(Lat. ferrum), symbool Fe, atoomnr 26, atoomgew. 55,85, is na zuurstof, silicium en aluminium het meest voorkomende element op aarde (5,1 pct van de aardkorst). Ijzer was reeds 4000 j. v.
Chr. bij de Egyptenaren bekend en men kan zeggen, dat wij heden nog steeds in het ijzeren tijdperk leven, daar ijzer het meest gebruikte en goedkoopste metaal is gebleven. Ijzer komt in talrijke mineralen voor, waarvan vooral van belang zijn: magnetiet of magneetijzersteen, Fe304, haematiet of roodijzersteen, Fe203, limoniet en goethiet, Fe203.H20 of FeO.OH, welke laatste twee ook bruinijzersteen of minette vormen, sideriet of spaatijzersteen, FeC03, pyriet FeS2, ilmeniet FeO.TiOj. Vele silicaten, zoals augiet, granaat, mica’s enz., bevatten ijzer, maar deze zijn als ertsen van geringe betekenis. IJzeroer, dat in Nederland vooral langs de Oude IJsel vroeger de grondstof vormde voor de ijzerindustrie, bestaat vnl. uit ijzerhydroxyde Fe203.3H02. In gedegen vorm komt het voor in meteorieten.Het zuivere ijzer is een zeer zacht, zilverwit metaal, dat bereid kan worden door electrolyse van ferrosulfaat-oplossing of door reductie van zuiver oxyde met waterstof. Door reductie bij lage temperatuur ontstaat het in pyrophore vorm. Zie hieronder bij technisch ijzer.
Zuiver ijzer of ferriet heeft een smeltpunt van 1530 gr. C., k.pt 3235 gr. C., s.g. 7,86. Terwijl het bij gewone temperatuur sterk magnetisch is, verliest het die eigenschap bij 768 gr. G. (Curiepunt, a-𝛽 overgang) zonder verandering van kristalstructuur; bij 928 gr. C. gaat echter de ruimtelijk gecentreerde 𝛽-structuur over in de vlak gecentreerde y-structuur, maar bij 1411 gr.
C. ontstaat de (𝛅-structuur, die weer gelijk is aan de 𝛽-structuur (zie ijzer-koolstofdiagram bij technisch ijzer). Ijzer wordt in droge lucht en in lucht- en koolzuurvrij water niet aangetast; in vochtige koolzuurbevattende lucht wordt het snel aangetast, waarbij eerst ferrocarbonaat ontstaat, dat geoxydeerd en gehydrolyseerd wordt tot Fe(OH)3.
IJzer lost gemakkelijk op in tal van verdunde zuren, in sterk (kleurloos) salpeterzuur gedompeld wordt het passief (z passiviteit). Door sterk zwavelzuur wordt het ook niet aangetast.
IJzerverbindingen
Metallisch ijzer lost gemakkelijk waterstof op (0,1-1 cm3 gas per cm3 ijzer), bij electrolytisch afgescheiden ijzer is de hoeveelheid waterstof nog zeer veel groter. Met stikstof worden twee verbindingen Fe,N en Fe2N gevormd; deze ontstaan o.a. bij het verhitten van ijzer in ammoniakgas. IJzer-koolstof, zie hieronder bij technisch ijzer.
IJzer komt in verbindingen in het algemeen in tweewaardige (ferro-) en driewaardige (ferri-) toestand voor; in de ferraten is het echter zeswaardig.
FERROVERBiNDiNOEN
Ferro-oxyde FeO ontstaat bij de oxydatie van ijzer bij geringe zuurstofdruk, door reductie van Fe2O2 of van Fe204 met koolmonoxyde of ijzerpoeder. Bij verhitting van ferro-oxalaat ontstaat het in pyrophore vorm. Het is een zwart poeder, dat gemakkelijk wordt geoxydeerd en dat beneden 576 gr. G. langzaam in Fe804 en Fe ontleedt. Het is nimmer geheel zuiver te bereiden.
