آلیاژ آهنی چیست؟

آهن یکی از مهم ترین مواد اولیه برای تولید محصولات مختلف است. این ماده از سنگ آهن استخراج شده از معادن و سپس فراوری آن تولید می شود و یکی از پر استفاده ترین محصولات در صنایع کل جهان و حتی زندگی روزمره ما است. جالب است بدانید بیشتر وسایلی که در روزمره زندگی از آن ها استفاده می کنیم، از این ماده و آلیاژهای آن ساخته شده اند. از سوی دیگر آلیاژها مهم ترین عناصر در صنعت شناخته شده و ابتدایی ترین آن ها از فلزاتی مانند مس، سرب و روی ساخته شده اند.

این فلزات از جمله اولین فلزاتی بودند که توسط انسان کشف شده و مورد استفاده قرار گرفتند. به طور مثال اولین آلیاژ ساخته شده توسط بشر مفرغ نام داشت و بر اساس گزارشات تاریخی از ترکیب تصادفی قلع و مس به صورت مذاب و سرد کردن ترکیب آن ها ساخته شده بود. ترکیب این دو فلز سبب استحکام آلیاژ ساخته شده از آن ها و در نتیجه استفاده از آن برای ساخت چاقو و نیزه و ... گردید.

جالب است بدانید بابلی ها اولین کسانی بودند که عملیات ساخت آلیاژ را انجام دادند. پس از آن ها نیز چین یکی از اولین کشورهایی بود که موفق به کشف و ساخت آلیاژ شد. در ادامه این مطلب نیز به بررسی آلیاژهای آهنی که پایه و اساس آن ها از عنصر آهن است پرداخته ایم تا بدانید این فلز به عنوان یک ماده کمیاب و خام، پس از فراوری چه کاربردهایی را در زندگی روزمره انسان و صنایع به خود اختصاص می دهد.

تعریف آلیاژ (Alloy)

آلیاژ یا همجوشه نوعی ماده فلزی است که از ترکیب یک فلز با عناصر دیگر تولید می شود. البته بهتر است بدانید برای ساخت آلیاژها حتماً نیازی به استفاده از عناصر فلزی به عنوان ماده دوم نمی باشد و از این رو در این فرآیند عناصر غیر فلزی نیز به کار برده می شوند.

لازم به ذکر است این عناصر به صورت مایع با یک دیگر ترکیب می شوند و در مقایسه با فلز پایه دارای یک سری خواص هستند. فرآیند ساخت آلیاژ و ترکیب عناصر و فلز پایه با یک دیگر با استفاده از عملیات ذوب و مخلوط مواد انجام می گیرد.

این ترکیبات همراه با ساخت آلیاژها سبب به وجود آمدن یک سری خواص خواهد شد که از جمله آن ها می توان به میزان سختی، انعطاف پذیری، استحکام کششی، تنش تسلیم، میزان مقاومت در برابر ضربه، اکسیداسیون و... اشاره کرد.

جالب است بدانید به طور مثال آهن به تنهایی یک فلز نرم بوده که هیچکدام از این خواص را ندارد، اما فولاد به عنوان یک آلیاژ آهنی با دارا بودن عناصر مختلف در ترکیبات خود دارای تمامی این ویژگی ها با درصدهای مختلف می باشد. با این وجود می توان گفت قیمت آهن در نرخ این آلیاژها و هر محصولی که از آن ها تولید می شود، تأثیرگذار است. البته نرخ آهن خود به تنهایی به خلوص سنگ آهن، نوع فرآیند مورد استفاده برای احیا و میزان ناخالصی های آن بستگی دارد.

یکی دیگر از دلایلی که در ساخت آلیاژ ها تأثیر به سزایی دارد، پایین آوردن نقطه ذوب فلزات است. به طور کلی فلزات در حالت عادی نقطه ذوب بالایی داشته و پس از ترکیب با عناصر دیگر، نقطه ذوب آن ها کاهش می یابد و در نتیجه فرآیند ذوب آن ها به راحتی انجام می گیرد. از این خاصیت برای آلیاژهایی مانند لحیم استفاده می کنند. همچنین با توجه به رنگ دانه هایی که در فلزات وجود دارد، می توان به راحتی رنگ آن ها را تغییر داد.

