پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
آهن و آلیاژهای آهن و کاربردهای آن
آهن بیشتر از هر فلز دیگری در ساخت تجهیزات به کار می‌رود. ۹۵ درصد از فلزات تولید شده در جهان امروز از آهن و آلیاژهای آن است. این بدان دلیل است که هزینه تولید آهن کم است و تولید آن با سادگی بیشتری نسبت به دیگر عناصر فلزی انجام می‌گیرد. استحکام قابل توجه این عنصر فلزی به صورت آلیاژی و امکان افزایش استحکام آلیاژهای آن با رو‌ش‌های گوناگون توسط فرایندهای خاص از مهمترین عوامل استفاده از این عنصر فلزی به شمار می‌رود. با این وجود، آهن نقطه ضعف‌‌هایی هم دارد که از آن جمله میتوان به خوردگی یا همان زنگ زدگی در محیط‌های مرطوب اشاره کرد. البته میتوان با در نظر گرفتن تمهیداتی این مشکل را برطرف ساخت.
استخراج آهن
همچنین آهن فراوان‌ترین عنصر تشکیل دهنده هسته زمین و چهارمین عنصر تشکیل دهنده پوسته زمین است. آهن فلزی است خاکستری که به ندرت به صورت خالص در طبیعت یافت می‌شود و در پوسته زمین بیشتر به صورت ترکیب با عناصر دیگر به ویژه اکسیژن در حقیقت هر نوع سنگی که آهن در آن به وفور یافت شود، سنگ معدن آهن نامیده می‌شود.
استخراج و تولید آهن به دلیل تولید انبوه آن بر محیط زیست اثرات نامطلوب زیادی به جا می‌گذارد که لازم است در جهت کاهش این اثرات کوشش کافی به عمل آید. از جمله این اثرات نامطلوب، ایجاد شدن حفر‌ه‌های بزرگ بر سطح زمین، ناشی از حفاری‌های استخراج این سنگ معدن است. گاهی از این حفره‌ها برای دفن زباله‌های صنعتی استفاده می‌شود که اثرات مخرب آن دو چندان خواهد شد.
از سوی دیگر تولید آهن که در کورههای خاصی که یکی از آن کورهها، کوره بلند است، صورت می‌پذیرد. به دلیل تولید مواد زائد و گازهای بسیار سمی، از آلاینده‌های اصلی محیط زیست به شمار می آید. این گازها، پس از عبور دادن از غبارگیر و برج شستشو دهنده و فیلتر برای مصارف حرارتی دوباره به کک‌سازی باز می‌گردد.
از مشکلات زیست محیطی دیگر میتوان به آهن و فولاد قراضه که در ماشین آلات و خودروهای فرسوده به وفور یافت می‌شود، اشاره کرد. بیشتر این زباله‌ها را میتوان بازیافت کرد و دوباره برای تولید آهن و فولاد به کار گرفت، از همین رو است که قراضه‌های آهن از منابع اصلی تولید آهن و فولاد هستند. آهن در طبیعت و در مجاورت با هوا و رطوبت زنگ می‌زند و در طی سالیان دراز به طبیعت باز می‌گردد.
تولید آهن
تولید آهن از سنگ معدن آن که بیشتر به صورت اکسید است، در فرایندی خاص و در کوره بلند صورت می‌پذیرد. سنگ آهن در ابتدا از معادن سنگ آهن که بیشتر به صورت سرباز هستند، استخراج می‌شود و به کمک آسیا‌ب‌های بزرگ و سنگ شکن‌ها خرد و شکسته می‌شود. بهترین نوع سنگ آهن حداکثر دارای ۶۰ درصد وزنی آهن است. آماد‌ه‌سازی صرفاً به خرد کردن و شکستن سنگ‌ها منحصر نیست و پس از آن خرده‌های سنگ با آب شسته می‌شوند تا ناخالصی‌های آن شسته و رفع شوند. جداسازی به کمک رو‌ش‌های دیگر از جمله میدان مغناطیسی، رو‌ش‌های مرسوم در این زمینه است.
