تاريخچـــــه

اولين نشانه‌هاي استفاده از آهن به زمان سومريان و مصريان بر مي‌گردد که تقريبا" 4000 سال قبل از ميلاد با آهن کشف شده از شهاب سنگها اقلام کوچکي مثل سر نيزه و زيور آلات مي‌ساختند. از 2000 تا 3000 سال قبل از ميلاد ، تعداد فزاينده اي از اشياء ساخته شده با آهن مذاب ( فقدان نيکل ، اين محصولات را از آهن شهاب سنگي متمايز مي‌کند ) در بين‌النهرين ، آسياي صغير و مصر به چشم مي‌خورد؛ اما ظاهرا" تنها در تشريفات از آهن استفاده مي‌شد و آهن فلزي گرانبها حتي باارزش‌تر از طلا به‌حساب مي‌آمد.
بر اساس تعدادي از منابع آهن ، بعنوان يک محصول جانبي از تصفيه مس توليد مي‌شد - مثل آهن اسفنجي – و بوسيله متالوژي آن زمان قابل توليد مجدد نبوده است. از 1600 تا 1200 قبل از ميلاد در خاورميانه بطور روز افزون از آين فلز استفاده مي‌شد، اما جايگزين کابرد برنز در آن زمان نشد.
تبر آهني متعلق به عصر آهن سوئد در گاتلند سوئد يافت شده است. از قرن 10 تا 12 در خاورميانه يک جابجايي سريع در تبديل ابزار و سلاحهاي برنزي به آهني صورت گرفت. عامل مهم در اين جابجائي ، آغاز ناگهاني تکنولوژيهاي پيشرفته کار با آهن نبود، بلکه عامل اصلي ، مختل شدن تامين قلع بود. اين دوره جابجايي که در زمانهاي مختلف و در نقاط مختلفي از جهان رخ داد، دوره اي از تمدن به نام عصر آهن را بوجود آورد.
همزمان با جايگزيني آهن به جاي برنز ، فرآيند کربوريزاسيون کشف شد که بوسيله آن به آهن موجود در آن زمان ، کربن اضافه مي‌کردند. آهن را بصورت اسفنجي که مخلوطي از آهن و سرباره به همراه مقداري کربن يا کاربيد است، بازيافت کردند. سپس سرباره آنرا با چکش‌کاري جدا نموده وم حتوي کربن را اکسيده مي‌کردند تا بدين طريق آهن نرم توليد کنند.
مردم خاور ميانه دريافتند که با حرارت دادن طولاني مدت آهن نرم در لايه اي از ذغال و آب دادن آن در آب يا روغن مي‌توان محصولي بسيار محکم‌تر بدست آورد. محصول حاصله که داراي سطح فولادي است، از برنزي که قبلا" کاربرد داشت محکمتر و مقاوم‌تر بود. در چين نيز اولين بار از آهن شهاب سنگي استفاده شد و اولين شواهد باستان شناسي براي اقلام ساخته شده با آهن نرم در شمال شرقي نزديک Xinjiang مربوط به قرن 8 قبل از ميلاد بدست آمده است. اين وسايل از آهن نرم و با همان روش خاورميانه و اروپا ساخته شده بودند و گمان مي‌رفت که براي مردم غير چيني هم ارسال مي‌کردند.
در سالهاي آخر پادشاهي سلسله ژو ( حدود 550 قبل از ميلاد) به سبب پيشرفت زياد تکنولوژي کوره ، قابليت توليد آهن جديدي بوجود آمد. ساخت کوره‌هاي بلندي که توانايي حرارتهاي بالاي k 1300 را داشت، موجب توليد آهن خام يا چدن توسط چينِي‌ها شد. اگر سنگ معدن آهن را با کربن k 1470-1420 حرارت دهيم، مايع مذابي بدست مي‌آيد که آلياژي با 5/96% آهن و 5/53% کربن است. اين محصول محکم را مي‌توان به شکلهاي ريز و ظريفي در آورد. اما براي استفاده ، بسيار شکننده مي‌باشند، مگر آنکه بيشتر کربن آنرا از بين ببرند.
از زمان سلسله ژو به بعد اکثر توليدات آهن در چين به شکل چدن است. با اين همه آهن بعنوان يک محصول عادي که براي صدها سال مورد استفاده کشاورزان قرار گرفته است، باقي ماند و تا زمان سلسله شين ( حدود 221 قبل از ميلاد ) عظمت چين را واقعا" تحت تاثير قرار نداد.
توسعه چدن در اروپا عقب افتاد، چون کوره‌هاي ذوب در اروپا فقط توانايي k 1000 را داشت. در بخش زيادي از قرون وسطي در اروپاي غربي آهن را همچنان با روش تبديل آهن اسفنجي به آهن نرم بدست مي‌آوردند. تعدادي از قالب‌گيريهاي آهن در اروپا بين سالهاي 1150 و 1350 بعد از ميلاد در دو منطقه در سوئد به نامهاي Lapphyttan و Vinarhyttan انجام شد.
دانشمندان مي‌پندارند شايد اين روش بعد از اين دو مکان تا مغولستان آن سوي روسيه ادامه يافته باشد، اما دليل محکمي براي اثبات اين فرضيه وجود ندارد. تا اواخر قرن نوزدهم در هر رويدادي يک بازار براي کالاهاي چدني بوجود آمد، مانند درخواست براي گلوله‌هاي توپ چدني.
در آغاز براي ذوب آهن از زغال چوب هم بعنوان منبع حرارتي و هم عامل کاهنده استفاده مي‌شد. در قرن 18 در انگلستان تامين کنندگان چوب کم شدند و از زغال سنگ که يک سوخت فسيلي است، بعنوان منبع جانشين استفاده شد. اين نوآوري بوسيلـــه Abraham Darby انرژي لازم براي انقلاب صنعتي را تامين نمود.

پيدايـــــــش

آهن يکي از رايج‌ترين عناصر زمين است که تقريبا" 5% پوسته زمين را تشکيل مي‌دهد.
آهن از سنگ معدن هماتيت که عمدتا" Fe2O3 مي‌باشد، استخراج مي‌گردد. اين فلز را بوسيله روش کاهش با کربن که عنصري واکنش‌‌پذيرتر است جدا مي‌کنند. اين عمل در کوره بلند در دماي تقريبا" 2000 درجه سانتي‌گراد انجام مي‌پذيرد.
در سال 2000 ، تقريبا" 1100 ميليون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاري تقريبا" 25 ميليارد دلار آمريکا استخراج شد. درحاليکه استخراج سنگ معدن آهن در 48 کشور صورت مي‌گيرد، چين ، برزيل ، استراليا ، روسيه و هند با توليد 70% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ توليد کنندگان آن به‌حساب مي‌آيند. براي توليد تقريبا" 572 ميليون تن آهن خام 1100 ميليون تن سنگ آهن مورد نياز است.

خصوصيات قابل توجه

جرم يک اتم معمولي آهن 56 برابر جرم يک اتم معمولي هيدروژن مي‌باشد. عقيده بر اين است که آهن ، دهمين عنصر فراوان در جهان است. Fe مخفف واژه لاتين ferrum براي آهن مي‌باشد. اين فلز ، از سنگ معدن آهن استخراج مي‌شود و به‌ندرت به حالت آزاد (عنصري) يافت مي‌گردد.
براي تهيه آهن عنصري ، بايد ناخالصيهاي آن با روش کاهش شيميايي از بين برود. آهن براي توليد فولاد بکار مي‌رود که عنصر نيست، بلکه يک آلياژ و مخلوطي است از فلزات متفاوت ( و تعدادي غير فلز بخصوص کربن ). هسته اتمهاي آهن داراي بيشترين نيروي همگير در هر نوکلئون هستند بنابراين آهن با روش همجوشي ، سنگين‌ترين و با روش شکافت اتمي ، سبکترين عنصري است که بصورت گرمازايي توليد مي‌شود.
وقتي يک ستاره که داراي جرم کافي مي‌باشد چنين کاري انجام دهد، ديگر قادر به توليد انرژي در هسته‌اش نبوده و يک ابر اختر پديد مي‌آيد. آهن رايج‌ترين فلز در جهان به حساب مي‌آيد. الگوهاي جهان شناختي با يک جهان باز پيش‌بيني زماني را مي‌کند که در نتيجه واکنشهاي همجوشي و شکافت هسته ، همه چيز به آهن تبديل خواهد شد!

کاربردهــــــــــا

کاربرد آهن از تمامي فلزات بيشتر است و 95 درصد فلزات توليد شده در سراسر جهان را تشکيل مي‌دهد. قيمت ارزان و مقاومت بالاي ترکيب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبيلها ، بدنه کشتي‌هاي بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذير مي‌کند. فولاد معروف‌ترين آلياژ آهن است و تعدادي از گونه‌هاي آهن به شرح زير مي‌باشد: • آهن خام که داراي 5%-4% کربن و مقادير متفاوتي ناخالصي از قبيل گوگرد ، سيليکون و فسفر است و اهميت آن فقط به اين علت است که در مرحله مياني مسير سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.
• چدن ، شامل 5/3%-2% کربن و مقدار کمي منگنز مي‌باشد. ناخالصي‌هاي موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصيات آنرا تحت تاثير منفي قرار مي‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولي کاهش مي‌يابند. نقطه ذوب چدن بين k 1470-1420 مي‌باشد که از هر دو ترکيب اصلي آن کمتر است و آنرا به اولين محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبديل مي‌کند. چدن بسيار محکم ، سخت و شکننده مي‌باشد. چدن مورد استفاده حتي چدن گرماي سفيد موجب شکستن اجسام مي‌شود.
• فولاد کربن شامل 5/1% - 5/0% کربن و مقادير کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سيليکون است.
• آهن ورزيده ( آهن نرم) داراي کمتر از 5/0% کربن مي‌باشد و محصولي محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذير نيست. حاوي مقادير بسيار کمي کربن است ( چند دهم درصد). اگر يک لبه آن تيز شود، به‌سرعت تيزي خود را از دست مي‌دهد.
• فولادهاي آلياژ حاوي مقادير متفاوتي کربن بعلاوه فلزات ديگر مانند کروم ، واناديم ، موليبدن ، نيکل ، تنگستن و ... مي‌باشد.
• اکسيدهاي آهن براي ساخت ذخيره مغناطيسي در کامپيوتر مورد استفاده قرار مي‌گيرند. آنها اغلب با ترکيبات ديگري مخلوط شده و خصوصيات مغناطيسي خود را بصورت محلول هم حفظ مي‌کنند.