با وجود این توضیحات و درک از چیستی این ماده بهتر است بدانید به آلیاژی که فلز پایه و اصلی آن آهن باشد، آلیاژ آهنی گفته می شود. از آلیاژ آهنی برای ساخت انواع فولاد و چدن استفاده می کنند و در فرآیند ساخت عناصری مانند منگنز، فسفر، سیلیسیم و آلومینیوم را به کار می برند. آن ها به عنوان مواد اولیه بسیاری از صنایع شناخته می شوند و بزرگ ترین تولید کنندگان آن ها در جهان کشور های هند، چین و آفریقای جنوبی شناخته شده اند.

ترکیبات آلیاژ آهنی

همان طور که ذکر شد، آلیاژهای آهنی از ترکیب مواد مختلفی مانند چدن، فولاد نرم، کربن متوسط، فولاد ضد زنگ و پرکربن به همراه سایر عناصر ساخته می شوند و هر کدام با توجه به ویژگی هایی که دارند، در صنایع به کار می روند. در ادامه مطلب به بررسی مهم ترین آلیاژهای آهنی و شرح هر کدام به صورت جداگانه پرداخته ایم.

آلیاژ فولاد

جالب است بدانید با اضافه کردن عنصر کربن به فلز آهن، پرکاربرد ترین آلیاژ جهان یعنی فولاد تولید می شود. این میزان کربن در حدود ۰.۰۲ تا ۲ درصد می باشد و سبب افزایش سختی در فلزات می گردد. البته لازم به ذکر است این میزان کربن تا 2 درصد بوده و بیشتر از آن مجاز نیست؛ زیرا سبب بیشتر شدن شکنندگی ماده و خرد شدن آن خواهد شد.

فولاد به تنهایی از نظر عناصر به کار رفته در ترکیبات خود به دو دسته فولاد کربنی و آلیاژی تقسیم بندی می شود. انواع کربنی نیز به سه دسته فولادهای کم کربن، کربن متوسط و پر کربن تقسیم بندی می شوند. از جمله محصولات فولادی می توان به انواع ورق های تخت و مقاطعی مانند میلگرد، نبشی، تیرآهن و... اشاره کرد.

فولاد ساده کربنی

فولاد ساده کربنی تنها دارای میزان سختی بیشتری نسبت به فولاد معمولی به سبب وجود کربن می باشد. نرخ انواع محصولات فولادی از جمله میلگرد، تیرآهن و سایر مقاطع فولادی برگرفته از این نوع فولاد هستند. هر چه میزان کربن در این آلیاژ افزایش یابد، استحکام کششی آن نیز بیشتر می شود.

فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی گروهی از محصولات هستند که در ترکیبات آن ها علاوه بر کربن، سایر عناصر مانند سیلیسیم، کروم، منگنز، فسفر، آلومینیوم، مس، مولیبدن، وانادیون و نیکل نیز اضافه می شود. این دسته از فولادها نیز به تنهایی دارای دو نوع کم آلیاژ استحکام بالا و پرآلیاژ می باشند:

·         فولاد کم آلیاژ استحکام بالا (HSLA)

فولاد میکرو آلیاژی نوعی آلیاژ آهنی است که در ترکیبات خود دارای مقادیری از عناصر تیتانیوم، وانادیوم و مولیبدن می باشد. از ویژگی های این نوع فولاد می توان شکل پذیری، جوش پذیری، نسبت استحکام به وزن بالا و چقرمگی مناسب را نام برد. بیشترین کاربرد آن نیز در مصارفی است که نیاز به یک آلیاژ آهنی با وزن کم و البته استحکام بالا مانند صنایع خودروسازی و ساخت و ساز باشد.