تولید آهن خام به روش احیاء مستقیم
در سال‌های اخیر، برای ذوب و تصفیه سنگ آهن از کورههای مخصوصی استفاده می‌شود که عمل احیاء به صورت مستقیم انجام می‌شود. سوخت‌هایی مورد استفاده در آنها، ممکن است جامد (کک) یا گاز باشد. در این روش، احیای سنگ آهن بدون ذوب انجام می‌شود و آهن خامی که از این نوع کورهها به دست می‌‌آید، آهن اسفنجی نام دارد که حدود ۹۵ درصد آهن خالص دارد.
فولاد
آهن خالص در صنعت کاربردی ندارد. تنها با آلیاژسازی و تولید آلیاژهای متنوع میتوان از این عنصر استفاده کرد. در این خصوص مهمترین عنصر آلیاژی که بر استحکام آن تأثیر عمد‌ه‌ای دارد کربن است. در یک بیان کلی میتوان گفت آلیاژهایی از آهن که دارای درصد کربن وزنی کمتر از ۲۰/۶ درصد در محتوی خود هستند را فولاد می‌نامند.
افزودن کربن به فولاد تا اندازه‌ای، باعث افزایش استحکام آهن شده و میتوان گفت هر چقدر درصد کربن موجود در فولاد بیشتر شود، در حقیقت استحکام فولاد افزایش خواهد یافت.
افزایش استحکام همواره با کاهش انعطاف پذیری و افزایش تردی همراه است، لذا انتخاب فولادها به نوع کاربرد این مواد بستگی دارد. با افزودن عناصر آلیاژی دیگر به فولادهای کربنی ساده، میتوان خواص دیگری همچون نسوز بودن، مقاومت به خوردگی، افزایش سختی و استحکام را در آنها ایجاد کرد. به اینگونه فولادها، فولادهای آلیاژی گفته می‌شود.
طبقه بندی فولادها
فولادها را میتوان از نقطه نظر کاربرد، ترکیب شیمیایی و یا شیوه تولید، طبقه‌بندی کرد. ولی به دلیل آ‌نکه کربن عمد‌ه‌ترین تأثیر را بر فولاد دارد، تقسیم بندی‌ها بیشتر بر اساس میزان کربن موجود در فولادها صورت می‌پذیرد. درحقیقت اصطلاح فولاد کربنی ساده به فولادهایی گفته می‌شود که در آنها کربن بیش از هر عنصر دیگری در تعیین خواص آن دخیل است و میزان عناصر آلیاژی دیگر در آن کم است.
در عمل، در مواردی که به استحکام و خواص مکانیکی نیاز نباشد، از فولادهای کربنی ساده استفاده خواهد شد. این نوع از فولادها به خوبی در دماهای معمولی و در محیط‌های نه چندان خورنده، به طور مطلوبی به کار می‌روند. ولی افزایش استحکام در این نوع فولادها با کاهش شدید ضریب انبساطی طولی همراه است. ضمن آ‌نکه فولادهای کربنی ساده با افزایش دما بسیار نرم می‌شوند و خواص مکانیکی خود را از دست می‌دهند. این رفتارها محدودیت‌هایی را در کاربرد این نوع فولادها ایجاد کرده است. بیشتر محدودیت‌های اینگونه فولادها را میتوان با افزودن عناصر آلیاژی برطرف ساخت. فولادهای آلیاژی، فولادهایی هستند که خواص مشخصه آنها مثل نسوز یا ضدزنگ بودن را عناصر دیگری به جز کربن تعیین می‌کند. فولادها را میتوان بر اساس میزان درصد عناصر آلیاژی آنها، به فولادهای آلیاژی و غیرآلیاژی تقسیم‌بندی کرد.
