Chemische Eigenschaften von Eisen

Einteilung der Eisenwerkstoffe

Reineisen als auch Reinsteisen
enthalten nur eine ganz geringe Menge Verunreinigungen, Carbonyleisen, Elektrolyseeisen, Weicheisen (je nach Gewinnungsverfahren)
Stahl
Unter Stahl versteht man alle ohne Nachbehandlung schmiedbare Eisenwerkstoffe mit Kohlenstofflegierungen bis 2 % Kohlenstoff
Gusseisen mit > 2 % Kohlenstoffgehalt
Werkstoff mäßig teilt man das Gusseisen in Gusseisen mit Lamellengraphit oder Kugelgraphit, Hartguss sowie weißen und schwarzen Temperguss ein.

Folgende Erze gibt es: Fe₃O₄ (Magneteisenstein) Eisengehalt von 65 bis 70 %
Fe₂O₃ (Roteisenstein oder Hämatit) Eisengehalt zwischen 30 und 50 %
FeO(OH) (Brauneisenstein oder Limonit) Eisengehalt zwischen 25 und 30 %
FeCO₃ (Spateisenstein bzw. Siderit) mit bis 48 % Eisengehalt, wegen seiner leichten Verhüttung ein wertvolles Eisenerz
FeS₂ (Schwefelkies oder Pyrit)
FeS (Manganhaltige Eisenerze)
(Mg,Fe)₂Si0₄ (Olivin)

Gewinnung von Roheisen

Der Prozess lässt sich als indirekte Reduktion bezeichnen:
3Fe₂0₃ + CO ---> 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO ---> 3FeO + CO₂
FeO + CO ---> Fe + CO₂

Eigenschaften des Eisens

Kernladungszahl 26; Atomgewicht 55,85; Isotope 54, 56, 57, 58; Rohdichte = 7,874 g/cm³ bei 293 K; Mittlere spezifische Wärme zwischen 0 °C bis 100 °C mit 0,111 cal/(g K); Zunahme von 0,1 auf 0,12 cal/(g K) von O °C auf 100 °C; eine stärkere Zunahme erfolgt, wenn der Curiepunkt erreicht wird.
Spezifischer elektrischer Widerstand etwa des reinen Eisens bei 20 °C beträgt 0,095 Ω mm²/m (nimmt bei Temperaturerhöhung zu).
Elektrisches Leitvermögen 10,5 m/(Ω mm²);
Reines Eisen hat die Wärmeleitzahl λ = 80,2 W/(m K);
Reines Eisen hat eine Zugfestigkeit 200 MPa bzw. σ_B = 25 kp/mm² mit Dehnung δ₁₀ (Bruchdehnung) von mehr als 40 %;
Streckgrenze σ_s = 10 kp/mm²;
Brinellhärte HB bei 60 kp/mm²,
E-Modul 210.000 MPa;
Schmelztemperatur 1.535 °C

Chemische Eigenschaften

Das Eisen zählt zu den unedlen Metallen mit einem Normalpotenzial von -0,44 V bei 20 °C. Sein Korrosionsverhalten lässt sich durch Legierungselemente stark beeinflussen.
Reines Eisen korrodiert genauso, wie das übliche technische Eisen, da die Wirkung von Korrosionselementen durch die Anwesenheit von Einschlüssen mit höherem Normalpotenzial zurücktritt gegenüber anderen Einflüssen. Kaltverfestigung erniedrigt das Normalpotenzial.

Eisen wird von den meisten Säuren angegriffen. Verdünnte Schwefelsäure greift Eisen stark unter Wasserstoffentwicklung an. Überschreitet der H₂SO₄-Gehalt 45 %, so lässt die Angriffswirkung nach und hört bei hoher Konzentration vollkommen auf. Man kann deshalb die Säure mit mehr als 90 % H₂SO₄-Gehalt in eisernen Behältern lagern und befördern.
Salzsäure greift Eisen stark an. Verdünnte Salzsäure und H₂SO₄ werden in der Industrie verwendet zum Blank beizen der Eisenoberflächen, d. h. zum Entfernen von Oxid- oder Rostschichten, wie sie bei der Verarbeitung auftreten. Kalte konzentrierte Salzsäure wirkt nur anfänglich auf Eisen ein, wobei das Fe passiviert wird. Man führt hier die Passivierung auf die Bildung eines dünnen Oxidfilms zurück, welcher den weiteren Angriff verhindert. Verdünnte Salpetersäure löst Eisen ohne Wasserstoffentwicklung auf, da der zunächst entstehende Wasserstoff durch die Säure zu Wasser oxidiert wird.
Eisen wird von konzentrierter H₃PO₄ nicht angegriffen, aber von verdünnter Phosphorsäure. Beim Angriff bilden sich auf der Oberfläche Eisenphosphate, welche eine Schutzwirkung ausüben und dadurch einen weiteren Angriff unterbinden können. Diesen Vorgang verwendet man bei dem Phosphatierungsverfahren, welches darin besteht, in phosphorsäurehaltigen Lösungen von Schwermetallen (insbesondere von Zink und Mangan) auf der Eisenoberfläche poröse, aber recht gut haftende Phosphatniedschläge zu erzeugen, die für Schmierstoffe und Lacke aufnahmefähig sind. Der mit Lack getränkt Phosphatüberzug ist ein ausgezeichneter Rostschutz.
Bei der Kaltverformung durch Ziehen oder Pressen im Gesenk lassen sich mit Teilen, welche phosphatiert worden sind, größere Änderung der gewünschten Formgebung vornehmen, als es sonst möglich wäre, da das Schmiermittel in den Poren des Überzuges verbleiben und dadurch die Reibung vermindert wird.

Quelle:
Friedrich Eisenkolb; Einführung in die Werkstoffkunde Band II - Eisenwerkstoffe, VEB Verlag Technik Berlin 1964