železo

Železo (lat. ferrum, chem. značka Fe) je kov pro lidstvo ve příčině kulturní nejdůležitější. To však, co v průmysle, při řemeslech a v denním životě označuje se názvem železo, je látka zcela jiná, než železo chemie. Železo chemicky čisté má po vykování barvu stříbrně bílou, je měkké a jen dočasně magnetické. Jeho měrná váha je 7,73, při teplotě 1800 °C se roztavuje. Při suchu je v ovzduší dosti trvalé, na vlhku však rychle se okysličuje a dává rez. Žíháno na vzduchu pokrývá se vrstvou kysličníku (Fe₃O₄ okuje). Jemně rozprášeno rozkládá vroucí vodu a způsobuje vývoj vodíku. V kyselinách snadno se rozpouští. Je součástí mnohých látek, ale samo o sobě praktického významu nemá. Všechny druhy železa technicky důležitého obsahují přimíšeniny, jež jakostí a množstvím rozhodují o jeho kvalitě. Pro jakost železa nejdůležitějším je uhlík vždy v železe obsažený, vliv ostatních přimíšenin bývá sice značný, ale více neb méně nahodilý neb i zúmyslný. Čistý kov pohlcuje až 4,6% uhlíku, za přítomnosti manganu a chrómu ještě víc. Uhlík je při tom buď volný, jen mechanicky přimíšen, nebo vázaný. V onom případě vylučuje se jako nerozpustná ssedlina při rozpouštění železa v kyselinách, ve druhém případě je chemicky vázán se železem jako karbid čili uhlík zákalný. Mechanicky přimíšený uhlík vyskytuje se v železe ve dvou tvarech, totiž jako grafit č. tuha a jako t. zv. temperující uhlík. Grafit vylučuje se ze železa bohatého uhlíkem, zvlášť za přítomnosti křemíku, při pomalém chladnutí. Na odlitcích rychle ochlazených nepozoruje se zvlášť na povrchu, že by se grafit vylučoval. Temperující uhlík vylučuje se při žíhání čili temperování železa bohatého uhlíkem, vsak chudého manganem. Trvalým žíháním za přítomnosti kysličníku železitého vylučuje se ze železa jako kysličník uhelnatý, tím liší se od grafitu. Karbid v železe se vyskytující není látka samostatná a vylučuje se při schlazování železa ve formě jemných krystallů (Fe₃C, FeC₄, FeC₃, FeC₂). Uhlík zákalný vylučuje se ze železa již při ochlazeni, uhlík karbidový teprve za varu železa v rozředěných kyselinách. Na množství uhlíku zákalného závisí tvrdost železa a oceli. Se stoupajícím množstvím vázaného uhlíku stoupá tavicí teplota železa. Železo grafitické taví se snadněji než železo, v němž uhlík je chemicky vázán. Je také méně pevné a křehčí než železo s vázaným uhlíkem. Křemík (Si) vniká do železa redukcí kyseliny křemičité uhlím ve vysoké peci. železo může pojmouti až 10% křemíku, jenž vlastnosti jeho mění podobně jako uhlík, jen měrou menší. Vlivem křemíku vylučuje se grafit v surovém železe. Fosfor bývá obsažen již v rudách a příměscích jako fosforečnan vápenatý a přechází z nich při vysoké teplotě v peci úplně do železa. Zvyšuje jeho tvrdost, ale železo stává se současně lámavým za studena, láme se totiž při teplotě obyčejné i následkem slabých nárazů nebo otřesů. Síra vyskytuje se v železe jen ve množstvích zcela nepatrných. V kujném železe způsobuje lámavost za červeného žáru. Ve vysoké peci odvádí se pomocí vápenitých příměsků do strusky. Železo s větším množstvím síry je prakticky neupotřebitelné. Podobně jako síra působí na železo i měď a arsén. Kujné železo kazí se úplně již sledy cínu zcela nepatrnými. Mangan zvyšuje teplotu tavicí a schopnost železa rozpouštěti uhlík. Pevnost železa se stoupajícím množstvím manganu až do jisté míry roste, ale pak klesá. Mangan má v železe vliv opačný než