خواص فلزات آهنی

[bigbang]

مواد (فلزات آهنی)

فلزات عناصر شیمیایی مانند آهن، طلا یا آلومینیوم هستند که با حل شدن در محلول اسیدی خالص حامل بار مثبت می‏شوند و در هسته الکتریکی به سوی قطب منفی حرکت می‏کنند. بیشتر فلزات رساناهای خوبی برای گرما و الکتریسیته و عموماً سخت، سنگین و مقاوم هستند.


فلزات آهنی

در ساختمان فلزات آهنی عنصر آهن وجود دارد. ماشینکاران دیر زمانی است که با خاصیت های مفید آهن سروکار دارند.

آهن:

آهن خالص ( فریت ) عنصری نسبتاً نرم با ساختمان بلورین است. آهن خالص در ۱۵۲۷ درجه سانتیگراد به حالت جامد درمی‏آید و دما در طی زمان کوتاهی که بستگی به نرخ انجماد و جرم فلز دارد در این حد ثابت می‏ماند. سپس دما به ۸۹۸ درجه کاهش می‏یابد و در این حالت نیز وقفه دیگری در کاهش دما پیش می‏آید. با سرد شدن بیشتر تا ۷۶۹ درجه باز هم دما برای زمان کوتاهی ثابت می‏ماند. با کاستن دما از ۷۶۹ درجه سانتی گراد تا دمای محیط توقف دیگری در افت دما پیش نمی‏آید.
با سرد شدن آهن خالص تغییرات معینی در آن روی می‏دهد. آهن خالص چهار فاز جامد با خصوصیات فیزیکی متفاوت دارد.

فازهای آهن خالص عبارتند از:

۱- آهن آلفا:

این آهن نرم و مغناطیسی است و حلال کربن نیست. آهن آلفا در حد فاصل میان دمای محیط و ۷۶۹ درجه سانتی گراد پدید می‏آید.
۲- آهن بتا:

این فاز آهن در دماهای بالا دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفی است ولی در دماهای پایین خاصیت مغناطیسی ندارد. به شدت سخت و شکننده است و تقریباً اثری بر کربن ندارد. آهن بتا بین ۷۶۹ تا ۸۹۸ درجه سانتیگراد به وجود می‏آید.
۳- آهن گاما:

در این فاز آهن آماده حل کردن کربن است و حلالیت آن با افزایش دما بیشتر می‏شود. اگر سرد شدن آهن گاما همراه با عبور سریع از نقطه بحرانی باشد گذار آن از آهن گامای سخت به آهن آلفای نرم به تعویق می‏افتد. بنابراین در این حالت آهن از نظر سختی ناپایدار و آماده تبدیل به فاز نرم آلفاست.
به نظر می‏رسد وجود مواد خارجی مانند کربن، نیکل و منگنز مقاومت آهن گاما را نسبت به تبدیل شدن به آهن آلفا افزایش می‏دهد و به این ترتیب آهن گاما در دماهای پایین مقاومتر و پایدارتر خواهد بود.
از طرف دیگر وجود کرم، تنگستن، آلومینیوم، سیلیکون، فسفر، آرسنیک و گوگرد، گذار آهن سخت بتا به آهن نرم آلفا را ساده می‏کند. از نظر سختی آهن گاما در میان آهن آلفا و آهن بتا قرار دارد. آهن گاما در حد فاصل دماهای ۸۹۸ و ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تشکیل می‏شود.
۴- آهن دلتا:

این گونه آهن کاربرد بسیار کمی دارد. آزاد شدن حرارت در ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد نشانه تغییر ساختمان داخلی فلز در گذار از فاز دلتا به فاز گاماست. نقطه بحرانی در ۱۴۰۱ درجه آشکار می‏شود و بنابراین در بالا و پایین نقطه بحرانی فازهای مختلف آهن تشکیل می‏شوند. آهن دلتا در حد فاصل دماهای ۱۴۰۱ و ۱۵۲۸ درجه سانتیگراد به وجود می‏آید.

