الصلب أو الفولاز : خصائصه ، أنواعه ، استخداماته
نوضح ماهية الفولاذ وكيف يتم تصنيعه وأشكال هذه السبيكة المعدنية. بالإضافة إلى خصائصه واستخداماته المختلفة والمزيد.
الصلب مادة مهمة جدا في الصناعات البشرية.
ما هو الفولاذ؟
ومن المعروف باسم الصلب أ مجموعة من سبائك الحديد (Fe) مع عناصر أخرى، بشكل أساسي الكربون (C) ، ولكن أيضًا الزنك (Zn) أو السيليكون (Si) أو الألومنيوم (Al). تغير هذه السبائك خصائص المعدن النقي ، والحديد في هذه الحالة ، ويتم الحصول على مادة أكثر مقاومة أو أقل قابلية للأكسدة.
الصلب مادة مهمة جدا في الصناعات البشرية. يستخدم على نطاق واسع كمواد بناء وكمواد خام لمختلف الأدوات والأجزاء الميكانيكية.
يكون حالة سبيكة معدنية نموذجية. تتكون السبائك من مزيج من العناصر الكيميائية يكون أحدها بالضرورة معدنًا. وبالتالي ، يتم دمج خصائصها والحصول على مادة جديدة لها خصائص محددة لتطبيقات مختلفة.
انظر أيضا: الذهب
تاريخ الصلب
يعود تاريخ الأدلة الأولى لصلب ووتز (الفولاذ البدائي) إلى 300 أ. ج.
اسم الفولاذ إنها تأتي من اللاتينية أكياريوس، والتي تشير إلى المواد التي صنعت منها الأسلحة ذات الحواف في العصور القديمة.
من الصعب أن تعرف بالضبط متى اكتشفت البشرية إمكانية صهر الحديد لبناء الأدوات. تم العثور على أدلة من سجل توظيف الحديد في مصر القديمة (3000 قبل الميلاد). يُعتقد أنه بعد فترة وجيزة تم اكتشاف إمكانية مزجها مع معادن أخرى للحصول على مواد جديدة.
ومع ذلك ، فإن أقدم الأدلة على فولاذ ووتز (الفولاذ البدائي ذو الصلابة الكبيرة والمحتوى العالي من الكربون) يعود تاريخها إلى 300 أ. تم العثور عليها في الهند وسريلانكا. كانت هناك أيضًا مخاليط من الحديد الزهر مع الحديد المطاوع من عهد أسرة هان في الصين (100 قبل الميلاد).
مع وصول الحداثة والتصنيع والحصول على الصلب استحوذ على اهتمام العديد من العلماء والصناعيينوذلك بفضل استخدام الكهرباء لتسخين الأفران. في عام 1948 تم اختراع عملية الأكسجين الأساسي LD في النمسا ما بعد الحرب. وفي عام 1950 استمرت تقنية الصب.
كيف يصنع الفولاذ؟
تقنية الحصول على الفولاذ اليوم يشمل العديد من المعادن واللافلزات والفلزات التي تشكل السبائك الحديديةالتي توفر المتانة والمقاومة. علاوة على ذلك ، تتضمن العملية ما يسمى بالمعادن الثانوية. تمنحه هذه المرحلة الثانية الخصائص الكيميائية والمستوى المطلوب من الشوائب والشوائب.
الإجراء المعتاد يتضمن إضافة إلى الحديد كمية من الكربون لا تزيد عن 2٪، اعتمادًا على درجة الصلابة التي تريد دمجها في الفولاذ. يتم ذلك في عملية تتضمن عدة مراحل:
في الفرن العالي ، يضاف خليط من الحديد المعدني (الحديد غير النقي) وفحم الكوك ، وهو وقود مشابه للفحم ويعمل على فصل الشوائب عن المادة. ثم هناك حديد نقي إلى حد ما متبقي بكميات قليلة من الكربون. بعد، يضاف الكربون بالكمية اللازمة حسب نوع الفولاذ المراد تصنيعهيتم ذلك عندما يكون الفولاذ في حالة سائلة. أخيرًا يتم تشكيلها وتركها لتبرد.
هناك طريقة أخرى لصنع الفولاذ وهي إعادة تدوير الخردة المصنوعة من الفولاذ. لهذا الغرض ، يتم صهر الخردة في فرن الصهر الكهربائي.
سبائك الصلب
يمنع الألمنيوم الفولاذ من الحصول على حبيبات خشنة.
الصلب هو في الأساس حديد ممزوج بالكربون. ولكن هناك أيضًا سبائك من الفولاذ ، مما يعني ذلك يتم إضافة عناصر كيميائية أخرى لتعديل بعض خصائصه، مثل مقاومة الصلابة والتآكل. بعض هذه العناصر والخصائص التي تعدل الفولاذ هي:
- كربون. يقلل من ليونة الحديد وقابلية لحامه مع إضافة الصلابة إلى المزيج.
