26  Fe
IJzer 


Voorkomen
Wingebieden
Naam
Ontdekking
Bereiding vroeger
Bereiding nu
Toepassingen en toelichting
Verdere toepassingen

 

 

 

VOORKOMEN

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.

WINGEBIEDEN

De belangrijkste wingebieden liggen in China, BraziliŽ, Rusland, West-Austra­liŽ, 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-AustraliŽ ligt de grootste mijn met een productie van enige tiental­len miljoenen tonnen hematiet (met ca. 70 % ijzer) per jaar.

NAAM

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.

ONTDEKKING

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.

BEREIDING VROEGER

De Hittieten (in AziŽ; 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 indus­triŽle 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.

BEREIDING NU

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 + CO

 

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 ťen 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 uitzettings­coŽfficiŽnt 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

TOEPASSINGEN EN TOELICHTING

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 ŗ 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 ŗ 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 Widiaģ (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 colloÔdaal opgelost vuil - zoals resten van algen, bacteriŽn 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 colloÔdale oplossing, waardoor er een neerslag ontstaat dat kan worden afgefiltreerd.

VERDERE TOEPASSINGEN

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