فلزات آهنی، از جمله آهن، چدن و فولاد، عناصری اساسی در ساخت و ساز و تولیدات صنعتی هستند. سنگ آهن، ماده اولیه اصلی در این فرآیند است که با ذوب شدن در کورههای آهنسازی، آهن خام را تولید میکند. آهن خام سپس به عنوان پایهای برای تولید آهن معمولی، چدن و فولاد مورد استفاده قرار میگیرد. این فلزات، به ویژه آهن، کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارند و ۹۵ درصد فلزات تولید شده در جهان را تشکیل میدهند. آهن، فلزی سنگین و درخشان با رنگ خاکستری است که از معادن استخراج میشود. چدن و فولاد نیز از آهن خام مشتق شده و به دلیل قیمت مناسب و مقاومت بالا، در ساخت ساختمانها، خودروها و کشتیهای بزرگ مورد استفاده قرار میگیرند. در صنعت ساختمان، آهن به شکلهای مختلف مانند میلگرد با مشتقاتی نظیر میلگرد بستر، تیرآهن، ورقهای فلزی و انواع اتصالات به کار میرود. برای درک بهتر این فلزات، لازم است با ویژگیهای هر یک و فرآیند تولید آنها آشنا شویم.
تفاوتهای اصلی بین آهن، فولاد و چدن
تفاوت بین آهن، فولاد و چدن در میزان کربن موجود در مواد است. آهن خالص هیچ کربنی ندارد، فولاد هر آلیاژ آهنی است که تا ۲ درصد وزنی کربن داشته باشد و چدن به هر آلیاژ آهنی با بیش از ۲ درصد وزنی کربن گفته می شود. در عمل، آلیاژهای آهن به ندرت بیش از ۴ درصد وزنی کربن دارند.
- آهن خالص: فاقد کربن است و به عنوان فریت شناخته میشود. این ماده در دمای اتاق دارای ساختار بلوری BCC است.
- فولاد: آلیاژی از آهن است که حداکثر تا ۲ درصد وزنی کربن دارد. فولاد ترکیبی از آهن (Fe) و سمنتیت (Fe3C) است. سمنتیت خالص بسیار قوی اما شکننده است، اما وقتی در کنار آهن نرم قرار میگیرد، ترکیب حاصل همچنان نرم باقی میماند و به طور قابل توجهی قویتر میشود.
- چدن: آلیاژی از آهن است که بیش از ۲ درصد وزنی کربن دارد. چدن معمولاً شامل سه فاز فریت، سمنتیت و گرافیت است و به دلیل شکنندگی بالا، بیشتر برای ریختهگری استفاده میشود.
خواص آهن، فولاد و چدن
- آهن خالص: ضعیفتر از فولاد و چدن است و دارای نقطه ذوب بالاتری است.
- فولاد: قویتر، سختتر و مقاومتر از آهن است و در عین حال شکنندهتر است.
- چدن: شکنندهتر از فولاد و آهن است و به دلیل وجود گرافیت، در برابر کشش ضعیف اما در برابر فشار قوی است.
کاربردها
- فولاد: به دلیل خواص مکانیکی برتر و هزینه مناسب، در بسیاری از کاربردهای مهندسی مانند ساختمانها، خودروها و پلها استفاده میشود.
- چدن: به دلیل هزینه پایین و توانایی جذب ارتعاشات، در ساخت قطعاتی مانند قابهای ماشینآلات استفاده میشود.
- آهن خالص: بیشتر در فرآیندهای شیمیایی و به عنوان کاتالیزور استفاده میشود و کاربرد ساختاری خاصی ندارد.
متالورژی آهنی: مبانی مطلق
اکنون که تعاریف آهن، فولاد و چدن را می دانید، بیایید در مورد اینکه چرا مقدار کمی کربن چنین تفاوتی ایجاد می کند صحبت کنیم.متالورژی معمولاً بین “آهنی” و “غیرآهنی” تقسیم می شود زیرا فولاد فلز مهمی است.
فولاد نه تنها برخی از بهترین خواص مکانیکی را نسبت به هر ماده ای دارد، بلکه ارزان است و شیمی پیچیده ای نیز دارد. مهندسان می توانند با تنظیم ترکیبات و تکنیک های پردازش، خواص فولاد را به طور چشمگیری تغییر دهند. قیمت میلگرد بستر که کار تولید مجموعه براتلو است در زیرمجموعه فولاد قرار می گیرد.
آهن خالص یا فریت (فریت به معنای ساختار کریستالی BCC است که در دمای اتاق صادق است) یک فاز منفرد با اتم های آهن است. بسته به دما، آهن می تواند مقادیر بسیار کمی کربن را در محلول جامد بینابینی حل کند.از آنجایی که مقادیر ناچیز کربن به آهن خالص اضافه می شود، فولاد حاصل می شود. فولاد مخلوطی از آهن (آهن) و Fe3C (سیمانیت) دارد. سمنتیت خالص بسیار قوی، اما شکننده است. اما اگر سمنتیت توسط آهن شکل پذیر ⍺ احاطه شود، مخلوط حاصل شکل پذیر باقی می ماند اما به طور چشمگیری استحکام آن افزایش می یابد.
فولادهای با محتوای کربن بالاتر دارای کسر سمنتیت بیشتری هستند. این باعث می شود آنها قوی تر، اما انعطاف پذیری کمتری داشته باشند. در برخی موارد، آنها به طور کامل انعطاف پذیری را از دست می دهند.
آلیاژهای آهن با کربن کافی که شکل پذیری خود را به طور کامل از دست می دهند، چدن نامیده می شوند. معمولاً، این بدان معنی است که بیش از ۸.۶۷ در٪ (۲ wt٪) کربن دارد. با این مقدار کربن، آلیاژهای ریخته گری معمولاً دارای هر ۳ فاز هستند: فریت (Fe)، سیمانیت (Fe3C) و گرافیت (C).
