فولاد چیست و چه ویژگیهای متمایزی به عنوان یک آلیاژ دارد؟

فولاد آلیاژی از آهن و کربن  است که در آن میزان کربن تا ۲ درصد است زیرا مقادیر بالاتر باعث تولید چدن می شود. فولاد پرکاربردترین ماده برای ساخت زیرساخت ها و صنایع جهان است و  برای ساخت همه چیز از سوزن دوخت گرفته تا تانکرهای نفتی استفاده می شود. علاوه بر این ، ابزارهای مورد نیاز برای نوشتن چنین مقالاتی نیز از فولاد ساخته شده اند.

به عنوان نشانه ای از اهمیت نسبی این ماده باید بگوییم که در سال ۲۰۱۳ تولید فولاد خام جهان حدود ۱.۶ میلیارد تن بود  در حالی که تولید مهمترین فلز مهندسی بعدی یعنی آلومینیوم ، حدود ۴۷ میلیون تن بود. دلایل اصلی محبوبیت این آلیاژ هزینه نسبتاً پایین ساخت ، سهولت فرآوری آن ، فراوانی دو ماده اولیه آن (سنگ آهن و قراضه) و دامنه بی نظیر خواص مکانیکی آن است. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

ویژگیهای فولاد

جزء اصلی فولاد آهن است  فلزی که در حالت خالص خیلی سخت تر از مس نیست. آهن در حالت جامد مانند تمام فلزات دیگر  چند بلوری است – یعنی از بلورهای زیادی تشکیل شده است که در مرزهای خود به یکدیگر می پیوندند. بلور یک ترتیب منظم از اتم ها است که به بهترین شکل می توان آنها را به صورت کره هایی ترسیم کرد که یکدیگر را لمس می کنند.

آنها شبکه هایی را می سازند که به روش های خاصی به یکدیگر نفوذ می کنند. برای آهن ، آرایش شبکه را می توان به بهترین وجه توسط یک مکعب واحد با هشت اتم آهن در گوشه های آن مشاهده کرد. آلوتروپی آهن یعنی وجود آن به دو شکل بلوری برای منحصر به فرد بودن این آلیاژ کاملا ضروری است.

از مهمترین ویژگیهای این آلیاژ همانطور که تاکنون شنیده اید سختی و درخشندگی آن است. این ترکیب از نظر فیزیکی دارای نقطه ذوب بسیار بالا (حدود ۱،۵۱۰ درجه سانتی گراد ، بالاتر از بیشتر فلزات  به عنوان مثال برای مس این دما حدودا ۵۰۰ درجه کمتر است) و چگالی بسیار زیاد (۷.۹ گرم در سانتی متر مکعب ، تقریباً هشت چند برابر آب) است.

این آلیاژ در کل سخت تر و قوی تر از عنصر اصطلاحاً اصلی آن یعنی آهن است. با این وجود بسیار انعطاف پذیر است و به دلیل مقاومت کششی بالا توانایی مقاومت در برابر بارهای وارد شده یا نیروها ، بدون از دست دادن شکل را دارد.

مقاومت کششی انواع فولادها در مقایسه با مواد دیگر زیاد است اما بین انواع فولاد ها به میزان قابل توجهی متفاوت است. در انتهای پایینی این لیست مقادیر تقریباً N / mm2 290 است ولی در انتهای بالایی مقاومت کششی تا N / mm2 870 نیز می رسد.

انواع فولاد

بیشتر فولادی که امروزه تولید می شود نوع کربنی یا فولاد کربنی ساده نامیده می شود ، حتی اگر علاوه بر آهن و کربن ، فلزاتی مانند سیلیکون و منگنز نیز در آن وجود داشته باشد.

میزان تغییرات در این آلیاژ ممکن است از نظر سطح قابل توجه نباشد ، زیرا کربن هرگز بیش از ۱.۵ درصد از فولاد را تشکیل نمی دهد. با این حال ، وقتی در نظر بگیرید که این کسر کوچک می تواند خود با ضریب ۱۰ (۰.۱۵ درصد تا ۱.۵ درصد) متغیر باشد شروع به درک تأثیر فیزیکی آن می کنید.

این آلیاژ  را می توان با استفاده از تعدادی معیار به دسته های مختلف تقسیم کرد. مواردی که دانشمندان از آنها استفاده می کنند غالباً با معیار کسانی که عمده ترین محصولات تولیدی آنها از فولاد هستند ، متفاوت است که در ادامه شرح داده شده است.