فولادهای غیر آلیاژی بر اساس مقدار کربنشان به فولادهای ک مکربن، با کربن متوسط و پرکربن تقسیم بندی شده‌اند.
فولادهای غیرآلیاژی را فولادهای ساده کربنی نیز می‌نامند. فولادهای آلیاژی نیز براساس مقدار درصد آلیاژ به فولادهای کم آلیاژ و پرآلیاژ تقسیم‌بندی شده‌اند.
فولادهای کم کربن
این گروه از فولادها حاوی کربن کمتر از ۰/۲۵٪ در ساختار خود هستند در صنعت، این فولادها به فولادهای کششی معروف هستند. به علت این که ازدیاد طول نسبی بالاتری دارند بیشتر به صورت ورقه‌های نازک تولید می‌شوند و گاهی به صورت سیم و یا مفتول به کار می‌روند. همچنین قابلیت عملیات حرارتی را ندارند. برای سخت کردن این فولادها لازم است از فرایندهای سخت کنندگی سطحی یا چکش کاری استفاده کنید. این گروه بیشترین میزان تولید فولاد در جهان را به خود اختصاص داده‌اند. هر چه میزان کربن در فولاد کمتر باشد جوشپذیری فولاد بیشتر است، بنابراین همان طور که انتظار می‌رود، این فولادها قابلیت ماشین کاری و جوشکاری خوبی دارند و جوشکاری و لحیمکاری در آنها به راحتی صورت می‌گیرد. علاوه بر این، تولید این فولادها پیچیدگی خاصی ندارد و به همین دلیل بسیار مورد توجه هستند. از جمله میتوان به کاربرد این فولادها در صنایع خودروسازی، سازههای فلزی (تیرآهن‌ها، نبشی‌ها و غیره)، ورقهای تولید لوله در ساختما‌ن‌ها و پل‌ها اشاره کرد. استحکام این فولادها در حدود ۳۰۰MPa است و افزایش طولی در حدود ۱/۴ طول اولیه خود دارند.
گروه دیگر این فولادها با آلیاژسازی، استحکام‌های بیشتری را باعث می‌شوند. این فولادها توانمندی عملیات حرارتی، استحکام زیاد و سختی قابل قبولی دارند. مقاومت به خوردگی نیز در آنها توسط آلیاژسازی بهبود یافته است.
فولاد با کربن متوسط
این نوع فولادها حاوی ۰/۲۵ تا ۰/۶۵ درصد وزنی کربن در ساختار خود هستند. قابلیت عملیات حرارتی کم و استحکام متوسطی دارند. به منظورر افزایش استحکام و افزایش قابلیت عملیات حرارتی در این فولادها، آلیاژسازی صورت می‌پذیرد. این فولادها در کاربردهایی همچون تولید ریل‌های راه آهن، چرخ دندهها، میل لگ خودروها و انواع پیچ‌های اتصال اجزاء ماشین کاربرد دارند.
فولادهای پرکربن
چنان چه درصد وزنی کربن در ساختار یک فولاد بین ۰/۶ تا ۱/۴ باشد، فولاد را فولاد پرکربن می‌نامند. این فولادها دارای بیشترین سختی و استحکام در میان فولادهای کربنی غیرآلیاژی هستند. مقاومت به سایش این گروه از فولادها بسیار زیاد است و از آنها برای تولید تیغه‌های برش استفاده می‌شود. عملیات حرارتی در این فولادها در ایجاد خواصی مانند سختی و مقاومت به سایش بیشترین اثر را دارد. این فولادها، دارای قابلیت جوشپذیری خیلی ضعیف هستند چرا که حاوی بیشترین مقدار کربن در ساختار خود هستند. از کاربردهای فولادهای پرکربن میتوان در ایجاد لبه تیز کاردها، تیغ‌ها، تیغه اره‌ها و فنرها اشاره کرد.
