فلزات آهنی؛ انواع و خواص آن ها

فلزات به دو دسته آهنی و غیرآهنی دسته بندی می شوند. عمده تفاوت این دو، به وجود فلز آهن وابسته است که باعث می شود هر کدام خواص و ویژگی های منحصر به فردی داشته باشند. جالب است بدانید فلز خالص آهن کاربرد چندانی ندارد، ترکیبات آلیاژی آن است که در مصارف مختلف به کار برده می شود. در این مقاله قصد داریم شما را با انواع، خواص و کاربردهای فلزات آهنی آشنا کنیم. با آهن ملل همراه باشید تا این فلزات شگفت انگیز را بیشتر بشناسید.

فلزات آهنی چیست؟

فلز آهنی، فلزی است که اساساً از آهن تشکیل شده و دارای خواص مغناطیسی است. فلزات آهنی به دلیل سختی، دوام و استحکام کششی معروف هستند. همین ویژگی ها باعث شده فلزات آهنی برای استفاده در بخش صنعتی و معماری برای پروژه هایی مانند آسمان خراش ها، پل ها، پروژه های راه آهن و وسایل نقلیه بسیار عالی کنند. با این حال، فلزات آهنی دارای کربن بسیار بالایی هستند که همین امر احتمال زنگ زدگی آن ها را افزایش می دهد. فلزات آهنی تقریباً در تمام صنایع از جمله در ساخت کانتینرهای حمل و نقل، لوله کشی صنعتی، اتومبیل، خطوط راه آهن، کشتی ها و بسیاری از ابزارهای تجاری و خانگی استفاده می شود.

انواع فلزات آهنی

برخی از فلزات آهنی رایج عبارتند از:

• فولاد
• فولاد کربنی
• فولاد آلیاژی
• چدن
• فرفوژه

فولاد

اولین بار در اواسط دهه ۱۸۵۰، یک مخترع بریتانیایی، به نام هنری بسمر، تکنیکی برای تولید فولاد اختراع کرد. این روش به این صورت است که با حذف اکسیژن و سایر ناخالصی ها از سنگ آهن، آهن ساخته می شود.

فولاد با افزودن آهن به کربن ساخته می شود که حاوی کمتر از ۲ درصد کربن، ۱ درصد منگنز، مقادیر کمی سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن می باشد که همین امر باعث می شود محصول نهایی بسیار سخت تر باشد. فولاد محصول واحد نیست و بیش از ۳۵۰۰ گرید مختلف فولاد با خواص فیزیکی، شیمیایی و محیطی متفاوت وجود دارد. فولاد آلیاژی با اضافه نمودن عناصر دیگر مانند کروم و نیکل سخت تر می شود.

فولاد با حرارت دادن و ذوب نمودن سنگ آهن در کوره ها ساخته می شود. مواد فولادی از کوره ها خارج شده و در قالب ها ریخته می شود تا میله های فولادی به وجود آیند.

فولاد مهمترین ماده مهندسی و ساختمانی در جهان است، از اتومبیل ها گرفته تا ابزارهای جراحی همگی از فولاد ساخته می شوند و در هر جنبه ای از زندگی ما کاربرد دارند. تقریباً ۷۵ درصد از فولاد موجود در ۲۰ سال گذشته، توسعه یافته اند. جالب است بدانید امروزه اگر برج ایفل بازسازی شود، تنها به یک سوم فولاد مصرفی آن نیاز است. همچنین خودروهای مدرن ساخته شده با فولاد امروزی، محکم تر هستند و تا ۳۵ درصد سبک تر از گذشته می باشند.

فولاد کربنی

فولادهای غیر آلیاژی که به عنوان فولادهای کربنی نیز شناخته می شوند، از کربن به عنوان عنصر آلیاژی استفاده می کنند. این فولادها شامل عناصر دیگری مانند منگنز، سیلیکون، گوگرد و فسفر نیز هستند، اما مقدار این عناصر به قدری کم است که بر خواص آن تأثیر نمی‌گذارند. فولادهای غیر آلیاژی به عنوان محتوای کربن کم، متوسط ​​و زیاد طبقه بندی می شوند و هر کدام ویژگی هایی منحصر به فرد دارند.

فولاد کم کربن

فولادهای کم کربن که فولادهای ملایم نیز نامیده می شوند، تنها بین ۰.۰۵ تا ۰.۲۵ درصد کربن دارند. البته سختی سطح این فولادها را می توان با کاربوریسینگ افزایش داد. از ویژگی های این نوع فولاد می توان به کم هزینه بودن و چکش خواری بالا اشاره داشت. فولادهای کم کربن به طور گسترده برای قطعاتی مانند پیچ و مهره استفاده می شوند.

فولاد کربن متوسط

فولادهای کربن متوسط ​​حاوی ۰.۲۵% تا ۰.۶% کربن هستند. همین میزان کربن، باعث افزایش استحکام و سختی، نسبت به فولادهای کم کربن می شود. با این حال، این فولادها در مقایسه با فولادهای کم کربن، انعطاف پذیری کمتری دارند.

