铁是自然界的一种元素,原子序数26,铁单质化学式为:Fe 。
纯铁在自然界中很少,也没有必要得到纯铁,因为其物理化学性能对古人来讲用处不大 。自古以来冶铁工业冶炼的铁实际上都是铁碳合金 。含碳0.5%以下而含有杂质的为熟铁 , 又称锻铁、软铁;其中杂质少的为低碳钢;含碳0.5%-2% , 而杂质少的,为中碳钢或高碳钢;含碳2%-5%为生铁 , 因为只能用浇铸、铸造的方法成型,因此又称铸铁 。
纯铁在自然界中几乎不存在,铁在自然界中一般以铁矿石的形态存在,有:Fe2O3(赤铁矿)、Fe3O4(磁铁矿)、FeCO3(菱铁矿)、FeS2(黄铁矿)等 。在一定温度下,这些铁矿石和还原剂接触,还原出铁 。还原过程从500摄氏度开始,要到1000度才能开始得到成体量的铁 。熟铁熔点是1500度,生铁熔点是1100度 。
在炉温达到1000度之前,人们无法通过冶炼得到铁 , 只能通过流星坠落获得陨铁 。陨石含铁的百分比很高(铁陨石中含铁90.85%),是铁和镍、钴的混合物,近似铁合金,因此很珍贵 。人们已经在古埃及前王朝的遗址中发掘出距今5000年的陨铁珠 。1972年在河北藁城台西村商代(公元前14世纪)遗址中出土了一件铁刃铜钺 。全钺残长11.1厘米,阑宽 8.5厘米,外刃部断失,残存刃部包入铜内约 1厘米,已全部氧化 。经鉴定,残刃中没有人工冶铁的特征;镍的分布表明,该刃为陨铁制成,不可能用人工冶铁获得 。迄今为止 , 中国出土了 4件陨铁刃青铜兵器 。
人类最开始进入冶炼时代后,率先冶炼的是熔点较低的铜矿石 。发明冶铁技术是人类历史上的大事,因为铁比铜的分布更广、储量更大 , 铁合金的硬度也更高 。初期的冶铁技术,炉子很小,矿石和碳一层一层放置 , 用鼓风箱鼓风,温度能达到1000度左右,被还原的铁块沉到炉底,不能熔化为液态流出炉外,而且还必须等到炉子冷却才能取出铁——这种物质是一种海绵状的熟铁块,结构疏松,含有很多氧化物,需要经过反复锻打 , 挤出杂质,才能得到较纯的熟铁块 。这种早期的炼铁技术称为块炼法 。2009年在甘肃临潭磨沟遗址发掘出两根铁条,C14经过树轮校正后绝对年代在公元前1510-前1310,即公元前14世纪 。经清华大学及牛津仪器公司检测 , 铁条由“块炼渗碳钢”锻打而成,是冶炼金属 。
生铁的熔点只有1100度,在块炼法炼铁时,如果炉内温度高一些,进入的空气多一些就可以炼出生铁 。生铁又分白口生铁、麻口生铁、灰口生铁三种 。其主要的区别在于含硅的多少 。硅可以使铁碳合金中的碳和铁呈现游离状态 。含碳或者含硅很低的生铁,即为白口生铁,其切面呈白色 。这种铁又硬又脆但是耐磨 。含硅1.5-3%之间,大部分的炭就处在游离状态了,切面呈灰色,这种生铁即为灰口生铁 。其硬度低,脆性?。?耐磨 。介于二者之间的即为麻口生铁——在白口之间有片状石墨 。其中以生产灰口生铁的难度最大 。中国大约在春秋后期就出现了白口生铁,比欧洲各国要早上1900多年;至迟在公元前5世纪的春秋末、战国初期就能对白口生铁进行柔化处理,使之成为锻铸铁,比西方早了2300多年;到了战国中期可以已经能够铸造麻口生铁;到了西汉中期可以铸造灰口生铁 。至此,除了球墨铸铁及合金铸铁之外,我国人民已经能够生产现代工业能够生产的所有品类的生铁品种 。而在河南巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁 , 经过金相检验,具有放射状的球状球墨铸铁 , 球化率相当于现代标准一级水平 。也就是说,在约2000年前的西汉时期,我国铁器中的球状石墨 , 就已由低硅的生铁铸件经柔化退火的方法得到了 。而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才在国外研制成功的 。这是我国古代铸铁技术的重大成就,也是世界冶金史上的奇迹 。
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