křemík, působí proto vyměsování grafitu. Mangan váže síru a odvádí ji do strusky, zamezuje tedy lámavost železa za červeného žáru. Chróm, wolfram, nikl zvyšují tvrdost železa. Ryzí železo bylo zjištěno jen v některých meteoritech, pak ve tvaru zrnek v irském čediči. Pro dobývání železa nálezy tyto významu nemají. Hutnicky dobývá se železo jen z rud železných, jež jsou hlavně spojením železa s kyslíkem (kysličníky) neb s kyslíkem a vodíkem (hydroxydy), kyslíkem a kyselinou uhličitou (uhličitany). Sirnaté rudy železité možno hutnicky zpracovati teprve po vypražení a vyloužení. O rentabilitě výtěžku rozhoduje jistý minimální obsah železa (30 – 15%), cena rud, paliva, mzdy atd. Rozhodující vliv na výrobu železa, a to jak na postup hutnických prací tak i na jakost výrobku, mají různé cizorodě přimíseniny v rudách obsažené. Aby se látky ty odstranily a nabylo se rudy obsahující určité množství železa, sdružují se rudy, totiž promíchávají se v různých množstvích i jakosti mezi sebou i s různými přimíšeninami, jež dávají strusku snadno tavitelnou, která s cizími kovy snadno se spojuje a je odvádí. Tyto přimíšeniny označují se názvem tavidla. Nejdůležitější rudy železné jsou: Magnetovec (Fe₃O₄) obsahuje 45 – 66% železa a minimální množství fosforu (0,1 – 0,5%). Je barvy šedé a dává výborné železo Vyskytuje se ve Švédsku, Norsku, na Urále a v Sev. Americe. Krevel č. červená ruda železná (Fe₂O₃ haematit) obsahuje 68 – 70% železa. Nalézá se v Porýnsku, v Čechách (Krušná Hora, Komárov, Rokycany atd.), v Anglii, ve Španělsku a v Sev. Americe. Hnědel č. hnědá ruda železná má různé složení a vyskytuje se v Čechách, v Uhrách, v Durynsku, v Anglii atd. Vlastní hnědel obsahuje 30 – 55% železa, 7 – 30% vody a 8 – 30% kyseliny křemičité. Odrůdy hnědelu jsou limonit č. hnědel vláknitý s 50 – 58% železa a bobovec obsahující as 1,5% fosforu. Vedlejší druhy železa jsou kujná litina, temperovaná ocel, ocel cementová, niklová atd. Jemnozrný bobovec obsahující uhličitan zove se minetta. Vyskytuje se v mohutných ložiskách v Elsasko-Lotrinsku a v Lucembursku a obsahuje 21 – 46% železa. T. zv. drnová ruda železná povstala usazením z vod železitých a obsahuje až 55% železa. Ocelek č. siderit (FeCO₃) obsahuje 33 – 48% železa a obyčejně přimíšeniny uhličitanu, manganu, vápníku a hořčíku. Vyskytuje se ve starších horních útvarech v Korutanech, ve Štýrsku, v Čechách, Uhrách a v Německu. Neobsahuje fosfor a snadno se redukuje. Odrůdy sideritu jsou sferosiderit se 25 – 40% železa a příměsky hlinitými a blackband, černý siderit s obsahem 10 – 25% uhlíku. Týž nalézá se ve Vestfálsku, v Anglii a v okolí Cvikova. Kromě toho vyrábí se železo z kyzů železitých, ze strusky pecí pudlovacích a svářkových. Z rud, z kyzů však teprve po pražení, dobývá se železo poměrně snadno tím, že se žíhá za přítomnosti uhlí. Při tom spaluje se uhlík na kysličník uhelnatý a uhličitý a ubírá kyslík potřebný ke spalování částečně i rudám, tak že je redukuje a železo uvolní. Redukce děje se však za přítomnosti cizích látek, jež jen částečně přecházejí ve strusku, částečně však se spojují se železem, měníce jeho vlastnosti velmi podstatně. Nejdůležitějším z těchto příměsků je však uhlík, jehož přítomnost v železe svou kvalitou i kvantitou určuje nejhlavnější vlastnosti železoa a proto třídí se železo podle toho, kolik obsahuje uhlíku. Podle množství uhlíku dělí se železo na tři druhy: 1. železo surové, s