·         فولاد پرآلیاژ

فولاد های پر آلیاژ نیز به تنهایی دارای دو دسته فولاد ابزار و ضد زنگ می باشند:

فولاد ابزار: این نوع آلیاژ دارای عناصر وانادیوم، کروم، تنگستن و مولیبدن در ترکیبات خود می باشد و میزان کربن آن بین 35/0 تا 25/1 درصد می باشد. از ویژگی های فولاد ابزار می توان به مقاومت سایشی مناسب، سختی بالا، قابلیت انجام عملیات حرارتی و پایداری ابعادی مناسب اشاره کرد.

فولاد ضد زنگ: فولاد ضد زنگ یا استنلس استیل یکی از مهم ترین آلیاژهای آهنی است که دارای مقاومت بسیار بالایی در برابر رطوبت، زنگ زدگی، خوردگی و اکسیداسیون می باشد. در ترکیبات شیمیایی این نوع آلیاژ نیز 10 درصد کروم به همراه سایر عناصری مانند کربن وجود دارد. از کاربردهای این نوع فولاد نیز می توان به صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع هوا و فضا، صنایع شیمیایی و صنایع غذایی اشاره کرد. از جمله انواع استنلس استیل نوع 304 و 316 از جمله معروف ترین آلیاژها می باشند.

فولاد آهنگری ‌شده

فولاد آهنگری شده، زیر مجموعه فولادهای کربنی و آلیاژی بوده و سخت تر و شکننده تر از فولادهای کم کربن به شمار می آید. سطح ظاهری این نوع فولاد صاف بوده و رنگ آن از کریستالی روشن تا خاکستری متغیر است.

فولاد منگنز

فولاد منگنز یک فولاد آلیاژی خاص است که بیشتر در مصارف ریخته ‌گری به کار برده می شود.

چدن، آلیاژ آهنی با درصد کربن بالا

از مهم ترین آلیاژهای آهنی پس از فولاد، چدن می باشد که درصد کربن آن بین 2 تا 5 درصد است؛ در نتیجه از سختی بالایی برخوردار می باشد. در واقع بزرگ ترین تفاوت این دو آلیاژ آهنی در میزان کربن به کار رفته در ترکیبات آن ها است. یکی دیگر از عناصری که در ترکیبات شیمیایی چدن به کار می روند، سیلیکون می باشد.

چدن نیز از نظر ترکیبات شیمیایی به دو دسته آلیاژی و غیر آلیاژی تقسیم بندی می شود. انواع چدن های غیر آلیاژی نیز شامل نوع سفید، خاکستری، داکتیل، چکش خوار و گرافیت فشرده هستند که کاربردهای بیشتری نسبت به انواع آلیاژی دارند. از ویژگی هایی که سبب محبوبیت چدن شده است نیز می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• هزینه ساخت کم
• استحکام فشاری بالا
• مقاومت سایشی خوب
• قابلیت ماشین‌کاری عالی
• قابلیت ریخته گری بسیار خوب

از مهم ترین محدودیت های انواع چدن می توان به تردی و استحکام کششی پایین اشاره کرد، اما با این وجود از جمله آلیاژهای آهنی پرکاربرد بوده و در صنایعی مانند ساخت دیسک ترمز، انواع لوله، زنجیر، وسایل آشپزخانه، قالب شمش‌ریزی، غلتک‌های نورد، قطعات پمپ، سرسیلندر و پیستون به کار برده می شود.

سخن نهایی

در این مطلب، به انواع آلیاژهای آهنی که خود دارای مدل های مختلف و همراه با ترکیبات شیمیایی گوناگون هستند، اشاره شد. امروزه از مهم ترین کاربرد های این آلیاژ ها می توان به ساخت مواد اولیه انواع صنایع اشاره کرد. این مواد اولیه شامل انواع ورق های تخت و فرمینگ فولادی، کویل های گرم، سرد و پوششی، انواع میلگرد، تیرآهن، نبشی و ناودانی هستند که هر کدام به تنهایی کاربردهای بسیاری را بر اساس ترکیبات و ویژگی هایی که دارند، به خود اختصاص می دهند.