Eisen (Fe)
Physikalische EigenschaftenHohe Dichte (7.88 kg/dm3) |
Mechanische EigenschaftenGeringe Zugfestigkeit (ca. 200 N/mm2) |
Weitere EigenschaftenFür technische Anwendungen nicht geeignet |
LegierungenDas wichtigste Legierungselement von Eisen ist der Kohlenstoff. Schon kleine Mengen genügen, um die Eigenschaften des Eisens weitgehend zu verändern. Bereits 0,1 % Kohlenstoff erhöhen die Streckgrenze um ca. 50 N/mm² und die Zugfestigkeit um ca. 100 N/mm². Bei dieser Festigkeitssteigerung muss aber eine deutliche Verringerung der Zähigkeit und der Verarbeitbarkeit (Schweisseignung) in Kauf genommen werden. Eisen dient auch als Legierungsmetall für einige Nicht-Eisen-Metalle, z.B. für Kupfer und Aluminium. |
MagnetismusWie die elektrische Kraft, kann auch die magnetische Kraft abstossend und anziehend sein. Nur gibt es keine magnetischen Ladungen. Stattdessen hat jeder magnetische Körper zwei magnetische Pole, die man nach den Polen der Erde Nord- und Südpol nennt. Versucht man von zwei Magneten die Nordpole oder die Südpole zusammenzubringen, so spürt man eine Abstossung. Bringt man dagegen den Nordpol des einen Magneten an den Südpol des anderen, so ziehen sie sich an. Bei Zimmertemperatur gibt es genau drei Elemente, die magnetisierbar sind: Eisen, Kobalt und Nickel. Bringt man einen Magneten an ein unmagnetisiertes Stück dieser Metalle, so kann man das Metall magnetisieren und es wird vom Magneten angezogen. |
AnwendungsmöglichkeitenIm Hochofen hergestelltes Roheisen ist für technische Anwendungen ungeeignet und wird deshalb zu Stahl oder Gusseisen weiterverarbeitet. Reines Eisenpulver wird nur in der Chemie verwendet. |
Vorkommen und HerstellungIn der Erdkruste ist Eisen mit 6,2 Gewichtsprozent das vierthäufigste Element und nach Aluminium das zweithäufigste Metall. Eisen gehört zu den unedlen Metallen und kommt daher in der Natur fast nie elementar vor, sondern überwiegend in Verbindungen. Meist handelt es sich dabei Oxide (Verbindungen mit Sauerstoff). Eisenminerale finden sich nie alleine, sondern immer auf Begleitgestein, das man als Gangart bezeichnet. Gesteine, die 20 % oder mehr Eisen enthalten, werden als Eisenerze bezeichnet. Die wichtigsten Eisenerze sind Magneteisenstein (Fe3O4) und Roteisenstein (Fe2O3). Vorgänge im HochofenDer Hochofenprozess besteht grundsätzlich aus zwei Vorgängen: Die Gewinnung von Eisen erfolgt im Hochofen, der kontinuierlich in Betrieb ist. Das Erz wird mit Koks und Kalkstein von oben eingefüllt. Von unten wird Heissluft eingeblasen, die den Koks zu Kohlenmonoxid (1) verbrennt; die freiwerdende Wärme sorgt für eine Temperatur von etwa 1500°C in diesem Bereich des Hochofens. 1: 2 C + O2 => 2 CO Das aufsteigende Kohlenmonoxid reduziert das Eisenoxid (meist Fe2O3) stufenweise. In höheren Teilen des Hochofens, wo die Temperatur geringer ist, wird Fe3O4 gebildet (2). Das abwärts rutschende Fe3O4 wird in einer tiefer liegenden, heisseren Zone zu FeO reduziert (3). In einer noch tieferen und heisseren Zone erfolgt die abschliessende Reduktion zu Eisen (4). 2: 3 Fe2O3 + CO => 2 Fe3O4 + CO2 In den mittleren Zonen zerfällt das CO teilweise zu C und CO2 und fein verteilter Kohlenstoff scheidet sich ab; dieser bewirkt zu einem kleineren Teil eine direkte Reduktion (5) des Eisenoxids und wird zum Teil im flüssigen Eisen gelöst. 5: 3 Fe2O3 + C => 2 Fe3O4 + CO oder Fe3O4 + 2 C => 3 Fe + CO2 Das flüssige Eisen sammelt sich am Boden des Hochofens. Die Schlacke, die sich aus dem Kalk und der Gangart gebildet hat, schwimmt flüssig auf dem Eisen und schützt dieses vor Oxidation durch die Heissluft. Schlacke und Eisen werden von Zeit zu Zeit abgestochen. Das oben entweichende Gichtgas enthält Kohlenmonoxid und wird als Brennstoff zum Vorheizen der Heissluft verwendet. Das Roheisen aus dem Hochofen enthält bis zu 4% Kohlenstoff, 2% Silizium, etwas Phosphor und Spuren von Schwefel. Bei der Stahlherstellung werden diese Bestandteile entfernt oder ihre Konzentration auf gewünschte Werte eingestellt (z.B. Kohlenstoffgehalt), ausserdem werden andere Metalle zugesetzt. |
