كيف تجعل الحديد فولاذ والفرق بين كل منهما

كثيرا ما يتساءل الناس عن العملية الكيميائية التي يتم من خلالها تحويل خام الحديد إلى فولاذ، وهي طريقة صناعية تعتمد على تعريض الحديد لدرجات حرارة معينة تمنحه الصلابة اللازمة، والتي يمكن استخدامها في العديد من الأنشطة الصناعية، وفي هذا المقال، سنتعرف على الحديد والفولاذ والفرق بينهما، بالإضافة إلى كيفية تحويل الحديد إلى فولاذ.

الفرق بين الحديد والفولاذ

توجد العديد من الفروق الجوهرية بين الحديد والفولاذ، والتي تميز كلًا منهما عن الآخر.

أولًا: الحديد

• الحديد هو أحد العناصر الموجودة في الطبيعة، ويحمل الرمز `Fe` في الجدول الدوري لمندليف، وله كثافة تساوي 78، ووزن نوعي يساوي 7.86، ووزن ذري يساوي 55.847، ورقم ذري يساوي 26 .
• درجة انصهار الحديد هي 1535درجة سلسيوس.
• درجة غليان الحديد هي 2750 درجة مئوية.
• يعتبر الحديد أحد العناصر الأكثر وفرة في الطبيعة
• يحتل الحديد المركز الرابع من بين المجموعة العنصرية الموجودة في القشرة الأرضية
• يتواجد الحديد بكثرة في القشرة الأرضية على شكل أكاسيد
• يعد الحديد من الفلزات
• الحديد فلز قابل للسحب والطرق والتشكيل
• يعتبر الحديد من أكثر المعادن استخدامًا في الصناعة، حيث يستخدم في العديد من الصناعات مثل المشغولات والأدوات والمعدات
• يمتلك الحديد في نواة ذرته قوة نووية كبيرة، ويمتلك أيضًا قوة كهرومغناطيسية قوية، لذلك يُعد الحديد من المعادن المستقرة كهرومغناطيسيًا
• تحتوي النيازك على حوالي 90٪ من كتلتها من الحديد، مما يجعلها مصدرًا هامًا للحديد عندما تسقط على سطح الأرض.

ثانيًا الفولاذ

• يتكون الفولاذ من خلال خلط الحديد مع الكربون، وبالتالي، فهو مركب كيميائي، وليس عنصرًا، وبالتالي لا يتم تمييزه برمز في الجدول الدوري للعناصر.
• على الرغم من أن الحديد يعد عنصرًا منفردًا، فإن الفولاذ يختلف عنه حيث يتكون من سبائك متعددة العناصر، ولذلك يمكن القول إن الحديد والفولاذ عكس بعضهما البعض.
• يتكون الفولاذ من مزيج الحديد والكربون، حيث يشكل الحديد المكوِّن الرئيسي للفولاذ، وعندما يزيد نسبة الكربون، يزداد صلابة الفولاذ وتختلف خصائصه وتتعدد استخداماته.

خصائص الفولاذ

تم تعريف الفولاذ على أنه مركب كيميائي يتكون بشكل أساسي من عنصري الحديد والكربون، بالإضافة إلى العديد من العناصر الأخرى التي تعطيه الخصائص المميزة، ومن أهم خصائص الفولاذ:

• الصلابة hardness

تكشف خاصية الصلابة أو القساوة عن قدرة الفولاذ على تحمل الخدوش، وللبنية الدقيقة دورًا هامًا في تحديد قدرة هذه المادة على التحمل.

• التوصيل للحرارة العالية

يعد الفولاذ واحدًا من المركبات الكيميائية الجيدة في التوصيل الحراري.

• القابلية للصدأ

يعتبر الفولاذ من المواد الكيميائية القابلة للصدأ، ويُطلق على الفولاذ الذي يقاوم الصدأ اسم `ستانلس ستيل`، ويشتهر هذا النوع بشدة مقاومته للصدأ.

• المتانة

يتم تعريض الفولاذ لصدمات حرارية كبيرة، وتقاس متانته عن طريق تعرضه للصدمة.

• المقاومة للشدّ  tensile
  

تعني هذه الخاصية قدرة الفولاذ على الاحتمال والتحمل قبل الكسر عندما يصل إلى حد الانهيار، وتعرف بمقدار الإجهاد.

