Demir

Atom numarası 26 olan bir elementtir. Simgesi Fe dir (Lat. Ferrum dan)

Demir, yerkabuğunda en çok bulunan metaldir. Yerkürenin merkezindeki sıvı çekirdeğin de tek bir demir kristali olduğu tahmin edilmekle birlikte, demir nikel alaşımı olma ihtimali daha yüksektir. Dünyanın merkezindeki bu kadar yüksek miktardaki yoğun demir kütlesinin dünyanın manyetik alanına etki ettiği düşünülmektedir.

Demir metali, demir cevherlerinden elde edilir ve doğada nadiren elementel halde bulunur. Metalik demir elde etmek için, cevherdeki safsızlıkların kimyasal redüksiyon yoluyla uzaklaştırılmaları gerekir. Demir, aslında büyük ölçüde karbonlu bir alaşım olarak kabul edilebilecek olan çelik yapımında kullanılır.
Konu başlıkları

Kullanım alanları

Demir, tüm metaller içinde en çok kullanılandır ve tüm dünyada üretilen metallerin ağırlıkça %95'ini oluşturur. Düşük fiyatı ve yüksek mukavemet özellikleri demiri, otomotiv, gemi gövdesi yapımı, ve binaların yapısal bileşeni olarak kullanımında vazgeçilmez kılar. Çelik, en çok bilinen demir alaşımı olup, demirin diğer kullanım formları şunlardır:

• Pik demir: %4–%5 karbon ve değişen oranlarda safsızlıklar (S, Si, P gibi) içerir. Demir cevherinden dökme demir ve çeliğe giden yolda bir ara ürün olarak değerlendirilebilir.
• Dökme demir: %2–%4 arasında karbon, %1 – %6 silisyum, ve az miktarda manganez içerir. Pik demirde bulunan ve malzeme özelliklerini olumsuz etkileyen, kükürt ve fosfor gibi empüriteler, kabul edilebiir seviyelere düşürülmüştür. 1420–1470K arasındaki ergime sıcaklığı, her iki bileşeninin ergime sıcaklığından daha düşüktür ve bu özelliği ile demir ve karbon birlikte ısıtılmaları durumunda ilk ergiyen ürün olur. Mekanik özellikleri, büyük ölçüde, bileşiminde bulunan karbonun aldığı forma bağlıdır. 'Beyaz' dökme demirlerde karbon sementit veya demir karbür şeklindedir. Bu sert ve kırılgan bileşik, beyaz dökme demirleri sertleştirir fakat darbelere karşı dayanıksız kılar. Öte yandan, 'gri' dökme demirlerde karbon, serbest ince grafit pulcukları halindedir ve bu da, keskin kenarlı grafit pulcuklarının gerilim arttırma karakterinden dolayı malzemeyi kırılgan yapar. Gri dökme demirin daha yeni bir türü olan 'sünek demir'de ise, malzemenin tokluk ve mukavemetini arttırmak için, dökme demirin az miktarda magnezyum ile muamele edilip grafit pulcuklarının şeklinin küresel veya nodüler hale dönmesi sağlanır.
• Karbon çeliği: %0.4–%1.5 arasında karbon ile az miktarlarda manganez, kükürt, fosfor, ve silisyum içerir.
• Dövülebilir dökme demir: %0.2 den daha az karbon içerir, tok ve dövülebilr bir üründür.
• Alaşımlı çelik: değişen miktarlarda karbonun yanısıra, krom, vanadyum, molibden, nikel, tungsten gibi diğer metalleri de içerir ve daha çok yapısal alanlarda kullanılır. Demir-çelik metalurjisindeki son gelişmeler, çok çeşitli mikro-alaşımlandırılmış çeliklerin ('HSLA' veya 'yüksek mukavemet, düşük alaşım' çelikleri) ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu çelik alaşımlarının en büyük özeliği, çok küçük miktarlardaki alaşım elementi ilavesiyle çok yüksek mukavemet ve tokluğun elde edilebilmesidir.
• Demir(III) oksit: bilgisayarlarda manyetik depolama ünitelerinin yapımında kullanılır.

Tarihçe

Demirin ilk kullanımına dair işaretler, mızrak uçları, bıçak ve süs eşyası şeklinde olup Sümerlere ve eski Mısırlılara kadar (yaklaşık M.Ö. 4000 yılları) dayanmaktadır.