آهن خام:

ترکیبی از آهن، کربن و سیلیکون، گوگرد، فسفر و منگنز است. مقدار کربن موجود در آهن خام ۲ تا ۵/۴ درصد است که به دو صورت شکل می‏گیرد، بخشی به صورت محلول یا ترکیبی و بخش دیگر در سراسر جرم فلز به شکل گرافیت یا کربن غیرترکیبی پخش می‏شود.

چدن:

چدن با فشار شکل نمی‏گیرد و با نورد و کشش به شکلهای مفید درنمی‏آید. این آهن در واقع آهن خام است که دوباره ذوب شده است. مقدار کربن موجود در چدن بیش از ۲ درصدی است که به این ترتیب فلز چدن در هیچ دمایی چکشخوار نیست. چدن در صنایع ریخته‏گری کاربرد فراوان دارد و دارای چهار نوع است:
۱- چدن خاکستری:

این نوع چدن در ریخته‏گری معمولی بیشترین کاربرد را دارد. این چدنِ نرم دارای درصد بالایی از گرافیت است که موجب سفتی و از سوی دیگر مقاومت کششی اندک آن می‏شود. چدن خاکستری در هنگام شکست با دانه‏بندی درشت به رنگ تیره یا خاکستری می‏گسلد. این رنگ ناشی از ورقه‏های پهن گرافیت است که در سراسر ماده پخش شده‏اند. اگر ورقه‏های گرافیت بزرگ و فراوان باشند مقاومت کششی چدن اندک است. اندازه و مقدار ورقه‏های گرافیت از چگونگی شکل‏گیری آنها در هنگام انجماد تأثیر می‏پذیرد. اگر سرعت انجماد زیاد باشد کربن کمتری به شکل گرافیت جدا می‏شود. بنابراین سختی ماده بر اثر افزایش میزان کربن ترکیبی زیاد می‏شود. چدن خاکستری دارای ۵/۲ تا ۵/۳ درصد کربن است.

2- چدن سفید:

آهن با درصد کربن کم (۲ تا ۵/۲ درصد) آهن سفید نامیده می‏شود. این آهن در تمام طول ریخته‏گری کربن ترکیبی خود را کاملاً حفظ می‏کند و بنابراین گرافیت تشکیل نمی‏شود. در نتیجه آهن حاصل از ریخته‏گری بسیار سخت و شکننده خواهد بود. از آهن سفید هنگامی برای ساخت قطعات ماشین استفاده می‏شود که مطلوب، سختی باشد و شکنندگی مسأله‏ای ایجاد نکند.
اگر گرافیت هم کم‏وبیش تشکیل شود لخته‏های تیره‏ای در آهن سفید مشاهده خواهد شد و در این مناطق سختی کاهش می‏یابد. این آهن، چدن خالدار نامیده می‏شود.
۳- چدن چکشخوار:

برای ساخت قطعات پیچیده دستگاه ها و در مواردی که نرمش ماده ضرورت داشته باشد از چدن چکشخوار بیش از گونه‏های دیگر استفاده می‏شود. قطعات ریختگی ساخته شده از چدن چکشخوار را می‏توان در محدوده تحمل این ماده بدون ایجاد شکستگی خم کرد.
قطعات ریختگی از چدن سفید سخت و شکننده ساخته می‏شوند و پس از فرایند تافتن تبدیل به چدن چکشخوار می‏شوند. در فرایند تافتن کربن اضافی بر اثر عملیات حرارتی طولانی در دمای ۸۹۹ درجه سانتی گراد حذف می‏شود. با گذشت چند ساعت کربن گرافیتی جذب و چدن به گونه‏ای فولاد تبدیل می‏شود.