ترکيبات

معمولترين حالات اکسيداسيون آهن عبارتند از: • حالت فروس 2+Fe
• حالت فريک 3+Fe
• حالت فريل 4+Fe که با تعدادي آنزيم ( مثلا" پيروکسيدازها ) پايدار شده است.
• آهن ( VI) هم معروف است (اگرچه کمياب مي‌باشد). درصورتيکه به شکل فرات پتاسيم باشد، ( K2FeO ) يک اکسيد کننده انتخابي براي الکلهاي نوع اول مي‌باشد. اين ماده جامد فقط در شرائط خلاء و ارغواني تيره پايدار است، هم به صورت محلول سوزآور و هم بصورت يک ماده جامد.
• کاربيد آهن Fe3C به نام سمنتيت معروف است.

بيولـــــــوژي

آهن ، اتم اصلي مولکول هِم ( بخشي از گلبول قرمز) و بنابراين جزء ضروري تمامي هموپروتئين‌ها محسوب مي‌شود. به همين علت ، وجود اين عنصر در حيوانات حياتي مي‌باشد. همچنين آهن غير آلي در زنجيره‌هاي آهن – گوگرد بسياري از آنزيمها يافت مي‌شود. باکتريها اغلب از آهن استفاده مي‌کنند. وقتي بدن در حال مبارزه با يک عفونت باکتريايي است، براي عدم دستيابي باکتري به آهن ، اين عنصر را پنهان مي‌کند.

ايزوتوپها

آهن بطور طبيعي داراي چهار ايزوتوپ پايدار Fe-54 , Fe56 , Fe-57 , Fe-58 مي‌باشد. فراواني نسبي ايزوتوپهاي آهن در طبيعت تقريبا" Fe-54 8/5% ، Fe-56 7/91%، Fe-57 2/2% و Fe-58 3/0% است.Fe-60 که نوکليد پرتوزاي غير فعال است، داراي نيمه عمر 5,1 (Myr) مي‌باشد. بيشتر تلاش گذشته براي اندازه گيري ترکيبات ايزوتوپي آهن به‌علت فرآيندهايي که توام با نوکلئوسنتز ( مانند مطالعات شهاب سنگها ) و شکل‌گيري کاني‌ها هستند، حول محور تعيين انواع مختلف Fe-60 صورت گرفته است.
در وهله‌هاي مختلف ، شهاب سنگهاي Semarkona و Chervony Kut مي‌توان بين تمرکز Ni-nickel|60 ( محصول اخترچه Fe-60 ) و فراواني ايزوتوپهاي پايدار آهن ارتباطي يافت که دليلي براي وجود آهن 60 در زمان شکل‌گيري منظومه شمسي مي‌باشد. احتمالا" انرژي آزاد شده توسط فروپاشي آهن 60 به همراه انرژي رها شده بر اثر فروپاشي نوکلئيد پرتوزاي Al-26 ، در ذوب مجدد و تفکيک اخترچه‌هاي بعد از شکل‌گيري آنها 4,6 ميليارد سال پيش تاثير داشته است. فراواني Ni-60 موجود در مواد فرازميني نيز ممکن است آگاهي بيشتري در مورد منشاء منظومه شمسي و تاريخ ابتدايي آن ارائه نمايد.
در بين ايزوتوپهاي پايدار فقط آهن 57 داراي اسپين اتمي است،(2/1-). به همين خاطر آهن 57 در شيمي و بيوشيمي بعنوان يک ايزوتوپ اسپيني داراي کاربرد است.

هشدارهـــــــــا

مصرف بيش از حد آهن خوراکي ايجاد مسموميت مي‌کند، چون مقدار زياد آهن فروس با پروکسيدهاي بدن واکنش کرده ، توليد بنيانهاي آزاد مي‌کند. وقتي مقدار آهن در بدن طبيعي است، مکانيسمهاي ضد اکسيداسيون خود بدن قادر به کنترل اين فرآيند مي‌باشد. اگر مقدار آهن بيش از نرمال باشد، مقادير غيرقابل کنترل بنيانهاي آزاد بوجود مي‌آيد.
مقدار کشنده آهن براي يک کودک 2 ساله تقريبا" 3 گرم بوده و يک گرم آن مسموميت جدي در پي خواهد داشت. گزارشهايي مبني بر مسموميت کودکان در اثر مصرف 10 تا 50 عدد قرص سولفات آهن در کوتاه مدت وجود دارد.مصرف بيش از حد آهن بر اثر خوردن غير عمدي داروها عامل جدي مرگ و مير در کودکان است. افزايش غيرقابل کنترل آهن در بدن ، موجب بروز بيماري به نام hemochromatosis مي‌گردد. آهن اضافي در کبد جمع شده ، موجب بيماري آهن زدگي siderosis و آسيبهاي عضوي مي‌شود. به همين دليل افراديکه کمبود آهن ندارند، نبايد مکملهاي آهن مصرف کنند.

استخراج آهن

با توجه به کشف يک تبر آهني متعلق به 3000 سال پيش از ميلاد در داخل يکي از قبرهاي سومريان واقع در شهر اور که در جنوب بين‌النهرين قرار داشت، نشان مي‌دهد که استفاده از آهن توسط انسان از حدود 3000 سال پيش از ميلاد مسيح آغاز و عمدتاً در کشورهاي مصر ، آشور ، چين و هندوستان رواج داشت. در آغاز انسان از آهن طبيعي که به‌صورت سنگ معدن آهن با درجات خلوص متفاوت بدست مي‌آمد، استفاده مي‌کرد.
با اين حال ، نظر ديگري وجود دارد که انسانهاي آن روزگاران از شهاب سنگ‌ها به‌عنوان آهن خالص‌تر استفاده مي‌کردند. استفاده از آهن خالص درحدود 1300 سال پيش از ميلاد امکان‌پذير شد که به ظن قوي بطور تصادفي بر اثر گرما دادن شديد صخره‌هاي کاني ، آهن خالص توسط ذغال صورت گرفت با حرارت دادن گل اخري و ذغال نيز آهن استخراج مي‌کردند.
سير تحولي و رشد
روند استخراج آهن از ترکيبهاي طبيعي آهن به مرور زمان ، راه تکامل مي‌پيمود تا اينکه نخستين کوره استخراج آهن به سبک امروزي که به کوره کانالاني معروف بود، نوآوري شد. اين کوره داراي آتش‌داني به ابعاد 75×60×60 سانتي‌متر بود. سير تکاملي اين روند به آنجايي رسيد که امروزه ، کارخانه‌هاي عظيم استخراج و ذوب آهن و فولاد با ظرفيت چندين ميليون تن به وجود آمده است.

سنگ معدن‌هاي آهن

سنگ معدن‌هايي که آهن از آن استخراج مي‌شود، بيشتر به‌صورت اکسيدهاي آهن ، مانند مگنتيت يا هماتيت است که با 2 تا 20 درصد ناخالصي (نظير سيليکات‌ها و آلومينات‌ها) همراه است. اين ناخالصي‌ها در کوره از آهن جدا شده به‌صورت تفاله خارج مي‌شوند. سنگ معدن تصفيه شده و تغليظ شده به‌صورت پودر يا دانه‌هاي ريز در کوره وارد مي‌شود. مناسب‌ترين اندازه ذرات آن بين 6 تا 25 ميلي‌متر است. يادآوري مي‌شود که امروزه از سولفيد طبيعي آهن (پيريت) در استخراج آهن استفاده نمي‌شود، بلکه مصرف عمده آن در اسيد سولفوريک سازي است.

فرآيند‌هاي اوليه استخراج آهن

استخراج آهن از سنگ معدن‌هاي آن طي فرايند‌هاي فيزيکي و مکانيکي و شيميايي تحت شرايط ويژه اي صورت مي‌گيرد.
در مرحله آغازي ، سنگ معدن بايد طي چندين مرحله از عمليات از جمله : خرد کردن ، آسياب کردن ، سرند کردن ، شستشو ، استفاده از جدا کننده مغناطيسي و يا به روش فلوتاسيون تغليظ شود. محلول غليظ شده معمولاً داراي 60 تا 65 درصد آهن ، 8 تا 12 درصد سيليس مي‌باشد. پس از تلغيظ سنگ معدن آن را بايد به اندازه‌هايي به ابعاد 6 تا 25 ميلي‌متر که مناسب براي تغذيه کوره‌هاي وزشي است، تبديل کرد که اين عمل را اصطلاحاً آگلومريزه شدن مي‌نامند.
استخراج آهن از سنگ معدنهاي آن عمدتاً با استفاده از کوره‌هاي وزشي صورت مي‌گيرد که در حقيقت يک رآکتور بزرگ شيميايي است که در آن مخلوطي از سنگ آهک ، سنگ معدن آهن و زغال کک گرما داده مي‌شود.

مواد اوليه مورد نياز استخراج آهن

سنگ معدن آهن

در مجاورت ذغال بر اثر گرما در کوره احيا مي‌شود و سپس بر اثر جرياني از گازهاي احيا کننده داغ که از سوختن کک در هواي گرم پايين کوره توليد مي‌شود و در جهت عکس مسير آهن حرکت مي‌کند، ذوب مي‌شود. آهن مذاب و تفاله حاصل از سنگ معدن به ازاي هر دو تا چهار ساعت از آتشدان کوره تخليه مي‌شود. اگر مواد اوليه بطور پيوسته از بالاي کوره وارد شود، در اين صورت ، کوره مي‌تواند بطور پيوسته کار کند. محصول کوره وزشي همان چدن است که براي تبديل آن به ديگر مشتقات آهن ، بويژه فولاد ، بايد در آن تغييراتي داد.

زغال کک

مشخصات ساختاري آن عبارت است از : کربن ثابت 85 تا 90 درصد ، خاکستر 5 تا 13 درصد ، رطوبت تا 8 درصد ، مواد فرّار 1.6 تا 11 درصد ، و گوگرد 0.5 تا 1.2 درصد. نقش کک در فرآيند کوره‌هاي وزشي توليد گازهاي احيا کننده است و در اثر سوختن در پايين کوره انجام مي‌پذيرد و مقاومت مکانيکي آن نيز در عمل مهم است. اندازه کک مورد مصرف ، بايد بين 1.5 تا 75 ميلي‌متر باشد.

