Жароупорные сплавы, окалиностойкие сплавы – металлические материалы, обладающие повышенным сопротивлением химическому воздействию газов при высоких температурах.

Большинство Ж. с. имеют никелевую или железноникелевую основу и содержат Cr (до 30 %), Si, Al, образующие (вместе с металлом основы) на поверхности сплава защитные оксидные пленки. Как правило, это окисные плёнки с преимущественным содержанием окислов легирующих элементов (хрома, алюминия и др.), термодинамически более стойких, чем окислы элементов основы. Защитная роль плёнки зависит от её плотности и прочно-сти сцепления с основным металлом. Ж. с. применяются как конструкционный материал для слабо нагруженных деталей нагревательных устройств и энергетических установок, а также для изготовления нагревательных элементов сопротивления.

Окалиностойкость, способность металлических материалов противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или иных газообразных сред при высоких температурах. Ж. металла (сплава) в окислительной атмосфере определяется свойствами образующегося на поверхности металла слоя окислов - окалины, затрудняющей диффузию газа в глубь металла и тем самым препятствующей развитию газовой коррозии. Количественными характеристиками Ж. являются: увеличение массы испытуемого образца за счёт поглощения металлом кислорода либо убыль массы после удаления окалины с поверхности образца, отнесённые к единице поверхности и ко времени испытания. Одновременно учитывается состояние поверхности образца (изделия), которое при одинаковых количественных характеристиках может быть качественно различным. Ж. наряду с жаропрочностью является основным критерием пригодности данного материала для высокотемпературной службы.

Процесс электролитического осаждения железа на металлическом изделии при прохождении постоянного тока через электролит, основным компонентом которого является сернокислое или хлористое железо.

Ж. широко применяют в полиграфии для изготовления клише способом гальванопластики и для нанесения железных покрытий способом гальваностегии на медные пластинки для защиты их от окисления типографской краской. Ж. также применяют для восстановления размеров изношенных деталей машин. Наращивание слоя железа способом гальванопластики протекает при комнатной температуре и незначительной концентрации кислоты в электролите со скоростью порядка 1 мкм/ч. При восстановительном ремонте температуру и концентрацию кислоты повышают. Наращивание слоя железа способом гальваностегии протекает с большей скоростью, раствор хлористого железа более концентрированный, температура около 100°С.

Природные минеральные образования, содержащие железо в таких количествах и соединениях, при которых промышленное извлечение из них металла экономически целесообразно. Ж. р. разнообразны по минеральному составу, содержанию железа, полезных и вредных примесей, условиям образования и промышленным свойствам. Важнейшими рудными минералами являются: магнетит, магномагнетит, титаномагнетит, гематит, гидрогематит, гётит, гидрогётит, сидерит, железистые хлориты (шамозит, тюрингит и др.). Содержание железа в промышленных рудах изменяется в широких пределах - от 16 до 70%. Различают богатые (і 50% Fe), рядовые (50-25% Fe) и бедные (і 25% Fe) Ж. р. В зависимости от химического состава Ж. р. применяются для выплавки чугуна в естественном виде или после обогащения. Ж. р., содержащие меньше 50% Fe, обогащают (до 60% Fe) главным образом методами магнитной сепарации или гравитационного обогащения. Рыхлые и сернистые (>0,3% S) богатые руды, а также концентраты обогащения окусковываются путём агломерации; из концентратов производятся также т. н. окатыши. Ж. р., идущие в доменную шихту, во избежание ухудшения качества стали или условий плавки, не должны содержать более 0,1-0,3% S, Р и Cu и 0,05-0,09% As, Zn, Sn, Pb. Примесь в Ж. р. Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co, кроме некоторых случаев, полезна. Три первых элемента улучшают качество стали, а Ti, V, Со могут попутно извлекаться при обогащении и металлургическими переделе.

Месторождения Ж. р. по происхождению разделяются на 3 группы - магматогенные, экзогенные и метаморфогенные. Среди магматогенных различаются: магматические - дайкообразные, неправильные и пластообразные залежи титаномагнетитов, связанные с габбро-пироксенитовыми породами (Кусинское и Качканарское месторождения на Урале в СССР, местооождения Бушвельдского комплекса в ЮАР, Лиганга в Танзании), и апатито-магнетитовые залежи, связанные с сиенитами и сиенитдиоритами (Лебяжинское на Урале в СССР, Кируна и Елливарс в Швеции); контактово-метасоматические, или скарновые, возникают на контактах или вблизи интрузивных массивов; под воздействием высокотемпературных растворов вмещающие карбонатные и др. породы превращаются в скарны, а также пироксен-альбитовые и скаполитовые породы, в которых обособляются сложные по форме залежи сплошных и вкрапленных магнетитовых руд (в СССР - Соколовское, Сарбайское в Северо-Западном Казахстане, Магнитогорское, Высокогорское и др. на Урале, ряд месторождений в Горной Шории; Айрон-Спрингс в США и др.); гидротермальные образуются при участии горячих минерализованных растворов, путём отложения Ж. р. по трещинам и зонам смятия, а также при метасоматическом замещении боковых пород; к этому типу относятся Коршуновское и Рудногорское магномагнетитовые месторождения Восточной Сибири, гидрогётит-сидеритовое Абаильское в Средней Азии, сидеритовые месторождения Бильбао в Испании и др.

