آلیاژ آهنی و ترکیبات آن

آلیاژ آهنی به آلیاژهایی گفته می‌شود که حداقل حاوی عنصر آهن هستند. آهن فلزی نرم و چکش‌خوار است، اما با افزودن سایر عناصر به آن، می‌توان خواص آن را بهبود بخشید. یار عناصری که به آهن اضافه می‌شوند عبارت‌اند از کربن، منگنز، نیکل و … . در این مقاله در مورد مراحل تولید آلیاژ آهنی، انواع محصولات آن و تفاوت آن با آلیاژ غیرآهنی صحبت کرده‌ایم.

آلیاژ آهنی چیست؟

واژه آلیاژ، برگرفته از کلمه فرانسوی Alliage است که در فارسی هم‌جوشه معنا می‌دهد. آلیاژ آهن درواقع از ترکیب دو یا چند فلز از جمله آهن و کروم، آهن و منگنز، آهن و وانادیوم حاصل شده است که هر کدام از این دسته‌ها، خصوصیات و ویژگی‌های خاص خود را دارند. لازم به ذکر است که آلیاژهای آهنی می‌توانند از عناصر غیرفلزی نیز ساخته شوند که در مصارف مختلفی از آن‌ها بهره می‌گیرند. به‌طورکلی، آلیاژهای آهنی با عناصر منحصربه‌فردی تولید می‌شوند و به دلیل ویژگی‌های گسترده و متنوعی که دارند، در صنعت فولاد به وفور به کار برده می‌شوند.

به عنوان مثال، فولاد یک آلیاژ آهنی است که حداقل با یک عنصر دیگر ترکیب شده و همین عامل، بیشتر شدن استحکام آن را به دنبال دارد. فولاد، برنز، چدن از جمله آلیاژهای آهنی هستند که در صنایع مختلف از آن‌ها استفاده می‌شود. لازم به ذکر است در تولید فولاد که نوعی آلیاژ آهنی به‌ شمار می‌رود، کشور چین در رتبه اول و به دنبال آن، هند در رتبه دوم، ژاپن در جایگاه سوم، آمریکا، روسیه و کره‌جنوبی، به ترتیب پرچم‌دار تولید فولاد در جهان هستند. در کل، مقدار تولید جهانی آلیاژهای آهنی از محدوده 53 میلیون تن در سال فراتر رفته است.

آلیاژ آهنی چه مشخصاتی دارد؟

آلیاژهای آهنی با توجه به ترکیب و کاربردشان دارای ویژگی‌های خاصی هستند. در فرآیند ساخت آلیاژ آهنی عنصر اصلی و مهم آن، آهن است؛ اما تفاوت مهمی که این آلیاژ با عنصر آهن خالص دارد، پایداری و مقاومت بالاتر آن است. آلیاژ‌های آهنی در سه نوع فرفوژه، فولاد و چدن ساخته می‌شوند که میزان مقاومت هرکدام از آن‌ها متفاوت از دیگری است. ضمنا، این آلیاژ در برابر خوردگی بسیار ضعیف عمل می‌کند و آسیب‌پذیر است. علاوه بر این، آلیاژ آهنی هدایت الکتریکی و گرمایی پایین‌تری نسبت به آلیاژ خالص دارد. دلیل استفاده گسترده از این آلیاژ، شامل موارد زیر است:

• تنوع زیاد این آلیاژ
• مقرون به صرفه بودن
• فراوانی آهن در پوسته زمین

تولید آلیاژ آهنی چه فرآیندهایی دارد؟

برای تولید آلیاژ آهنی در ابتدا باید آهن خالص را استخراج کرد و سپس به تولید این نوع از آلیاژ پرداخت. به‌طورکلی، فرآیندهای مربوط به تولید آلیاژ به شرح زیر است.