množstvím uhlíku největším, totiž 2,3 – 6%; 2. ocel se středním množstvím uhlíku 0,5 – 2,3%; 3. železo kujné s nejmenším množstvím uhlíku pod 0,5%. Druhy ty nejsou přesně od sebe rozlišeny, ale největší množství uhlíku činí železo tavitelným, nejmenší zase kujným a svarným a střední druh – ocel – má vlastnosti obou tavitelnost i kujnost a svarnost a kromě toho i kalitelnost. Železo obsahující méně uhlíku než 2% je kujné a po roztavení husté, železo s obsahem uhlíku více než 2,8%, snadno se taví, není však kujné. Kujné železo, obsahující méně než 0,25% uhlíku, nedá se kaliti; přes tuto mez je kalení možně. Vzhledem ke způsobu výroby můžeme železo technicky upotřebitelné rozlišiti takto: a) Železo surové získává se tavením rud ve vysoké peci. Obsahuje uhlíku 2,3 – 6%, je křehké za tepla i za studena a není proto kujné a svařitelné, roztavuje se při 1160 – 1200 °C, aniž dříve změkne tak jako železo kujné. Pevnost jeho je 75 kg v tlaku, 12 kg v tahu a 25 kg v ohybu na mm², měrná váha 7 až 7,6. Podle vedení vysoké peci je množství uhlíku v železe surovém různé a rozeznáváme: 1. Železo šeré s obsahem 3 – 4% C, přichází do obchodu v kouscích 30 – 60 cm dlouhých, průřezu obyčejně polokulatého nebo lichoběžníkového. V obyčejné mluvě zove se litina šedá a leje se také přímo od vysokých peci do forem. Obsahuje hlavně uhlík grafitický, totiž jen mechanicky vázaný. Na lemu má barvu tmavě šerou, mdlou; má-li více uhlíku chemicky vázaného, barvu světle šerou, na přechodu z prvého druhu do druhého poněkud namodralou. Příčinou vylučováni grafitu je křemík. V roztaveném železe jest uhlík přítomen jako uhlík zákalný a tvoří se želem slitinu. Volným schlazováním ve formách vylučuje se uhlík ve tvaru lupínku jako grafit, rychlým schlazením na př. ve formách železných vylučování grafitu nenastává. Je k němu třeba teploty as 1100°C a přítomnosti jistého množství uhlíku a křemíku v železe. Jinak prostupuje železo jen ve formě žilek (železo poloviční) nebo teček (železo makové). Železo toto tvoří jaksi přechod k železu bílému. Pro účely slevárnické železo surové přetavuje se v kupolních pecech a je pak vlastně teprve železem slévacím č. litinou. Dělí se na několik druhů, z nichž každý se označuje číslem. Nejobvyklejší je posud číslování anglické. Litina č. 1. je nejměkčí, nejbohatší grafitem, tak že špiní ruku. Má pevnost poměrně malou a přeráží se snadno bez kovového zvuku. Lom je rovný, hrubě krystallický se stejnými krystally a s grafitem rovnoměrně mezi nimi uloženým. Snadno se taví, je pak bíle namodralá a vystupuje z ní mnoho šumu, poněvadž grafit vyplývá na povrch. Při vylévání teče mrtvě, totiž klidně, bez jisker. Užívá se jí za přísadu ke druhům ostatním, samostatná dává slitky nepevné a na povrchu neúhledné. Litina č. 2. Je jako předcházející velmi měkká, bohatá grafitem, má sice barvu světlejší, ale přec jen tmavošedou. Lom není úplně rovný, krystally jsou na obvodě jemnější, uvnitř hrubší. Roztavena je zřejmě načervenalá nebo nažloutlá a vydává ze zpodu šum. Přelévá-li se, teče klidně, ale sršívá jiskrami. Slouží za přísadu k č. 3. a hodí se jen pro menší slitky. Litina č. 3. je vlastním železem slévacím. Má na čerstvém lomu barvu význačně šerou a je drobně a hustě zrnitá, tvrdší než druhy předcházející, ale dosti ještě měkká pro zpracování. Snadno se taví, je pak velmi tekutá. Při tuhnutí se roztahuje a vyplňuje tudíž dobře formy. Litina č. 4. béře se jen na odlitky, jež se dále neobrábějí, je značně tvrdá. Na lomu je bílá protkaná žilkami grafitu. Litiny č. 5. užívá se k slévání jen výjimečně. Je čistě bílá a tvrdší než ocel. Aby se dosáhlo určitých vlastností, sdružují se čísla litiny podle potřeby. 