К экзогенным месторождениям относятся: осадочные - химические и механические осадки морских и озерных бассейнов, реже в долинах и дельтах рек, возникающие при местном обогащении вод бассейна соединениями железа и при сносе в них железистых продуктов прилегающей суши; слагают пласты или линзы среди осадочных, иногда - вулканогенно-осадочных пород; к этому типу относятся месторождения бурых железняков, частью сидеритов, силикатных руд (в СССР - Керченское в Крыму, Аятское - Казахская ССР; в ФРГ - Лан-Диль и др.); месторождения коры выветривания образуются в результате выветривания горных пород с железосодержащими породообразующими минералами; различают остаточные, или элювиальные, месторождения, когда продукты выветривания, обогащенные железом (вследствие выноса из породы др. составных частей), остаются на месте (тела богатых гематито-мартитовых руд Кривого Рога, Курской магнитной аномалии, района оз. Верхнего в США и др.), и инфильтрационные (цементационные), когда железо вынесено из выветривающихся пород и переотложено в нижележащих горизонтах (Алапаевское месторождение на Урале и др.).

Метаморфогенные (метаморфизованные) месторождения - преобразованные в условиях высоких давлений и температур ранее существовавшие, преимущественно осадочные, месторождения. Гидроокислы железа и сидериты переходят при этом обычно в гематит и магнетит. Метаморфические процессы иногда дополняются гидротермально-метасоматическим образованием магнетитовых руд. К этому типу относятся месторождения железистых кварцитов Кривого Рога, Курской магнитной аномалии, месторождения Кольского полуострова, железорудной провинции Хамерсли (Австралия), полуострова Лабрадор (Канада), штат Минас-Жерайс (Бразилия), штат Майсур (Индия) и пр.

Основные промышленные типы Ж. р. классифицируются по преобладающему рудному минералу. Бурые железняки. Рудные минералы представлены гидроокислами железа, больше всего гидрогетитом. Такие руды обычны в осадочных месторождениях и месторождениях коры выветривания. Сложение плотное или рыхлое; осадочные руды часто имеют оолитовую текстуру. Содержание Fe колеблется от 55 до 30% и менее. Обычно требуют обогащения. Т. н. самоплавкие бурые железняки, в которых