سنگ آهک

به منظور کمک کردن ذوب و پايين آوردن دماي ذوب ناخالصي‌ها به سنگ معدن افزوده مي‌شود. نسبت تشکيل دهنده‌هاي بازي در مخلوط يعني (CaO) و (MgO) به تشکيل دهنده‌هاي اسيدي يعني (SiO2) بايد در حد ثابتي حفظ شود تا تفاله‌هاي کف مانند و سبک (سيليکات‌هاي کاسيم و منيزيم ) بطور کامل تشکيل شود و ساير ناخالصي‌هاي همراه با خود را از آهن جدا کند. براي اين منظور ، سنگ آهک و دولوميت بکار گرفته مي‌شود.
گاهي براي کنترل ترکيب تفاله‌هاي جاري ، مقداري سيليکات نيز بدان اضافه مي‌شود. مناسب‌ترين اندازه اين دسته از مواد براي کوره‌هاي وزشي بين 70 تا 75 ميليمتر است.

واکنش‌هاي کوره استخراج آهن

پس از اينکه کک در قسمت پايين کوره بارگيري شده ، آن را تا حدود گرم مي‌کنند تا بر اثر وزش هواي گرم شروع به سوختن کرده ، دما را در دهانه قسمت سوخت کوره تا افزايش دهد. دي‌اکسيد کربن حاصل در اين دما ناپايدار بوده ، بوسيله کک موجود در محيط به منوکسيد کربن تبديل مي‌شود. بخار آب همراه با هواي داغ در واکنش با کک نيز خود توليد منوکسيد کربن مي‌کند.

واکنش‌هاي انجام شده در دهانه سوخت که در حد بين مخزن سوخت و سنگ معدن آهن قرار دارد، در قسمت بالاتر کوره که دما زير است، اکسيدهاي آهن بوسيله منوکسيد کربن و هيدروژن حاصل احيا مي‌شوند. در قسمت بالاتر کوره وقتي که دما به تا رسيد، سنگ آهک نيز تجزيه مي‌شود. در قسمت پايين کوره دربالاتر از اکسيدهاي آهن بوسيله کربن احيا شده ، دي‌اکسيد کربن حاصل بطور همزمان با کک واکنش داده و به منوکسيد کربن تبديل مي‌شود.
اين احيا به احياي مستقيم معروف است که نيازي به انرژي زياد دارد. بيشتر گوگرد که همراه کک وارد کوره مي‌شود، در داخل آن به تبديل مي‌شود. حاصل با ترکيب شده آنها را به تبديل مي کند. حاصل ضمن واکنش ، آهن آزاد مي‌کند. ميزان و چگونگي حذف گوگرد به دماي تفاله و نسبت بستگي دارد.

احياي مستقيم

احيايي است که در آن ، سنگ معدن آهن ، بوسيله عوامل احيا کننده جامد يا گازي احيا مي‌شود. با توجه به مقدار کربن موجود در آهن ، اين عنصر به‌صورت دو نوع محصول آهن يعني چدن و فولاد عرضه مي‌شود.

اکسيداسيون-احيا

واکنشي را که در آن ، تبادل الکترون صورت مي‌گيرد، واکنش اکسيداسيون- احيا Oxidation - reduction ناميده مي‌شود.

تبادل الکتروني

احيا کننده 1<----- ne + احيا کننده 1
اکسيد کننده 2<-----ne - احيا کننده 2
اکسيد کننده 2 + اکسيد کننده1<----- احيا کننده 2 + احيا کننده 1
پس در نتيجه تبادل الکتروني بين يک اکسيد کننده و يک احيا کننده يک واکنش شيميايي رخ مي دهد.

فرآيند اکسيداسيون (اکسايش)

فرآيندي است که در آن يک جسم (اکسيد کننده) الکترون مي‌گيرد و عدد اکسايش يک اتم افزايش مي‌يابد.

فرآيند احيا (کاهش)

فرايندي است که در آن يک جسم (احيا کننده) الکترون از دست مي‌دهد و عدد اکسايش يک اتم کاهش مي‌يابد.

مثالي از واکنشهاي اکسايش و کاهش

بر اين اساس ، واکنش زير يک واکنش اکسايش و کاهش مي‌باشد. چون عدد اکسايش اتم S از صفر به +4 افزايش پيدا مي‌کند و مي‌گوييم گوگرد اکسيد شده است و عدد اکسايش اتم O از صفر به -2 کاهش پيدا کرده است و مي‌گوييم اکسيژن کاهيده شده است:
S + O2 ? SO2
که در آن ، در طرف اول عدد اکسيداسيون هر دو ماده صفر و در طرف دوم ، عدد اکسيداسيون گوگرد در ترکيب +4 و اکسيژن ، -2 است.
اما در واکنش زير اکسايش- کاهش انجام نمي‌شود، زيرا تغييري در عدد اکسايش هيچ يک از اتمها به وجود نيامده است:
SO2 + H2O ? H2SO4
که در SO2 ، عدد اکسيداسيون S و O بترتيب ، +4 و -2 و در آب ، عدد اکسيداسيون H و O بترتيب +1 و -2 و در اسيد در طرف دوم ، عدد اکسيداسيون H و S و O بترتيب ، +1 ، +4 و -2 است.

عامل اکسنده و عامل کاهنده

با توجه به چگونگي نسبت دادن اعداد اکسايش ، واضح است که نه عمل اکسايش و نه عمل کاهش بتنهايي انجام پذير نيستند. چون يک ماده نمي‌تواند کاهيده شود مگر آن که هم‌زمان ماده اي ديگر ، اکسيد گردد، ماده کاهيده شده ، سبب اکسايش است و لذا عامل اکسنده ناميده مي‌شود و ماده‌اي که خود اکسيد مي‌شود، عامل کاهنده مي‌ناميم.
بعلاوه در هر واکنش ، مجموع افزايش اعداد اکسايش برخي عناصر ، بايد برابر مجموع کاهش عدد اکسايش عناصر ديگر باشد. مثلا در واکنش گوگرد و اکسيژن ، افزايش عدد اکسايش گوگرد ، 4 است. تقليل عدد اکسايش ، 2 است، چون دو اتم در معادله شرکت دارد، کاهش کل ، 4 است.

موازنه معادلات اکسايش- کاهش

دو روش براي موازنه واکنشهاي اکسايش- کاهش بکار برده مي‌شود: روش يون- الکترون و روش عدد اکسايش.

روش يون- الکترون براي موازنه معادلات اکسايش- کاهش

در موازنه معادلات به روش يون- الکترون ، دو دستور کار که کمي با هم متفاوت‌اند، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. يکي براي واکنشهايي که در محلول اسيدي انجام مي‌گيرد و ديگري براي واکنشهايي که در محلول قليايي صورت مي‌پذيرد.
• مثالي براي واکنشهايي که در محلول اسيدي رخ مي‌دهد، عبارت است:
Cr2O7-2 + Cl- ? Cr+3 + Cl2
اين واکنش موازنه نشده ، طي عمليات زير موازنه مي شود:
_ابتدا معادله را به صورت دو معادله جزئي که يکي براي نشان دادن اکسايش و ديگري براي نشان دادن کاهش است، تقسيم کرده و عنصر مرکزي را در هر يک از اين نيم واکنش ها موازنه مي کنيم:
Cr2O7-2 ? 2Cr+3
2Cl- ? Cl2
_اتمهاي O و H را موازنه مي‌کنيم. در سمتي که کمبود اکسيژن دارد، به ازاي هر اکسيژن يک H2O اضافه مي‌کنيم و در سمتي که کمبود هيدروژن ديده مي‌شود، با افزودن تعداد مناسب +H آن را جبران مي کنيم. در مثال بالا، طرف راست ، معادله جزئي اول 7 اتم اکسيژن کم دارد، پس به طرف مزبور 7H2O افزوده مي‌شود. پس اتمهاي H معادله جزئي اول را با اضافه کردن چهارده +H به طرف چپ معادله، موازنه مي‌کنيم. معادله جزئي دوم ، بصورت نوشته شده ، از لحاظ جرمي ، موازنه است:
14H+ + Cr2O7-2 ? 2Cr+3 + 7H2O
2Cl-?Cl2
_در مرحله بعد ، بايد معادلات جزئي را از نظر بار الکتريکي موازنه مي‌کنيم. در معادله جزئي جمع جبري بار الکتريکي طرف چپ برابر +12 و در طرف راست +6 است. 6 الکترون به سمت چپ اضافه مي‌شود تا موازنه بار براي معادله جزئي اول حاصل شود. معادله دوم با افزودن دو الکترون به طرف راست ان موازنه مي‌شود، ولي چون تعداد الکترونهاي از دست‌رفته در يک معادله جزئي بايد برابر تعداد الکترونهاي بدست آمده در معادله جزئي ديگر باشد، بنابراين طرفين معادله جزئي دوم را در 3 ضرب مي‌کنيم:
6e- + 14H+ +Cr2O7-2 ? 2Cr+3 + 7H2O
6Cl- ? 3Cl2 + 6e
_معادله نهايي ، با افزايش دو معادله جزئي و حذف الکترونها بدست مي‌آيد:
14H+ + Cr2O7-2 + 6Cl- ? 2Cr+3 + 3Cl2 + 7H2O
مثالي براي واکنش هايي که در محلول قليايي صورت مي‌گيرد:
MnO4- + N2H4 ? MnO2 + N2
_معادله به دو معادله جزئي تقسيم مي شود:
MnO4- ? MnO2
N2H4?N2
_براي موازنه H و O در اين واکنش‌ها ، درسمتي که کمبود اکسيژن دارد، به ازاي هر اتم اکسيژن -2OH و سمت ديگر يک H2O اضافه مي‌کنيم و در سمتي که کمبود هيدروژن دارد به ازاي هر اتم هيدروژن ، يک H2O و در سمت مقابل يک -OH اضافه مي‌کنيم. سمت راست معادله جزئي اول دو اتم O کم دارد. لذا -4OH به سمت راست و 2H2Oبه سمت چپ مي‌افزاييم:
2H2O + MnO4- ? MnO2 + 4OH
براي موازنه جرمي معادله جزئي دوم ، بايد چهار اتم هيدروژن به سمت راست اضافه کنيم، لذا 4H2O به سمت راست و -4OH به سمت چپ اضافه مي‌کنيم:
-4OH + N2H4 ? N2 + 4H2O
_براي موازنه بار الکتريکي ، هر جا لازم است، الکترون اضافه مي‌کنيم و در اين جا بطرف چپ معادله جزئي اول ، سه الکترون و بطرف چپ معادله جزئي دوم ، چهار الکترون افزوده مي‌شود و براي موازنه کردن الکترونهاي بدست آمده و از دست رفته ، مضرب مشترک گرفته و معادله اول را در 4 و معادله دوم را در 3 ، ضرب مي‌کنيم:
12e- + 8H2 + 4MnO4- ? 4MnO2 + 16OH
_جمع دو معادله جزئي، معادله نهايي را بدست مي‌دهد:
4MnO4- + 3N2H4 ?4OH- + 4MnO2 + 3N2 + 4H2O
روش عدد اکسايش براي موازنه واکنشهاي اکسايش- کاهش
موازنه شامل سه مرحله است. براي مثال واکنش نيتريک اسيد و هيدروژن سولفيد را در نظر مي‌گيريم. معادله موازنه نشده به قرار زير است:
HNO3 + H2S? NO + S + H2O
_براي تشخيص اتمهايي که کاهيده يا اکسيده مي‌شوند، اعداد اکسايش آنها را از معادله بدست مي‌آوريم:
نيتروژن کاهيده شده (از +5 به +2 ، کاهشي معادل 3 در عدد اکسايش) و گوگرد اکسيد شده است (از -2 به صفر ، يعني افززايشي معادل 2 در عدد اکسايش).
_براي ان که مجموع کاهش در اعداد اکسايش برابر با مجموع افزايش اين اعداد باشد، ضرايبي متناسب به هر ترکيب نسبت مي‌دهيم:
2HNO3 + 3H2S?2NO + 3S +H2O
_موازنه معادله را ، با بررسي دقيقتر ، کامل مي‌کنيم. در مراحل پيشين تنها موازنه موادي مطرح شد که اعداد اکسايش انها تغيير مي‌کند. در اين مثال‌ ، هنوز ضريبي براي H2O در نظر گرفته نشده است. ولي ملاحظه مي‌شود که در سمت چپ واکنش 8 اتم H وجود دارد. همان سمت 4 اتم O نيز اضافي دارد. بنابراين ، براي تکميل موازنه ، بايد در سمت راست معادله ، 4H2O نشان داده شود:
2HNO3 + 3H2S ? 2NO +3S + 4H2O
پس معادلات اکسايش- کاهش مانند واکنش‌هاي الکتروشيميايي و واکنش هاي يوني را مي‌توان با يکي از دو روش نامبرده موازنه کرد.