کوره بلند

شکل کوره بلند به صورت عمودی است و ارتفاع آن بین 30-80 متر و قطرش نیز حدود 10-14 متر در نظر گرفته می‌شود. روش کوره بلند، یکی از قدیمی‌ترین روش‌های احیا کردن سنگ آهن از معادن به حساب می‌آید. فرآیند استخراج آهن خالص در این روش، بدین صورت است که سنگ آهن را به همراه کک تولید شده از زغال سنگ و آهک، از دریچه بالای کوره وارد کرده و سپس، دمای بالایی به میزان 800-1200 درجه سانتی‌گراد را از پایین به کوره وارد می‌کنند. به دلیل سوختن کک به واسطه‌ دمای کوره، سنگ آهن نیز ذوب می‌شود. کک‌ها را به دو دلیل وارد کوره می‌کنند:

• ماده احیاکننده‌ آهن
• تامین حرارت مورد نیاز

پس از این مراحل، کربنی که در کک وجود دارد، سبب احیای اکسید آهن شده و به دنبال آن، آهن فلزی به دست می‌آید. در این کوره‌ها با وارد کردن مازوت و گاز طبیعی به احیای آهن نیز کمک می‌کنند. پس از این که آهن احیا شد، به شکل چدن خام از بخش پایین کوره که بوته نام دارد، خارج شده و دی‌اکسید و مونوکسید کربن حاصل از سوختن کک نیز از بالای آن خارج می‌شود.

کوره قوس الکتریکی

دیگر فرآیند احیای آهن و فولاد، روش کوره قوس الکتریکی است که در آن، مواد فلزی در یک قوس الکتریکی ذوب می‌شوند. در این روش، ابتدا آهن تولید شده در فرآیند احیا مستقیم را در کوره می‌ریزند تا کاملا ذوب شود. دمای بالای این کوره‌ها به حدی است که در مراحل ابتدایی، فولاد با درصد کربن پایین تولید می‌شود. سپس، آهن یا فولاد به دست آمده را در کوره‌ پاتیلی می‌ریزند تا فرآیند آلیاژسازی صورت بگیرد. این عملیات شامل تنظیم مقدار کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدستی‌ ترکیب فولاد می‌شود. لازم به ذکر است که مواد اولیه مورد استفاده در این کوره‌ها، ضایعات آهن، فولاد و سایر فلزات است که این یک مزیت محسوب می‌شود؛ اما عیب بزرگ آن، مصرف بالای انرژی است.

احیا مستقیم

روش احیا مستقیم برای استخراج آهن و فولاد نسبت به کوره بلند، بسیار بهتر است و امروزه بیشتر به کار برده می‌شود. درواقع، برای تولید آهن یا فولاد در این روش، از کوره‌هایی به نام کوره‌های قوس الکتریکی استفاده می‌کنند که از نسل جدید کوره‌ها برای تولید آهن و فولاد به ‌شمار می‌روند. در روش کوره بلند برای استخراج آهن به کک نیاز بود؛ اما در این روش، از گاز متان برای احیای سنگ آهن استفاده می‌کنند. با استفاده از این گاز می‌توان اکسیدهای درون آهن را از بین برد و آن را با خلوص بیشتری تولید کرد. روش احیا مستقیم به دو شیوه‎ بسیار رایج و پرکاربرد انجام می‌شود که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

احیا مستقیم آهن بر پایه گازها

یکی از روش‌های احیای مستقیم آهن، استفاده از انواع گازها است. با توجه به اینکه در ساختار بسیاری از گازها مانند متان، کربن وجود دارد، می‌توان از آن‌ها برای احیا سنگ آهن استفاده کرد. در این فرآیند، سنگ آهن را آسیاب کرده و همراه با گاز متان وارد کوره می‌کنند. قبل از ورود گاز متان به داخل کوره نیز این گاز توسط رفورمرها تجزیه و به H2 و CO تبدیل شده و موجب احیای سنگ آهن می‌شود.