افزایش سطح کربن و منگنز در فولادهای کربن متوسط ​​به این معنی است که می توان بر روی آن ها عملیات کوئنچ (خنک سازی) و تمپر کردن (حرارت دادن) انجام داد.

از این نوع فولاد به طور گسترده برای ساخت قطعات در صنعت خودروسازی مانند چرخ دنده ها و شفت ها استفاده می شود، همچنین در ساخت ریل های راه آهن نیز مناسب هستند.

فولاد کربن بالا

قوی ترین فولادهای غیر آلیاژی دارای ۰.۶ تا ۱ درصد کربن هستند. به علت داشتن استحکام بالا، مصرف آن ها برای تجهیزاتی که نیاز به مقاومت در برابر سایش مکانیکی دارند، ایده آل است.

این فولاد از نظر جوش پذیری و چقرمگی، نسبت به فولادهای کم کربن، جایگاه پایین تری دارد که تنها ویژگی منفی آن محسوب می شود. فولاد کربن بالا برای ساخت فنرها، تیغه ها، فولادهای ریلی، سیم ها و صفحات مقاوم در برابر سایش استفاده می شود.

فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی زیر گروه دیگری از فلزات آهنی می باشند. هر عنصر آلیاژی تأثیر خاصی بر خواص مواد می گذارد. عناصر آلیاژی عبارتند از: کروم، مس، نیکل، سیلیکون، تیتانیوم، مولیبدن و وانادیم که می توانند برای ارائه طیف وسیعی از خواص، ترکیب با فولاد شوند. در ادامه به چندتا از عناصری که در ترکیبات فلزات آهنی به کار می روند، اشاره می کنیم:

فلز کروم

کروم برای ساخت فولاد ضد زنگ استفاده می شود. کروم بالای ۱۱ درصد، فلزات را در برابر خوردگی مقاوم می کند به این صورت که یک لایه از فلز کروم، از اکسید شدن فلز جلوگیری می کند و در نتیجه احتمال خوردگی را تا حد زیادی کاهش می دهد. کروم همچنین سختی، استحکام کششی، چقرمگی و مقاومت را در برابر سایش افزایش می دهد.

فلز منگنز

منگنز می تواند به عنوان یک عنصر آلیاژی برای جلوگیری از تشکیل سولفیدهای آهن و همچنین افزایش استحکام در دماهای بالا، بهبود شکل پذیری و مقاومت در برابر سایش استفاده شود. منگنز همچنین می تواند سختی پذیری و پایدارتر کردن فلز را بهبود بخشد.

فلز نیکل

نیکل، هنگامی که با عناصر دیگر استفاده می شود، می تواند شکل پذیری و مقاومت را در برابر خوردگی افزایش دهد. به عنوان مثال، ترکیبی از ۱۸٪ کروم و ۸٪ نیکل، فولاد ضد زنگ بسیار بادوام ایجاد می کند.

فلز تیتانیوم

تیتانیوم می تواند برای بهبود استحکام و مقاومت در برابر خوردگی یک فلز و همچنین محدود کردن اندازه دانه آستنیت استفاده شود.

فلز وانادیوم

کاربیدهای وانادیوم شکل‌پذیری مواد آلیاژی را افزایش می‌دهند. وانادیوم همچنین استحکام، سختی، سایش و مقاومت را در برابر ضربه بهبود می بخشد. با این حال، اگر در مقادیر بسیار زیاد استفاده شود، می تواند تأثیر منفی بر خواص مواد داشته باشد.

فلز مولیبدن

مولیبدن تأثیر خوبی بر آلیاژهای فولادی دارد به طوری که در دمای بالا مقاومت زیادی پیدا می کند. این فلز نه تنها خواص مکانیکی را اصلاح می کند، بلکه باعث افزایش مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی ایجاد کرده و اثرات سایر عناصر آلیاژی را تقویت می کند.

سیلیکون

سیلیکون را می توان برای افزایش خواص مغناطیسی فلز و همچنین افزایش استحکام و ایجاد خاصیت ارتجاعی برای کاربردهایی مانند فنر استفاده کرد.

چدن

چدن زمانی تولید می شود که مقدار ۱.۵ تا ۴ درصد کربن با آهن آلیاژ شود. عناصر دیگر از جمله سیلیکون، منگنز، گوگرد و فسفر در ساختار چدن به مقدار کم وجود دارد. چدن از سختی بالایی برخوردار است، به همین دلیل در برابر سایش مقاومت از خود نشان می دهد. این نوع فلز نسبتا ارزان است و دارای مقاومت فشاری بالا و نقطه ذوب پایین می باشد. چدن در ساخت میله، لوله، ظروف آشپزخانه و ماشین آلات به کار می رود.