کوره بلند آهن

مراحل توليد آهن در کوره

از بالاي کوره بلند ، کانه يا کاني آهن ، کک و سنگ آهک را که "گداز آور" يا "بار کوره" نيز مي‌نامند، وارد مي‌کنند و از پايين کوره نيز جريان شديدي از هواي گرم مي‌دهند. اين هواي گرم گاهي با اکسيژن تقويت مي‌شود. هواي ورودي با کک يا همان کربن ، ترکيب شده ، به کربن منوکسيد کاهيده مي‌شود و مقدار قابل ملاحظه‌اي گرما آزاد مي‌کند. در اين مرحله دماي کوره بالاترين مقدار يعني حدود 1500? را دارد.

بار کوره که در حال نزول است به تدريج گرم مي‌شود. نخست رطوبت آن گرفته و سپس کاني آهن بطور جزئي توسط کربن منوکسيد کاهيده مي‌شود. در قسمت داغتر کوره ، کاهش کاني آهن به آهن فلزي ، تکميل مي‌شود و سنگ آهک نيز CO2 از دست مي‌دهد و با ناخالصيهاي موجود در کاني آهن (که بطور عمده سيليسيم دي‌اکسيد است) ترکيب شده ، سرباره مذاب توليد مي‌شود. آهن مذاب و سرباره مذاب با يکديگر مخلوط نمي‌شوند و در ته کوره دو لايه جداگانه تشکيل مي‌شوند.
واکنشهاي اين مراحل عبارتند از:

در ناحيه پايينتري از کوره که داغتر است به کاهيده مي شود:

در داغترين ناحيه کاهش به آهن فلزي صورت مي گيرد:

نقش سرباره

لازم به ذکر است که سرباره مذاب عمدتا کلسيم سيليکات است و بوسيله اثر نمايي گدازآور بر روي هرزه سنگ توليد مي‌شود. اين سرباره بر روي آهن مذاب شناور است و به اين ترتيب فلز را از اکسيد شدن بوسيله هواي ورودي حفظ مي‌کند.

نقش مقدار زياد کک در کوره

واکنشهاي کاهش اکسيدهاي آهن برگشت پذيرند و کاهش کامل فقط وقتي صورت مي‌گيرد که دي‌اکسيد کربن حاصل را از بين ببريم. اين کار توسط کاهش آن با مقدار زياد کک صورت مي‌گيرد.

گاز خروجي از بالاي کوره

گازي که از بالاي کوره خارج مي‌شود، بطور عمده از منواکسيد کربن و نيتروژن موجود در هواي دميده شده ، تشکيل مي‌شود. اين مخلوط گازي داغ را با هوا ترکيب مي‌کنند تا منواکسيد کربن آن بسوزد و محصولات اين احتراق را که گرماي بيشتري دارد از درون دستگاه تبادل گرما عبور مي‌دهند و به کمک آن هواي ورودي را گرم مي‌کنند.

جايگزين هوا در بعضي از کوره‌ها

در بعضي کوره‌ها به جاي هوا از اکسيژن نسبتا خالص استفاده مي‌کنند. در اين مورد ، ابعاد کوره کوچکتر و دماي آن قدري زيادتر است و مونواکسيد کربن حاصل نسبت به مخلوط نيتروژن و مونواکسيد کربن ، سوخت بهتري است.

فولاد

اصطلاح فولاد (Steel) براي آلياژهاي آهن که تا حدود 1،5 درصد کربن دارند و غالبا با فلزهاي ديگر همراهند، بکار مي‌رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن ، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد.

فـولـادهــا

به طور کلي فولادهاي مورد استفاده در صنعت و قالبسازي به دسته هاي زير تقسيم مي شوند که هر کدام داراي مصارف و قابليت هاي ويژه مخصوص به خود هستند. لذا ما در اين سايت با پياده سازي جدول اين فولادها تحت استانداردهاي مختلف به بررسي آنها پرداخته ايم.
انواع فولادها عبارتند از :
1- فولادهاي ابزاري
. فولادهاي ابزاري گرمکار
. فولادهاي ابزاري سردکار
. فولادهاي ابزاري کربني
2- فولادهاي ساختماني
. فولادهاي ساختماني آلياژي
. فولادهاي ساختماني کربني
3- فولادهاي بلبرينگي
4- فولادهاي نسوز
5- فولادهاي فنري
6- فولادهاي ضد زنگ و ضد اسيد و قليا
7- فولادهاي تندبر (خشکه هوايي)
:: فولادهاي ابزاري گرمکار
اين دسته از فولادها به چهار دسته فولاد با ويژگي ها و موارد مصرف مشخص طبقه بندي مي شوند که طبق استاندارد W.Nr آلمان به ترتيب زير مي باشند.
. فولاد ابزاري گرمکار 2567
. فولاد ابزاري گرمکار 2344
. فولاد ابزاري گرمکار 2312
. فولاد ابزاري گرمکار 2713
:: فولادهاي ابزاري سردکار
اين دسته از فولادها به پنج دسته فولاد با ويژگي ها و موارد مصرف مشخص طبقه بندي مي شوند که طبق استاندارد W.Nr آلمان به ترتيب زير مي باشند.
. فولاد ابزاري سردکار 2080
. فولاد ابزاري سردکار 2436
. فولاد ابزاري سردکار 2542
. فولاد ابزاري سردکار 2510
. فولاد ابزاري سردکار 2210
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادي که تا 0.2 درصد کربن دارد، براي ساختن سيم ، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را براي ساختن ريل ، ديگ بخار و قطعات ساختماني بکار مي‌برند. فولادي که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده مي‌شود.
ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد
آهني که از کوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود که داراي مقاديري کربن ، گوگرد ، فسفر ، سيليسيم ، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد ، دو هدف دنبال مي‌شود:
1. سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن
2. افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن
منگنز ، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اکسيژن به اکسيد تبديل مي‌شوند و با کمک ذوب مناسبي ترکيب شده ، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و کربن هم مي‌سوزد و منوکسيد کربن (CO) يا دي‌اکسيد کربن (CO2) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي ، منگنز باشد، يک کمک ذوب اسيدي که معمولا دي‌اکسيد سيلسيم (SiO2) است، بکار مي‌برند:
(MnO + SiO2 -------> MnSiO3(l
و چنانچه ناخالصي اصلي ، سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولا چنين است)، يک کمک ذوب بازي که معمولا اکسيد منيزيم (MgO) يا اکسيد کلسيم (CaO) است، اضافه مي‌کنند:
(MgO + SiO2 -------> MgSiO2(l
(6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2(l

کوره توليد فولاد و جدا کردن ناخالصي‌ها

معمولا جداره داخلي کوره اي را که براي توليد فولاد بکار مي‌رود، توسط آجرهايي که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوشش ، مقداري از اکسيدهايي را که بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌کند. براي جدا کردن ناخالصي‌ها ، معمولا از روش کوره باز استفاده مي‌کنند. اين کوره يک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.
بالاي اين ظرف ، يک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روي سطح فلز مذاب منعکس مي‌کند. جريان شديدي از اکسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه ، چند ساعت طول مي‌کشد. البته مقداري از آهن ، اکسيد مي‌شود که آن را جمع‌آوري کرده ، به کوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري که از همين اصول شيميايي براي جدا کردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک‌ذوب در کوره‌اي بشکه مانند که گنجايش 300 تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اکسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اکسيژن قرار مي‌دهند.
اکسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO2 رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري که آهن ته ظرف ، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب ، بي آنکه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريبا به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي ، واکنشها فوق‌العاده سريع بوده ، تمامي‌ اين فرايند ، در مدت يک ساعت يا کمتر کامل مي‌شود و معمولا محصولي يکنواخت و داراي کيفيت خوب بدست مي‌آيد.