Ferrohydroxyde Fe0.nH20 ontstaat uit oplossingen van ferrozouten bij toevoeging van alkali als een wit neerslag, dat echter reeds door sporen zuurstof wordt geoxydeerd via groen en zwart tot bruin Fe(OH)8. Het zwarte tussenproduct is op te vatten als een gehydrateerde vorm van Fe,O of Feii(FeiiiO2) ferroferriet.
Ferrochloride FeCl2.4HaO is een goed oplosbaar groen zout, stabieler zijn dubbelzouten, zoals KOI. FeCl2.2HaO. Ferrosulfaat, FeS04.7H20 of groene vitriool, is wel het bekendste ferrozout. Het wordt verkregen door ijzerafval in zwavelzuur op te lossen. Het vindt toepassing voor het desodoriseren van afvalwater, voor de bereiding van inkt, bij het zwartverven van wol en voor de bereiding van Berlijns blauw, en het dient ook wel voor onkruidverdelging. Het is ook het hoofdbestanddeel bij de samenstelling van Blauds pillen of staalpillen. Aan de lucht bedekt het zich langzaam met een bruin laagje basisch ferrisulfaat.
Ook hier is het dubbelzout (NH4)aS04.FeS04.12Ha0, Mohr’s zout, veel stabieler. Ferrocarbonaat FeCOa komt voor als erts en in opgeloste vorm als bicarbonaat in tal van natuurlijke wateren (staalwater). Door oxydatie aan de lucht scheidt zich daaruit ferrihydroxyde af.
Ferrosulfide, zwavelijzer, pyrrhotiet, FeS, wordt verkregen door samensmelten van de elementen, sm.pt 1193 gr. G. Het dient o.a. voor de bereiding van H2S in het laboratorium. Het ontstaat ook langs de natte weg door praecipitatie van een ferrozout met ammoniumsulfide. Ook is het in colloïdale vorm aanwezig in het grachtwater, waarbij het de oorzaak is van de zwarte kleur. De verbinding FeS2, pyriet of zwavelkies, markasiet, is als een ferropolysulfide op te vatten.
Het is, naast zwavel, de belangrijkste grondstof voor de bereiding van zwavelzuur, vooral in Europa. Het wordt o.a. in Spanje in grote hoeveelheden gewonnen. Het rhombische markasiet is veel reactiever dan de kubische vorm, pyriet; het eerste oxydeert reeds gemakkelijk aan de lucht, terwijl pyriet bij gewone temperatuur stabiel is.
Bij de complexe ferroverbindingen zijn de ferrocyaniden, zoals geelbloedloogzout, K4Fe(CN)a (z cyaan), en de nitroprussidzouten, zoals Na2[Fe(GN) 8NO], nitroprussidnatrium wel de bekendste.
FERRIVERBINDINGEN
Hoewel ferrozouten in neutrale oplossing betrekkelijk stabiel zijn, bijv. tegenover opgeloste zuurstof, vindt oxydatie gemakkelijk plaats in alkalisch milieu. Door de uiterst geringe oplosbaarheid van Fe(OH)2, geringer dan van Fe(OH)2, wordt de ox-redoxpotentiaal negatief. Het ferrihydroxyde is aanzienlijk zwakker basisch dan ferrohydroxyde, zodat ferri-oplossingen in sterke mate gehydrolyseerd zijn. De bruine kleur van oplossingen van ferrizouten moet dan ook niet aan het ferri-ion zelf, maar aan basische ionen, zoals [Fe(OH)]+ e.d. worden toegeschreven; door toevoeging van zuur verdwijnt de bruine kleur.
Ferri-oxyde, FeaOa, sm.pt 1550 gr. G., komt in de natuur voor als haematiet. Het ontstaat door verhitting van hydroxyde, nitraat of oxalaat. Het is een donkerrood poeder, dat als verfstof (ijzermenie) en als polijstmiddel (dodekop) wordt gebruikt. Door voorzichtige oxydatie van Fe204 ontstaat in plaats van de bovengenoemde a-structuur, de y-structuur (beneden 600 gr. C.).