احیا مستقیم آهن بر پایه زغال سنگ

در این روش، از زغال سنگ برای احیای مستقیم آهن استفاده می‌کنند. زغال سنگ ترکیبی است که از به هم پیوستن کربن‌ها به یکدیگر حاصل می‌شود؛ به همین علت در فرآیند احیای آهن، به عنوان یک احیاکننده عمل کرده و کربن مورد نیاز برای احیا و جداسازی ناخالصی‌ها از آهن را فراهم می‌کند. با همه‌ این تفاسیر، احیا مستقیم آهن بر مبنای زغال سنگ کمتر از روش گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ترکیبات عناصر در انواع آلیاژ آهنی

آلیاژ آهنی به سه دسته مهم و پرکاربرد چدن، آهن فرفوژه و فولاد تقسیم می‌شود که هر کدام ویژگی‌ها و خصوصیات منحصر به فردی دارند. در ادامه به بررسی این سه دسته پرداخته‌ایم:

چدن

چدن از انواع آلیاژ آهنی است که در برابر ساییده شدن و سختی بسیار مقاوم بوده و در خودروسازی از آن استفاده می‌شود. چدن‌ها از ترکیب عناصر مهمی مانند آهن خام مذاب، سنگ آهک و کک تشکیل می‌شوند. تمام این مواد در یک کوره تولید شده و سپس درون قالب‌های شن و ماسه ریخته می‌شوند. همچنین، از چدن در حوزه‌های مختلفی از جمله تولید لوله‌های آب، اجاق گاز، پیستون و... استفاده می‌کنند. این عنصر قابلیت لحیم‌کاری و فرزکاری را داشته و تنها عیب آن، این است که برای جوشکاری باید چدن را از قبل گرم کرد. به علاوه، چدن‌ها انواع مختلفی دارند که شامل چدن سفید، خاکستری و چکش خوار می‌شود.

در چدن خاکستری با سرد شدن آهن، ترکیب شیمیایی آهن و کربن تا حدی تجزیه شده و کربن به شکل تکه‌های کوچک گرافیت در سرتاسر فلز پراکنده و سپس جدا می‌شود. زمانی که این چدن را ذوب کنید، فلز آهن با کربن کاملا ترکیب شده و اگر فورا سرد شود، چدن سفید به دست می‌آید. چدن سفید در عین حال که سختی مطلوبی دارد، می‌تواند بسیار شکننده نیز باشد؛ ازاین‌رو، ماشین‌کاری بر روی آن کار غیر ممکنی به نظر می‌آید. ضمنا، از گرما و حرارت دادن به چدن سفید، چدن چکش خوار تولید می‌شود. زمانی که چدن سفید را در معرض دمای 760-927 درجه سانتی‌گراد به مدت 150 ساعت در جعبه‌های دارای سنگ معدن هماتیت قرار دهید، چدن چکش خوار به دست می‌آید.

آهن فرفوژه

این آلیاژ آهنی معمولا از آهن خالص ساخته می‌شود. میزان کربن در این آلیاژ، کم است و مقدار آن به 0.08 درصد می‌رسد. آهن فرفوژه در برابر خوردگی‌ها و همچنین اکسیداسیون بسیار مقاوم بوده و ضد زنگ است؛ از همین رو، در صنایعی از جمله ساخت میخ، سیم خاردار، مبلمان، زنجیر و... استفاده می‌شود. اصلی‌ترین ویژگی که می‌توان برای این نوع از آلیاژ آهنی نام برد، این است که در برابر سرما و گرما انعطاف‌پذیری بالایی دارد و به راحتی می‌توان آن را جوش داد.

