0,45% - części maszyn w stanie normalizowanym lub ulepszonym cieplnie, np. sworznie, tuleje, wały korbowe, sprzęgła, osie;

• 0,55‑0,65% - części maszyn o dużej odporności na ścieranie, np. ślimaki i koła zębate hartowane powierzchniowo lub ulepszane cieplnie;

• 0,60% - siekiery, narzędzia ślusarskie, murarskie, szewskie;

• 0,70% - młotki, śrubokręty, narzędzia kowalskie;

• 0,90% - noże do cięcia blach, piły, wiertła, narzędzia grawerskie, pilniki, igły, brzytwy, narzędzia do obróbki kamienia.

Pierwiastki stopowe zapewniają dużą hartownośćhartownośćhartowność oraz twardość podczas pracy w podwyższonej temperaturze. W celu polepszenia wszelkich właściwości stali, stosuje się różne dodatki pierwiastków stopowych:

• do ulepszania cieplnego – Cr, Ni, Mn;

• polepszenia sprężystości - Si;

• na łożyska toczne – Cr i C = 1%;

• odporność na korozję Cr > 13% – przy dużej zawartości Cr, na powierzchni stali powstaje warstwa pasywna zbudowana z tlenków Cr i  Fe, o zwartej budowie, spójna z podłożem, odnawiająca się, chroniąca metal przed korozją;

• stale kwasoodporne – Cr i Ni, np. 18% Cr i  9% Ni to stale o dużej odporności na działanie kwasów nieorganicznych i organicznych.

Indeks dolny /Źródło: Svensson L., Control of Microstructures and Properties in Steel Arc Welds, 2019./ Indeks dolny koniec_{/Źródło: Svensson L., Control of Microstructures and Properties in Steel Arc Welds, 2019./}

Słownik

Bibliografia

Pazdro K. M., Chemia. Fundamenty. Zakres rozszerzony. Liceum i technikum, Warszawa 2012.

Styka–Wlazło S., Szymońska J., To jest chemia. Chemia ogólna i nieorganiczna. Podręcznik. Klasa 1. Zakres rozszerzony, Warszawa 2015.

Surowska B., Wybrane zagadnienia z korozji i ochrony przed korozją, Lublin 2002.