Bij temp. boven 1400 gr. G. verliest Fe2O2 zuurstof en gaat het over in Fe804. Ferrihydroxyde, Fe2O2.nH2O (een bepaalde verbinding Fe(OH)2 is niet geïsoleerd), slaat als roodbruine amorphe vlokken neer bij het toevoegen van alkali aan een ferri-oplossing. De enige gedefinieerde verbinding is FeO.OH, goethiet. Naast zwak basische eigenschappen heeft het ferrihydroxyde ook enigszins zure eigenschappen en kan het ferrieten vormen in sterk alkalisch milieu, o.a. NaFeO2 en Zn(FeO2)2. Tot deze ferrieten behoort eigenlijk ook het ferro-ferriet FeO.Fe2O2, beter bekend als Fe804, magneetijzersteen, magnetiet of hamerslag.
Het ontstaat bij de verhitting van ijzer in waterdamp (3Fe + 4H2O = Fe804 + 4Ha) en het vormt ook een laag op gewalst en gesmeed ijzer. Naar de kristalstructuur behoort Fe804 tot de groep van de spinellen (spinel == MgAl04, z aluminium);tot deze groep behoren ook de moderne magnetische materialen (4; magnetisme (1), magnetische materialen) .
Ferrichloride in watervrije toestand wordt bereid door ijzer in een stroom van droge chloor te verhitten. Het vormt dan een zwart poeder, dat gemakkelijk verdampt (sm.pt 282 gr. C., k.pt 315 gr. G.) tot een damp, welke uit moleculen Fe2Cl6 bestaat. Het lost als FeCl8 goed op in organische oplosmiddelen, zoals alkohol, aether en aceton. Door chloor te leiden in een oplossing van ferrochloride ontstaat het bruine, hygroscopische ferrichloride, FeCl8.6HaO, dat bij 37 gr.
C. in zijn kristalwater smelt. Er zijn ook lagere hydraten en dubbelverbindingen met zoutzuur bekend. Het wordt gebruikt als beitsmiddel in de ververij en in watten geïmpregneerd werkt het als bloedstelpend middel.
Ferrisulfaat ontstaat door ferrosulfaat te oxyderen met salpeterzuur of door ferri-oxyde op te lossen in zwavelzuur. Het is vooral bekend in de vorm van ijzeraluin, K2S04.Al2(S04),.24H,0 (z aluin) en het dient voor de bereiding van Berlijns blauw en het zwartverven van wol. Van de talrijke complexe verbindingen zij hier genoemd het roodbloedloogzout, K8Fe(CN), (z cyaan). Bij het smelten van ijzervijlsel met salpeter ontstaat bij oplossen in water een rode oplossing van kaliumferraat KFe04. Het is een zeer sterk oxydatiemiddel. Van de organische ijzerverbindingen zijn de ijzerporphyrincomplexen van eminent belang.
Hiertoe behoren o.a. haemoglobine, de bloedkleurstof (z ook haematine) en cytochroom, een ademhalingsenzym (z ademhaling, anaërobe ademhaling). Door de sterke bindingsneiging met cyanide-ionen (vgl. bloedloogzouten) zijn deze laatste zware ademhalingsvergiften. Tal van ijzerzouten van organische zuren, zoals azijnzuur, wijnsteenzuur en melkzuur worden medicinaal gebruikt. Op de oplosbaarheid van ferri-oxalaat berust het gebruik van oxaalzuur of zuur kaliumoxalaat, zuringzout, als middelen om roestvlekken uit textiel te verwijderen. Met koolmonoxyde vormt ijzer merkwaardige carbonylverbindingen (z carbonyl).
PROF. DR J. A. A. KETELAAR
Lit.: Ullmanns Enz. der techn. Chemie, 2de dr., 4, 137 (1929); Thorpe’s Dict. of Applied Chemistry, 4de dr., 7, 29 (1946); Kirk-Othmer, Ene. of Chem. Technology, 8, 18(1952).