2. Železo bílé sluje v obyčejné mluvě litina bílá, má na lomu sloh jemně neb hrubě zrnitý a barvu bílou, lesklou. Obsahuje uhlík chemicky vázaný (as 3,5% C, 2% Mn vedle fosforu), má značnou tvrdost a je křehké. Podle množství uhlíku taví se v mezích 1050 – 1100 °C. K slévání se hodí jen jako přísada, užívá se ho však k výrobě železa kujného a oceli. Podle lomu a dalšího zpracování rozeznáváme různé druhy, jako železo paprskové, zrcadlové, železo k pudlovaní, thomasování atd. Železo zrcadlové je na lomu silně lesklé, ba i duhově zabarveno, obsahuje 4 – 5% C a mnoho manganu (10 až 12, ba i 25%). 3. Ferromangany jsou slitiny železa s uhlíkem a manganem (30 – 85%). Lom jejich je hustý zrcadlový a nabíhá barvami. Užívá se jich při výrobě oceli. Vedle těchto druhův označuje se často surové železo a litina názvy místními, podle hutí, měst neb zemí, kde bylo vyrobeno: železo kladenské, vestfálské, americké atd. b) Železo kujné vyrábí se dnes skoro výhradně ze železa surového. Má značnou pevnost, je kujné a svařitelné, ale taví se jen při teplotách vyšších než železo surové a je pak husté. Obsahuje 0,4 – 2%, nejčastěji však jen 0,1 až 0,3% uhlíku, nejvýše 0,5% křemíku a malé množství fosforu a síry. Podle způsobu výroby rozeznáváme: 1. Železo svarové č. svářkové získává se ze železa surového tím, že surové železo přivede se do stavu těstového, při němž čásť přimísenin železa přechází do strusky, která se odstraňuje mačkáním neb kováním. Změklá zrnka železná se tím svaří, ale čásť strusky zůstává mezi nimi, sloh železa je pak následkem toho vláknitý. Železo svarové roztavuje se při 1400 – 1600 °C, měrná váha 7,8. Do množství uhlíku 0,04 – 0,4% je měkké, snadno kujné a svařitelně slohu zřejmě vláknitého a zove se kujným železem svářkovým v užším slova toho smysle. Železo obsahující více než 0,5% C má sloh zrnitý krystallinický, je tvrdší a rychlým ochlazením tvrdne ještě více (kalí se) a zove se svářkovou ocelí. Přivede-li se železo svářkové do žáru svarného (900 – 1200 °C), udržuje se dlouho ve stavu těstovitém. Dobře se tedy sváří, poněvadž rychle netuhne a částice na čisté ploše dobře k sobě přiléhají. Trhliny šíři se v něm jen až po souvislá vlákna, nejsou tedy tak nebezpečné jako u železa plávkového. 2. Kujné železo plávkové vzniká ze stavu tekutého a neobsahuje tudíž strusky, poněvadž tato následkem své menší měrné váhy sama se vylučuje. Je na lomu zrnité, až jemnozrné. Druhy obsahující méně než 0,4% C zovou se plávkovým železem v užším slova smysle, druhy bohatší uhlíkem jsou tvrdší, dají se kaliti a zovou se ocelí plávkovou. Žplávkové zůstává kratší dobu ve stavu těstovitém než železo svářkové a proto špatněji se svařuje. Vlastní kujné železo je za studena tím méně kujné, čím je tvrdší. Kováním tvrdne zvlášť na povrchu, křehne a na konec se tříští. Při teplotě 150 – 350 °C přichází do t. zv. modrého žáru, stává se křehkým a snadno lámavým, zvlášť při teplotě asi 300° (lámavost za modra). Na železe v modrém žáru ohýbaném objevují se pod mikroskopem trhliny. V černém žáru mezi 350 – 650°C zpracuje se železo dosti často, dobře se kove a ohýbá, není křehké, je vláčnější a měkčí než za