تقسیم بندی فولادها از نظر کاربرد
فولادها از نظر کاربرد به نوع فولاد ساختمانی و فولاد ابزارسازی تقسیم می‌شوند.
حدود ۹۰ درصد از محصولات کارخانه‌های فولادسازی به فولادهایی اختصاص دارد که مواد اولیه برای ساختمان اسکلت‌های فلزی، پل‌ها، ساختمان اجزای وسایل نقلیه، دستگاه‌ها، ماشین آلات، پیچ و مهره، میله و محور، یاتاقان و از این گونه محصولات است که به فولاد ساختمانی معروف هستند.
فولاد ساختمانی معمولی
این فولاد جزء فولادهای غیر آلیاژی محسوب می‌شود و در سه گروه با درجه مرغوبیت ۱و ۲ و ۳ تولید و به بازار عرضه می‌شود.
کاربرد
نرد‌ه‌ها، تو‌ری‌ها، فولادهای تسمه، سازههای فولادی برخی از اجزاء ماشین، قطعات با تنش بالا، جرثقیل‌ها و پل‌های فولادی.
فولادهای مخصوص جوشکاری
این نوع فولاد قابلیت خوبی برای جوشکاری دارد و در زمینه ساخت شاسی خودرو، تأسیسات نقاله، اگزوز و مخازن تحت فشار استفاده می‌شود.
فولاد سختکاری شونده سطحی (کربوریزه)
این نوع فولاد برای ساخت قطعاتی که دارای سختی سطحی اما با مغز نرم مورد نیاز است به کار می‌رود. برای این منظور مقدار کربن آنها را که کمتر از
۰/۲ درصد است در سطح خارجی، افزایش می‌دهند.
کاربرد
توپی‌ها، مفصل‌ها، پین‌ها و انگشتی‌ها، میل بادامک، چرخ دندهها و وسایل اندازه گیری.
فولاد بهسازی شونده
این نوع فولاد برای ساخت قطعاتی که در معرض ضربه و برخورد قرار دارند، استفاده می‌شود.
کاربرد
میل لنگ‌ها، محور لنگ پرس‌های ضرب‌های و محور وسایل نقلیه، میل گاردان.
فولاد ازته شده (نیتروژنه)
این نوع فولاد در ساخت قطعاتی که در هنگام عملیات نباید پیچیدگی پیدا کنند، به کار می‌رود و عناصری همچون مولیبدن، کروم و آلومینیم در آن یافتت می‌شود. این عناصر، قابلیت جذب ازت را در فولاد افزایش می‌دهند و میتوان سطح آنها را به وسیله جذب ازت، سخت کرد.
کاربرد
سوپاپ خودروهای سواری، قطعات توربین بخار، شاتو‌ن‌ها و محورهای بزرگ.
فولاد اتومات
در هنگام براده‌برداری از این نوع فولاد به علت وجود گوگرد در ترکیب آن، براد‌ه‌های کوتاه جدا می‌شود و سطح خوبی را به وجود می‌آورد. به همین دلیل به این گونه فولادها، فولادهای خو‌ش‌تراش نیز می‌گویند. استفاده از فولادهای اتومات برای جوشکاری و تغییر فرم سرد و قرار دادن در معرض ضربه، توصیه نمی‌شود.
کاربرد
مواد خام برای براده برداری در دستگا‌ه‌های براده بردار خودکار
فولاد فنر
این نوع فولاد، علاوه بر استحکام کششی زیاد، باید خاصیت الاستیسیته خوبی هم داشته باشد و در برابر سایش و ارتعاش نیز مقاوم باشد. وجود سیلیسیم در فولاد فنر، خاصیت الاستیسیته و وجود کروم استحکام و مقاومت در مقابل خوردگی را افزایش می‌دهد.
کاربرد
انواع فنر همانند فنزهای تخت، مخروطی، بشقابی، استوانه‌ای، حلقه‌های فنری و صفحات فنری.