Technisch ijzer
is voor de maatschappij belangrijk door zijn grote vastheid, die teweeggebracht wordt door zijn bijzondere kristalstructuur en door het gemak waarmee het gelegeerd kan worden met koolstof en met andere metalen. Dientengevolge kan men een groot aantal ijzersoorten maken met variërende eigenschappen, waardoor men het ijzer kan aanpassen aan een groot aantal eisen die de practijk stelt. Men wint het uit ertsen, waarvan de voornaamste zijn: Magneetijzersteen Fe204, Roodijzersteen Fe203, Bruinijzersteen 2Fe2O2.3H.1O, Spaatijzersteen (FeCOa) dat belangrijk is omdat het erts ook mangaan bevat. Het gehalte van ijzerarme ertsen kan door bepaalde concentratie-methoden verhoogd worden. Verder worden als grondstoffen gebruikt ijzerrijke slakken, hamerslag, stof uit hoogovengas en nevenproducten uit de chemische industrie als gerooste zwavelkies FeS e.d.
De ertsen bestaan dus uit ijzeroxyden of uit stoffen die daarin bij verhitting overgaan en de ijzerbereiding komt dus neer op de reductie dezer oxyden, hetgeen met behulp van CO geschiedt in de hoogoven. Hieruit verkrijgt men het zgn. ruwijzer, dat men, vnl. door het instellen van de oventemperatuur in twee soorten verkrijgt, het grijze en het witte ruwijzer of gietijzer.
Grijs gietijzer wordt bij hoge temperatuur gemaakt, het smelt bij iaoo gr. C. en bevat 2-3 pct Si en 0,5 pct P, behoudens koolstof. Het silicium verdringt uit ijzercarbide de koolstof die als grafiet wordt afgezet en de grijze kleur aan het ijzer verleent. Dit ijzer is week en wordt als gietijzer gebruikt. Stijgt het Si-gehalte van 5-15 pct dan spreekt men van siliciumijzer dat een lichte kleur heeft.
Wit gietijzer ontstaat bij aanwezigheid van meer Mn en bij lagere oventemperatuur, het smelt bij 1100 gr. C. Daarin is de koolstof als carbid aanwezig (cementiet Fe2C). Het is harder en brosser dan grijs gietijzer, de kleur is licht, bevat weinig Si en meer mangaan en phosphorus. Het wordt gebruikt voor de fabricatie van smeedbaar ijzer. Zowel P als S vermindert de vastheid van het ijzer, maar P maakt ijzer dun- en S maakt het dik vloeibaar.
P-houdend ijzer breekt wanneer het koud gebogen wordt, S-houdend ijzer wanneer het warm gebogen wordt. Wil men er dus ijzer van maken dat gesmeed en gelast kan worden dan moet het gezuiverd worden.
Wit gietijzer dat 5-10 pct Mn bevat heet spiegelijzer en wordt voor de bereiding van fijnere staalsoorten gebruikt. Ferromangaan bevat 25-28 pct Mn. Ferrosilicium met Si-gehalte tot 90 pct wordt in de electrische oven gemaakt.
Voor de practijk is het niet voldoende om onderscheid te maken tussen grijs en wit ijzer en de overgangsvormen die daartussen bestaan. Al naar de toepassing onderscheidt men nog: Haematiet (met minder dan 0,1 pct P), gieterij-ijzer, Bessemer-, Puddel-, Staal-, Thomas-ruwijzer, Spiegelijzer en speciale ruwijzersoorten.
De ruwijzersoorten zijn technisch niet bruikbaar. Ze dienen als grondstof voor de technisch bruikbare ijzersoorten waarvan de voornaamste zijn:
1. Gietijzer, uit grijs ruwijzer, eventueel met afvalstaal gesmolten, bevat meer dan 1,8 pct C, is niet smeedbaar en wordt onderscheiden in: grijs-, wit- en hardgietijzer. Het wordt gebruikt voor het gieten van machine-onderdelen.