4- آهن چکشخوار:

بنابر تعریف این ماده نوعی فولاد کم کربن است که مقدار زیادی سرباره دارد. آهن چکشخوار از نظر روش ساخت با فولاد فرق دارد و فرق آن در این است که هنگام تولید کاملاً ذوب نمی‏شود. این آهن دارای ۱ تا ۲ درصد سرباره است. برای تولید آهن چکشخوار از آهن سفید استفاده می‏شود و ناخالصی ها در فرایند همزنی حذف می‏شوند.
با وجود گوگرد آهن چکشخوار شکننده و بر اثر حرارت سرخ‏شکن می‏شود. فسفر در دمای معمولی موجب سردشکنندگی آهن می‏شود. آهن چکشخوار در ۸۷۰ درجه سانتی گراد نرم و قابل جوشکاری است و در دماهای پایینتر نیز همچنان امکان چکش‏کاری آن وجود دارد.

فولاد:

تعبیری کلی و بیانگر آلیاژهایی است که فلز پایه آن ها آهن و مهم ترین عنصر افزودنی آن ها کربن است. فولادهای ساده آلیاژهایی از آهن و کربن هستند که از صفر تا ۲ درصد کربن دارند و عنصر دیگری در ساختمان آن ها شرکت نمی‏کند. از نظر کمیّ، فولاد خالص ( آلیاژ آهن و کربن ) هیچ گاه ساخته نمی‏شود.
در فولادهای کربنی ساده تجارتی سومین عنصر آلیاژی منگنز است. مقادیر کمی سیلیکون، فسفر، گوگرد و مقدار ناچیزی از سایر عناصر نیز در این فولاد یافت می‏شود. فولادهای کربنی ساده دارای چند صدم تا ۴/۱ درصد کربن هستند و خاصیت های آن ها بستگی به میزان کربن و عملیات حرارتی دارد.

بیشتر فولادهای کم‏کربن به شکل نورد شده و یا پس از تافتن به کار می‏روند. ولی از فولادهای پرکربن در مواردی استفاده می‏شود که سختی زیاد لازم باشد. افزایش میزان کربن فولاد تا درصد معینی مقاومت آن را بالا می‏برد ولی پس از این حد از مقاومت فولاد کاسته می‏شود. برای مثال فولاد ۱/۰ درصد کربن دارد و مقاومت کششی آن در حدود ۳۵ کیلوگرم بر میلیمترمربع است. وجود ۲/۱ درصد کربن استحکام را تا ۹۸ کیلوگرم بر میلیمترمربع می‏افزاید که مقاومت خوبی برای فولادهای کربنی است. با وجود ۲ درصد کربن مقاومت کششی به حدود ۶۳ کیلوگرم بر میلیمترمربع می‏رسد و با افزودن تدریجی میزان کربن، ماده با سرعت خصوصیات چدن را کسب می‏کند.
فولادهای کربنی ساده بندرت بیش از ۴/۱ درصد کربن دارند. حد بالای کربن موجود در این فولادها از دیدگاه نظری ۲ درصد است. افزون بر کربن عناصر دیگری برای کسب خصوصیات بهتر به فولاد اضافه می‏شوند. نتیجه افزودن این عناصر به شرح زیر است:
۱- فسفر سختی فولاد را برمی‏افزاید و در برابر ساییدگی مقاومتر می‏کند. فولاد با درصد فسفر بالا در برار ضربه و تنشهای ارتعاشی ضعیف است. بنابراین فسفر برای ورق های دیگ بخار ناخالصی زیانباری به شمار می‏رود.