أنواع الحديد

الحديد هو واحد من أكثر العناصر الكيميائية شيوعًا في الطبيعة، ولكن عند استخدامه في الصناعات المختلفة، يتم مزجه مع بعض العناصر الأخرى لإضفاء خصائص جديدة عليه، مثل الصلابة أو الليونة أو مقاومة الصدأ وغيرها، وبين أنواع الحديد الشهيرة:

• الحديد المصبوب” الحديد الزهر”

يطلق عليه أيضًا اسم الحديد المصبوب، ويتم إنتاجه عن طريق صهر الحديد الذي يحتوي على أكثر من 2% من الكربون، ويستخدم الحديد الزهر في العديد من الصناعات، وخاصة في صناعة الأدوات التي لا تتعرض للصدمات مثل أنابيب الغاز والمياه، بسبب خصائصه الفريدة مثل المتانة والليونة والصلابة ومقاومة التآكل والمرونة، حيث يمكن إعادة تشكيله مرات عدة.

• الحديد الصلب “الفولاذ”

يستخدم الفولاذ في صناعة قضبان السكك الحديدية والجسور والسفن.

• الحديد الرمادي

1. يطلق على الحديد ذو اللون الرمادي هذا الاسم لأنه عند تكسيره يعطي لونًا رماديًا وهو أقل شدةً من الحديد المطاوع
2. يختلف الحديد الرمادي عن أنواع الحديد الأخرى في تركيبته الكيميائية، حيث يحتوي على الكربون والسيليكون، بالإضافة إلى الحديد.

• الحديد الأبيض

يحتوي هذا النوع من الحديد على كميات قليلة من الجرافيت، وعندما يتم تكسيره، يظهر بقايا الكسر باللون الأبيض بسبب عدم وجود كميات كبيرة من الجرافيت فيه، ولا يستخدم هذا النوع بشكل كبير في الصناعة.

• الحديد المطاوع

1. يمثل هذا النوع من الحديد الحديد بشكل نقي قبل إضافة المواد الكيميائية إليه.
2. يتميز الحديد المطاوع بمقاومته للكسر عند التعرض للضغط الشديد، وفي الماضي كان يستخدم في بناء الجسور والمباني العالية.
3. يشير إلى أنه بسبب تطور صناعة الحديد، بدأ الحديد الصلب يستخدم بدلاً من الحديد الزهر، ويدخل في صناعة الأجهزة الكهربائية المستخدمة في صناعة المغناطيس الكهربائي المؤقت.
4. ويستخدم أيضًا في صناعة قضبان التسليح التي تستخدم في عمليات البناء.

أنواع الفولاذ

يتميز الحديد الصلب (الفولاذ) بخصائص عديدة تجعله يتفوق على غيره من العناصر، ويعد من بين أهم هذه الخصائص:

• الفولاذ الدمشقي

1. يتمتع الفولاذ الدمشقي بالمرونة والصلابة العالية، ويتم تشكيله بواسطة ترابط العديد من السبائك معًا.
2. يتم إعداد هذا الصلب عن طريق اللحام الحراري والطرق، ويتم تشكيله بترابط وتماسك عدة سبائك مع بعضها البعض.

• فولاذ الأدوات

يتميز الفولاذ الأدوات بسهولة تشكيله وصبه، ولذلك فهو لا يحتاج إلى مجهود كبير عند صهره ولحامه، ويستخدم عادة في صناعة الآلات، ويتميز بسعره المنخفض.

• الفولاذ غير قابل للصدأ

1. يحتوي هذا النوع من الفولاذ على نسبة لا تقل عن 50% من الحديد، بالإضافة إلى عناصر أخرى مثل النيكل والكربون والكروم.
2. تستخدم الفولاذ الغير قابل للصدأ في صناعة العديد من الأشياء، مثل الأدوات المنزلية مثل مقصات الحلاقة، وعلب العصائر، والعديد من الأدوات الأخرى.

• فولاذ مقاوم للأحماض

1. يتميز هذا النوع من الفولاذ بقدرته على مقاومة الأحماض والمحاليل القلوية، نظرًا لاحتواءه على كمية كبيرة من الكروم، والتي تصل إلى 17% على الأقل .
2. يتم استخدام الفولاذ المقاوم للأحماض في عبوات وزجاجات مصنوعة من الحديد، وتحتوي على مواد تنظيف ومواد كيميائية تستخدم في صناعة الطلاء والبناء.