2. Staal, d.z. alle smeedbare ijzersoorten. Welstaal wordt in deegachtige toestand, vloeistaal in vloeibare toestand gewonnen. Welstaal bevat minder dan 1,8 pct C en is smeedbaar, het wordt gebruikt voor alle walsprocessen waarvan de producten door smeden en persen verder worden verwerkt. Vloeistaal wordt gemaakt volgens het Bessemer-, Thomas-, of Siemens-Martinproces.
3. Gietstaal, gegoten vloeistaal, is smeedbaar. Het wordt gebruikt voor machinedelen die aan de inwerking van grote krachten onderhevig zijn, als cylinders, turbineschoepen, locomotiefwielen e.d.
4. Temperijzer (gloei-ijzer), gegoten uit wit ruwijzer en door gloeien (temperen) ontkoold, is taai en hamerbaar, beperkt smeedbaar. Gebruikt voor sloten, sleutels, kettingen, buismoffen e.d.
5. IJzerlegeringen. Hiertoe behoren de ijzer-mangaanlegeringen : mangaanstaal 6-12 pct Mn, Spiegelijzer 9-20 pct Mn, en Ferromangaan 25-88 pct Mn. IJzersiliciumlegeringen: wit ruwijzer 1 pct Si, grauw ruwijzer 2-3 pct Si, Ferrosilicium 15-17 pct Si (hoogoven), Ferrosilicium (electrische oven) 25-98 pct Si, enz. IJzer-phosphorlegeringen: Thomas-ruwijzer 1,5-3 pct Bessemerruwijzer 0,1 pct P, Ferrophosphor 25 pct P. Nikkel-ijzerlegeringen: Nikkelstaal 3-6 pct Ni, Chroomnikkelstaal 4-6 pct Ni en 1-3 pct Cr. IJzer-chroomlegeringen: Ferrochroom (hoogoven) 12 pct Cr. Ferrochroom (electrische oven) tot 70 pct Cr. Ten slotte zijn er nog legeringen met Wolfram, Molybdeen, Vanadium en Titanium: Ferrowolfram 60-80 pct W, Ferromolybdeen 50-85 pct Mo, Vanadiumstaal 50 pct V en Titaniumstaal 40 pct Ti.
6. Electrolytisch ijzer is chemisch zuiverijzer, verkregen door electrolyse van FeClg.
7. Carbonylijzer is zuiverijzer, verkregen door ontleding van ijzercarbonyl.
Zuiver ijzer verkrijgt gemakkelijk een groot magnetisch vermogen en wordt gebruikt in de telefonie voor Pupinspoelen, voor electromotoren en transformatoren.
De eigenschappen van ijzer variëren sterk met het C-gehalte. Een laag C-gehalte maakt het ijzer smeedbaar, een hoog C-gehalte maakt het bros, hard en laat vormverandering alleen door gieten toe. Koelt gietijzer in de vorm langzaam af dan scheidt zich grafiet af, bij snellere afkoeling blijft de C aan ijzer gebonden en blijft wit. Dit is harder dan grijs gietijzer. Men kan het proces zo leiden dat alleen de buitenkant snel afkoelt en hard wordt.
Gietijzer met 10-20 pct Si is zeer bestand tegen sterke zuren en is daardoor geschikt voor het bouwen van apparaten in de chemische industrie. De toevoeging van nikkel maakt het gietijzer bestendig tegen alkaliën. Gietijzer heeft een hoge druk-, doch een geringe trekvastheid.
Daar de afzonderlijke hoeveelheden die van de hoogoven worden getapt ongelijk van samenstelling zijn, worden ze in een menger verenigd bij 1300 gr. C. waarbij men nog erts en kalk toevoegt, waardoor Si, S, Mn en C gedeeltelijk verwijderd worden.