близко к единице, идут в плавку при содержании Fe до 30% (Лотарингия). В бурых железняках некоторых месторождений находится до 1-1,5% и более Mn (Бильбао в Испании, Бакальское в СССР). Важное значение имеют комплексные хромо-никелевые бурые железняки; при наличии 32-48% Fe в них нередко содержится также до 1% Ni, до 2% Cr, сотые доли процента Со, иногда V. Из таких руд могут без добавок выплавляться хромо-никелевые чугуны и низколегированная сталь. Красные железняк и, или гематитовые руды. Основным рудным минералом является гематит. Представлены главным образом в коре выветривания (зона окисления) железистых кварцитов и скарновых магнетитовых руд. Такие руды часто называют мартитовыми (мартит - псевдоморфозы гематита по магнетиту). Среднее содержание Fe от 51 до 60%, иногда выше, с незначительными примесями S и Р. Известны месторождения гематитовых руд с присутствием в них до 15-18% Mn. Менее развиты гидротермальные месторождения гематитовых руд. Магнитные железняки, или магнетитовые руды. Рудный минерал - магнетит (иногда магнезиальный), нередко мартитизированный. Наиболее характерны для месторождений контактово-метасоматического типа, связанных с известковыми и магнезиальными скарнами. Наряду с богатыми массивными рудами (50-60% Fe) распространены вкрапленные руды, содержащие менее 50% Fe. Известны месторождения руд с присутствием ценных примесей, в частности Со, Mn. Вредные примеси - сульфидная сера, Р, иногда Zn, As. Особую разновидность магнетитовых руд представляют титаномагнетитовые руды, являющиеся комплексными железо-титано-ванадиевыми. Важное промышленное значение приобретают вкрапленные титаномагнетитовые руды, являющиеся по существу основными интрузивными породами с повышенным содержанием породообразующего титаномагнетита. В них обычно присутствует 16-18% Fe, но они легко обогащаются магнитной сепарацией (Качканарское месторождение на Урале и др.). Сидеритовые руды (шпатовые железняки) разделяются на кристаллические сидеритовые руды и глинистые шпатовые железняки. Среднее содержание Fe 30-35%. После обжига, в результате удаления CO₂, сидеритовые руды превращаются в промышленные ценные тонкопористые железо-окисные (обычно содержат до 1-2% Mn, иногда до 10%). В зоне окисления сидеритовые руды превращаются в бурые железняки. Силикатные железные руды. Рудными минералами в них являются железистые хлориты, обычно сопровождающиеся гидроокислами железа, иногда сидеритом (Fe 25-40%). Примесь S незначительна, Р до 0,9-1%. Силикатные руды слагают пласты и линзы в рыхлых осадочных породах. Часто обладают оолитовой текстурой. В коре выветривания превращаются в бурые, частью красные железняки. Железистые кварциты (джеспилиты, железистые роговики) - бедные и средние (12-36% Fe) докембрийские метаморфизованные Ж. р., сложенные тонкими чередующимися кварцевыми, магнетитовыми, гематитовыми, магнетит-гематитовыми прослоями, местами с примесью силикатов и карбонатов. В железистых кварцитах мало примесей S, Р. Залежи железистых кварцитов обычно обладают крупными запасами металла. Их обогащение, в особенности магнетитовых разностей, даёт вполне рентабельный концентрат с содержанием 62-68% Fe. В коре выветривания кварц из железистых кварцитов выносится, и возникают крупные залежи богатых гематито-мартитовых руд.

Большая часть Ж. р. используется для выплавки чугунов, сталей, а также ферросплавов. В относительно небольших количествах служат природными красками (охры) и утяжелителями буровых глинистых растворов. Требования промышленности к качеству и свойствам Ж. р. разнообразны. Так, для выплавки некоторых литейных чугунов применяются Ж. р. с большой примесью Р (до 0,3-0,4%). Для плавки мартеновских чугунов (главного продукта доменного производства), при плавке на коксе содержание S в руде, вводимой в домну, не должно превышать 0,15%. Для производства чугунов, идущих в мартеновский передел кислым способом, Ж. р. должны быть особо малосернистыми и малофосфористыми; для передела основным способом в качающихся мартенах допускается несколько более повышенная примесь в руде Р, но не выше 1,0-1,5% (в зависимости от содержания Fe). Томасовские чугуны плавятся из фосфористых Ж. р. с повышенным количеством Fe. При выплавке чугунов любого типа содержание Zn в Ж. р. не должно превышать 0,05%. Руда, используемая в домне без предварительного спекания, должна быть механически достаточно прочной. Т. н. мартеновские руды, вводимые в шихту, должны быть кусковыми и иметь высокое содержание Fe при отсутствии примесей S и Р. Обычно таким требованиям удовлетворяют плотные богатые мартитовые руды. Магнетитовые руды с содержанием до 0,3-0,5% Cu используются для получения сталей с повышенной устойчивостью против коррозии.

В мировой добыче и переработке Ж. р. различных промышленных типов отчётливо проявляется тенденция значительного увеличения добычи бедных, но хорошо обогащающихся руд, в особенности магнетитовых железистых кварцитов, в меньшей мере вкрапленных титано-магнетитовых руд. Рентабельность использования таких руд достигается крупными масштабами горно-обогатительных предприятий, совершенствованием техники обогащения и окускования получаемых концентратов, в частности получения т. н. окатышей. Вместе с тем сохраняет актуальность задачи увеличения ресурсов Ж. р., не требующих обогащения.

Лит.: Железорудная база черной металлургии СССР, М., 1957; Требования промышленности к качеству минерального сырья. Справочник для геологов, в. 59 - Железо, 2 изд., М., 1962; Обзор минеральных ресурсов стран капиталистического мира, [Годовой обзор], М., 1968.

Г. А. Соколов

Лат. Ferrum.

Fe - химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый металл. Элемент в природе состоит из четырёх стабильных изотопов: ⁵⁴Fe (5,84%), ⁵⁶Fe (91,68%), ⁵⁷Fe (2,17%) и ⁵⁸Fe (0,31%).

