كيف تجعل الحديد فولاذ والفرق بين كل منهما

كيف تجعل الحديد فولاذ هذا السؤال يدور في أذهان الكثيرين عن العملية الكيميائية التي يتم من خلالها تحويل خام الحديد إلى مركب الفولاذ، وهي طريقة صناعية تتم عن طريق تعريض الحديد لدرجات حرارة معينة تعمل على منحه الصلابة المطلوبة التي يقدمها الفولاذ من أجل الدخول في العديد من الأنشطة الصناعية، ومن خلال المقال التالي على موقع موسوعة نتعرف معكم على الحديد، والفولاذ، والفرق بين كل منهما، كما نتعرف كذلك على كيفية تحويل الحديد إلى فولاذ.

الفرق بين الحديد والفولاذ

هناك العديد من الفروق الجوهرية بين الحديد والفولاذ، والتي تميز كلا منهما عن الآخر.

أولًا: الحديد

• عنصر الحديد هو أحد العناصر الموجودة في الطبيعة، وله رمز في الجدول الدوري لمندليف ورمزه fe وله كثافة ألا وهي 78 وله وزن نوعي هو 7.86 وله وزن ذري هو 55.847 وله رقم ذري هو 26 .
• درجة انصهار الحديد هي 1535درجة سلسيوس.
• درجة غليان الحديد هي 2750 درجة سلسيوس.
• يعد الحديد من أكثر العناصر التي توجد في الطبيعة ويوجد بكثرة
• يحتل الحديد المركز الرابع من بين مجموعة العناصر التي توجد في القشرة الأرضية
• يكثر وجود الحديد في القشرة الأرضية على شكل أكاسيد
• يعد الحديد من الفلزات
• الحديد فلز قابل للسحب والطرق والتشكيل
• يعد الحديد من أكثر المعادن المستخدمة في الصناعة حيث يدخل الحديد في العديد من الصناعات كالمشغولات والأدوات والمعدات
• يمتلك الحديد في نواته قوي نووية ويمتلك الحديد ايضا قوة كهرومغناطيسية متأزمة لذلك يعد الحديد من المعادن المستقرة كهرومغناطيسيًا
• تمتلك النيازك 90% من كتلتها حديد لذلك تعتبر النيازك الساقطة علي سطح الأرض مصدر من مصادر وجود الحديد.

ثانيًا الفولاذ

• يتكون الفولاذ عند خلط الحديد مع الكربون لذا فهو مركب كيميائي لذلك لا يُرمز للفولاذ بأي رمز في الجدول الدوري لأن الفولاذ مركبًا وليس عنصر.
• الفولاذ عكس الحديد فالحديد يعد عنصر واحد منفرد أما الفولاذ فهو من السبائك المكونة من العديد من العناصر لذا فالحديد والفولاذ نقائض.
• يتكون الفولاذ من خليط الحديد مع الكربون فالحديد مكون رئيسي في الفولاذ وعند زيادة نسبة الكربون تزداد صلابة الفولاذ وتختلف خصائصه وتتعدد استخداماته.

خصائص الفولاذ

عرفنا أن الفولاذ هو مركب كيميائي ناتج عن التفاعل بين عنصري الحديد والكربون بشكل أساسي إضافة إلى العديد من العناصر الأخرى التي تكسبه الخصائص المميزة له، ومن أهم خصائص الفولاذ:

• الصلابة hardness

تكشف خاصية الصلابة او القساوة عن قدرة الفولاذ علي تحمل الخدوش، وللبنية الدقيقة دورا هاما في تعيين قدرة هذا المركب علي التحمل.

• التوصيل للحرارة العالية

يعتبر الفولاذ واحد من المركبات الكيميائية جيدة التوصيل للحرارة.

• القابلية للصدأ

يعتبر الفولاذ من المواد الكيميائية القابلة للصدأ، ويطلق على الفولاذ الذي يقاوم الصدأ اسم “ستنلس ستيل” ويعرف هذا النوع بشدة مقاومته للصدأ.

• المتانة

يتم تعريض الفولاذ للصدمات الحرارية بشكل كبير، حيث تقاس متانة الفولاذ بتعريضه للصدمة.

• المقاومة للشدّ  tensile
  

تعرف هذه الخاصية بمدي قدرة الفولاذ علي التماسك او التحطم عندما يبلغ نقطة الانهيار ويعرف بمقدار الإجهاد.

