纯铁
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纯铁(Pure Iron)
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什么是纯铁[1]
纯铁是指工业纯铁，它的含铁量为99．8％～99．9％。其余为十几种杂质元素，如C、Si、Mn、S、P等，其中碳的含量约占0．0008％～0．0218％。
纯铁的特点[2]
- (1)纯铁的概念
铁碳合金相图中，熔点为1538℃，含碳量为零的δ-Fe，称其为纯铁。炼钢使用的工业纯铁是含碳量(质量分数)≤0．020％，并含有硅、锰、磷、硫、铝等元素，有别于纯铁。
- (2)纯铁的晶格结构变化
液态纯铁从1538℃凝固开始到912℃区间其晶格结构发生三种变化。由于其本质仍为纯铁，故把这种变化称为同质异晶转变。
- (3)纯铁的磁性变化
常温下纯铁为铁磁性金属，温度高于770℃转变为非铁磁性金属。这个转变温度又称为居里点。
- (4)纯铁的塑性
纯铁的塑性随含碳量增加而降低。含碳量(质量分数)为0．02％的工业纯铁仍具有良好的冷热加工塑性，可以冷轧制成薄板、带材等。
纯铁及其同素异构转变[3]
许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属，在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下，在不同的温度或压力范围内存在两种或两种以上的晶格形式，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。同一元素的金属在固态下随温度改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变(Allotropic Transformation)，或称多晶型转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体称为同素异构(晶)体。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。
纯铁在冷却过程中出现3种同素异构体，整个转变过程如图1所示。液态纯铁在1538℃时开始结晶出具有体心立方晶格的δ-Fe；继续缓冷到1394℃时，δ-Fe开始转变为具有面心立方晶格的γ-Fe；再冷却到912℃时又由γ-Fe转变为具有体心立方晶格的α-Fe；继续冷却直到室温时，α-Fe的晶格类型不再发生变化。
因为纯铁具有同素异构转变现象，所以在生产上能对钢和铸铁进行相变热处理，以达到改变钢铁内部组织和提高性能的目的。
金属(如纯铁等)的同素异构转变是一个重结晶过程，遵循结晶的一般规律：有一定的转变温度，转变时需要过冷，有潜热产生，转变过程也是由晶核的形成和晶核长大来完成。但是，这种转变是在固态下发生的，原子扩散较液态困难得多，因而比液态结晶需要有更大的过冷度；转变时由于晶格的致密度改变引起晶体的体积变化，往往要产生较大内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1％。在钢淬火时，这种转变会产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。一般来说，纯铁总是含有一些杂质。工业纯铁常含有W杂=0．1％～0．2％，含碳量很低，虽然塑性好，但强度和硬度都很低，所以很少用它制造机械零件，工业生产中常用的是铁碳合金。
纯铁的性能与用途[4]
(1)成分及力学性能 工业纯铁含铁量一般为99．8％～99．9％，常含有0．1％～0．2％的杂质(主要是碳)，其力学性能如下：
①抗拉强度 σb=180～280 MPa；
②屈服强度 σa=100～170 MPa；
③伸长率 δ=30％～50％；
④断面收缩率 ψ=70％～80％。
(2)用途 纯铁的塑性、韧性较好，强度、硬度很低，因此很少作为结构材料使用。纯铁具有很高的磁导率，主要用途是利用其铁磁性，制作仪器仪表的铁磁芯等要求软磁性的设备。
纯铁的切削[5]
纯铁又称工业纯铁，其金相组织是铁素体，硬度为HB80，强度低而塑性、韧性高。切削纯铁时有以下特点：
(1)纯铁的伸长率为50％，加工时变形大，硬化严重，切屑易与刀具粘结，加剧刀具磨损。
(2)切屑不易折断，常缠绕在工件或刀具上，影响切削的顺利进行和工件的加工表面质量，切削时切削温度较高，影响刀具耐用度。
(3)在纯铁中加入1％的镍、锰或硅，可使晶体结构发生不同程度的变化，力学性能也随之发生变化，强度、硬度提高而塑性、韧性降低，因而其切削加工性可以得到改善。
切削纯铁可选用高速钢和硬质合金作刀具材料。一般粗车时用W18Cr4V高速钢、YG8硬质合金，精车时可采用YT14硬质合金刀具。纯铁的硬度低而塑性大，应加大刀具前角，ro=25°～30°，αo=8°～10°，αo'=6°～8°，kr=35°～75°，kr'=5°～15°，λα=0°～3°。前刀面上的倒棱宽度可取0．05mm～0．15mm，卷屑槽宽度为进给量的15倍～20倍，卷屑槽圆弧半径可大些，使排屑顺利。切削用量的选择如下：粗车时vo=50m／min，ap=3mm～6mm，f=O．35mm／r～0．4mm／r；精车时vo=60m／min～80m／min，ap=0．1mm～0．4mm，f=0．1 mm／r。
为了取得较好的断屑效果，可采用双刃倾角车刀(图2)进行切削。即在主切削刃上靠近刀尖处磨出第二个刃倾角，使切屑变形充分，能够在较小的进给量时断屑，且刀尖强度好，刀具耐用度高。
工业纯铁与硅钢的区别[6]
工业纯铁铁含量在99．5％～99．9％，碳含量在0．04％以下，是接近纯铁的钢，一般称为工业纯铁。一般工业纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。常见有两种规格，一种是作为深冲材料的可以冲压成极复杂的形状；另一种是作为电磁材料的。有高的感磁性和低的抗磁性。
含硅为1．0％～4．5％，成品含碳量低于0．03％的硅合金叫硅钢。它有特殊的性能，即导磁率高，矫顽力低，电阻系数大，因而磁滞损失和涡流损失都小。主要用作电机、变压器、电器以及电工仪表中的磁性材料。这类钢通常轧成薄板和棒材后使用。