studena. Nejčastěji zpracuje se však kujné železo za červeného žáru (650 – 900°C), při němž je v něm všechen uhlík rozpuštěn. Svařování děje se za t. zv. žáru bílého (1100 – 1300 °C). Ocel je nejčistší druh železa. Neobsahuje téměř nikdy křemíku, fosforu a síry, jen některým zvláštním druhům přidává se křemík i mangan, nikl, chróm, vizmut atd., aby se zvětšila pevnost, houževnatost nebo tvrdost. Obsahuje-li ocel jen uhlík, nazývá se obyčejná nebo uhlíková. Ostatní druhy jsou ocel speciální křemíková, manganová, vizmutová atd. Ocel uhlíková obsahuje 0,3 – 2 3/4% uhlíku a užívá se jí nejčastěji. Při větším množství uhlíku pozbývá kujnosti. Nejčastěji bývá v oceli uhlíku 0,3 – 1%. Druhy obsahující více uhlíku jsou křehké a nesnadno se kovou, druhy s obsahem 0,15 – 0,3% měkčí. V mezích 0,3 – 1% obsahu uhlíku má ocel kujnost menší než kujné železo, je tvrdší a pevnější, nesnadno se uhřivá a vyžaduje silnějších rázů než železo kujné. Ohřáta přes kujný žár ocel tato se spálí; nejlépe se kove při žáru červeném. Při mírném ohřátí na 200 – 300 °C ocel zvětšuje objem svůj více než kujné železo a vrací se při ochlazení na různých částech různou rychlostí do původních rozměrů. Tím nastává v ocelových předmětech jisté molekulární pnutí a způsobuje se za nepříznivých poměrů roztržení, části se odlupují a odtrhávají. Význačnou vlastností oceli je tvrdost. Obyčejně mluví se o oceli měkké, tvrdé a zvláště tvrdé. Ocel do 0,15% uhlíku je zvláště měkká, s 0,15 – 0,25% C je měkká, s 0,25 až 0,5% C střední a 0,5 – 1,5% C tvrdá. Tak jako při železe kujném nazývá se přirozeně tvrdou ocel, která po zpracování v červeném žáru vychladla na vzduchu. Přirozená tvrdost dá se zvýšiti trvalým zpracováním za studena. Tím však křehne, ale nabývá zase původní tvrdosti vyžíháním (klepání kos). Lisováním za červeného žáru a tuhnutím pod tlakem ocel rovněž tvrdne. Od kujného železa liší se však ocel tím, že tvrdost její možno také »uměle« zvýšiti náhlým ochlazením. Ocel nutno však před tím ohřáti aspoň na 500 °C. Říká se, že ocel lze tvrditi čili kaliti a je tato vlastnost ještě dnes nejobecnějším znakem oceli, ač do jisté míry neprávem, poněvadž železa, jež by se nedalo tvrditi, vůbec není. Tvrdnutí oceli při kalení vykládá se nejčastěji tím způsobem, že žárem rozpouští se uhlík zákalní a při ochlazení v jiné formě se spojuje zase se železem. Potřebný žár, do něhož je třeba ocel přivésti, je pro rozličné druhy různý a tím vyšší, čím méně je uhlíku. Ochlazování (hašení) musí se díti co nejrychleji a děje se buď v čisté vodě nebo ve vodě s přísadami, v oleji, loji, rtuti atd. Některé druhy oceli pukají ve chladicích prostředcích špatně volených. Čím rychleji ochlazuje hasicí tekutina, tím snadněji ocel tvrdne, ale také puká. Voda tvrdá, voda s přídavkem kyseliny sírové neb vápenného mléka zakalují více než voda měkká. V oleji kalí se sice bezpečněji, ale nedosahuje se též nejvyšší tvrdosti. Proto ocelové předměty často se ponořují napřed do oleje a pak teprve do vody. Tenké nástroje ohřívají se třeba jen do červeného žáru a nechají se chladnouti na vzduchu. Nejrychleji chladí rtuť. Dávají-li se do kalicího prostředku přísady, bývají uhlíkaté. Ocel stává se tím na povrchu tvrdší. Kalením ocelové předměty nabývají takové křehkosti, že by pukaly a že by části odprýskávaly. Proto se po zakalení tvrdost popouští, totiž zmenšuje zahřátím na určitý stupeň teploty menší než při kalení (200 až 350 °C). Předměty nechají se pak na vzduchu vychladnouti. Při popoustění nabíhají čisté kovové plochy t. zv. barvami zákalnými, jež odpovídají vždy určitému stupni ohřevu a zároveň určité tvrdosti. Každá zákalní barva je tedy známkou jiných vlastností a hodí se pro jiné předměty. Ocel popuštěná na 220 °C je bledě žlutá a hodí se na nástroje lékařské; 230° » » žlutá a hodí se na břitvy, nože, dláta; 245° » » temně žlutá; 255° » » světle hnědá a hodí se na nůžky; 265° » » tmavě hnědá a hodí se na sekery; 275° » » červená; 288° » » světle modrá a hodí se na péra hodin; 295° » » fialová a hodí se na pily a vrtáky; 310° – 320°C je temně modrá a hodí se na pily; přes 320 °C je šedá do zelenava. Položí-li se jeden konec tyče do ohně, popouští se tyč v barvách postupně za sebou. Barvy se nad 350°C znovu opakují. Ubude-li oceli zpracováním za horka značně uhlíku, zove se »spálená«. Na styku železných předmětů s látkami uhlíkatými za červeného žáru (přes 700 °C) bez přístupu vzduchu, uhlík přechází do železa, předměty se na povrchu ocelují. Postup obrácený nastává při styku oceli s látkami kyslíkatými, ocel pozbývá pevnosti a je na konec »spálená«. Spálená ocel »oživuje se« tím, že se zahřívá do červeného žáru a vkládá se do látek bohatých uhlíkem, jako jsou kalafuna, smůla, oleje a p. Ocel je na čerstvém lomu zrnitá, jen svarová ocel má stopy vláken. Zrno dosahuje při výrobě hutní jisté velikosti a kalením stává se drobnější a materiál je tvrdší. Ocel kalená má větší pevnost, tvrdost a pružnost než ocel nezakalená. U druhů s množstvím uhlíku as 0,1% je mez pružnosti před kalením asi 19 kg na mm², mez pevnosti 32,85 kg na mm². Zakalením stoupne pružnost na 33,8 kg na mm² a pevnost na 43,3 kg na mm². Zakalením zvětší se též objem as o 3%, ocel je pak specificky lehčí, různě podle svého chemického složení. Nejtvrdší jest ocel wolframová s obsahem 5,5 – 7% wolframu. Zavedena jako ocel speciální po prvé Mushetem. Nástrojů z této oceli lze bez zakalení užíti na obrábění nejtvrdších předmětů. Při tak značné tvrdosti je však kujnost a tažnost značně menší a proto mnohé továrny přidávají jen 4% wolframu. Jiné druhy oceli speciálních jsou ocel chrómová, titanová, niklová atd. Magnetování je při oceli tím snazší, čím jest ocel tvrdší. Proto nejsilnější magnety hotoví se z oceli wolframové. Na péra časoměrů vyrábí se těž ocel, již nelze magnetovati. Železo zpracovává se především sléváním, kováním, válcováním a lisováním, dále pak různými způsoby obrábění, vrtáním, hoblováním, pilováním atd. Kromě předmětů litých jsou nejznámější druhy obchodního železa drát, plechy a železo façonové čili údobné. Nejjednodušší tvar tohoto železa jsou tyče čili pruty vyválcované do různých profilů kulatých, čtvercových, obdélných atd. Tyče slabší do 7 cm² průřezu uvádějí se jako železo drobné č. jemné, tyče silnější jako železo hrubé. Užívá se jích hlavně v zámečnictví. Tyče ocelové vyrábějí se rovněž v různých průřezech a užívá se jich na výrobu pilníků, kos a jiných nástrojů. Podle tvaru profilu rozeznáváme façonová železa nejrůznějších názvů. Nejznámější druhy façonových želez vyrábějí se ve velkém a přicházejí do obchodu pod jmény železo kvadratické č. čtvercové, železo ploché průřezu obdélníkového, železo kulaté průřezu kruhového, železa úhlová různých průřezů, traversy atd. V moderním stavitelství strojovém i stavebním užívá se těchto želez nadmíru hojně. JPok.