De omzetting van ruwijzer in staal geschiedt in hoofdzaak door oxydatie van koolstof en andere elementen, waarbij de eerstgenoemde verbrandt, terwijl de oxyden SiO2 MnO en P,Os met behulp van toeslagen in slakken worden omgezet. Wordt het smeltpunt van het gevormde smeedbare staal niet overschreden dan blijft het in deegvorm (wel-, of puddelstaal). Bij overschrijding van het smeltpunt ontstaat vloeistaal. Het eerstgenoemde geschiedt in vlamovens (puddelovens), het laatstgenoemde proces geschiedt volgens het procédé van Bessemer. Het Bessemerstaal wordt gebruikt als bouwstaal, voor rails, plaatijzer en werktuigen. In de Bessemerpeer die een kiezelzuurrijke bekleding bezit, worden Si, Mn en G volledig verbrand, terwijl de phosphor geheel in het ijzer blijft, zodat voor dit proces alleen phosphprarm ruwijzer kan worden gebruikt.
Om aan dit bezwaar te ontkomen heeft Thomas de peer een basische bekleding gegeven uit gebrande en aaneengesinterde dolomiet, terwijl bovendien CaO wordt toegevoegd. Onder deze omstandigheden gaat het phosphor, geoxydeerd tot P206, als calciumphosphaat in de slak over.
Het Siemens-Martinproces werkt met gasverhitting waar de grondstoffen in kroezen in de haard worden gezet, die tot zeer hoge temperatuur, ca 1800 gr. C., verhit wordt. Hierdoor kunnen ijzersoorten worden verwerkt, die niet volgens het Bessemer- en Thomasproces behandeld kunnen worden. In deze oven worden de betere staalsoorten, vooral Mn, Ni en chroomstalen gemaakt. Men is onafhankelijk van de phosphorus daar de kroezen zowel een zure als een basische bekleding kunnen hebben. Men kan dus geheel zwavel- en phosphorvrij staal maken (kroezenstaal), waaraan men desgewenst Ni, Cr, Wo of Ti kan toevoegen.
Deze staalsoorten worden steeds meer gebruikt voor chemisch-technische apparatuur en voor werktuigen en instrumenten. Door Ni wordt staal taai, door Mo scheurvast, door Mn hard, door Cr en W zeer hard. Vanadium dient als toegift voor het maken van roestvrij staal. Sneldraaistaal heeft 15-18 pct W, 2-5 pct Cr en o,6-0,8 pct C. Chroomstaal bevat: 6,2 pct Cr, 0,65 pct C, 0,17 pct Mn, 0,07 pct Si. Nikkelstaal bevat 5 pct Ni en 0,2 pct C.
Chroomnikkelstaal 1,5-4 pctt Ni en 0,5-1,8 pct Cr. Invarstaal, dat 36 pct Ni bevat, heeft een kleine uitzettingscoëfficiënt, staal met 46 pct Ni heeft dezelfde uitzettingscoëfficiënt als glas en platina. Chroomstalen zijn zeer bestendig tegen hitte.
Voor het inzicht in de eigenschappen van staal en ijzer is het ijzer-koolstofdiagram belangrijk, een phasendiagram dat het optreden van toestanden van in een uit ijzer en koolstof bestaande massa aangeeft bij wisselende temperatuur. Op de verticale as zijn de temperaturen van 0-1600 gr. C. aangegeven, op de horizontale as vindt men het C-gehalte van het ijzer in gewichtsprocenten die niet verder gaan dan 6 pct omdat daarbij koolstof niet verder in gesmolten ijzer oplost. Tot goed begrip van dit diagram moet worden vermeld dat zuiver ijzer in verschillende modificaties voorkomt, die verschillen in aantal en configuratie der ijzeratomen in de elementaire cel van het kristaltralie. Zó kennen we a-ijzer of ferriet met 9 atomen (waarvan één centraal geplaatst) en bestendig tot 906 gr. C.
Boven deze temperatuur is y-ijzer stabiel met 14 atomen per cel zonder centraal atoom, die groter is dan die van a-ijzer. Het laatstgenoemde is magnetisch tot 768 gr. C., tussen 768-906 is het niet magnetisch. Dit niet magnetisch a-ijzer werd vroeger 𝛽-ijzer genoemd, dit is echter niet meer gebruikelijk. Bij 1401 gr. C. gaat y-ijzer over in (𝛅-ijzer dat weer een centraal atoom in de cel heeft die echter groter is dan die van 𝛽-ijzer.