أنواع الحديد

عنصر الحديد من أكثر العناصر الكيميائية الموجودة في الطبيعة، ولكن عندما يتم استخدام الحديد في الصناعات المختلفة، فإنه يتم مزجه ببعض العناصر الأخرى من أجل إكسابه خصائص جديدة، كالصلابة أو الليونة أو مقاومة الصدأ، وغيرها، ومن أشهر أنواع الحديد:

• الحديد المصبوب” الحديد الزهر”

ويعرف كذلك باسم الحديد المصبوب، ويتم إنتاجه من خلال إجراء عملية الصهر للحديد الذي يحتوي على أكثر من 2% من الكربون. ويدخل الحديد الزهر في العديد من الصناعات، وخاصة في صناعة الادوات التي لا تتعرض للصدمة كأنابيب الغاز وأنابيب المياه، بسبب خصائصه المميزة، وهي المتانة والليونة والصلابة، ومقاومة التآكل، والمرونة، حيث يمكن إعادة تشكيله مرات مختلفة.

• الحديد الصلب “الفولاذ”

يتم استخدام الفولاذ في صناعة قضبان السكة الحديد والجسور والسفن.

• الحديد الرمادي

1. سمي الحديد الرمادي بهذا الاسم لأنه عندما يتم تكسيره يعطي لونًا رماديًا، وهو أقل في الشدة من الحديد المطاوع>
2. يختلف الحديد الرمادي في تركيبته الكيميائية عن أنواع الحديد الأخرى حيث يحتوي على الكربون والسيليكون، بالإضافة إلى عنصر الحديد.

• الحديد الأبيض

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

• الحديد المطاوع

1. هذا النوع من الحديد يمثل عنصر الحديد بشكل نقس قبل إضافة المواد الكيميائية له.
2. ويتميز الحديد المطاوع بمقاومته للكسر عندما يتعرض للضغط الشديد، وفي الأزمنة السابقة كان يتم استخدامه من أجل تشييد الجسور، والمباني المرتفعة.
3. ولكن نظرًا لتطور صناعة الحديد أصبح يتم استخدام الحديد الصلب بدلًا عنه. ويدخل في صناعة الأجهزة الكهربائية المستخدمة في صناعة المغناطيس الكهربي المؤقت.
4. كما يتم استخدامه في صناعة قضبان التسليح التي تستخدم في عمليات البناء.

أنواع الفولاذ

هناك العديد من الخصائص التي يتميز بها الحديد الصلب (الفولاذ) التي تجعله يتميز عن غيره من العناصر الأخرى، ومن أهم هذه الأنواع:

• الفولاذ الدمشقي

1. يعد الفولاذ الدمشقي من الفولاذات المرنة ويمتاز هذا النوع من الفولاذ بصلابته الشديدة، يتم تشكيل الفولاذ الدمشقي عن طريق ترابط وتماسك العديد من السبائك.
2. يُحضّر هذا الفولاذ عن طريق اللحام الحراري والطرق، ويتم تشكيله بترابط وتماسك عدة سبائك مع بعضها البعض.

• فولاذ الأدوات

يمتاز هذا النوع من الفولاذ بسهولة تشكيله وصبه فهو لا يحتاج مجهود كثيف عند صهره ولحامه، يتم استخدام فولاذ الأدوات في بناء الآلات، ما يميز هذا النوع من الفولاذ هو سعره المنخفض.

• الفولاذ غير قابل للصدأ

1. يحتوي هذا النوع من الفولاذ علي حديد ولا تقل نسبة الحديد فيه عن 50% كما يحتوي أيضا على عناصر أخرى مثل: النيكل والكربون والكروم.
2. يتم استخدام الفولاذ الغير قابل للصدأ في صناعة الكثير من الأشياء فمثلا يدخل في صناعة الأدوات المنزلية كشفرات الحلاقة وعلب العصائر والعديد من الأدوات الأخرى.

• فولاذ مقاوم للأحماض

1. يتميز هذا النوع من الفولاذ بمقاومته للأحماض وقدرته الكبيرة على مقاومة المحلول القلوي بسبب احتواء هذا النوع من الفولاذ على نسبة جيدة من الكروم تكون حوالي 17% علي الأقل .
2. يتم استخدام الفولاذ المقاوم للأحماض في العبوات والزجاجات التي تصنع من الحديد والتي يكون بداخلها مواد التنظيف والمواد الكيميائية التي تستخدم في مواد الطلاء والبناء.