Историческая справка. Ж. было известно ещё в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определённом уровне развития техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным Ж., о чём свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское «бени-пет» означает «небесное железо»; древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (родительный падеж sideris) - звезда, небесное тело. В хеттских текстах 14 в. до н. э. упоминается о Ж. как о металле, упавшем с неба. В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, французское fer, итальянское ferro).

Способ получения Ж. из руд был изобретён в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение Ж. распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришёл железный век. Гомер (в 23-й песне «Илиады») рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. В Европе и Древней Руси в течение многих веков Ж. получали по сыродутному процессу. Железную руду восстанавливали древесным углём в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления - крицу ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть Ж. науглероживалась, т. е. получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна «чушка», «свинское железо» - английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой двухстадийный процесс (см. Кричный передел) оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12-13 вв. кричный способ был уже широко распространён. В 14 в. чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь («домницу»), а затем и в доменную печь. В середине 18 в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлические шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней четверти 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в Ж. на поду пламенной отражательной печи (см. Пудлингование). Промышленный переворот 18 - начала 19 вв., изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в Ж. и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства Ж. не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 в., когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.

Распространённость в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Ж. занимает второе место среди металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.). Ж. принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений (см. Железные руды). Ж. - металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере Ж. накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.

Важную роль в геохимии Ж. играют окислительно-восстановительные реакции - переход 2-валентного Ж. в 3-валентное и обратно. В биосфере при наличии органических веществ Fe³⁺ восстанавливается до Fe²⁺ и легко мигрирует, а при встрече с кислородом воздуха Fe²⁺ окисляется, образуя скопления гидроокисей 3-валентного Ж. Широко распространённые соединения 3-валентного Ж. имеют красный, жёлтый, бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование - «красно-цветная формация» (красные и бурые суглинки и глины, жёлтые пески и т. д.).

Физические и химические свойства. Значение Ж. в современной технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддаётся прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.

Ж. может существовать в виде двух кристаллических решёток: a- и g- объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910 °С устойчиво a - Fe с ОЦК-решёткой (а = 2,86645 Å при 20°С). Между 910°С и 1400°С устойчива g-модификация с ГЦК-решёткой (а = 3,64 А⁰). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решётка d-Fe (а = 2,94 Å), устойчивая до температуры плавления (1539°С). a - Fe ферромагнитно вплоть до 769°С (точка Кюри). Модификация g-Fe и d-Fe парамагнитны.

Полиморфные превращения Ж. и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов. Углерод образует с Ж. твёрдые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77 Å), размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26 Å). Твёрдый раствор углерода в g-Fe наз. аустенитом, а в (a-Fe- ферритом. Насыщенный твёрдый раствор углерода в g- Fe содержит 2,0% С по массе при 1130°С; a-Fe растворяет всего 0,02- 0,04%С при 723°С, и менее 0,01% при комнатной температуре. Поэтому при закалке аустенита образуется мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в a- Fe, очень твёрдый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности (см. Железо - углеродистые сплавы. Термическая обработка металлов).

Физические свойства Ж. зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Ж., как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает т. н. красноломкость, фосфор (даже 10^-20% Р) - хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Ж. (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^-7-10^-9% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.

Ниже приводятся физические свойства Ж., относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:

Атомный радиус 1,26 Å

Ионные радиусы Fe²⁺O,80 Å, Fe³⁺O,67 Å

Плотность (20^oC) 7,874 г/см³

t_пл 1539°С

t_kип около 3200^оС

Температурный коэффициент линейного расширения (20°С) 11,7·10^-6

Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·К)[0,177 (кал/см·сек·град)]

Теплоёмкость Ж. зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоёмкость (0-1000^oC) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/ (г·град)].

Удельное электрическое сопротивление (20°С) 9,7·10^-8ом·м [9,7·10^-6ом·см]

Температурный коэффициент электрического сопротивления(0-100°С) 6,51·10^-3

Модуль Юнга 190-210·10³ Мн/м.²(19-21·10³кгс/мм²)

Температурный коэффициент модуля Юнга 4·10^-6

Модуль сдвига 84,0·10³ Мн/м² [8,4·10³кгс/мм²]

Кратковременная прочность на разрыв 170-210Мн/м²[17-21кгс/мм²]

Относительное удлинение 45-55%

Твёрдость по Бринеллю 350-450 Мн/м² [35-45 кгс/мм²]

Предел текучести 100Мн/м² [10 кгс/мм²]

Ударная вязкость 300 Мн/м² [30 кгс/мм²]

Конфигурация внешней электронной оболочки атома Fe 3d⁶4s². Ж. проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Ж.). С кислородом Ж. образует закись FeO, окись Fe₂O₃ и закись-окись Fe₃O₄ (соединение FeO с Fe₂O₃, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Ж. покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃·nH₂O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Ж. (см. Коррозия металлов). При нагревании Ж. в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Ж. - воронения. При нагревании в водяном паре Ж. окисляется с образованием Fe₃O₄ (ниже 570°С) или FeO (выше 570°С) и выделением водорода.