تبديل آهن به فولاد

آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين کربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم ، کروم ، تيتانيم ، منگنز و نيکل به فولاد تبديل مي‌کنند. فولادهاي ويژه ممکن است موليبدن ، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند. اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد ، آهن و کربن با يکديگر متحد شده ، کربيد آهن (Fe3C) به نام «سمانتيت» تشکيل مي‌دهند. اين واکنش ، برگشت‌پذير و گرماگير است:
Fe3C <------- گرما + 3Fe + C
هرگاه فولادي که داراي سمانتيت است، به‌کندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکيل آهن و کربن ، جابجا شده ، کربن به‌صورت پولکهاي گرافيت جدا مي‌شود و به فلز ، رنگ خاکستري مي‌دهد. برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتيت که رنگ روشني دارد، باقي مي‌ماند. تجزيه سمانتيت در دماي معمولي به اندازه‌اي کند است که عملا انجام نمي‌گيرد.
فولادي که داراي سمانتيت است، از فولادي که داراي گرافيت است، سخت‌تر و خيلي شکننده‌تر است. در هر يک از اين دو نوع فولاد ، مقدار کربن را مي‌توان در محدوده نسبتا وسيعي تنظيم کرد. همچنين ، مي‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهاي مختلف يک قطعه فولاد تغيير داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلا بلبرينگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختي و استحکام داشته باشد و ليکن سطح آن را در بستري از کربن حرارت مي‌دهند تا لايه نازکي از سمانتيت روي آن تشکيل گردد و بر سختي آن افزوده شود.

تهيه فولاد

روشهاي تهيه فولاد

از سه روش براي تهيه فولاد استفاده مي‌شود:

روش بسمه

در اين روش ، ناخالصي‌هاي موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسيژن کاهش داده ، آن را به فولاد تبديل مي‌کنند. پوشش جدار داخلي کوره بسمه از سيليس يا اکسيد منيزيم و گنجايش آن در حدود 15 تن است. نحوه کار کوره به اين ترتيب است که جرياني از هوا را به داخل چدن مذاب هدايت مي‌کنند تا ناخالصي‌هاي کربن و گوگرد به‌صورت گازهاي SO2 و CO2 از محيط خارج شود و ناخالصي‌هاي فسفر و سيليس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسيژن موجود در هوا به‌صورت اکسيدهاي غير فرار P4O10 و SiO2 جذب جدارهاي داخلي کوره شوند و به ترکيبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبديل و سپس به‌صورت سرباره خارج شوند.
سرعت عمل اين روش زياد است، به همين دليل کنترل مقدار اکسيژن مورد نياز براي حذف دلخواه ناخالصي‌هاي چدن غيرممکن است و در نتيجه فولاد با کيفيت مطلوب و دلخواه را نمي‌توان به اين روش بدست آورد.

روش کوره باز (يا روش مارتن)

در اين روش براي جدا کردن ناخالصي‌هاي موجود در چدن ، از اکسيژن موجود در زنگ آهن يا اکسيد آهن به جاي اکسيژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصي‌هايي مانند کربن ، گوگرد و غيره) استفاده مي‌شود. براي اين منظور از کوره باز استفاده مي‌شود که پوشش جدار داخلي آن از MgO و CaO تشکيل شده است و گنجايش آن نيز بين 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم براي گرم کردن کوره از گازهاي خروجي کوره و يا مواد نفتي تأمين مي‌شود. براي تکميل عمل اکسيداسيون ، هواي گرم نيز به چدن مذاب دميده مي‌شود. زمان عملکرد اين کوره طولاني‌تر از روش بسمه است. از اين نظر مي‌توان با دقت بيشتري عمل حذف ناخالصي‌ها را کنترل کرد و در نتيجه محصول مرغوب‌تري بدست آورد.

روش الکتريکي

از اين روش در تهيه فولادهاي ويژه‌اي که براي مصارف علمي ‌و صنعتي بسيار دقيق لازم است، استفاده مي‌شود که در کوره الکتريکي با الکترودهاي گرافيت صورت مي‌گيرد. از ويژگي‌هاي اين روش اين است که احتياج به ماده سوختني و اکسيژن ندارد و دما را مي‌توان نسبت به دو روش قبلي ، بالاتر برد.
اين روش براي تصفيه مجدد فولادي که از روش بسمه و يا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبديل آن به محصول مرغوبتر ، بکار مي‌رود. براي اين کار مقدار محاسبه شده اي از زنگ آهن را به فولاد بدست آمده از روشهاي ديگر ، در کوره الکتريکي اضافه کرده و حرارت مي‌دهند. در اين روش ، براي جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌اي اکسيد کلسيم و براي جذب اکسيژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده اي آلياژ فروسيليسيم (آلياژ آهن و سيليسيم) اضافه مي‌کنند.

انواع فولاد و کاربرد آنها

از نظر محتواي کربن ، فولاد به سه نوع تقسيم مي‌شود:

فولاد نرم

اين نوع فولاد کمتر از 0,2 درصد کربن دارد و بيشتر در تهيه پيچ و مهره ، سيم خاردار و چرخ دنده ساعت و ... بکار مي‌رود.

فولاد متوسط

اين فولاد بين 0,2 تا 0,6 درصد کربن دارد و براي تهيه ريل و راه آهن و مصالح ساختماني مانند تيرآهن مصرف مي‌شود.

فولاد سخت

فولاد سخت بين 0,6 تا 1,6 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و براي تهيه فنرهاي فولادي ، تير ، وسايل جراحي ، مته و ... بکار مي‌رود.

چدن

چدن (Cast iron)، آلياژي از آهن- کربن- سيليسيم (Fe-C-Si) است که همواره محتوي عناصري در حد جزئي (کمتر از 1/0 درصد) و غالبا عناصر آلياژي (بيشتر از 1/0 درصد) بوده و به صورت حالت ريختگي يا پس از عمليات حرارتي به کار برده مي‌شود.

چدن خام

آهن، اغلب از کانه هاي اکسيد يا کربنات که گوگرد، آرسنيک و غيره از آنها زدوده شده باشد با برشته کردن در هوا، و کاهش با کربن تهيه مي‌شود. کانه آهن با کک و کربنات کلسيم آميخته شده و در يک کوره بلند که دماي بيشينه آن 1300 درجه سانتيگراد است. گرم مي‌شود ناخالصيهاي عمده اسيدي به کمک سرباره (کلسيم سيليکات، آلومينات و غيره) خنثي مي‌شود و توده فلزات مذاب به صورت چدن خام به بيرون جريان مي‌يابد چدن خام شامل 2 الي 4 درصد کربن و اندکي گوگرد، فسفر و سيلسيم است. چدن مذاب را به صورت خام يا پس از افزودن فلزهاي آلياژ دهنده، براي بهبود خواص چدن، در قالبهايي از ماسه يا فلز و بر حسب نوع مصرف، آنها را به صورت اشکال مختلف در مي‌آورند.

آلياژهاي چدن

فلزهاي آلياژ دهنده براي بهبود کيفيت چدن براي مصارف ويژه به آن افزوده مي‌شوند. آلياژهاي چدن در کارهاي مهندسي که در آنها چدن معمولي ناپايدار است به کار مي‌روند و حتي ممکن است در مواردي نيز، مثلا ساخت ميل لنگ، جانشين فولاد شوند. در هر حال، با دارا بودن مزايايي از قبيل از قيمت تمام شده توليد پايين توام با قابليت ريخته گري، استحکام، قابليت ماشين کاري، سختي، مقاومت در برابر سايش، مقاوم در برابر خوردگي، انتقال حرارت و جذب ارتعاش در اين آلياژ آن را از ساير آلياژهاي ريختگي آهني متمايز ساخته است.

انواع ساختارهاي زمينه چدن

اساس خواص مکانيکي چدن به زمينه آن بستگي دارد. به همين دليل است چدن ها را با عبارت ساختار زمينه آنها براي مثال انواع پرليتي يا فريتي توصيف مي‌کنند. مهمترين ساختار زمينه چدن عبارتند از:

فريت

فريت محلول جامد Fe-C است که به طور قابل ملاحظه‌اي Si و مقادير کمتري Ni ,Cu ,Mn در آن حل شده‌اند. فريت نسبتا نرم، چکش خوار، استحکام کم، مقاومت به سايش ضعيف، شکست خوب، ضريب هدايت گرمايي نسبتا خوب و قابليت ماشينکاري خوبي است. يک زمينه فريتي را مي‌توان به طور ريختگي توليد کرد اما اغلب با عمليات حرارتي باز پخت (تابکاري) مي‌توان به آن دست يافت.

پرليت

مخلوطي از فريت و سمانتيت Fe₃C است که توسط واکنش يوتکتيک از استينيت تشکيل شده و نام پرليت از ظاهر صدف گونه‌اش مشتق شده است. پرليت نسبتا سخت و از چقرمگي کمتري برخوردار بوده و ضريب هدايت گرمايي کم و در ضمن از ماشينکاري خوبي برخوردار است. وقتي فاصله بين دانه‌هاي پرليت در زمينه کم مي‌شود خواص مکانيکي افزايش مي‌يابد مقدار کربن پرليت در فولادهاي غير آلياژي 0.8 % است در حالي که در چدنها بسته به ترکيب چدن و سرعت خنک شدن متغير بوده و حتي مي تواند کمتر از 0.5% در چدن هاي پرسيلسيم باشد.

فريت- پرليت

ساختار مخلوطي است که غالبا براي رسيدن به خصوصياتي بينابيني از آنچه که در فوق شرح داده شده به کار گرفته مي‌شود.

بينيت

اين ساختار مي‌تواند به صورت ريختگي با افزودن عناصر آلياژي Mo و Ni به مقادير معين توليد شد. در ضمن جهت اطمينان بيشتر مي‌توان توسط عمليات حرارتي آستمپر نيز به اين ساختار رسيد. اين آلياژ، با توجه به صرفه اقتصادي اخيرا توانسته‌اند نقش موثري بويژه در مهندسي خودرو، قطعات دنده ها، قطعات انتقال نيرو داشته باشند. مزاياي چدن هاي گرافيت کروي آسمتپر عبارتند از: استحکام کششي بالا توام با چقرمگي، انعطاف پذيري و استحکام خوب، مقاومت به سايش و خراش، ظرفيت بالاي جذب صدا و کارکرد، خواص ريخته کري خوب، فرم پذيري نزديک به شکل نهايي حتي در شکل هاي خيلي پيچيده، قابليت ماشينکاري خوب در حالت ريخته و حدود 10% صرفه جويي در وزن در مقايسه با فولاد.

