|  | ||||||
5,63 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit ijzer; het is het vierde element in rangorde van voorkomen.
Omdat in meteorieten een veel hoger ijzergehalte wordt aangetroffen dan in de aardkorst, wordt aangenomen dat de totale aardmassa voor ongeveer 37 % uit ijzer bestaat. IJzer komt voor in het menselijk lichaam. Bloed bevat hemoglobine, een ijzer(II)complex dat voor de zuurstof/koolstofdioxide-uitwisseling zorgt.
IJzer is aanwezig in een groot aantal mineralen, verspreid over de gehele wereld. Het komt voor in de vorm van oxiden, sulfiden, carbonaten, nitraten en silicaten. De belangrijkste mineralen zijn:
ilmeniet FeTiO3 hematiet, roodijzersteen of ijzerglans Fe2O3 lepidokrokiet gamma-Fe+3O(OH) limoniet of bruinijzersteen FeO(OH).nH2O magnetiet of magneetijzersteen Fe+2.Fe+32O4 pyriet FeS2 sideriet of ijzerspaat FeCO3
IJzer in gedegen toestand (als metaal) wordt slechts zeer sporadisch aangetroffen, onder andere in Groenland.
De belangrijkste wingebieden liggen in China, Brazilië, Rusland, West-Australië, de Verenigde Staten van Amerika, India, Canada, Zuid-Afrika en Zweden. Kleinere wingebieden liggen in Frankrijk, Mexico, het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Spanje, Noorwegen, Finland en Venezuela.
In West-Australië ligt de grootste mijn met een productie van enige tientallen miljoenen tonnen hematiet (met ca. 70 % ijzer) per jaar.
De naam is naar alle waarschijnlijkheid afkomstig van het Middelnederlandse woord isen, dat afgeleid is van het Gotische woord eisarn of het Oudsaksische isarn, op hun beurt afkomstig van het Oudkeltische isarno.
Er is wellicht enig verband met het Latijnse woord ira, wat toorn betekent, vanwege de kracht van het materiaal. Het latere Latijnse woord is ferrum, waarvan ook het symbool is afgeleid.
IJzer was reeds in de Oudheid bekend. Het eerst gebruikte ijzer (ca. 4000 v. Chr.) is vermoedelijk afkomstig van meteorieten, waarin ijzer in gedegen toestand voorkomt.
De Hittieten (in Azië; ca. 3000 v. Chr.) waren waarschijnlijk de eersten die er in slaagden ijzer te bereiden met behulp van houtskool. Zij hielden dit proces om strategische redenen - de productie van zwaarden en schilden - geheim, maar met de val van hun rijk (ca. 1200 v. Chr.) kwam deze ontdekking beschikbaar voor andere volkeren, wat leidde tot het ijzertijdperk. Ongeveer 800 v. Chr. begint de winning van erts en bereiding van ijzer in Europa (Balkan en Oostenrijk). De ontdekking van de ijzerbereiding met behulp van cokes betekende het begin van de industriële revolutie.
Staal werd vroeger bereid door reductie van ijzererts met houtskool in een oven. Het werd echter niet vloeibaar en kon alleen door langdurig smeden van ingesloten slak en onzuiverheden worden bevrijd. Later wist men, onder andere door voorverwarmen van de blaaswind, de temperatuur bij het proces zo op te voeren dat het ijzer meer koolstof opnam, waardoor het smeltpunt daalde. Het verkregen ijzer was echter bros en niet smeedbaar. Door verbranden van koolstof in het ijzer werd een staalsoort verkregen die wel smeedbaar was, maar nog veel onzuiverheden bevatte.
IJzer (staal) wordt bereid door reductie van ijzererts met cokes in een hoogoven:
2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2
Dit proces verloopt met een aantal tussenstappen, afhankelijk van de temperatuur. Van boven (het koudere gedeelte van de hoogoven) naar beneden (met veel hogere temperaturen) vinden verschillende reacties plaats, zoals:
3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Het gevormde ijzer is vloeibaar. Tevens ontstaat een zogenoemde slak, waarin een aantal verontreinigingen (zoals SiO2, MnO, P2O5) wordt opgenomen. De slak drijft op het gesmolten ijzer en kan daardoor gemakkelijk worden verwijderd. Deze slak moet vloeibaar blijven. Indien nodig wordt vloeispaat (CaF2) toegevoegd om dit te bevorderen. Voor een goede slakvorming wordt calciumcarbonaat toegevoegd, dat ontleedt in calciumoxide en koolstofdioxide. Het koolstofdioxide reageert met cokes tot koolstofmonooxide, dat werkt als reductor. Het calciumoxide reageert met allerlei verontreinigingen, bijvoorbeeld met siliciumdioxide:
CaO + SiO2 → CaSiO3
Van de laatste stof wordt hoogovencement gemaakt.
