الفولاذ
الفولاذ: هو سبيكة تتكوّن من عنصرين أساسيّن هما: الحديد والكربون، هذا وقد تحتوي أيضاً على كميّة قليلة من المنغنيز إضافةً إلى كمّيّات أخرى من عناصر ومعادن مُتعدّدة كالنيكل والكروم والسيليكون، حيث تكون قوّة الفولاذ أكبر من قوّة الحديد.
يحتوي الفولاذ على الكربون الذي يقوم بتقسيتها، كما أنّه يقوم بمنع طبقات الحديد من الانزلاق فوق بعضها بعضاً، هذا وقد تختلف خصائص السبيكة باختلاف العناصر التي يتمّ إضافتها إلى السبيكة، وفي حال زادت كميّة الكربون الداخلة في تكوين السبيكة فإنّ هذه السبيكة تُسمّى باسم الحديد الزهر.
يُعدّ الفولاذ (الصلب) واحداً من أكثر المواد التي يتمّ استخدامها في العديد من الصناعات، حيث يتمّ إضافة عناصر أخرى وجديدة للسبائك الفولاذيّة حتى يتم التّحسين من صفاتها وخصائصها فمثلاً: يتمّ إضافة النيكل والمنغنيز إلى السبيكة ؛ وذلك للتحسين من قوّة شدّها، ومن الممكن أن يتمّ إضافة الكروم لزيادة صلادة الفولاذ ورفع درجة انصهاره.
يوجد الفولاذ في طور المارتنسيت (يُشير هذا الطور إلى إيِّ تركيب بلوريّ يتمّ تشكيله عن طريق تحوّل الروابط الاستبداليّة وذلك دون أن يحدّث استبدال للروابط الأوليّة، كما أنّه يحتوي على مجموعة من المعادن الصلبة التي تتصلَّب على شكل شرائح أو على شكل حبيبات مُتبلورة).
أسباب استخدام الفولاذ
يعود السبب وراء استخدام الفولاذ في جميع الصناعات وكل المجالات إلى تكلفة صناعته وتشكيله المُنخفضة، بالإضافة إلى خصائصه الميكانيكيّة التي يتميّز بها، عدا عن مواده الخام المُتوافرة في كلِّ مكان، هذا وقد تمَّ اكتشاف أقدم قطعة مصنوعة من الفولاذ في إحدى المواقع الأثرية الموجودة في مدينة الأناضول.
يتمّ استخدام الفولاذ في العديد من الصناعات كصناعة السفن والموانئ والمنشآت إضافةً إلى استخدامه في العديد من المُعدّات الطِّبيَّة؛ نظراً لكونه خمِل وسريع التنظيف والتعقيم، هذا وقد يدخل في صناعة العديد من المُعدّات الميكانيكيّة وصناعة السّيارات وجميع وسائل النقل، وقد يتمّ استخدام الفولاذ في صناعة عدد من المعادن، كما يتمّ استخدامه في صناعة ناقلات النفط.
تعتمد طريقة صناعة الفولاذ بشكل رئيس على صهر معدن الحديد من خاماته؛ وذلك من أجل الحصول على نسبة كبيرة من الحديد الحاوي على الكربون، ليتمّ بعد ذلك إضافة عناصر جديدة ومحدّدة إلى المصهور حتى تقلّ نسبة الكربون الناتجة، ومن ثمّ يبدأ صب المعادن المصهورة في ألواح وقوالب خاصة، ليتمّ بعد ذلك وضع الألواح التي صُبت فيها المعادن المصهورة في أفران خاصّة للتسخين حتى يتمّ تشكيلها بالشَّكل المطلوب.
أهم المعادن المُكونة للفولاذ
يحتوي الفولاذ على كميّات قليلة من الألمنيوم والأكسجين والنتروجين إضافةً إلى عدد من العناصر أهمها:
- الكربون: الذي يتمّ استخدامه كعنصر لتقوية بُنية الفولاذ، حيث يحافظ على بقاء نسبته ضمن مُستويات تتناسب مع قدرة مقاومة السبيكة للحام والمرونة.