آستنيت

براي پايدار نگاه داشتن اين فاز در طول عمل خنک شدن يک عنصر آلياژي با مقدار زياد و معيني لازمست. چدن گرافيت ورقه اي و گرفيت کروي آلياژي (نيکل- سخت) چدن هايي با زمينه آستنيتي و داراي خواص عالي حرارتي مقاومت به خوردگي و نيز غير مغناطيسي هستند. اين زمينه مي‌تواند خصوصيات چقرمگي خوب، مقاومت به خزش، تنش پارگي تا دماي 800 درجه سانتيگراد و يک محدوده گسترده اي از انبساط حرارتي که تابع از Si موجود در چدن است را نشان دهد.

انواع چدن

چدن ها به دو گروه اصلي تقسيم بندي مي‌شوند، آلياژهايي براي مقاصد عمومي که موارد استعمال آنها در کاربردهاي عمده مهندسي است و آلياژهاي با منظور و مقاصد ويژه از جمله چدن هاي سفيد و آلياژهاي که براي مقاومت در برابر سايش، خوردگي و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

چدن هاي عمومي (معمولي):

اين چدن ها جزو بزرگترين گروه آلياژهاي ريختگي بوده و بر اساس شکل گرافيت به انواع زير تقسيم بندي مي‌شوند:
o چدن گرافيت لايه اي يا چدن خاکستري ورقه‌اي
o چدن گرافيت ماليبل يا چدن چکش‌خوار
o چدن گرافيت کروي يا چدن نشکن
o چدن گرافيت فشرده يا کرمي شکل
چدن هاي سفيد و آلياژي مخصوص:
اين چدن ها با آلياژهاي چدني معمولي فرق مي‌کنند. ميزان عنصر آلياژي در آنها بيش از 3% بوده و لذا آن را نمي‌توان توسط مواد افزودني به پاتيل اضافه کرده و به يک ترکيب پايه استانداردي رسيد. اين چدن هاي آلياژهاي به آلياژهاي عاري از گرافيت و گرافيت‌دار تقسيم بندي مي‌شوند و به صورت هاي مقاوم به خوردگي، دماي بالا، سايش و فرسايش مي‌باشند.
o چدن هاي بدون گرافيت:
? چدن سفيد پرليتي: مقاوم به سايش
? چدن سفيد مارتنزيتي (نيکل-سخت): مقاوم سايش
? چدن پر کرم (33-17 %Cr): مقاوم به خوردگي، سايش و حرارت
o چدن هاي داراي گرافيت:
? چدن سوزني: استحکام بالا و مقاوم به سايش
? آستنيتي: شامل دو نوع نيکروسيلال يعني نيکل سيلسيم بالا و نيکل مقاوم (Ni-resist) و هر دو مقاوم به حرارت و خوردگي
? فريتي: شامل دو نوع چدن، پر سيلسيم (15%) مقاوم در برابر خوردگي و چدن 5%سيلسيم در سيلال مقاوم در برابر حرارت
برخي از کاربردهاي چدن‌ها:
• در توليد قطعات ريختگي تحت فشار از جمله شير فلکه ها، بدنه هاي پمپ قطعات ماشين آلات که در معرض شوک و خستگي هستند، ميل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهيزات فرايند شيميايي، مخازن ريختگي تحت فشار و...
• براي خودرو و صنايع وابسته به آن مثلا در ساخت مفصل هاي فرمان، ديسک ترمزها، بازوها، ميل لنگ‌ها و چرخ دند‌ه‌ها، صفحه کلاچ‌ها و...
• در راه آهن، کشتيراني و خدمات سنگين و ديگر جاهايي که نياز به مقاومت در برابر شوک است مثلا در تجهيزات الکتريکي کشتي‌ها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غيره
• قطعات غير فشاري براي کاربردهاي درجه حرارت بالا براي مثال در ساخت قطعات و جعبه هاي درگير با آتش، ميله هاي شبکه، قطعات کوره‌ها، قالبهاي شمش، قالبهاي شيشه، بوته‌هاي ذوب فلز.
• اگر چدن هاي غير آلياژي به طور کلي مقاوم به خوردگي بويژه در محيط هاي قليايي هستند، چدن‌هاي نيکل مقاوم و نيکروسيلال و نيکل و کروم بالا به صورت برجسته‌اي مقاوم به خوردگي در محيط هايي مناسب و مختص به خودشان هستند. مهمترين کاربرد اين چدنها در پمپهاي دنده‌اي حمل اسيد سولفوريک، پمپ‌ها و شيرهايي که در آب دريا مصرف مي‌شوند، قطعات مورد استفاده در سيستم هاي بخار و جابجايي محلول هاي آمونياکي، سود و نيز براي پمپاژ و جابجايي نفت خام اسيدي در صنايع نفت هستند.

انواع چدن

طبفه‌بندي چدن‌ها

چدن ها به دو گروه اصلي طبقه‌بندي مي‌شوند، آلياژهايي براي مقاصد عمومي که موارد استعمال آنها در کاربردهاي عمده مهندسي است و آلياژهاي با منظور و مقاصد ويژه از جمله چدنهاي سفيد و آلياژي که براي مقاومت در برابر سايش ، خوردگي و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

چدن هاي معمولي (عمومي)

اين چدن ها چزو بزرگترين گروه آلياژهاي ريختگي بوده و براساس شکل گرافيت به انواع زير تقسيم مي‌شوند:
• چدن هاي خاکستري ورقه اي يا لايه اي: چدن هاي خاکستري جزو مهمترين چدن هاي مهندسي هستند که کاربردي زياد دارند نام اين چدن ها از خصوصيات رنگ خاکستري سطح مقطع شکست آن و شکل گرافيت مشتق مي‌شود.خواص چدن هاي خاکستري به اندازه ، مقدار و نحوه توزيع گرافيت‌ها و ساختار زمينه بستگي دارد. خود اين‌ها نيز به کربن و سيليسيم (C.E.V=%C+%?Si+%?P) و همچنين روي مقادير جزئي عناصر ، افزودني‌هاي آلياژي ، متغيرهاي فرايندي مانند، روش ذوب ، عمل جوانه زني و سرعت خنک شدن بستگي پيدا مي‌کنند. اما به طور کلي اين چدن ها ضريب هدايت گرمايي بالايي داشته، مدول الاستيستيه و قابليت تحمل شوکهاي حرارتي کمي دارند و قطعات توليدي از اين چدن ها به سهولت ماشينکاري و سطح تمام شده ماشينکاري آنها نيز مقاوم در برابر سايش از نوع لغزشي است. اين خواص آنها را براي ريختگي هايي که در معرض تنش‌هاي حرارتي محلي با تکرار تنشها هستند، مناسب مي‌سازد. افزايش ميزان فريت در ساختار باعث استحکام مکانيکي خواهد شد. اين نوع حساس بودن به مقاطع نازک و کلفت در قطعات چدني بدنه موتورها مشاهده مي شود ديواره نازک و لاغر سيلندر داراي زمينه‌اي فريتي و قسمت ضخيم نشيمنگاه يا تاقان‌ها زمينه‌اي با پرليت زياد را پيدا مي‌کند. همچنين در ساخت ماشين آلات عمومي ، کمپرسورهاي سبک و سنگين ، قالب‌ها ، ميل لنگ‌ها ، شير فلکه‌هاو اتصالات لوله‌ها و غيره از چدنهاي خاکستري استفاده مي‌شود.
• چدن هاي ماليبل يا چکش خوار: چدن هاي چکش خوار با ديگر چدن ها به واسطه ريخته گري آنها نخست به صورت چدن سفيد فرق مي‌کنند. ساختار آنها مرکب از کاربيدهاي شبه پايدار در يک زمينه‌اي پرليتي است بازپخت در دماي بالا که توسط عمليات حرارتي مناسب دنبال مي‌شود باعث توليد ساختاري نهايي از توده متراکم خوشه‌هاي گرافيت در زمينه فريتي يا پرليتي بسته به ترکيب شيميايي و عمليات حرارتي مي‌شود. ترکيب به کار برده شده براساس نيازهاي اقتصادي ، نحوه باز پخت خوب و امکان جذب و امکان توليد ريخته‌گري انتخاب مي‌شود. مثلا بالا رفتن Si بازپخت را جلو انداخته و موجب عمليات حرارتي خوب و سريعي با سيلکي کوتاه مي‌شود و در ضمن مقاومت مکانيکي را نيز اصلاح مي‌نمايد. تاثير عناصر به مقدار بسيار کم در اين چدن ها دست آورد ديگري در اين زمينه هستند. Te و Bi تشکيل چدن سفيد در حالت انجماد را ترقي داده، B و Al موجب اصلاح قابليت بازپخت و توام با افزايش تعداد خوشه‌هاي گرافيت مي‌شود ميزان Mn موجود و نسبت Mn/S براي آسان کردن عمل بازپخت مي‌بايستي کنترل گردد. عناصري از جمله Cu و Ni و Mo را ممکن است براي بدست آوردن مقاومت بالاتر يا افزايش مقاومت به سايش و خوردگي به چدن افزود. دليل اساسي براي انتخاب چدن هاي چکش خوار قيمت تمام شده پايين و ماشينکاري راحت و ساده آنهاست. کاربردهاي آنها در قطعات اتومبيل قطعات کشاورزي ، اتصالات لوله ها ، اتصالات الکتريکي و قطعات مورد استفاده در صنايع معدني است.
• چدن هاي گرافيت کروي يا نشکن: اين چدن در سال 1948 در فيلادلفياي آمريکا در کنگره جامعه ريخته گران معرفي شد. توسعه سريع آن در طي دهه 1950 آغاز و مصرف آن در طي سال هاي 1960 روبه افزايش نهاده و توليد آن با وجود افت در توليد چدن ها پايين نيامده است. شاخصي از ترکيب شيميايي اين چدن به صورت کربن 3.7% ، سيليسيم 2.5% ، منگنز0.3% ، گوگرد 0.01% ، فسفر 0.01% و منيزيم 0.04% است. وجود منيزيم اين چدن را از چدن خاکستري متمايز مي‌سازد. براي توليد چدن گرافيت کروي از منيزيم و سريم استفاده مي‌شود که از نظر اقتصادي منيزيم مناسب و قابل قبول است. جهت اصلاح و بازيابي بهتر منيزيم برخي از اضافه شونده‌هايي از عناصر ديگر با آن آلياژ مي‌شوند و اين باعث کاهش مصرف منيزيم و تعديل کننده آن است. منيزيم ، اکسيژن و گوگرد زدا است. نتيجتا منيزيم وقتي خواهد توانست شکل گرافيتها را به سمت کروي شدن هدايت کند که ميزان اکسيژن و گوگرد کم باشند. اکسيژن‌زداهايي مثل کربن و سيليسيم موجود در چدن مايع اين اطمينان را مي‌دهند که باعث کاهش اکسيژن شوند ولي فرآيند گوگردزدايي اغلب براي پايين آوردن مقدار گوگرد لازم است. از کاربردهاي اين چدن ها در خودروسازي و صنايع وابسته به آن مثلا در توليد مفصل‌هاي فرمان و ديسک ترمزها ، در قطعات تحت فشار در درجه حرارت هاي بالا مثل شير فلکه‌ها و اتصالات براي طرحهاي بخار و شيميايي غلتکهاي خشک‌کن نورد کاغذ ، در تجهيزات الکتريکي کشتي‌ها ، بدنه موتور ، پمپ‌ها و غيره است.
• چدن هاي گرافيت فشرده يا کرمي شکل: اين چدن شبيه خاکستري است با اين تفاوت که شکل گرافيت‌ها به صورت کروي کاذب ، گرافيت تکه‌اي با درجه بالا و از نظر جنس در رديف نيمه نشکن قرار دارد. مي‌توان گفت يک نوع چدني با گرافيت کروي است که کره‌هاي گرافيت کامل نشده‌اند يا يک نوع چدن گرافيت لايه‌اي است که نوک گرافيت گرد شده و به صورت کرمي شکل درآمده‌اند. ايت چدن ها اخيرا از نظر تجارتي جاي خود را در محدوده خواص مکانيکي بين چدن هاي نشکن و خاکستري باز کرده است.
ترکيب آلياژ موجود تجارتي که براي توليد چدن گرافيت فشرده استفاده مي‌شود عبارت است از: Mg%4-5 ،Ti%8.5-10.5 ، Ca% 4-5.5 ، Al%1-1.5 ، Ce %0.2-0.5 ،Si%48-52 و بقيه Fe. چدن گرافيت فشرده در مقايسه با چدن خاکستري از مقاومت به کشش ، صلبيت و انعطاف‌پذيري ، عمر خستگي ، مقاومت به ضربه و خواص مقاومت در دماي بالا و برتري بازمينه‌اي يکسان برخوردار است و از نظر قابليت ماشينکاري ، هدايت حرارتي نسبت به چدن هاي کروي بهتر هستند. از نظر مقاومت به شکاف و ترک خوردگي برتر از ساير چدن ها است. در هر حال ترکيبي از خواص مکانيکي و فيزيکي مناسب ، اين چدن ها را به عنوان انتخاب ايده آلي جهت موارد استعمال گوناگون مطرح مي‌سازد. مقاومت بالا در مقابل ترک‌خوردگي آنها را براي قالبهاي شمش‌ريزي مناسب مي‌سازد. نشان دادن خصوصياتي مطلوب در دماهاي بالا در اين چدن ها باعث کاربرد آنها براي قطعاتي از جمله سر سيلندرها ، منيفلدهاي دود ، ديسکهاي ترمز ، ديسکها و رينگهاي پيستون شده است.