Als het gevormde ruwe ijzer nog teveel verontreinigingen bevat (bijvoorbeeld teveel fosfor-, silicium-, of zwavelverbindingen of koolstof) kan het verder worden bewerkt. De niet gewenste bestanddelen worden geoxideerd, waarna de oxiden in de slak terechtkomen. Op deze manier wordt staal gemaakt met de gewenste samenstelling. Dit gebeurt op verschillende manieren, bijvoorbeeld via het oxystaalproces, waarbij men zuivere zuurstof gebruikt om het koolstofgehalte te verlagen. Een andere mogelijkheid is het Bessemer- en het Thomasproces. Hierbij wordt lucht door het ruwijzer geblazen en schroot toegevoegd om de temperatuur te beheersen. Een derde manier is het Siemens-Martinproces. Dit proces vindt plaats in een oven waarvan de temperatuur zeer goed regelbaar is. Daardoor kan meer schroot of vast ruwijzer worden verwerkt. Omdat de samenstelling van het staal zeer nauwkeurig kan worden geregeld, wordt deze methode meestal gebruikt voor de vervaardiging van speciale staalsoorten.
De naam van het product is afhankelijk van het koolstofgehalte. Men spreekt van smeedijzer als het gehalte lager is dan 0,05 %; van zacht, hard en extra hard staal tussen 0,05 % en 2 % en van gietijzer boven de 2 %.
Staal bevat altijd (kleine hoeveelheden van) andere metalen. Zij worden niet aangeduid als de hoeveelheid beneden een bepaalde waarde blijft (bijv. aluminium< 0,1 %, nikkel, chroom < 0,3 %, mangaan < 1,6 %). Men noemt dat zelfs ongelegeerd staal.
Bij het stollen van het ijzer kan de aanwezige koolstof zich met zuurstof verbinden tot koolstofmonooxide. Door het gevormde gas komt het vloeibare ijzer in heftige beweging. Aan de buitenzijde ontstaat dan een laag zuiver staal, terwijl verontreinigingen in het midden van het blok staal terechtkomen. Dit 'onrustige staal' wordt voornamelijk gebruikt voor het maken van dunne platen (onder andere voor de autoindustrie). Als de zuurstof gebonden wordt door toevoeging van aluminium en/of silicium, ontstaat halfrustig of rustig staal. Dit wordt gebruikt voor zogenoemd constructiestaal (een staalsoort die zeer geschikt is voor bewerkingen als lassen, branden, enz.), omdat de eigenschappen van het materiaal wat gelijkmatiger zijn.
Staalsoorten worden veelal ingedeeld op verwerkingsmethode of toepassingsgebied, bijvoorbeeld: gietstaal, transformatorplaat, verenstaal, klinknagelstaal, sneldraaistaal, rollagerstaal, hittevast staal, niet magnetiseerbaar staal, enz.
Staal oxideert snel. Het wordt hiertegen beschermd door verzinken, aluminiseren of cadmeren. Ook kan men zwak legeren om atmosferische corrosie tegen te gaan. Er wordt dan zogenoemd weervast staal gevormd, dat weliswaar wordt bedekt door een roestlaag (oxidelaag), maar éen die vrijwel ondoordringbaar is en dus bescherming biedt. Door staal te legeren met grotere hoeveelheden chroom en/of nikkel verkrijgt men roestvrij of roestvast staal. Het meest gebruikte roestvrije staal is RVS 18-8. Dit staal is gelegeerd met 18 % chroom en 8 % nikkel. Het is zelfs roestvast in aanwezigheid van chloride-ionen en wordt daarom veel in zeeatmosfeer toegepast. Om de roestvaste eigenschappen te verhogen wordt zo nodig (tot 2%) molybdeen toegevoegd. In de handel vindt men eveneens voorgelakte staalplaat of staal voorzien van een laagje kunststof of rubber.
Legeren.
De technische eigenschappen van ijzer kunnen aanzienlijk worden verbeterd door toevoeging van andere metalen zoals aluminium, chroom, mangaan, molybdeen, nikkel, titaan, vanadium, kobalt, wolfraam, niobium en tantaal.