2- گوگرد بر شکلدهی و چکشخواری فولاد اثر می‏گذارد زیرا شکنندگی فولاد را در دماهای بالا افزایش می‏دهد و فولاد ((سرخ‏شکن)) می‏شود. میزان گوگرد موجود در فولاد نباید بیش از ۰۲/۰ تا ۰۵/۰ درصد باشد.
۳- منگنز مقاومت، سختی و یکنواختی فولاد را برمی‏افزاید. اگر نسبت منگنز در فولاد بالا باشد فولاد سختی و شکنندگی ویژه‏ای کسب می‏کند که در این حالت برش آن بسیار دشوار است. یک اثر دیگر منگنز بر فولاد خنثی‏سازی است.
۴- نیکل موجب افزایش مقاومت و سفتی فولاد می‏شود.
۵- آلومینیوم یکنواختی شمش ها و قطعات ریختگی را بهتر می‏کند.
۶- وانادیم مقاومت فولاد را در برابر خستگی برمی‏افزاید. با وجود وانادیم نرمش فولاد بسیار بالا می‏رود و مقاومت کششی و حد کشسانایی آن نیز افزایش می‏یابد و پایداری فولاد در برابر ضربه بسیار زیاد می‏شود.
میزان وانادیم موجود در فولادها از ۱۶/۰تا ۲۵/۰ درصد است. این فولاد در فنرها، محور ماشینها، چرخدنده‏های سنگین بار و تمام قطعاتی که باید در برابر ارتعاش ثابت و تنش های متغیر مقاوم باشند فراوان به کار می‏رود.
فولادهای وانادیم‏داری که کرم نیز در ترکیب آن ها وجود داشته باشد در بسیاری از قطعات خودرو، فنرها، محورها، میل‏لنگ ها و چرخدنده‏ها به کار می‏روند. بیشتر فولادهای دارای کرم- وانادیم ۲/۰ تا ۶/۰ درصد کربن نیز دارند. بسیاری از قطعات محصول آهنگری گرم که روی آن ها عملیات حرارتی انجام می‏شود از این فولادها ساخته می‏شوند.
۷- با وجود مولیبدن در ترکیب فولاد، فولادهای تندبُر به دست می‏آیند. فولاد مولیبدن‏دار برای ساخت میل‏لنگ های بزرگ، میل‏گاردان، تفنگ های بزرگ، لوله تفنگ و صفحات دیگ های بخار مناسب است.

دلیل نام گذاری فولاد تندبُر آن است که با استفاده از این فولاد در ابزارهای برنده مانند ابزارهای ماشین‏تراش، برش فلز با سرعت بیشتری انجام می‏گیرد. تندبُر در دماهای بالا سختی خود را از دست نمی‏دهد. ابزارهایی که از جنس این فولاد باشند در سرعت هایی که لبه‏های ابزار داغ می‏شود به خوبی کار می‏کنند.
فولادهای تندبُر دارای ۱۲ تا ۲۰ درصد تنگستن، ۲ تا ۳ درصد کرم، معمولاً ۱ تا ۲ درصد وانادیم و گاه حاوی کبالت نیز هستند. میزان کربن این فولادها بسیار کم ( عموماً ۶۵/۰ تا ۷۵/۰ درصد ) است. فولاد ۱-۴-۱۸ بیشتر از سایر گونه‏های موجود کاربرد دارد. این فولاد ۱۸ درصد تنگستن، ۴ درصد کرم و یک درصد وانادیم دارد. گونه مناسب دیگر این فولاد ۲-۴-۱۴ است. فولادهایی که ۱۸ درصد تنگستن دارند معمولاً بهترین نوع فولاد به شمار می‏روند. از طرف دیگر فولادهایی که تنگستن کمتری دارند ارزانتر هستند.

اگر عملیات حرارتی و کارهای تکمیلی مناسبی روی فولاد ضد زنگ انجام شود این فولاد به خوبی در برابر اکسیده شدن و خوردگی پایداری می کند. فولاد ضدزنگ کاملاً نسبت به خوردگی مقاوم نیست. ابزارهای دندانپزشکی و جراحی و کاردهای ضدزنگ دارای ۱۲ تا ۱۴ درصد کرم هستند.
در صنایع ریخته‏گری فولاد ریختگی از چدن قویتر است. فولادهای ریختگی ساخته شده از فولاد ضدزنگ در دماهای حدود ۹۸۲ درجه سانتیگراد و بیش از آن ( بسته به میزان کرم موجود در ترکیبشان ) نسبت به اکسیداسیون مقاومت می‏کنند.
فولاد ریختگی با همان سرعت چدن درقالب ریخته نمی‏شود. کاهش حجمی ( انقباض ) فولاد ریختگی در هنگام سرد شدن بیش از چدن است زیرا ریخته‏گری این نوع فولاد در دماهای بالا انجام می‏شود. به همین دلیل در طراحی قطعات ماشین باید از ایجاد تغییرات ناگهانی در جداره‏ها خودداری کرد.