چدن هاي سفيد و آلياژي مخصوص

کربن چدن سفيد به صورت بلور سمانتيت (کربيد آهن ، Fe3C) مي‌باشد که از سرد کردن سريع مذاب حاصل مي‌شود و اين چدن ها به آلياژهاي عاري از گرافيت و گرافيت‌دار تقسيم مي‌شوند و به صورتهاي مقاوم به خوردگي ، دماي بالا، سايش و فرسايش مي‌باشند.

• چدن هاي بدون گرافيت: شامل سه نوع زير مي باشد:
o چدن سفيد پرليتي: ساختار اين چدنها از کاربيدهاي يکنواخت برجسته و توپر M3C در يک زمينه پرليتي تشکيل شده است. اين چدنها مقاوم در برابر سايش هستند و هنوز هم کاربرد داشته ولي بي‌نهايت شکننده هستند لذا توسط آلياژهاي پرطاقت ديگري از چدن هاي سفيد آلياژي جايگزين گشته‌اند.
o چدن سفيد مارتنزيتي (نيکل- سخت): نخستين چدن هاي آلياژي که توسعه يافتند آلياژهاي نيکل- سخت بودند. اين آلياژها به طور نسبي قيمت تمام شده کمتري داشته و ذوب آنها در کوره کوپل تهيه شده و چدن هاي سفيد مارتنزيتي داراي نيکل هستند. Ni به عنوان افزايش قابليت سختي پذيري براي اطمينان از استحاله آستنيتي به مارتنزيتي در طي مرحله عمليات حرارتي به آن افزوده مي‌شود. اين جدن ها حاوي Cr نيز به دليل افزايش سختي کاربيد يوتکتيک هستند. اين چدنها داراي يک ساختار يوتکتيکي تقريبا نيمه منظمي با کاربيدهاي يکنواخت برجسته و يکپاره M3C هستند که بيشترين فاز را در يوتکتيک دارند و اين چدنها مقاوم در برابر سايش هستند.
o چدن سفيد پرکرم: چدن هاي سفيد با Cr زياد ترکيبي از خصوصيات مقاومت در برابر خوردگي ، حرارت و سايش را دارا هستند اين چدنها مقاومت عالي به رشد و اکسيداسيون در دماي بالا داشته و از نظر قيمت نيز از فولادهاي ضد زنگ ارزان تر بوده و درجاهايي که در معرض ضربه و يا بازهاي اعمالي زيادي نيستند به کار برده مي‌شوند اين چدنها در سه طبقه زير قرار مي‌گيرند:
1. چدنهاي مارتنزيتي با Cr %12-28
2. چدنهاي فريتي با 34-30% Cr
3. چدنهاي آستنيتي با 30-15%Cr و 15-10% Niبراي پايداري زمينه آستنيتي در دماي پايين.
طبقه بندي اين چدنها براساس دماي کار ، عمر کارکرد در تنش هاي اعمالي و عوامل اقتصادي است. کاربرد اين چدنها در لوله‌هاي رکوپراتو ، ميله ، سيني ، جعبه در کوره‌هاي زينتر و قطعات مختلف کوره‌ها، قالب‌هاي ساخت بطري شيشه و کاسه نمدهاي فلکه‌ها است.
• چدن هاي گرافيت دار:
o چدن هاي آستنيتي: شامل دو نوع (نيکل- مقاوم) و نيکروسيلال Ni-Si ، که هر دو نوع ترکيبي از خصوصيات مقاومت در برابر حرارت و خوردگي را دارا هستند. اگرچه چدن هاي غير آلياژي به طور کلي مقاوم به خوردگي بويژه در محيط هاي قليايي هستند، اين چدنها به صورت برجسته‌اي مقاوم به خوردگي در محيط هايي مناسب و مختص خودشان هستند. چدن هاي نيکل مقاوم آستنيتي با گرافيت لايه‌اي که اخيرا عرضه شده‌اند از خواص مکانيکي برتري برخوردار بوده ولي خيلي گران هستند. غلظت نيکل و کرم در آنها بسته به طبيعت محيط خورنده شان تغيير مي‌کند. مهمترين کاربردها شامل پمپهاي دنده‌اي حمل اسيد سولفوريک، پمپ خلا و شيرهايي که در آب دريا مصرف مي‌شوند، قطعات مورد استفاده در سيستم‌هاي بخار و جابه‌جايي محلول‌هاي آمونياکي، سود و نيز براي پمپاژ و جابجايي نفت خام اسيدي در صنايع نفت هستند.
o چدن هاي فريتي: شامل دو نوع زير مي‌باشد: چدن سفيد 5% سيليسيم در سيلال که مقاوم در برابر حرارت مي‌باشد و نوع ديگر چدن پرسيليسيم (15%) که از مقاومتي عالي به خوردگي در محيطهاي اسيدي مثل اسيد نيتريک و سولفوريک در تمام دماها و همه غلظتها برخوردارند. اما برخلاف چدن هاي نيکل- مقاوم ، عيب آن ، ترد بودن است که تنها با سنگ‌زني مي‌توان ماشينکاري نمود. مقاومت به خوردگي آنها در برابر اسيدهاي هيدروکلريک و هيدروفلوريک ضعيف است. جهت مقاوم سازي به خوردگي در اسيد هيدروکلريک مي‌توان با افزودن Si تا 18-16% ، افزودن Cr%5-3 يا Mo %4-3 به آلياژ پايه ، اقدام نمود.
o چدن هاي سوزني: در اين چدنها Al به طور متناسبي جانشين Si در غلظت هاي کم مي‌گردد. چدن هاي آلياژهاي Alدار تجارتي در دو طبقه بندي يکي آلياژهاي تا Al %6 و ديگري Al%18-25 قرار مي‌گيرند. Al پتانسيل گرافيته‌شدگي را در هر دوي محدوده‌هاي ترکيبي ذکر شده حفظ کرده و لذا پس از انجماد چدن خاکستري بدست مي‌آيد. اين آلياژ به صورت چدنهاي گرافيت لايه‌اي ، فشرده و کروي توليد مي‌شوند. مزاياي ملاحظه شده شامل استحکام به کشش بالا ، شوک حرارتي و تمايل به گرافيته شدن و سفيدي کم مي‌باشند که قادر مي‌سازند قطعات ريختگي با مقاطع نازک‌تر را توليد کرد. چدن هاي با Al کم مقاومت خوبي به پوسته پوسته شدن نشان داده و قابليت ماشينکاري مناسبي را نيز دارا هستند. محل هاي پيشنهادي جهت کاربرد آنها منيفلدهاي دود ، بدنه توربوشارژرها ، روتورهاي ديسک ترمز، کاسه ترمزها ، برش سيلندرها، ميل بادامکها و رينگهاي پيستون هستند. وجود Al در کنار Si در اين نوع چدنها باعث ارائه خواص مکانيکي خوب توام با مقاومت به پوسته‌شدگي در دماهاي بالا مي‌شود. اين آلياژها مستعد به تخلخل‌هاي گازي هستند. آلومينيوم حل شده در مذاب مي توان با رطوبت يا هيدروکربنهاي موجود در قالب ترکيب شده و هيدروژن آزاد توليد کند. اين هيدروژن آزاد قابل حل در فلز مذاب بوده و باعث به وجود آوردن مک‌هاي سوزني شکل در انجماد مي‌شود.