همانطور که اشاره شد ، مقاومت کششی فولاد می تواند بین  N / m2 290 و  N / m2 870 باشد. افزودن کربن به فولاد به دلیل نحوه پراکنده شدن اتمهای کربن در میان اتمهای آهن ، کار را دشوارتر می کند , “دانه های Fe3C ” را تشکیل می دهد. این امر همچنین باعث شکنندگی بیشتر فولاد نسبت به آهن می شود ، بنابراین تبدیل آهن به فولاد علیرغم مزایای آشکار هزینه بر و سخت است.

فولاد کربنی

فولادهای کربنی ساده که از ۰.۰۶ درصد کربن تا ۱.۵ درصد کربن متغیر هستند ، بسته به میزان کربن به انواع زیر تقسیم می شوند.

• کربن ۲. فولاد کم کربن – ۰.۱۵ تا ۰.۴۵ درصد
• کربن ۳. فولاد با کربن متوسط – ۰.۴۵ تا ۰.۸ درصد
• کربن ۴ . فولاد پرکربن – ۰.۸ تا ۱.۵ درصد

فولاد ضد زنگ

نوعی فولاد است که نام خود را از مقاومت در برابر اکسیداسیون (زنگ زدگی) و همچنین در برابر خوردگی گرفته است ، همانطور که ممکن است در اثر استفاده از یک اسید قوی رخ دهد. این آلیاژ در سال ۱۹۱۳ توسط هری برللی متالورژیست انگلیسی اختراع شد. وی  کشف کرد با افزودن فلز کروم به فولاد در مقادیر زیاد (۱۳ درصد) ، کروم با اکسیژن موجود در هوا واکنش نشان می دهد و یک فیلم محافظ خود تجدید شونده در اطراف جسم تشکیل می دهد.

فولاد مارتنزیتی

این آلیاژ محتوی ۱۲ تا ۱۴ درصد کروم و ۰.۱۲ تا ۰.۳۵ درصد کربن است و اولین فولاد ضد زنگی بود که تولید شد. این فولادها مغناطیسی هستند و با عملیات حرارتی که روی آنها انجام می شود ، سخت می شوند. از این موارد در پمپ های هیدرولیک ، پمپ های بخار ، پمپ های روغن و شیرآلات و تجهیزات مهندسی دیگر استفاده می شود.

فولادهای ضد زنگ فریتیک

این آلیاژها مقدار بیشتری کروم دارند (۱۶ تا ۱۸ درصد) و حدود ۰.۱۲ درصد نیز حاوی کربن هستند. این فولادها نسبت به فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارند اما ظرفیت کمی برای سخت شدن با استفاده از گرما دارند. این فولادهای ضد زنگ به دلیل مقاومت زیاد در برابر خوردگی ، در درجه اول در فرم دهی و تحت فشار مورد استفاده قرار می گیرند.

فولادهای ضد زنگ آستنیتی

این نوع فولادها حاوی مقدار زیادی کروم و نیکل هستند. تغییرات زیادی در ترکیب شیمیایی آنها  وجود دارد اما بیشترین آنها استفاده از ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل  با حداقل کربن است.

آنها بسیار خوب در برابر خوردگی مقاومت می کنند به این دلیل که قابل حرارت دادن نیستند از این فولادها در شافت پمپ ، قاب ، غلاف و اجزای روزمره مانند مهره و پیچ استفاده می شود.

مزایای استفاده از فولاد

از جمله خواص مطلوب فولاد سازگار بودن با محیط زیست است. اگرچه ممکن است ساختارهای بزرگ فلزی که آسمان خراش های عظیمی هستند در نظر اول اینگونه تصور نشوند اما دوام زیاد آنها به این معنی است که  به عنوان مثال ، به یک ماده سمی تبدیل نمی شود و به آبهای زیرزمینی و مناطق دیگر نشت نمی کنند. منابع انرژی تجدید پذیر (به عنوان مثال ، انرژی خورشیدی ، بادی و انرژی آبی) از فولاد ضد زنگ استفاده فراوان می برند.

در حال حاضر فولاد بیشترین بازیافت را در کره زمین دارد. گرچه سنگین است  اما خواص مغناطیسی آن بازیابی از نهرها و مکانهای دیگر را آسان تر از سایر زباله ها می کند. این مسئله می تواند انتشار CO2  را در محیط زیست کاهش دهد.

در مقایسه با سایر مواد ، هنگام ساخت عناصر فولادی نسبتاً سبک به مقدار کمی انرژی نیاز است و می توان آن را به اشکال مختلف درآورد. این آلیاژ شکل و لبه بهتری نسبت به آهن دارد و برای ساخت سلاح نیز استفاده می شود.