• فولاذ النيتروجين

1. يحتوي هذا النوع من الفولاذ علي النيتروجين ويعتبر النيتروجين عنصر أساسي فيه .
2. يتم استخدام فولاذ النيتروجين في صناعة الأدوات كالمكابس وأذرعها التي يتعرض أجزاء منها لحركة مستمرة ودائمة.

أنواع الفولاذ المختلفة

• الفولاذ اللولبي

يحتوي الفولاذ اللولبي على نسبة كبيرة من السيلكون لذلك فإنه مرن، عند زيادة نسبة السيلكون في الفولاذ اللولبي تزداد مرونته وفي بعض الأوقات يتم إضافة عنصر الكروم إليه، يتم استخدام الفولاذ اللولبي في صناعة البراغي والمواسير وغيرها.

• فولاذ التقوية

ما يميز هذا النوع من الفولاذ هو قوته وقدرته الكبيرة في تحمل الضغط والشد والأثقال المرتفعة لذلك فإنه يتم استخدامه بشكل كبير في خرسانة البناء.

• فولاذ آلي

يستخدم هذا النوع من الفولاذ في أعمال البناء وذلك لتشابه خصائصه مع خصائص الفولاذ البنائي بل يحتوي على نسبة كربون أكبر من الفولاذ البنائي.

كيف تجعل الحديد فولاذ

من أجل تحويل الحديد إلى فولاذ فهناك بعض الخطوات التي يتم اتباعها كالآتي:

• في البداية يتم صهر عنصر الحديد الخام تحت درجات حرارة معينة، من أجل الحصول على مركب الحديد الذي يحتوي على نسبة من الكربون، أكبر من النسبة المطلوبة، لأن زيادة نسبة الكربون في مركب الحديد تعطيه الصلابة المطلوبة.
• بعد أن يتم صهر الحديد وزيادة نسبة الكربون فيه، يتم صهر الحديد مرة أخرى من أجل تقليل نسبة الكربون إلى النسبة المطلوبة، وخلال عملية الصهر الثانية يتم إضافة بعض العناصر الكيميائية بنسب معينة.
• في المرحلة التالية يتم صب الكربون في قوالب معينة، أو ألواح ذات أبعاد معينة، ويتم تسخينها تحت درجات حرارة عالية في أفران الحديد من أجل تشكيلها بشكل أولي، كالبليت.
• في المرحلة التالية يتم درفلة مركب البليت، سواء كان ساخنًا أو باردًا من أجل الحصول على الألواح والقضبان والأسلاك الحديدية، بالشكل النهائي المطلوب الوصول إليه.
• مكعبات الصلب الأخرى يتم تشكيلها على هيئة الشكل المطلوب استخدامه في الصناعة.
• في الأزمنة القديمة كانت هذه العمليات تتم يدويًا، ولكن مع التطور الشديد الذي يشهده المجال الصناعي في العقود الأخيرة أصبحت المصانع المتخصصة تقوم بهذه الصناعة من بداية صهر الحديد وحتى الحصول على الفولاذ.

مكونات الفولاذ

يحتوي الفولاذ بجانب عنصر الحديد الخام على العديد من العناصر الكيميائية التي تعطيه الخصائص المعروفة للفولاذ، وهذه العناصر هي:

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

وعدد من العناصر الأخرى التي تعمل على زيادة الترابط بين الحديد، وعدم حدوث الانخلاع. كما أن طريقة إضافة تلك العناصر ونسبتها تجعل هناك أنواع متعددة من الفولاذ التي تختلف في المرونة والصلابة.

وإلى هنا نكون قد انتهينا من عرض هذا المقال الذي تعرفنا من خلاله على الإجابة عن تساؤل كيف تجعل الحديد فولاذ، كما تعرفنا على أنواع الحديد وخصائصه، وكذلك الفولاذ وخصائصه، والفرق بين الحديد والفولاذ، والخطوات التي يتم عن طريقها تحويل الحديد إلى الفولاذ. نرجو أن يكون المقال قد نال إعجابكم، كما يمكنكم متابعة المزيد من المقالات حول الموضوعات المختلفة عبر الدخول إلى موقع الموسوعة العربية الشاملة.