خوردگي فلزات

خوردگي ، ( Corrosion ) ، اثر تخريبي محيط بر فلزات و آلياژها مي‌‌باشد. خوردگي ، پديده‌اي خودبه‌خودي است و همه مردم در زندگي روزمره خود ، از بدو پيدايش فلزات با آن روبرو هستند. در اثر پديده خودبه‌خودي ، فلز از درجه ‌اکسيداسيون صفر تبديل به گونه‌اي با درجه ‌اکسيداسيون بالا مي‌‌شود.

تخريب فلزات با عوامل غير خوردگي

فلزات در اثر اصطکاک ، سايش و نيروهاي وارده دچار تخريب مي‌‌شوند که تحت عنوان خوردگي مورد نظر ما نيست.

فرايند خودبه‌خودي و فرايند غيرخودبه‌خودي

خوردگي يک فرايند خودبخودي است، يعني به زبان ترموديناميکي در جهتي پيش مي‌‌رود که به حالت پايدار برسد. البته M+n مي‌‌تواند به حالتهاي مختلف گونه‌هاي فلزي با اجزاي مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهيم، زنگ مي‌‌زند که يک نوع خوردگي و پديده‌اي خودبه‌خودي است. انواع مواد هيدروکسيدي و اکسيدي نيز مي‌‌توانند محصولات جامد خوردگي باشند که همگي گونه فلزي هستند. پس در اثر خوردگي فلزات در يک محيط که پديده‌اي خودبه‌خودي است، اشکال مختلف آن ظاهر مي‌‌شود.
بندرت مي‌‌توان فلز را بصورت فلزي و عنصري در محيط پيدا کرد و اغلب بصورت ترکيب در کاني‌ها و بصورت کلريدها و سولفيدها و غيره يافت مي‌‌شوند و ما آنها را بازيابي مي‌‌کنيم. به عبارت ديگر ، با استفاده ‌از روشهاي مختلف ، فلزات را از آن ترکيبات خارج مي‌‌کنند. يکي از اين روشها ، روش احياي فلزات است. بعنوان مثال ، براي بازيابي مس از ترکيبات آن ، فلز را بصورت سولفات مس از ترکيبات آن خارج مي‌‌کنيم يا اينکه آلومينيوم موجود در طبيعت را با روشهاي شيميايي تبديل به ‌اکسيد آلومينيوم مي‌‌کنند و سپس با روشهاي الکتروليز مي‌‌توانند آن را احيا کنند.
براي تمام اين روشها ، نياز به صرف انرژي است که يک روش و فرايند غيرخودبه‌خودي است و يک فرايند غيرخودبه‌خودي هزينه و مواد ويژه‌اي نياز دارد. از طرف ديگر ، هر فرايند غير خودبه‌خودي درصدد است که به حالت اوليه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اوليه يک مسير خودبه‌خودي است. پس فلزات استخراج شده ميل دارند به ذات اصلي خود باز گردند.
در جامعه منابع فلزات محدود است و مسير برگشت طوري نيست که دوباره آنها را بازگرداند. وقتي فلزي را در اسيد حل مي‌‌کنيم و يا در و پنجره دچار خوردگي مي‌‌شوند، ديگر قابل بازيابي نيستند. پس خوردگي يک پديده مضر و ضربه زننده به ‌اقتصاد است.

جنبه‌هاي اقتصادي فرايند خوردگي

برآوردي که در مورد ضررهاي خوردگي انجام گرفته، نشان مي‌‌دهد سالانه هزينه تحميل شده از سوي خوردگي ، بالغ بر 5 ميليارد دلار است. بيشترين ضررهاي خوردگي ، هزينه‌هايي است که براي جلوگيري از خوردگي تحميل مي‌‌شود.

پوششهاي رنگها و جلاها

ساده‌ترين راه مبارزه با خوردگي ، اعمال يک لايه رنگ است. با استفاده ‌از رنگها بصورت آستر و رويه ، مي‌‌توان ارتباط فلزات را با محيط تا اندازه‌اي قطع کرد و در نتيجه موجب محافظت تاسيسات فلزي شد. به روشهاي ساده‌اي مي‌‌توان رنگها را بروي فلزات ثابت کرد که مي‌‌توان روش پاششي را نام برد. به کمک روشهاي رنگ‌دهي ، مي‌‌توان ضخامت معيني از رنگها را روي تاسيسات فلزي قرار داد.
آخرين پديده در صنايع رنگ سازي ساخت رنگهاي الکتروستاتيک است که به ميدان الکتريکي پاسخ مي‌‌دهند و به ‌اين ترتيب مي‌توان از پراکندگي و تلف شدن رنگ جلوگيري کرد.

پوششهاي فسفاتي و کروماتي

اين پوششها که پوششهاي تبديلي ناميده مي‌‌شوند، پوششهايي هستند که ‌از خود فلز ايجاد مي‌‌شوند. فسفاتها و کروماتها نامحلول‌اند. با استفاده ‌از محلولهاي معيني مثل اسيد سولفوريک با مقدار معيني از نمکهاي فسفات ، قسمت سطحي قطعات فلزي را تبديل به فسفات يا کرومات آن فلز مي‌‌کنند و در نتيجه ، به سطح قطعه فلز چسبيده و بعنوان پوششهاي محافظ در محيط‌هاي خنثي مي‌‌توانند کارايي داشته باشند.
اين پوششها بيشتر به ‌اين دليل فراهم مي‌‌شوند که ‌از روي آنها بتوان پوششهاي رنگ را بر روي قطعات فلزي بکار برد. پس پوششهاي فسفاتي ، کروماتي ، بعنوان آستر نيز در قطعات صنعتي مي‌‌توانند عمل کنند؛ چرا که وجود اين پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکم‌تر مي‌‌سازد. رنگ کم و بيش داراي تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمي‌‌تواند از خوردگي جلوگيري کند.

پوششهاي اکسيد فلزات

اکسيد برخي فلزات بر روي خود فلزات ، از خوردگي جلوگيري مي‌‌کند. بعنوان مثال ، مي‌‌توان تحت عوامل کنترل شده ، لايه‌اي از اکسيد آلومينيوم بر روي آلومينيوم نشاند. اکسيد آلومينيوم رنگ خوبي دارد و اکسيد آن به سطح فلز مي‌‌چسبد و باعث مي‌‌شود که ‌اتمسفر به‌ آن اثر نکرده و مقاومت خوبي در مقابل خوردگي داشته باشد. همچنين اکسيد آلومينيوم رنگ‌پذير است و مي‌‌توان با الکتروليز و غوطه‌وري ، آن را رنگ کرد. اکسيد آلومينيوم داراي تخلخل و حفره‌هاي شش وجهي است که با الکتروليز ، رنگ در اين حفره‌ها قرار مي‌‌گيرد.
همچنين با پديده ‌الکتروليز ، آهن را به ‌اکسيد آهن سياه رنگ (البته بصورت کنترل شده) تبديل مي‌‌کنند که مقاوم در برابر خوردگي است که به آن "سياه‌کاري آهن يا فولاد" مي‌‌گويند که در قطعات يدکي ماشين ديده مي‌‌شود.

پوششهاي گالوانيزه

گالوانيزه کردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهن و فولاد با روي است. گالوانيزه ، بطرق مختلف انجام مي‌‌گيرد که يکي از اين طرق ، آبکاري با برق است. در آبکاري با برق ، قطعه‌اي که مي‌‌خواهيم گالوانيزه کنيم، کاتد الکتروليز را تشکيل مي‌‌دهد و فلز روي در آند قرار مي‌‌گيرد. يکي ديگر از روشهاي گالوانيزه ، استفاده ‌از فلز مذاب يا روي مذاب است. روي داراي نقطه ذوب پاييني است.
در گالوانيزه با روي مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرار مي‌‌دهند و با استفاده ‌از غوطه‌ور سازي فلز در روي مذاب ، لايه‌اي از روي در سطح فلز تشکيل مي‌‌شود که به ‌اين پديده ، غوطه‌وري داغ (Hot dip galvanizing) مي‌گويند. لوله‌هاي گالوانيزه در ساخت قطعات مختلف ، در لوله کشي منازل و آبرساني و ... مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند.

پوششهاي قلع

قلع از فلزاتي است که ذاتا براحتي اکسيد مي‌‌شود و از طريق ايجاد اکسيد در مقابل اتمسفر مقاوم مي‌‌شود و در محيطهاي بسيار خورنده مثل اسيدها و نمکها و ... بخوبي پايداري مي‌‌کند. به همين دليل در موارد حساس که خوردگي قابل کنترل نيست، از قطعات قلع يا پوششهاي قلع استفاده مي‌‌شود. مصرف زياد اين نوع پوششها ، در صنعت کنسروسازي مي‌‌باشد که بر روي ظروف آهني اين پوششها را قرار مي‌‌دهند.

پوششهاي کادميم

اين پوششها بر روي فولاد از طريق آبگيري انجام مي‌‌گيرد. معمولا پيچ و مهره‌هاي فولادي با اين فلز ، روکش داده مي‌‌شوند.

فولاد زنگ‌نزن

اين نوع فولاد ، جزو فلزات بسيار مقاوم در برابر خوردگي است و در صنايع شير آلات مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين نوع فولاد ، آلياژ فولاد با کروم مي‌‌باشد و گاهي نيکل نيز به ‌اين آلياژ اضافه مي‌‌شود.

منابع :

آهن http://daneshnameh.roshd.ir
فولاد http://fa.wikipedia.org
انواع چدن http://daneshnameh.roshd.ir
گوگردزدايي از مذاب جهت تهيه چدن نشكن http://dbase.irandoc.ac.ir
خوردگي فلزات http://daneshnameh.roshd.ir
فـولـادهــا http://ghalebsazi.com

/س