• فولاذ النيتروجين

1. يحتوي هذا النوع من الفولاذ على النيتروجين، والذي يعد عنصرًا أساسيًا في تركيبه .
2. يتم استخدام فولاذ النيتروجين في صناعة الأدوات مثل المكابس وأذرعها التي يتعرض بعض أجزاء منها لحركة مستمرة ودائمة.

أنواع الفولاذ المختلفة

• الفولاذ اللولبي

يحتوي الفولاذ اللولبي على نسبة كبيرة من السيليكون مما يجعله مرنًا، وعندما يزيد تركيز السيليكون في الفولاذ اللولبي، يزداد ارتفاع معامل المرونة، وفي بعض الأحيان يتم إضافة الكروم إليه، يستخدم الفولاذ اللولبي في صناعة البراغي والأنابيب وغيرها.

• فولاذ التقوية

يتميز هذا النوع من الفولاذ بقوته وقدرته الكبيرة على تحمل الضغط والشد والأوزان العالية، ولذلك يتم استخدامه على نطاق واسع في بناء الخرسانة.

• فولاذ آلي

يستخدم هذا النوع من الفولاذ في أعمال البناء بسبب تشابه خصائصه مع خصائص الفولاذ البنائي، إلا أنه يحتوي على نسبة أكبر من الكربون.

كيف تجعل الحديد فولاذ

تتضمن عملية تحويل الحديد إلى الفولاذ عددًا من الخطوات التي يتم اتباعها كالتالي:

• في البداية، يتم صهر الحديد الخام تحت درجات حرارة معينة للحصول على مركب الحديد الذي يحتوي على نسبة من الكربون أكبر من النسبة المطلوبة، لأن زيادة نسبة الكربون في مركب الحديد تمنحه الصلابة المطلوبة.
• بعد صهر الحديد وزيادة نسبة الكربون فيه، يتم إعادة صهر الحديد مرة أخرى لتقليل نسبة الكربون إلى نسبته المطلوبة، وخلال عملية الصهر الثانية يتم إضافة بعض العناصر الكيميائية بنسب محددة.
• في المرحلة التالية، يتم صب الكربون في قوالب أو ألواح ذات أبعاد محددة، ويتم تسخينها تحت درجات حرارة عالية في أفران الحديد لتشكيلها بشكل أولي مثل البليت.
• في المرحلة التالية يتم درفلة مركب البليت، سواء كان ساخنًا أو باردًا، للحصول على الألواح والقضبان والأسلاك الحديدية بالشكل النهائي المطلوب.
• تتم صناعة مكعبات الصلب الأخرى على شكل القوالب المطلوبة للاستخدام في الصناعة.
• في العصور القديمة، كانت هذه العمليات تتم يدويًا، ولكن مع التطور الشديد في المجال الصناعي خلال العقود الأخيرة، أصبحت المصانع المتخصصة تقوم بهذه الصناعة من بداية صهر الحديد حتى الحصول على الفولاذ.

مكونات الفولاذ

يتكون الفولاذ من الحديد الخام إلى جانب العديد من العناصر الكيميائية التي تعطيه الخصائص المميزة للفولاذ، وهذه العناصر هي:

• كلما زادت نسبة الكربون في الحديد، زادت نسبة هشاشة الفولاذ.
• النيكل.
• الكروم.
• السيليكوم.
• الفاناديوم.
• الفسفور.
• الموليبدينيوم
• الكبريت.

تتضمن بعض العناصر الأخرى التي تساعد على زيادة ترابط الحديد ومنع الانفصال، وطريقة إضافتها ونسبتها تؤدي إلى وجود أنواع مختلفة من الفولاذ تختلف في المرونة والصلابة.

وبهذا نكون قد انتهينا من مقالنا الذي شرحنا فيه كيفية تحويل الحديد إلى الفولاذ وأنواع الحديد وخصائصه، بالإضافة إلى خصائص الفولاذ والفرق بينه وبين الحديد، وشرحنا الخطوات التي يتم اتباعها لتحويل الحديد إلى الفولاذ. نأمل أن يكون المقال مفيداً وممتعاً لجميع القراء، ويمكنكم متابعة المزيد من المقالات عن مواضيع مختلفة على موقع الموسوعة العربية الشاملة.