فرفوژه

آهن فرفوژه در ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد، در شبه جزیره آناتولی (ترکیه کنونی) مورد استفاده قرار گرفت و در قرن نوزدهم به طور گسترده در ساخت و ساز استفاده شد. با این حال، پیشرفت ‌های متالورژی در قرن بیستم، شکل‌ دهی و جوشکاری قطعات فلزی را آسان‌ تر و کم ‌هزینه ‌تر کرده است. ماهیت نسبتاً گران و زمان بر تولید فرفوژه، منجر به پایان فعالیت تجاری در مقیاس بزرگ در اواسط دهه ۱۹۷۰ شد.

آهن فرفوژه عمدتاً از مقادیر کمی (۱ تا ۲ درصد) سرباره (محصول جانبی ذوب سنگ آهن که عموماً از مخلوطی از اکسیدهای سیلیکون، گوگرد، فسفر و آلومینیوم تشکیل شده است) شکل می گیرد.

فرفوژه با حرارت دادن مکرر و شکل دهی با ابزارهای مخصوص ساخته می شود. آهن فرفوژه حاوی کربن کم نسبت به چدن است که آن را نرم تر و انعطاف پذیرتر می کند. همچنین این آهن، در برابر خستگی بسیار مقاوم است و اگر فشار زیادی به آن اعمال شود، قبل از شکست، مقدار زیادی تغییر شکل می یابد.

خواص و ویژگی های فلزات آهنی

مقاومت تسلیم و کششی زیاد، دوام، شکل پذیری، جوش پذیری، الاستیسیته و انبساط حرارتی همه ویژگی هایی هستند که می توان به فلزات فلزی نسبت داد. چند مورد از ویژگی های شاخص فلزات آهنی به صورت زیر می باشند:

زنگ زدگی و خوردگی: هنگامی که فلزات آهنی در معرض رطوبت یا محیط اسیدی و خورنده قرار بگیرند، بسیار آسیب پذیر هستند. در نتیجه تمایل دارند که با تعداد زیادی از عناصر آلیاژی مختلف مخلوط شوند تا خواص مورد نظر را به دست آورند.

خواص مغناطیسی: اکثر فلزات آهنی دارای خواص مغناطیسی هستند و برای ساخت وسایل موتوری و الکتریکی بسیار مفید هستند.

وزن: فلزات آهنی سنگین تر از همتایان غیر آهنی خود هستند.

هزینه: فلزات آهنی هزینه کمتری نسبت به دیگر فلزات دارند چرا که معادن استخراج آن ها بیشتر از فلزات غیرآهنی است.

بازیافت: فلزات غیرآهنی و آهنی هر دو قابل بازیافت هستند. در فرآیند بازیافت فلزات آهنی، لازم است که ذوب و خالص شوند و سپس به شکل بلوک های جامد فشرده در آیند.

تمامی ضایعات فلزی باید بازیافت شوند، زیرا به کاهش میزان زباله های ارسالی به محل دفن زباله، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، محافظت از محیط زیست و صرفه جویی در انرژی برای استخراج منابع طبیعی، کمک می کند.

کاربردهای فلزات آهنی

فلزات آهنی به علت داشتن ویژگی های منحصر به فرد، برای استفاده در پروژه های ساختمان سازی مانند آسمان خراش ها، پل ها، پروژه های راه آهن و وسایل نقلیه بسیار مناسب می باشند.

فلزات آهنی به دلیل خاصیت مغناطیسی خودف به طور گسترده در لوازم خانگی و موتورهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.

همچنین تقریبا در تمام صنایع از جمله در ساخت کانتینرهای حمل و نقل، لوله کشی صنعتی، اتومبیل، خطوط راه آهن، کشتی ها و بسیاری از ابزارهای تجاری و خانگی استفاده می شود.

همانطور که در بالا به آن ها اشاره شد، عناصر آلیاژی به مواد آهنی خواص متفاوتی می دهند و در کاربردهای دیگر از جمله ابزار، خطوط لوله کشی، ظروف، کارد و چنگال و تولیدات بزرگتر مانند آسمان خراش ها استفاده شوند.

در پایان

فلزات آهنی دسته ای از فلزاتی هستند که در ترکیبات خود فلز آهن وجود دارد و همین عامل باعث ایجاد استحکام و مقاومت آن ها می گردد. این نوع فلزات انواع مختلفی از جمله فولاد، فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، چدن و فرفوژه دارند. هر کدام از آن ها از عناصر مختلف تشکیل می شوند که هر کدام خواص ویژگی های آن ها را تحت تاثیر قرار می گیرند. خواص فلزات آهنی شامل خاصیت آهن ربایی، آسیب پذیر در برابر زنگ زدگی، وزن سنگین و قابلیت بازیافت هستند که در صنعت ساختمان سازی، خوردروسازی، حمل و نقل، لوازم خانگی و آشپزخانه و غیره کاربردی هستند.

سوالات فلزات آهنی