Afhankelijk van de beoogde toepassing wordt bepaald aan welke eigenschappen het staal moet voldoen. Alhoewel het toevoegen van een metaal invloed heeft op meerdere eigenschappen, wordt in onderstaande tabel het belangrijkste effect weergegeven.
stof toegevoegd om:
Al in het staal aanwezige zuurstof te binden
B de treksterkte te verhogen (omdat dit metaal neutronen absorbeert, wordt aan staal voor de bouw van kernreactoren 1 % boor toegevoegd)
C de sterkte en de hardbaarheid te verbeteren
Ce de vuurvastheid en de sterkte bij hogere temperatuur te bevorderen
Co de sterkte en de snijbaarheid te verhogen en corrosie tegen te gaan
Cr de slijtvastheid en de snijbaarheid te verbeteren (wanneer 13 % of meer chroom wordt toegevoegd, ontstaat roestvrij staal, omdat er een vrijwel ondoordringbaar laagje chroomoxide gevormd wordt; nikkel bevordert deze eigenschap)
Mn de sterkte en de lasbaarheid te verbeteren (wordt ook gebruikt voor ontzwavelen en komt vrijwel altijd in staal voor; staal met veel (16 tot 18 %) mangaan is zeer corrosiebestendig en niet-magnetisch)
Mo de treksterkte en de lasbaarheid te verhogen en putcorrosie bij chroom-nikkel-staal te voorkomen
Nb,Ta de sterkte bij hogere temperatuur te verhogen (wordt toegepast in hittevast staal)
Ni corrosie te voorkomen. Invar (ijzer-nikkel-staal; 63,8 % Fe, 36 % Ni en 0,2 % C) heeft een uitzettingscoëfficiënt van vrijwel nul (zie 28 - Nikkel).
Si de elastische eigenschappen te verbeteren
Ti de sterkte bij hoge temperatuur en de magnetische eigenschappen te verhogen
V,W de verspaanbaarheid en de elastische eigenschappen te verhogen
Zr oxidatie tegen te gaan; het verlengt de levensduur van bijvoorbeeld verwarmingselementen
Er zijn meer dan duizend verschillende staalsoorten bekend.
De wereldproductie bedraagt ongeveer 900 miljoen ton per jaar.
Chemisch zuiver ijzer wordt op verschillende manieren verkregen:
- door reductie van het zuivere oxide of hydroxide met waterstof
- door elektrolyse
- door verhitting van onzuiver ijzer met koolstofmonooxide, waarbij Fe(CO)5 wordt verkregen, dat bij ontleden zuiver ijzer oplevert
Fiets
Hiervoor worden buizen van constructiestaal gebruikt. Met sterkere legeringen kunnen dunnere buizen gemaakt worden. Hierdoor worden de fietsen lichter. De gebruikte staalsoort hangt ook af van de productiemethode. Zo vereist lassen met inductiewarmte een andere soort constructiestaal dan 'klassiek' lassen.
Brug
Voor de bouw van bruggen worden diverse soorten constructiestaal gebruikt.
Auto
Onderdelen zoals de remtrommel en de krukas in de motor worden gemaakt van zogenoemd moleculair gietijzer (met magnesium). Het plaatwerk is van staal, dat vrijwel altijd wordt voorzien van een laagje zink om corrosie tegen te gaan.
Boot
Schepen worden gemaakt van constructiestaal. Soms wordt roestvrij staal of aluminium gebruikt.
Machine
Voor machineonderdelen zoals lagers, ringen, zware kussenblokken e.d. is gietijzer het meest geschikt. Afhankelijk van de toepassing kan aan het ijzer koolstof (2-5 %), silicium (0,5 à 4 %), mangaan ( 0,5 - 1 %) of een ander metaal worden toegevoegd.
Onderdelen voor elektrische machines bevatten ijzer met een beetje silicium. Dit soort ijzer is giet- en smeedbaar en hittebestendig. Voor machine-onderdelen die zwaar en stotend belast moeten kunnen worden, wordt gietstaal gebruikt, dat 0,2 à 0,5 % koolstof bevat.
Een andere veel gebruikte soort is nikkelstaal, dat - afhankelijk van de toepassing - 2 tot 40 % nikkel bevat.
Magneet
Voor permanente magneten worden bijzondere legeringen gebruikt, bijvoorbeeld met nikkel (tot 28 %), kobalt (tot 20 %), aluminium (tot 12 %), chroom (tot 9 %) of molybdeen (tot 1,5 %). De magnetische werking daarvan is vele malen groter dan die van ijzer.