Гидроокись Fe (OH)₂ образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака на водные растворы солей Fe²⁺ в атмосфере водорода или азота. При соприкосновении с воздухом Fe (OH)₂ сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурую гидроокись Fe (OH)₃. Закись FeO проявляет основные свойства. Окись Fe₂O₃ амфотерна и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными окислами (например, с MgO), она образует ферриты - соединения типа Fe₂O₃·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Ж., существующего в виде ферратов, например K₂FeO₄, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.

Ж. легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl₂ и FeCl₃. При нагревании Ж. с серой образуются сульфиды FeS и FeS₂. Карбиды Ж. - Fe₃C (цементит) и Fe₂C (e-карбид) - выпадают из твёрдых растворов углерода в Ж. при охлаждении. Fe₃C выделяется также из растворов углерода в жидком Ж. при высоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, даёт с Ж. твёрдые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe₄N и Fe₂N. С водородом Ж. даёт лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Ж. энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe₃Si) и фосфиды (например, Fe₃P).

Соединения Ж. с многими элементами (О, S и др.), образующие кристаллическую структуру, имеют переменный состав (так, содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это обусловлено дефектами кристаллической структуры. Например, в закиси Ж. часть ионов Fe²⁺ в узлах решётки замещена ионами Fe³⁺; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решётки, принадлежавшие ионам Fe²⁺, остаются пустыми и фаза (вюстит) в обычных условиях имеет формулу Fe_0,947O.

Нормальный электродный потенциал Ж. в водных растворах его солей для реакции

FeFe²⁺+2e

составляет - 0,44 в, а для реакции

FeFe³⁺+3e

равен - 0,036 в. Т. о., в ряду активностей Ж. стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением H₂ и образованием ионов Fe²⁺.

Своеобразно взаимодействие Ж. с азотной кислотой. Концентрированная HNO₃ (плотность 1,45 г/см³) пассивирует Ж. вследствие возникновения на его поверхности защитной окисной плёнки; более разбавленная HNO₃ растворяет Ж. с образованием ионов Fe²⁺ или Fe³⁺, восстанавливаясь до MH₃ или N₂O и N₂.

Растворы солей 2-валентного Ж. на воздухе неустойчивы - Fe²⁺ постепенно окисляется до Fe³⁺. Водные растворы солей Ж. вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe³⁺ тиоцианат-ионов SCN^- даёт яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe (SCN)₃, что позволяет открывать присутствие 1 части Fe³⁺ примерно в 10⁶ частях воды. Для Ж. характерно образование комплексных соединений.

Получение и применение. Чистое Ж. получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Разрабатывается способ непосредственного получения Ж. из руд электролизом расплавов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого Ж. путём его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах.

Ж. - важнейший металл современной техники. В чистом виде Ж. из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса Ж. применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов Ж. приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железных руд (см. Доменное производство). Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путём окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом S, Р, О) и добавления легирующих элементов (см. Мартеновская печь, Конвертер). Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и др. элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов Ж. особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и др. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.

На основе Ж. создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство Ж. и его сплавов постоянно растет. В 1971 в СССР выплавлено 89,3 млн. т чугуна и 121 млн. т стали.

Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова

Железо как художественный материал (см. рисунки) использовалось с древности в Египте (подставка для головы из гробницы Тутанхамона около Фив, середина 14 в. до н. э., Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамии (кинжалы, найденные около Кархемиша, 500 до н. э., Британский музей, Лондон), Индии (железная колонна в Дели, 415). Со времён средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из Ж. в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и др.) - кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного листового Ж. (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами, чётким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на свето-воздушном фоне. В 20 в. Ж. используется для изготовления решёток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.

