純鐵
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純鐵(Pure Iron)
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什麼是純鐵[1]
純鐵是指工業純鐵，它的含鐵量為99．8％～99．9％。其餘為十幾種雜質元素，如C、Si、Mn、S、P等，其中碳的含量約占0．0008％～0．0218％。
純鐵的特點[2]
- (1)純鐵的概念
鐵碳合金相圖中，熔點為1538℃，含碳量為零的δ-Fe，稱其為純鐵。煉鋼使用的工業純鐵是含碳量(質量分數)≤0．020％，並含有硅、錳、磷、硫、鋁等元素，有別於純鐵。
- (2)純鐵的晶格結構變化
液態純鐵從1538℃凝固開始到912℃區間其晶格結構發生三種變化。由於其本質仍為純鐵，故把這種變化稱為同質異晶轉變。
- (3)純鐵的磁性變化
常溫下純鐵為鐵磁性金屬，溫度高於770℃轉變為非鐵磁性金屬。這個轉變溫度又稱為居裡點。
- (4)純鐵的塑性
純鐵的塑性隨含碳量增加而降低。含碳量(質量分數)為0．02％的工業純鐵仍具有良好的冷熱加工塑性，可以冷軋製成薄板、帶材等。
純鐵及其同素異構轉變[3]
許多金屬在固態下只有一種晶體結構，如鋁、銅、銀等金屬，在固態時無論溫度高低，均為面心立方晶格。鎢、鉬、釩等金屬則為體心立方晶格。但有些金屬在固態下，在不同的溫度或壓力範圍記憶體在兩種或兩種以上的晶格形式，如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等，這類金屬在冷卻或加熱過程中，其晶格形式會發生變化。同一元素的金屬在固態下隨溫度改變，由一種晶格轉變為另一種晶格的現象，稱為同素異構轉變(Allotropic Transformation)，或稱多晶型轉變。由同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體稱為同素異構(晶)體。金屬的同素異構轉變與液態金屬的結晶過程相似，故稱為二次結晶或重結晶。
純鐵在冷卻過程中出現3種同素異構體，整個轉變過程如圖1所示。液態純鐵在1538℃時開始結晶出具有體心立方晶格的δ-Fe；繼續緩冷到1394℃時，δ-Fe開始轉變為具有面心立方晶格的γ-Fe；再冷卻到912℃時又由γ-Fe轉變為具有體心立方晶格的α-Fe；繼續冷卻直到室溫時，α-Fe的晶格類型不再發生變化。
因為純鐵具有同素異構轉變現象，所以在生產上能對鋼和鑄鐵進行相變熱處理，以達到改變鋼鐵內部組織和提高性能的目的。
金屬(如純鐵等)的同素異構轉變是一個重結晶過程，遵循結晶的一般規律：有一定的轉變溫度，轉變時需要過冷，有潛熱產生，轉變過程也是由晶核的形成和晶核長大來完成。但是，這種轉變是在固態下發生的，原子擴散較液態困難得多，因而比液態結晶需要有更大的過冷度；轉變時由於晶格的緻密度改變引起晶體的體積變化，往往要產生較大內應力。例如γ-Fe轉變為α-Fe時，鐵的體積會膨脹約1％。在鋼淬火時，這種轉變會產生應力，嚴重時會導致工件變形和開裂。一般來說，純鐵總是含有一些雜質。工業純鐵常含有W雜=0．1％～0．2％，含碳量很低，雖然塑性好，但強度和硬度都很低，所以很少用它製造機械零件，工業生產中常用的是鐵碳合金。
純鐵的性能與用途[4]
(1)成分及力學性能 工業純鐵含鐵量一般為99．8％～99．9％，常含有0．1％～0．2％的雜質(主要是碳)，其力學性能如下：
①抗拉強度 σb=180～280 MPa；
②屈服強度 σa=100～170 MPa；
③伸長率 δ=30％～50％；
④斷面收縮率 ψ=70％～80％。
(2)用途 純鐵的塑性、韌性較好，強度、硬度很低，因此很少作為結構材料使用。純鐵具有很高的磁導率，主要用途是利用其鐵磁性，製作儀器儀錶的鐵磁芯等要求軟磁性的設備。
純鐵的切削[5]
純鐵又稱工業純鐵，其金相組織是鐵素體，硬度為HB80，強度低而塑性、韌性高。切削純鐵時有以下特點：
(1)純鐵的伸長率為50％，加工時變形大，硬化嚴重，切屑易與刀具粘結，加劇刀具磨損。
(2)切屑不易折斷，常纏繞在工件或刀具上，影響切削的順利進行和工件的加工錶面質量，切削時切削溫度較高，影響刀具耐用度。
(3)在純鐵中加入1％的鎳、錳或硅，可使晶體結構發生不同程度的變化，力學性能也隨之發生變化，強度、硬度提高而塑性、韌性降低，因而其切削加工性可以得到改善。
切削純鐵可選用高速鋼和硬質合金作刀具材料。一般粗車時用W18Cr4V高速鋼、YG8硬質合金，精車時可採用YT14硬質合金刀具。純鐵的硬度低而塑性大，應加大刀具前角，ro=25°～30°，αo=8°～10°，αo'=6°～8°，kr=35°～75°，kr'=5°～15°，λα=0°～3°。前刀面上的倒棱寬度可取0．05mm～0．15mm，捲屑槽寬度為進給量的15倍～20倍，捲屑槽圓弧半徑可大些，使排屑順利。切削用量的選擇如下：粗車時vo=50m／min，ap=3mm～6mm，f=O．35mm／r～0．4mm／r；精車時vo=60m／min～80m／min，ap=0．1mm～0．4mm，f=0．1 mm／r。
為了取得較好的斷屑效果，可採用雙刃傾角車刀(圖2)進行切削。即在主切削刃上靠近刀尖處磨出第二個刃傾角，使切屑變形充分，能夠在較小的進給量時斷屑，且刀尖強度好，刀具耐用度高。
工業純鐵與硅鋼的區別[6]
工業純鐵鐵含量在99．5％～99．9％，碳含量在0．04％以下，是接近純鐵的鋼，一般稱為工業純鐵。一般工業純鐵質地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。常見有兩種規格，一種是作為深沖材料的可以衝壓成極複雜的形狀；另一種是作為電磁材料的。有高的感磁性和低的抗磁性。
含硅為1．0％～4．5％，成品含碳量低於0．03％的硅合金叫硅鋼。它有特殊的性能，即導磁率高，矯頑力低，電阻繫數大，因而磁滯損失和渦流損失都小。主要用作電機、變壓器、電器以及電工儀錶中的磁性材料。這類鋼通常軋成薄板和棒材後使用。