- المنغنيز: الذي يُساهم في زيادة صلابة ومتانة الفولاذ.
- الفسفور والنحاس: حيث تزيد هذه المعادن من قدرة الفولاذ على مقاومة الصدأ.
- الكبريت والسيليكون: تؤدي زيادة نسبة الكبريت إلى تقليل مرونة وصلابة الفولاذ، في حين يعمل السيليكون على زيادة متانة وصلابة الفولاذ.
أهم العمليات التي يتم من خلالها معالجة الفولاذ
- التخمير: هي عملية يتمّ فيها تغيير خصائص بعض المواد كالصلادة والقوّة، يقوم مبدأ عمل هذه الطريقة على أساس تسخين سبيكة الحديد لتصبح درجة حرارتها أعلى ممّا هي عليه، أمّا الهدف من هذه الطريقة فيعود إلى تحسين ليونة السبيكة إضافةً إلى تقليل الإجهادات الداخليّة، كما تعمل هذه الطريقة على تحسين بُنية السبيكة الداخليّة.
- التبريد المفاجئ: تعمل هذه الطريقة على زيادة صلادة السبيكة وذلك من خلال تحويل بُنية الفولاذ الداخليّة إلى المارتنسيت، ويتمّ في هذه العمليّة تسخين السبيكة حتى تصل إلى درجات حرارة مُعيّنة بالاعتماد على نوعية المادة، هذا وقد تؤدّي هذه العمليّة إلى إنتاج كميّات كبيرة من مواد ذات صلادة أكبر ممّا كانت عليه، لتبدأ بعد ذلك عمليّة التبريد المُفاجئ للسبيكة وذلك عن طريق وضعها في الزيت أو الماء، وتؤدي هذه العمليّة إلى إنتاج السمنتيت بشكل مُنفصل عن المارتنسيت.
أنواع الفولاذ
- الفولاذ الكربونيّ: يُشكل هذا النوع من الفولاذ النسبة الأكبر بين الأنواع الباقية، يُصنَّف إلى ثلاثة أنواع رئيسيّة وهي فولاذ منخفض الكربون وفولاذ متوسط الكربون إضافةً إلى الفولاذ مرتفع الكربون والذي يحتوي على أكبر نسبة من الكربون.
- الفولاذ السبائكيّ: يحتوي على مجموعة مُتنوعة من المعادن كالمنغنيز والنيكل والكروم، ولهُ نوع من الفولاذ عالي المقاومة، والذي يحتوي على نسبة قليلة من الكربون، ويتمّ استخدام هذا النوع من الفولاذ في صناعة أنابيب النفط والسفن إضافةً إلى صناعة صهاريج التخزين.
- الفولاذ المُقاوم للصدأ: يحتوي هذا النوع على نسبة متوسطة من الكروم، ويُطلق عليه اسم الستانليس ستيل.
- فولاذ العُدّد: يندمج هذا النوع من الفولاذ مع عدد من المعادن كالتنغستن والموليبدنوم، إضافةً إلى احتوائه على عدد من المعادن غالية الثمن.
خصائص الفولاذ
- يتكوّن من مجموعة من العناصر الأمر الذي جعله لا يمتلك رمزاً خاصاً به.
- له كثافة عالية نسبيّاً.
- له قدرة على التوصيل والتمدُّد الحراريّ.
- يمنع انزلاق الحديد.
- يمتاز بقدرته العالية على تحمُّل الخدش، ممّا يجعله صلب وقاسٍ.
- له قدرة كبيرة على مقاومة الشدِّ.
- له قدرة كبيرة على التشكيل والسّحب ممّا يجعله من المعادن المرنة.
- يمتاز بمتانتهِ الكبيرة.
- يُعرف الفولاذ بمقاومته الكبيرة للصدأ.
- من المعادن القديمة التي تمّ اكتشافها قبل حوالي أربعين سنة.
- يحتوي الفولاذ الذي تمّ إنتاجه في الوقت الحالي على كميّات مُتوسطة من الفولاذ الذي تمت إعادة تدويرهِ.