Рис. 1 Канделябр из Каталонии. 15 в. Музей Кау Феррат (Барселона, Испания)

Рис. 2 Решётка ограды дома Челлеси 17 в. (Ареццо, Италия)

Рис. 3 Флюгер с Владимирской башни Китай-города в Москве. Конец 17 в. Исторический музей

Рис. 4 Решетка ограды церкви Никиты Мученика в Москве. 18 в

Рис. 5 Цубы (пластины, отделяющие рукоятку меча от лезвия). 14-16 вв. Национальный музей

Железо в организме. Ж. присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02%); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Существуют организмы (т. н. концентраторы), способные накапливать его в больших количествах (например, железобактерии - до 17-20% Ж.). Почти всё Ж. в организмах животных и растений связано с белками. Недостаток Ж. вызывает задержку роста и явления хлороза растений, связанные с пониженным образованием хлорофилла. Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток Ж., вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения Ж., и растения не получают его в достаточном количестве; в кислых почвах Ж. переходит в растворимые соединения в избыточном количестве. При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений Ж. заболевания растений могут наблюдаться на значительных территориях.

В организм животных и человека Ж. поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свёкла). В норме человек получает с рационом 60-110 мг Ж., что значительно превышает его суточную потребность. Всасывание поступившего с пищей Ж. происходит в верхнем отделе тонких кишок, откуда оно в связанной с белками форме поступает в кровь и разносится с кровью к различным органам и тканям, где депонируется в виде Ж.- белкового комплекса - ферритина. Основное депо Ж. в организме - печень и селезёнка. За счёт Ж. ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах - миоглобин, в различных тканях цитохромы и др. железосодержащие ферменты. Выделяется Ж. из организма главным образом через стенку толстых кишок (у человека около 6-10 мг в сутки) и в незначительной степени почками. Потребность организма в Ж. меняется с возрастом и физическим состоянием. На 1 кг веса необходимо детям - 0,6, взрослым - 0,1 и беременным - 0,3 мг Ж. в сутки. У животных потребность в Ж. ориентировочно составляет (на 1 кг сухого вещества рациона): для дойных коров - не менее 50 мг, для молодняка - 30-50 мг, для поросят - до 200 мг, для супоросных свиней - 60 мг.

В. В. Ковальский

В медицине лекарственные препараты Ж. (восстановленное Ж., лактат Ж., глицерофосфат Ж., сульфат 2-валентного Ж., таблетки Бло, раствор яблочнокислого Ж., ферамид, гемостимулин и др.) используют при лечении заболеваний, сопровождающихся недостатком Ж. в организме (железодефицитная анемия), а также как общеукрепляющие средства (после перенесённых инфекционных заболеваний и др.). Изотопы Ж. (⁵²Fe, ⁵⁵Fe и ⁵⁹Fe) применяют как индикаторы при медико-биологических исследованиях и диагностике заболеваний крови (анемии, лейкозы, полицитемия и др.).

Лит.: Общая металлургия, М., 1967; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 2, М., 1966; Краткая химическая энциклопедия, т. 2, М., 1963; Левинсон Н. Р., [Изделия из цветного и чёрного металла], в кн.: Русское декоративное искусство, т. 1-3, М., 1962-65; Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922-1932, М. - Л., 1940; Граник С., Обмен железа у животных и растений, в сборнике: Микроэлементы, пер. с англ., М., 1962; Диксон М., Уэбб Ф., ферменты, пер. с англ., М., 1966; Neogi P., Iron in ancient India, Calcutta, 1914; Friend J. N., Iron in antiquity, L.,1926; Frank E. B., Old French ironwork, Camb. (Mass.), 1950; Lister R., Decorative wrought ironwork in Great Britain, L., 1960.

Сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают Ж. с. с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые Ж. с. (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические Ж. с. - стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнями млн. т. Технические Ж. с. содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Mn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Cr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Cu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca и др.). В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система Fe - С. Начало научному изучению этой системы положили русские металлурги П. П. Аносов (1831) и Д. К. Чернов (1868). Аносов впервые применил микроскоп при исследовании Ж. с., а Чернов установил их кристаллическую природу, обнаружил дендритную кристаллизацию и открыл в них превращения в твёрдом состоянии. Из зарубежных учёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fe - С сплавов, следует отметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П. Геренса (Германия).

Фазовые состояния Ж. с. при разных составах и температурах описываются диаграммами стабильного (см. рис. 1, 2) и метастабильного равновесий. В стабильном состоянии в Ж. с. встречаются жидкий раствор углерода в железе (Ж), три твёрдых раствора углерода в полиморфных модификациях железа (табл. 1)

Рис. 1 Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: состояние стабильных равновесий

Рис. 2 Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: Состояние метастабильных равновесий