Bij 1528 gr. C. ligt het smeltpunt van zuiver ijzer. Deze modificaties vindt men op de verticale as van het diagram aangegeven.
Wordt koolstof aan ijzer toegevoegd dan kan dit (natuurlijk alleen bij hoge temperaturen) in y-ijzer oplossen, een mengkristal vormen, austeniet genaamd, of het kan met ijzer reageren tot cementiet Fe3C (ijzercarbide). Martensiet is een fijn mengsel van koolstof en a-ijzer. Het cementiet zet zich in zeer dunne plaatjes tussen de ijzerkristallen af. Ieder ijzerkristal neemt ca 0,9 pct koolstof als ijzercarbide gebonden op. Bevat staal 0,9 pct C dan is de verdeling van het ijzercarbide homogeen geworden en ontstaat het zgn. perliet, een eutectisch mengsel van ferriet en cementiet. Onder 0,9 pct C treden naast perliet, ferrietkristallen op.
Bij staal met meer dan 0,9 pct C blijft vrij ijzercarbide over dat de perlietkristallen omhult. Cementiet is harder dan ijzer, zodat perliet een grote hardheid bezit, die nog groter wordt boven 0,9 pct C daar de bovengenoemde omhulling de hardheid nog vergroot. Deze invloed gaat tot 1,7 pct C, daarboven houdt de verhardende werking op. Staal met meer dan 1,7 pct C wordt brosser doordat de C zich tot grove carbietkernen samenbalt die onregelmatig in de massa verspreid liggen. Dit staal is alleen nog te gieten, maar kan niet meer gesmeed, geperst of gewalst worden. Bouwstaal dat zeer vast en tevens buigbaar moet zijn, bevat hoogstens 0,6 pct C.
Machinestaal dat zeer hard moet zijn heeft een koolstofgehalte van 0,6-1,5 pct, waarbij nog enige buigbaarheid aanwezig is. Gaat men in het ijzer-koolstofdiagram van links naar rechts langs de horizontale as dan ziet men dat men van 0-0,9 pct C ferriet en perliet heeft (perlitisch staal), bij 0,9 pct C alleen perliet en van o,9-1,7 pct C perliet en cementiet. Ten slotte komt in het diagram nog voor het ledeburiet dat een eutectisch mengsel is van cementiet en met G verzadigd austeniet.
Boven de lijn AHCB is alles vloeibaar en bestaat de massa uit ijzer waarin koolstof is opgelost. Gaat men uit van een vloeibaar mengsel dat 3 pct C bevat, dus vanuit punt P, dan zal bij afkoeling de temperatuur in d' komen en bij die temperatuur begint de massa te stollen. De vaste stof die zich in de vloeistof afzet heeft de samenstelling van d' en is geen zuiver ijzer maar austeniet. Daar dit minder G bevat dan de vloeistof wordt laatstgenoemde rijker aan koolstof zodat bij verdere afkoeling de samenstelling van de vloeistof zich van C' naar C bewegen zal, terwijl de samenstelling van het afgescheiden austeniet verandert met de lijn d'D. Zodra de temperatuur onder DC zakt is alles vast geworden. Maar in de vaste stof hebben bij afkoeling nog veranderingen plaats doordat de samenstelling van het austeniet verandert volgens de lijn DE, waarbij het C-gehalte vermindert en deze koolstof in het ijzer wordt afgezet.
Bij temperaturen beneden E hebben geen veranderingen meer plaats. Punt C ligt bij 1150 gr. C. en 4,2 pct C. Op soortgelijke wijze kan men nagaan wat er voor elke Fe-C-verhouding bij afkoeling gebeurt.