- ألمنيوم (Al). إنه يمنع نمو حبيبات الفولاذ بشكل كبير وبالتالي يتم إنتاج الفولاذ الناعم الحبيبات.
- الكبريت (S). يعتبر عادة شوائب من الحديد ، ولكن في بعض الأحيان يتم إضافته لزيادة قابلية تشكيل الفولاذ.
- الكروم (كر). يزيد من عمق التصلب ويحسن مقاومة التآكل.
- النحاس (نحاس). يزيد من صلابة الفولاذ.
- المنغنيز (مينيسوتا). هذا العنصر له تقارب أعلى للحديد من الكبريت ، والذي يكون عادة شوائب. يتم استخدامه لربط الكبريت وتسهيل درفلة وتشكيل الفولاذ.
- السيليكون (Si). مضادات الأكسدة ومقوي.
- نيكل (ني). يحسن نتيجة المعالجة الحرارية ويمنع التآكل مع الكروم.
- الموليبدينوم (مو). يزيد من مقاومة التآكل والتصلب العميقة.
تصنيف الصلب
يتم تسخين الفولاذ المطروق وتشكيله وتبريده في المسبك.
يمكن تصنيف الفولاذ بعدة طرق:
حسب الطريقة المتبعة في تشكيله:
- فولاذ مصبوب. يسمح ليبرد في قالب.
- صلب مزيف. يتم تسخينها وتشكيلها وتبريدها في صهر.
- الفولاذ الملفوف. وهي مصنوعة من صفائح سميكة ومسطحة أكثر أو أقل.
حسب استعماله:
- الفولاذ المقاوم للصهر
- فولاذ البناء
- الصلب لصنع المغناطيس
- فولاذ غير قابل للتشوه
- صناعة الأدوات الصلب
- ستانلس ستيل
حسب تكوينها:
- فولاذ عادي. هم تلك التي تتكون من الحديد والكربون حصرا.
- فولاذ خاص. وهي تلك التي تحتوي بالإضافة إلى الحديد والكربون على عناصر كيميائية أخرى.
خصائص الصلب
يمكن لحام الفولاذ بسهولة بالغة.
خصائص الفولاذ تختلف حسب تكوينها، أي إلى العناصر الكيميائية التي يتم خلطها بداخلها. وهي تختلف أيضًا اعتمادًا على الطريقة الكيميائية أو الفيزيائية المستخدمة في إنتاجها. هذا هو السبب في صعوبة تحديد خصائصه العامة ، على الرغم من أن بعضها تقريبًا:
- تبلغ كثافته 7850 كجم / م 3.
- يتمدد إذا تم تسخينه ويتقلص إذا تم تبريده.
- تبلغ درجة انصهارها (درجة الحرارة التي تتحول فيها المادة الصلبة إلى سائل) حوالي 3000 درجة مئوية.
- تتميز بصلابة كبيرة (الطاقة التي تمتصها المادة قبل التكسير) وهي مطيلة تمامًا (خاصية تسمح لها بالتشوه دون أن تنكسر حتى يصبح من الممكن الحصول على الأسلاك).
- إنه مرن للغاية (خاصية تسمح بتصفيح المادة). غالبًا ما يطلق على صفائح الفولاذ اسم “القصدير”.
- عادة ما تكون مادة عرضة للتآكل ، وهي مشكلة يتم تصحيحها بإضافة عناصر كيميائية أخرى مثل النيكل والكروم.
- يمكن لحامها بسهولة بالغة.
- إنه موصل جيد للكهرباء.
- معظم الفولاذ له خصائص مغناطيسية ، أي أنه ينجذب إلى المغناطيس.
- تعتمد صلابته على كمية الكربون الموجودة في خليط الحديد والكربون. كلما زادت نسبة الكربون المضاف إلى الحديد ، كلما كان الفولاذ الناتج أصعب.
استخدامات الفولاذ
يستخدم الفولاذ في صناعة هيكل وهيكل جميع أنواع المركبات.
يوجد الفولاذ في حياتنا في كل مكان تقريبًا ، بأشكال وعروض مختلفة ، مثل:
- أجزاء الماكينة. للسيارات والآلات الزراعية والأسلحة العسكرية أو التكنولوجيا
- مركبات كاملة. مثل الجسم والهيكل العظمي للسفن والمركبات المدرعة والسكك الحديدية والمسارات.
- الأدوات والتطبيقات. جميع أنواع الأشياء مثل اللحامات ، والبراغي ، والصواميل ، والمسامير ، والألواح المختومة ، ونوابض الصمامات ، والمطارق ، والشدات ، والمفكات ، إلخ.
- ادوات المطبخ. مثل المقالي والأواني وأدوات المائدة وما إلى ذلك.
- قطع البناء. مثل عوارض لتعبئة الخرسانة.
معالجة الصلب
يضاف الكروم إلى الكروم الصلب لتجميل المعدن.