Таблица 1

Кристаллические фазы железоуглеродистых сплавов

a-раствор (a-феррит), g-раствор (аустенит) и d-раствор (d-феррит), и графит (Г). В метастабильном состоянии в Ж. с. встречаются Ж, a-, g-, d-растворы и карбид железа Fe₃C - цементит (Ц). Области устойчивости Ж. с. в однофазных и двухфазных состояниях указаны на диаграммах. При некоторых условиях в Ж. с. могут существовать в равновесии и три фазы. При температурах НВ возможно перитектич. равновесие d + g + Ж, E-C-F- - эвтектическое стабильное равновесие g + Ж + Г; при ECF - эвтектическое метастабильное равновесие g + Ж + Ц; при P'S'K' - эвтектоидное стабильное равновесие a + g + Г', при PSK - эвтектоидное метастабильное равновесие a + g + Ц. Диаграммы а и б вычерчиваю и в одной координатной системе . Такая сдвоенная диаграмма наглядно характеризует относительное смещение однотипных линий равновесия и облегчает анализ Ж. с., содержащих стабильные и метастабильные фазы одновременно.

Основной причиной появления в Ж. с. высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если Ж. с. охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении. Помимо основных фаз, указанных на диаграммах, в технических Ж. с. встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которых обусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe₃P), окислы железа и примесей (FeO, MnO, Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂ и др.), нитриды (FeN, AlN) и др. неметаллические фазы. Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в Ж. с. в связи с магнитными превращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).

Строение Ж. с. определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии. В зависимости от содержания углерода Ж. с. делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S (табл. 2), называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые - заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C¹ и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые - заэвтектическими.

Таблица 2.

Координаты точек диаграмм Fe - С

Строение затвердевших Ж. с. существенно изменяется при дальнейшем охлаждении. Эти изменения обусловлены полиморфными превращениями железа, уменьшением растворимости в нём углерода, графитизацией цементита. Структура может изменяться в твёрдом состоянии в результате процессов рекристаллизации твёрдых растворов, сфероидизации кристаллов (из неравноосных становятся равноосными), коалесценции (одни кристаллы цементита укрупняются за счёт других) высокоуглеродистых фаз.

Полиморфные превращения Ж. с. связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решётки g-Fe и объёмноцентрированной решётки (ОЦК) a- и d-Fe

(ГЦКОЦК)

В зависимости от условий охлаждения и нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят разными путями. При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место т. н. нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами. При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами. Например, при закалке Ж. с. в воде g- раствор переходит в a- раствор того же состава. Этот пересыщенный углеродом a- раствор называют мартенситом (см. рис. 2, е). Превращения при промежуточных условиях могут совмещать в себе сдвиговую перестройку решётки железа с диффузионным перераспределением углерода (бейнитное превращение). Формирующиеся при этом структуры существенно различны. В первом случае образуются равноосные с малым числом дефектов кристаллы твёрдого раствора (см. рис. 2, а.). Во втором и третьем - игольчатые и пластинчатые кристаллы (см. рис. 2, е) с многочисленными двойниками и линиями скольжения. Структура Ж. с. изменяется также и в связи с изменением растворимости углерода в a- и g-железе при охлаждении и нагревании. При охлаждении растворы пересыщаются углеродом и выделяются кристаллы высокоуглеродистых фаз (цементита и графита). При нагревании имеющиеся высокоуглеродистые фазы растворяются в a- и g-фазах.

Рис. 2а Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,15% С: зёрна феррита (светлые) и участки перлита (тёмные). Увеличено в 150 раз

Рис. 2б Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,65% С (сетка феррита и перлит). Увеличено в 150 раз

Зарождение и рост кристаллов цементита в пересыщенных растворах происходит обычно с большей скоростью, чем образование графита, и поэтому Ж. с. часто метастабильны. В зависимости от переохлаждения цементит, выделяющийся из твёрдого раствора, может иметь вид равноосных кристаллов, пограничной сетки, пластин и игл (см. рис. 2, г, д.). При высокотемпературных выдержках кристаллы цементита сфероидизируются; может происходить и процесс коалесценции. Если Ж. с., содержащие цементит, длительно выдерживать при повышенных температурах, происходит графитизация - зарождается и растет графит, а цементит растворяется, Этот процесс используется при производстве изделий из графитизированной стали и ковкого чугуна. Важную роль при формировании структуры Ж. с. в твёрдом состоянии играет эвтектоидный распад т-раствора на a-раствор и высокоуглеродистую фазу. При очень малых переохлаждениях образуются феррит и графит, при небольшом увеличении переохлаждения - феррит и сфероидизированный цементит (см. рис. 2, г), затем (см. рис. 2, в) смесь феррита и цементита приобретает пластинчатое строение перлита, тем более тонкое, чем больше переохлаждение. При персохлаждениях, измеряемых сотнями градусов, эвтектоидный распад подавляется, и g- раствор превращается в мартенсит (см. рис. 2, е). Строение Ж. с. можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой Ж. с. являются изменения химического состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойства Ж. с. Например, важнейшие при эксплуатации Ж. с. механические свойства изменяются в следующих пределах: твёрдость от 60 до 800 HB; предел прочности 2·10⁴-3,5·10⁶ н/см² (2·10³-3,5·10⁵ кгс/см²); относительное удлинение от 0 до 70%.