M.Ö.3500 ile M.Ö.2000 yılları arasında, Mezopotamya, Anadolu, ve Mısır civarında ergitilmiş demirden yapılmış objeler daha çok görülmeye başlanır. Bu objelerin içeriğinde nikele rastlanmaması da meteor taşlarından yapılmadıklarının bir göstergesidir. Ancak bunların kullanımlarının daha çok törensel olması, demirin o çağlarda altından bile daha pahalı olmasından dolayıdır. Örneğin İlyada'da savaş silahları bronzdan yapılmasına karşın demir ingotlar ticarette kullanılmaktadır. Bazı kaynaklara göre o çağlarda demir, bakır'ın saflaştırılması sırasında bir yan ürün olarak ('sünger demir') ortaya çıkmakta ve devrin metalurji bilgisi, demiri yeni baştan üretmeye yetmemektedir.

M.Ö.1600 ile M.Ö.1200 yıllarına gelindiğinde demirin Orta Doğu'da giderek artan bir şekilde kullanıldığı görülür, fakat gene de bronzun yerini alamaz.

M.Ö.1200 ile M.Ö.1000 yıllarında Orta Doğu'da, araç-gereç ve silah yapımında bronzdan demire hızlı bir geçiş yaşanmasının ardında demir işleme teknolojisinde kaydedilen bir gelişme değil, bronz yapımında kullanılan kalayın arzında yaşanan kesinti yatmaktadır. Dünyanın değişik yörelerinde değişik zamanlarda yaşanan bu geçiş süreci, yeni bir çağın, 'Demir Çağı'nın başlangıcının işareti olmuştur.

Bronzdan demire geçiş süreci sırasında gerçekleşen bir başka keşif de karbürizasyon olmuştur. Karbürizasyonun kelime anlamı demire karbon ilavesi prosesidir. Demir, sünger demir şeklinde kazanılmış ve tekrarlı bir şekilde katlanarak dövülmek suretiyle içerdiği curufun kütleyi terketmesi ve karbonun oksitlenmesi sağlanmıştır. Ancak dövülmüş dökme demirin çok az karbon içermesi nedeniyle su verme ile sertleştirilmesi pek kolay olmamaktaydı. Orta Doğu insanları, dökme demiri, odun kömürü üzerinde uzun süre ısıtıp daha sonra su veya yağda su vererek çok daha sert bir ürün elde etmeyi başarmışlardır. Elde edilen ürün, çeliğin yüzeyine sahipti ve yavaş yavaş yerini almaya başlayacağı bronzdan çok daha sert ve daha az kırılgandı.

Çin'de Zhou hanedanının son yıllarına doğru (M.Ö.550), oldukça gelişmiş ocak teknolojisi nedeniyle yeni bir demir üretim yöntemi ortaya çıktı. 1300K sıcaklıkları aşan yüksek fırın yapabilmeleri, Çinlilerin dökme demir (veya pik demir) üretmelerini sağladı.

Hindistan'da demirin kullanılışı M.Ö.250 yıllarına kadar geri gider. Delhi'de Kutup kompleksindeki ünlü demir direk, saf demirden (%98) yapılmış olup bugüne kadar bozulmadan gelebilmiş ve paslanmamıştır.

Demir, karbonla birlikte 1420–1470K sıcaklığa kadar ısıtıldığında oluşan sıvı ergiyik %96,5 demir ve %3,5 karbon içeren bir alaşımdır. Bu ürün ince detaylı şekiller halinde dökülebilirse de, içerdiği karbonun çoğunu uzaklaştırmak amacıyla dekarbürize edilmediği sürece, işlenebilmek için fazlasıyla kırılgandır.

Avrupa'da dökme demirin gelişimi, ergitme ünitelerinde 1000K nin üzerine çıkılamadığı için epeyce geç olmuştur. Batı Avrupa'da, orta çağın büyük bir kısmında demir, sünger demirin dövülerek dökme demire dönüştürülmesiyle elde edilmiştir. Dökme demirin Avrupa'da ilk ortaya çıkışı İsveç'in Lapphyttan ve Vinarhyttan bölgelerinde 1150 ve 1350 yıllarında olmuştur. Bu gelişimin Moğollar tarafından Rusya üzerinden bu bölgelere getirildiği şeklindeki hipotezler doğrulanmamıştır. 14. yüzyılın sonlarına doğru, top güllelerine olan talep artışıyla birlikte dökme demir pazarı oluşmaya başlamıştır.

İlk demir izabe (ergitme) işlemlerinde, hem ısı kaynağı hem de redükleme aracı olarak odun kömürü kullanılmıştır. 18. yüzyıl İngiltere'sinde ağaç kaynaklarının azalmasıyla birlikte alternatif olarak kok kömürü kullanılmış ve Abraham Darby'nin bu buluşu endüstri devrimi için gerekli olan enerji kaynağını ortaya çıkarmıştır.