يشمل تصنيع الفولاذ “معالجة” الحديد لتحسين بعض خواصه أو تعديلها حسب وجهة القطعة. يتعلق الامر ب:
- علاجات سطحية. مرتبط بزخرفة الحديد الناتج أو بحماية طبقاته الخارجية. عادة ما يتضمن إضافة طبقات خارجية من معادن أخرى ، على النحو التالي:
- مطلي بالزنك. يتعرض السطح لعمليات التحليل الكهربائي أو الميكانيكية التي تمنحه خصائص مضادة للأكسدة.
- الكروم مطلي. يضاف الكروم لتجميل المعدن وحمايته من الصدأ والتآكل.
- المجلفن. يتم إعطاؤه للصفائح الفولاذية عن طريق العمليات الكهروكيميائية التي تذوب طلاء معدني آخر. في هذه الحالة ، يتم استخدام الزنك لتغليف الورقة.
- النيكل مطلي. مطلي بالنيكل لحماية الفولاذ من الصدأ.
- زرقة. إنها مثالية للأجزاء الصغيرة ، مثل البراغي ، لأنها تجعلها أكثر مقاومة. يتكون من الإنتاج السطحي لطبقة من أكسيد الحديدوز المحيطي (Fe3O4).
- المعالجات الحرارية. على عكس الإجراءات السطحية ، تغير هذه الإجراءات البنية المجهرية للسبيكة ، وتغير خصائصها بشكل كبير. قد يكونوا:
- مزاج. وتتكون من تسخين القطعة إلى نقطة معينة ثم تبريدها بسرعة ، مما يسمح بتغيير خصائصها العميقة. هذا ما تم فعله بالسيوف في العصور الوسطى: لقد تم غمرهم في الماء بعد أن قاموا بتزويرهم بالحرارة.
- مزاج. إنها تقنية تستخدم لتقليل هشاشة الفولاذ بعد التقسية ، وهذا هو السبب في أنها غالبًا ما تكون المعالجة التكميلية. وهو يتألف من تطبيق درجة حرارة أقل من النقطة الحرجة على السبيكة (درجة الحرارة التي تكون فيها كثافة السائل مساوية لكثافة بخاره) ، حيث تُترك لفترة طويلة لتحسين قوتها وصلابتها.
- التلدين. إنها تقنية تستخدم لتليين السبيكة أو استعادة هيكلها أو التخلص من الضغوط الداخلية. يتكون هذا من تسخين المعدن إلى درجة حرارة معينة ثم السماح له بالبرودة ببطء ، مما يسمح بانخفاض درجة الحرارة تدريجيًا حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة.
- تطبيع. إنها المعالجة المثالية لمنح الفولاذ الهيكل اللازم لتشكيله أو لفه أو تحضيره للتقسية. يتم تسخين القطعة بين 30 و 50 درجة مئوية فوق درجة الحرارة الحرجة ويتم الاحتفاظ بها للوقت اللازم لتحويلها إلى الأوستينيت (شكل معين من ترتيب ذرات الحديد والكربون) ، ثم السماح لها بالتبريد بشكل موحد.
إعادة تدوير الصلب
الصلب يمكن إعادة تدويرها ، مثل المعادن الأخرى ، في نهاية عمرها الإنتاجي. يتم استخدام ساحات خردة السيارات وغيرها من السيارات لهذا الغرض ، والتي تحصل على خردة قابلة لإعادة الاستخدام ، والتي يتم ضغطها وإرسالها مرة أخرى إلى مصنع الصلب للصهر وإعادة الاستخدام. توفر الخردة من هذا النوع 40٪ من احتياجات العالم من الصلب.
أهمية الفولاذ
يستخدم الفولاذ في الأعمال الهندسية العظيمة مثل تمثال الحرية.
يعتبر الفولاذ مادة مهمة للغاية في العالم الصناعي المعاصر ، حيث يتم استخدامه في تصنيع الأشياء في جميع مجالات الصناعة تقريبًا. ما هو أكثر من ذلك ، لعبت دورًا حيويًا في البناء والعديد من الأعمال الهندسية مثل تمثال الحرية في الولايات المتحدة.
الفرق بين الحديد والصلب
الحديد هو عنصر كيميائي نادرًا ما يكون في حالته النقية (عادة ما يتم تكوين مركبات). في الظروف المعدنية ، يوجد عادةً في الهيماتيت ، والمغنتيت ، والليمونيت ، والبيريت ، وما إلى ذلك.
ومع ذلك، الصلب ليس عنصرا كيميائيا بل خليط الحديد والعناصر الكيميائية الأخرى ، أي سبيكة معدنية. يتصرف هذا الخليط وكأنه مادة واحدة ، لأنه لا توجد تفاعلات كيميائية من أي نوع بين مكوناته.
بالإضافة إلى ذلك ، الصلب صلب ، مطيل للغاية ، مرن للغاية ومقاوم ، أثناء الحديد أيضًا مرن ، ولكنه أقل صلابة. هذا هو السبب الرئيسي لوجود الفولاذ: للتعويض عن نقاط الضعف في المعدن الأم من خلال دمج الكربون ، والذي يوفر الكثير من الصلابة للمادة الناتجة.