Namen van bekende legeringen zijn: fernico en triconal.
Conservenblik
Conservenblikken worden gemaakt van staal, bedekt met een laagje tin of kunststof (bijv. epoxyhars) om corrosie tegen te gaan.
Gereedschap
Voor het maken van gereedschappen, meet- en snijapparatuur, e.d. is een zeer harde en corrosiebestendige (en veelal temperatuurbestendige) staalsoort nodig. Meestal wordt staal gebruikt met 0,9 - 1,5 % koolstof, dat verder gelegeerd wordt met chroom, aluminium, silicium, en soms molybdeen, nikkel, vanadium, kobalt of wolfraam, afhankelijk van de beoogde toepassingen.
Snijgereedschap is vaak voorzien van een laag wolfraamcarbide (94%) met kobalt, dat zeer hard is. Men noemt dit materiaal Widia® (afkomstig van het Duitse “wie Diamant”).
Roestvrij stalen (snij)gereedschap is gemaakt van staal met circa 13 % chroom.
Spijker
Spijkers worden gemaakt van het zogenoemde klinknagelstaal.
Waterzuivering
Voor de zuivering van zwembad- en rioolwater en voor het helder houden van vijvers worden ijzer(III)verbindingen zoals ijzer(III)sulfaat {Fe2(SO4)3} en -chloride (FeCl3) gebruikt. In vijvers wordt een zuiverend effect bereikt door een stuk roestend ijzer op de bodem te leggen.
Door ijzerverbindingen toe te voegen, wordt fosfaat uit het water verwijderd, evenals colloïdaal opgelost vuil - zoals resten van algen, bacteriën en huidschilfers - dat niet via de filters uit het water kan worden gehaald. Bij het oplossen treden onder andere de volgende reacties met water op:
3 Fe3+ + 2 PO43- + 6 H2O → (FeOH)3(PO4)2 + 3 H3O+
en
Fe3+ + 6 H2O → Fe(OH)3 + 3 H3O+
Fe3+ + 4 H2O → Fe(OH)2+ + 2 H3O+
2 Fe3+ + 4 H2O → Fe2(OH)24+ + 2 H3O+
De gevormde ijzerdeeltjes destabiliseren de colloïdale oplossing, waardoor er een neerslag ontstaat dat kan worden afgefiltreerd.
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of legering:
ammoniakbereiding (katalysator)
ferrietantenne
gewapend beton
hoefijzer
indicator in de klinische radiochemie (59Fe)
katalytische hydrogenering: CO + H2O → H2 + CO2
magneetbanden, inductiespoelen (zeer zuiver ijzer)
messen (tot 30 % Cr)
opslagtank
oven, ketel (gietijzer gelegeerd met Cr, Ni, Si, Al)
transformatoren (Fe met weinig Si)
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
beitsmiddel FeCl2 FeCl3 Na- of KFe(SO4)2 Fe2(SO4)3 desinfectiemiddel FeSO4 elektrische geleider Fe3O4 etsen van aluminium FeSO4 fotografie FeC2O4 geluidsbanden ijzeroxiden, vnl. Fe2O3 geneesmiddel tegen bloedarmoede/ijzertekort FeC4H2O4 en andere ijzerverbindingen stoppen van bloedingen; bloedstolling FeCl3 houtconservering Fe(CH3COO)3 FeSO4 inktbereiding FeSO4.7H2O katalysator bij de ontzwaveling van gassen Fe(OH)3 kleurstof in schmink en poeder Fe2O3 kleurstof voor keramiek, email FeS kleurstoffen (Berlijns blauw) KFeFe(CN)6 (geel) Fe2(CrO4)3 kleurstoffen voor voedingsmiddelen (E172) Fe-oxide/hydroxide metaaletsmiddel FeCl3 onkruidbestrijding (o.a. tegen mos in het gazon) FeSO4 ontkleuring van plantenolie FeCl3 pigmenten o.m. voor gummi, linoleum, kunststof, verf en papier ijzeroxiden
polijstmiddel voor glas en diamant Fe2O3 tegen mond- en klauwzeer FeSO4 tegen stankoverlast FeSO4 verfstof, kleurstof voor glas Fe3O4 verven van textiel en leer Fe(CH3COO)2 Fe(CH3COO)3 zuivering van gassen (ijzeraarde) Fe2(CO3)3