Рис. 2в Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,8% С (пластинчатый перлит). Увеличено в 500 раз

Рис. 2г Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,91% С (сфероидизированный цементит в феррите). Увеличено в 500 раз

Рис. 2д Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 1,18% С: сетка и пластины цементита (светлые) в перлите. Увеличено в 150 раз

Рис. 2е Типичные структуры железоуглеродистых сплавов. Сталь с 0,85% С (пластины мартенсита и остаточный аустенит). Увеличено в 500 раз

Лит.: Д. К. Чернов и наука о металлах, под ред. Н. Т. Гудцова, Л.-М., 1950; Бочвар А. А., Металловедение, 5 изд., М., 1956; Лившиц Б. Г., Металлография, М., 1963; Тыркель Е., История развития диаграммы железо - углерод, пер. с польск., М., 1968; Бунин К. П., Баранов А. А., Металлография, М., 1970.

К. П. Бунин

Металлическая опора для установки литейных стержней в литейной форме и поддержания их во время заливки формы расплавом.

Ж. остаётся в теле отливки и должна с ней хорошо свариваться, поэтому изготавливают Ж. из металла, однородного с отливкой: из мягкой стали для чугунных и стальных отливок, из алюминия для алюминиевых отливок и т. д. Стальные Ж. для защиты от коррозии и лучшей свариваемости с отливкой лудят или меднят. Форма и размеры Ж. зависят от сложности отливок.

Холоднокатаная сталь (преимущественно низкоуглеродистая) в виде тонкой ленты или листов.

Способность расплав. металла заполнять литейную форму; одно из важнейших технолог. свойств литейных сплавов. При высокой Ж. отливка более точно повторяет конфигурацию формы, что особенно важно при изготовлении тонкостенных изделий. Ж. измеряют с помощью спец. литейной формы, имеющей спиралевидный канал, в который заливают испытуемый сплав. Чем выше Ж., тем более длинный участок спирали заполняется металлом. С повышением температуры заливки Ж.сплава возрастает.

Машина для завалки (загрузки) в сталеплавильную печь шихты (стального лома, твердого чугуна, руды и флюсов). Различают З. м. напольные и подвесные.

Напольные рельсовые З. м. (рис. 1) устанавливают в мартеновских цехах с крупными печами (ёмкостью 150 т и более). Все узлы машины смонтированы на мосту, который передвигается по рельсам, уложенным на рабочей площадке печного пролёта цеха вдоль фронта печей. Внутри моста перемещается тележка с хоботом, предназначенным для ввода коробки с шихтой (мульды) в завалочное окно печи. Грузоподъёмность таких З. м. от 7 до 15 т. Они просты по конструкции, надёжны в эксплуатации, высокопроизводительны (одна машина может обслуживать 4 печи), но требуют сооружения утяжелённой рабочей площадки. Напольные безрельсовые З. м. предназначены для обслуживания печей малой ёмкости (5—20 т). В отличие от напольных рельсовых З. м., они могут передвигаться в любом направлении и легко разворачиваются даже на небольших площадках.

Рис. 1 Схема напольной рельсовой завалочной машины: 1 — мартеновская печь; 2 — мульда; 3 — мульдовая тележка; 4 — хобот; 5 — тележка завалочной машины; 6 — мост завалочной машины; 7 — токосъёмная конструкция; 8 — габарит подвижного состава

Подвесные З. м. работают, как правило, в цехах с печами средней ёмкости (20—150 т). Машина такого типа состоит из мостового крана с главной и вспомогательной (крановой) тележками (последняя предназначена для ремонтных работ и уборки шлака). Грузоподъёмность подвесных З. м. (в числителе — масса шихты в мульде, в знаменателе — грузоподъёмность вспомогательной тележки): 1,5/20, 3/10, 5/20 и 8/20 т. Достоинство подвесных З. м. заключается в том, что из-за отсутствия рельсовых путей облегчается обслуживание печей. К недостаткам машин такого типа относятся сложность конструкции, сравнительно невысокая производительность (каждая машина обслуживает 2—3 печи), невозможность работы в одном пролёте З. м. и заливочных кранов.

Лит.: Кружков В. А., Металлургические подъемнотранспортные машины, М., 1966.

С. И. Венецкий