فولاد ورق
این نوع فولاد در صنعت کاربرد فراوانی دارد و در گرو‌ه‌های خیلی ظریف سفید و ظریف، متوسط، خشن و ورق دیگ سازی تولید می‌شوند. ورق‌هایی خیلی ظریف و سفید را با ضخامت کمتر از ۰/۵ میلی متر تولید می‌کنند. ورقهای سفیدی که در ایران به حلبی معروفند، قشر نازکی از قلع دارند.
- کاربرد ورقهای ظریف، تسمه و ورق با قابلیت جوش نقطه‌ای و درزی
- کاربرد ورقهای متوسط و خشن، تولیدات صفحه شکل، تسمه‌ها
- کاربرد ورق های دیگ سازی، مخازن تحت فشار، تأسیسات دیگ بخار
فولادهای ضدزنگ
دسته‌ای از فولادها هستند که مقاومت بسیار زیادی در برابر خوردگی در شرایط مختلف محیطی، به ویژه در هوای مرطوب را دارند. هرچند کاربرد آنها به مقاومت در برابر خوردگی ناشی از مجاورت با رطوبت محدود شدهاست. این نوع فولادها در برابر بیشتر محیط های خورنده مثل محیط‌های اسیدی، بازی و دیگر محیط‌های فعال خورندگی، مقاوم هستند و دچار خوردگی نمی‌شوند. عناصر اصلی ایجاد کننده خاصیت ضدخوردگی در این فولادها کروم، نیکل و مولیبدن هستند. به فولادهای ضد زنگی که برای ظروف و مواد غذایی استفاده می‌شود، مقداری مس برای جلوگیری از بوی بد فولاد اضافه می‌شود.
عده دیگری از فولادهای ضد زنگ، به دلیل مقاومت بسیار زیادشان در برابر حرار‌ت‌های بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، چرا که در چنین درجه حرارت‌هایی، به اکسایش مقاوم هستند و خواص مکانیکی خود را تا حد مطلوبی به علت وجود کروم حفظ می‌کنند. این فولادها را با نام فولادهای نسوز هم می‌شناسند. از جمله کاربردهای این فولادها میتوان به توربین‌های گازی، بویلرها و کورههای عملیات حرارتی اشاره کرد.
فولاد ضد مغناطیس
در ترکیب این نوع فولادها منگنز زیادی وجود دارد. فولادهای ضدمغناطیس را میتوان در حالت سرد به خوبی فرم داد.
کاربرد
ساختن کارد و چنگال، ظروف تزئینی، محفظه قطبنما، قاب ساعت.
فولادهای ابزار
فولادهای ابزار به فولادهایی گفته می‌شود که در ساختن ابزارهای براده برداری و برش (مته، حدیده، قلاویز، قیچی و سنبه ماتریس) و ابزارهای تغییر فرم بدون براده برداری (چکش، تیغه‌های دستگاه خمکن، قالب‌های کوره‌کاری و ریخته گری) استفاده می‌شود. در این فولادها از میان خواص مکانیکی بیشتر قابلیت برش و سختی اهمیت دارد. این فولادها را برحسب درصد عناصر موجود در آ نها به فولادهای ابزارسازی کرم، وانادیم، تنگستن – نکیل و مولیبدن هستند. در فولادهای ابزار غیر آلیاژی درصد کربن ۰/۵ تا ۱/۵ درصد است.
با توجه به اینکه دمای کاری مورد استفاده در فولادهای ابزارسازی متفاوت است، برحسب دمای مورد استفاده به فولادهای سردکار و گرمکار نیز تقسیم‌بندی می‌شوند. فولادهای سردکار، مقاومت خوبی در مقابل ضربه، فشار و سا‌ییدگی دارند. فولادهای گرمکار دارای استحکام مکانیکی و دوام برندگی در دماهای بالا هستند. با این فولادها میتوان قطعات فولادی را در حالت گرم، تیغه فرم داد.