انواع آهن بر اساس درصد کربن
کربن، عنصری حیاتی در تعیین ویژگیهای آهن و فلزات آهنی است. میزان کربن در آهن خام بالا است، که منجر به تردی آن میشود و باعث میشود در برابر چکشکاری و نورد شدن مقاوم باشد. کربن همچنین دمای ذوب فلزات را کاهش میدهد.
آهن خام دو نوع اصلی دارد:
- آهن معمولی
- آهن خالص
آهن معمولی، حاوی حدود ۲ درصد کربن است و از کربونیزاسیون آهن خام به همراه آهن قراضه در کوره به دست میآید. دمای ذوب آن حدود ۱۱۳۰ درجه سانتیگراد است و در هوای مرطوب زنگ میزند، بنابراین نیاز به پوششهای ضدزنگ دارد. این نوع آهن در صنایع مختلف، از جمله ساخت ماشینآلات صنعتی و ساختوساز کاربرد دارد.
آهن خالص، با میزان کربن بسیار کم، حدود ۰.۰۲ درصد، دارای انعطافپذیری و مقاومت کششی بالایی است. دمای ذوب آن حدود ۱۵۴۰ درجه سانتیگراد است که جوشکاری آن را دشوار میکند. آهن خالص در برابر خوردگی مقاوم است و به دلیل ویژگیهای خاص خود، در ساخت چدن و فولاد مورد استفاده قرار میگیرد.
انواع آهن خام بر اساس ساختارهای کریستالی
آهن خام، مادهای اساسی در صنعت فولادسازی و چدن، دارای انواع مختلفی بر اساس ساختار کریستالی خود است. این انواع شامل موارد زیر است:
- آهن خام سفید
- آهن خام خاکستری
- آهن خام نیمه خاکستری
آهن خام سفید، حاصل سرد شدن سریع آهن، دارای کربنی است که به گرافیت تبدیل نشده و رنگ روشن نقرهای خود را حفظ میکند. این نوع آهن در فولادسازی کاربرد دارد و سیلیسیم کمی دارد، که منجر به سختی و تردی آن میشود. سطح شکسته آن دانههای ریز و درخشان دارد.
در مقابل، آهن خام خاکستری، در اثر سرد شدن آهسته آهن، کربن خود را به گرافیت تبدیل میکند، و رنگ تیرهتری به خود میگیرد. این نوع آهن در ساخت چدن استفاده میشود و حاوی سیلیسیم بالایی است که باعث نرمی و عدم تردی آن میگردد. سطح شکسته آن دانههای درشت و خاکستری رنگ دارد.
آهن خام نیمه خاکستری، ترکیبی از ویژگیهای دو نوع قبلی است و در تولید فولاد و چدن سخت کاربرد دارد.
انواع چدن
چدنها به عنوان یکی از مهمترین مواد در صنعت، دارای انواع مختلفی هستند که هر کدام ویژگیها و کاربردهای خاص خود را دارند. این مواد به دلیل مقاومت بالای خود در برابر فشار، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و ساختمانی مورد استفاده قرار میگیرند.
- چدن سفید
این نوع چدن در اثر سرد شدن سریع چدن خام تولید میشود. دلیل نامگذاری آن به چدن سفید، عدم تبدیل کربن به گرافیت در فرآیند سرد شدن سریع است که باعث میشود رنگ آن روشن و نقرهای باقی بماند. چدن سفید به دلیل سختی و تردی بالا، قابل سوهانکشی نیست و سطح شکسته آن دارای دانههای ریز و روشن است. از این نوع چدن معمولاً در ساخت وسایل کوچک استفاده میشود.
- چدن خاکستری
این نوع چدن در اثر سرد شدن آهسته چدن خام تولید میشود. در این فرآیند، کربن به گرافیت تبدیل شده و رنگ چدن به خاکستری تیره تغییر میکند. چدن خاکستری نرمتر از چدن سفید است و قابلیت چکشخواری دارد، هرچند که همچنان سخت و شکننده است. سطح شکسته آن دارای دانههای درشت و تیره است. از چدن خاکستری در ساخت لولههای چدنی، ناودانیها، پروفیلهای پنجره، درپوشهای چدنی کف خیابانها، شبکههای چدنی و یراقآلات استفاده میشود.
- چدن نیمه خاکستری
این نوع چدن ویژگیهایی بین چدن سفید و چدن خاکستری دارد و به عنوان یک ماده میانی در برخی کاربردها استفاده میشود.
- چدن سخت
برای تولید چدن سخت، ابتدا چدن را گرم کرده و سپس سطح خارجی آن را به سرعت سرد میکنند، در حالی که داخل آن به آرامی خنک میشود. این فرآیند باعث میشود سطح چدن سفید و مغز آن خاکستری باشد. چدن سخت به دلیل مقاومت بالا در برابر سایش، برای ساخت لولههای زیر دال پلها استفاده میشود.
- چدن نرم
برای افزایش مقاومت چدن در برابر ضربه و امکان چکشکاری، تکههای چدن سفید و نیمه خاکستری را با مقداری گرد سنگ اکسید آهن حرارت میدهند تا بخشی از کربن آن بسوزد و تردی آن کاهش یابد. این نوع چدن نرمتر شده و در ساخت وسایل کوچک نظیر یراق در و پنجره، کلید و قفل، و شیر آب به کار میرود.
این تنوع در انواع چدنها باعث میشود که هر کدام در کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار گیرند و انتخاب نوع مناسب چدن بر اساس نیازهای خاص هر پروژه، اهمیت زیادی دارد.