Bij snelle afkoeling van het staal, minstens 100 gr. C. per seconde, geschiedt er iets anders. Terwijl bij langzame afkoeling, bij de overgang van staal in ijzer, koolstof wordt afgescheiden, heeft zulks bij snelle afkoeling niet plaats en onder het microscoop ziet men dat martensiet is ontstaan. Bij een geringe afkoelingssnelheid scheidt zich koolstof als Carbide af en ontstaat een structuur met fijn verdeelde perlietplaatjes, sorbiet genoemd. Bij gemiddelde afkoelingssnelheid vormt zich een andere structuur, troostiet, die harder is dan sorbiet, doch minder hard dan martensiet. Al naar de afkoelingssnelheden kan men dus verschillende hardheden van het staal verkrijgen.
Bij het smeden moet nauwkeurig op de temperatuur worden gelet, die voor elke staalsoort een andere is, daar bij te lage temperatuur de smeedbaarheid afneemt en bij te hoge temperatuur het staal verbrandt en wel gemakkelijker naarmate het meer G bevat. Staal dat op ca 800 gr. C. is verwarmd en daarna snel met water is afgekoeld wordt door martensietvorming hard en bros als glas en men moet de hardheid voor een deel weer vernietigen door verwarmen op 220-250 gr. C. waardoor de grote spanningen die de hardheid veroorzaken verzwakt worden. Gelegeerde stalen (met Cr, Mo, Ni, Co) vragen een geringe afkoelingssnelheid, die niet met water, doch met olie wordt bereikt, bij hooggelegeerde stalen is koeling met lucht zelfs voldoende. Het oppervlak van week staal kan gehard worden door het in houtskool te pakken en op 900 gr.
C. te verhitten. Aan het oppervlak vormt zich cementiet, vandaar de naam cementeren. Na het afkoelen volgt dan de gewone harding, als boven beschreven. Ook andere methoden zijn voor het harden bekend. Bij het autogeen harden bevat het werkstuk reeds de nodige hoeveelheid koolstof en wordt met een brander verhit en met water afgekoeld. Ook met stikstof kan worden gehard door het werkstuk tot 4 dagen in een NHj-stroom te gloeien. De hardheid berust dan op de vorming van Fe2N (harden door nitreren).
IJzerkringloop
Het ijzer maakt in de natuur een kringloop door met als de belangrijkste vormen het metallische ijzer, ferro-ionen, ferrizouten en organisch gebonden ijzer. Het metallische ijzer kan zowel aëroob als anaëroob corrosie geven. Aëroob wordt het in vochtige toestand geoxydeerd tot de ferrivorm. Anaëroob kan het bij aanwezigheid van zwavelwaterstof, dat in de zwavelkringloop ontstaat, in ferrosulfide overgaan. In beide gevallen begint het proces met een anodische polarisatie aan het metaaloppervlak, waarna de gevormde ionen hetzij met de zuurstof, hetzij met de sulfide-ionen een onoplosbaar neerslag geven. Onder anaërobe omstandigheden worden de ferriverbindingen gereduceerd tot ferroverbindingen.
Daar bijv. in de grond de laatste beter oplosbaar zijn gaat dit met een oplossing van ijzerzouten gepaard, al slaat het meestal weer neer met het aanwezige zwavelwaterstof tot zwavelijzer of pyriet. Onder aërobe omstandigheden wordt ferro weer tot ferri geoxydeerd. Zowel de reductie als de oxydatie zijn zuiver chemische processen. Er zijn echter organismen, die de oxydatie voor hun chemo-autotrophe stofwisseling kunnen gebruiken.
Het aantal organismen, dat zich bedekt met een laag ijzerhydroxyde is vrij groot: het bekendste zijn de ijzerbacteriën: Gallionella, Leptothrix e.a. Voor de meeste hiervan is het onbekend of ze werkelijk chemo-autotrooph zijn en zo ja, of ze de chemoautotrophe reacties werkelijk nodig hebben. Alleen het oplosbare ijzer kan door planten worden opgenomen. Sommige organische zuren, w.o. de in de grond voorkomende humuszuren, hebben het vermogen het ijzer door complexvorming ook onder aërobe omstandigheden in oplossing te houden en bevorderen daarmee de beschikbaarheid voor de plant.
A. QUISPEL.