کاربردهای مختلف فولاد

از فولاد بطور گسترده در صنعت خودرو استفاده می شود. به تعداد اتومبیل های موجود در جاده های شهر خود در ساعات شلوغ فکر کنید ، همه آنها دارای بدنه ، درها ، موتورها ، سیستم تعلیق و فضای داخلی هستند که عمدتا از فولاد تشکیل شده اند. به طور متوسط ۵۰ درصد ماشین از فولاد ساخته شده است.

از فولاد به جزء در وسایل نقلیه سفری ، در تولید وسایل نقلیه و ماشین آلات کشاورزی استفاده می شود. البته بیشتر لوازم خانگی مدرن مانند یخچال ، تلویزیون ، سینک ظرفشویی ، اجاق گاز و غیره نیز از فولاد “ساده” ساخته شده اند.

همه ما اکنون از نقش فولاد ضد زنگ در کارد و چنگال به خوبی آگاه هستیم. فولادهای ضد زنگ به خصوص به راحتی استریل می شوند و این یکی از ویژگی هایی است که آنها را به گزینه ای مناسب برای ابزارهای جراحی و ایمپلنت تبدیل می کند.

بنابراین نقش فولاد در زندگی امروزی فراتر از ساخت چارچوب نامرئی سازه های مدرن  است.  از فولاد موسوم به “ملایم” برای ساخت و سازهای روزمره ساختمان استفاده می شود  به ویژه در مناطقی که باد شدید از ویژگی های آب و هوای محلی است.

روش تولید فولاد

وقتی آهن از سنگ معدن خود ذوب می شود ، حاوی مقدار بیشتری کربن از میزان مطلوب آن است. برای تبدیل شدن به فولاد ، باید فرآوری مجدد شود تا کربن به مقدار مناسبی کاهش یابد ، در این مرحله می توان عناصر دیگری را نیز به آن اضافه کرد. در گذشته ، تاسیسات فولادی محصول فولاد خام را در شمش هایی می ریختند که تا زمان استفاده در فرآیندهای تصفیه ای بیشتر که منجر به تولید نهایی می شود ، ذخیره می شدند.

در تأسیسات مدرن ، محصول اولیه نزدیک به ترکیب نهایی است و به طور مداوم به دال های بلند ریخته می شود ، به شکل میله و اکستروژن برش داده می شود و تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا محصول نهایی تولید شود. امروزه ، تقریباً ۹۶٪ از فولاد به این شکل ساخته می شود در حالی که فقط ۴٪ به صورت شمش تولید می شود.

شمش هایی که به روش اول تهیه شده بودند را سپس در یک گودال خیس کرده و به صورت اسلب ، ورقه یا شکوفه گرم می کنند. اسلب ها به صورت ورق سرد یا گرم به ورق یا ورق نورد تبدیل می شوند.

شمش ها به صورت گرم یا سرد در میله ها ، رول ها و سیم ها می غلتند. شکوفه ها به صورت گرم یا سرد در فولاد سازه ای مانند میلگردها و ریل ها مورد استفاده قرار می گیرند.  در کارخانه های مدرن تولید فولاد ، این فرآیندها اغلب در یک خط مونتاژ اتفاق می افتد ، یعنی سنگ معدن وارد شده و محصولات فولادی تمام شده خارج می شوند. گاهی اوقات پس از نورد نهایی ، فولاد  برای مقاومت تحت حرارت دهی قرار می گیرد. مراحل تولید فولاد از سنگ آهن بدین ترتیب انجام می شود.

روش های تولید فولاد در ایران

فولاد خام در ایران به دو روش زیر تولید می شود:

در روش اول که به عنوان  روش سنتی شناخته می شود شامل تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند و تولید فولاد در کنورتورهای اکسیژنی است.  این روش در ذوب آهن اصفهان انجام می شود.

در این روش از احیای غیر مستقیم آهن استفاده می شود و سنگ آهن پس از فرآوری به همراه آهک و کک وارد کوره بلند شده و به آهن خام یا چدن مذاب تبدیل می شود. ترکیب اخیر سپس در یک مبدل به فولاد مذاب تبدیل شده و کربن و ناخالصی های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج می شود تا فولاد خام بدست بیاید.

روش دوم احیای مستقیم سنگ آهن و قراضه ها در کوره های الکتریکی است. کوره های قوس الکتریکی فولاد خوزستان یا کوره های القایی مجتمع فولاد جنوب از این روش برای تولید فولاد استفاده می کنند. روش های دیگری نظیر روش کوره باز نیز برای تولید فولاد وجود دارد ولی به دلیل بازدهی کم در بیشتر نقاط دنیا مورد استفاده قرار نمی گیرد.