فولاد

فولاد از منظر ترکیب شیمیایی به دسته‌های کربنی، کم آلیاژ و پر آلیاژ تقسیم می‌شود. فولاد کربنی که نام دیگر آن‌ها، فولاد غیر آلیاژی است شامل فولاد کم کربن، کربن متوسط و پر کربن می‌شوند. اینکه چه فولادی از نوع کم کربن است، بر اساس استانداردهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد. برای نمونه طبق استاندارد ASTM فولادهای کم کربن در صنعت خودروسازی باید حداکثر دارای 0.1% کربن و در پتروشیمی حداکثر 0.3% کربن داشته باشند؛ اما به طور معمول، فولادهایی که کمتر از 0.3% کربن دارند را جزو فولادهای کم کربن قرار می‌دهند. همچنین فولادهایی که کربن متوسط دارند، دارای 0.3 الی 0.6% کربن بوده و فولادهایی با کربن بالا نیز 0.6% کربن دارند. در ادامه، سایر فولادهای مصرفی در صنایع را به اختصار شرح داده‌ایم.

1. فولاد ابزار

از فولاد ابزار برای تولید ابزارهای دستی یا قالب‌های ماشین استفاده می‌کنند. از ویژگی‌های مهم و اساسی فولاد ابزار می‌توان به سختی، مقاومت بالا در برابر سایش و همچنین توانایی حفظ شکل خود در دمای بالا اشاره کرد. درواقع، این نوع از فولاد به دلیل داشتن عنصر وانادیوم در برابر خوردگی بسیار مقاوم است.

2. فولاد ساختمانی

فولاد ساختمانی از جمله مصالح فلزی در ساختمان‌سازی است که از آن در ساخت فونداسیون و تیغه‌بندی بناها به‌خصوص اسکلت استفاده می‌کنند. این نوع از فولادها مانند پروفیل‌ها هستند که با مقاطع گوناگونی تولید می‌شوند. ورق آهنی، تیرآهن و میلگرد از جمله موارد پر کاربرد این صنعت به حساب می‌آیند.

3. فولاد ریخته گری

ریخته‌گری فولاد، فرم متفاوتی از ریخته‌گری است که شامل فولادهای مختلفی می‌شود. از ریخته‌گری فولاد زمانی استفاده می‌کنند که چدن مقاومت کافی در برابر ضربه را نداشته باشد.

4. فولاد آهنگری

فولاد آهنگری، آلیاژی از کربن و آهن است که تحت فشرده‌سازی با فشار زیاد ساخته می‌شود. آهنگری فولاد را بسته به دما، به سه شکل تقسیم‌بندی می‌کنند:

• فورج گرم فولاد (شکل‌پذیری مطلوب): دمای آهنگری در فورج گرم فولاد مابین ۹۵۰ تا ۱۲۵۰ درجه  است که در نهایت، شکل‌پذیری خوبی داشته و به نیروی شکل‌پذیری زیادی نیاز ندارد.
• فورج گرم فولاد (شکل‌پذیری محدود): دمای آهنگری مابین ۷۵۰ تا ۹۵۰ درجه است که در نهایت، شکل‌پذیری محدودی داشته و نسبت به نوع اول به شکل‌دهی بیشتری نیاز دارد.
• آهنگری سرد فولاد (شکل‌پذیری کم):  دمای آهنگری در وضعیت اتاق بوده و تا ۱۵۰ درجه گرم می‌شود و در نهایت، شکل‌پذیری کمی داشته و به نیروهای زیادی برای شکل‌پذیری نیاز دارد.

انواع محصولات آلیاژ آهنی

در این قسمت، برخی از عناصر حاصل از آلیاژ آهنی را به اختصار شرح می‌دهیم. این محصولات شامل موارد زیر می‌شوند.

فرومنگنز

از بین آلیاژهای منگنز، دو آلیاژ فرومنگنز و سیلیکومنگنز مهم‌ترین عناصر در فولادسازی به ‌شمار می‌روند. کشور چین بزرگ‌ترین تولیدکننده‌ فرومنگنز در کل جهان با 2.7 میلیون تن تولید است.

فروکروم

سنگ کرومیت ساخته‌شده در کوره‌های قوس الکتریکی جهت استفاده در صنعت متالورژی برای تولید فروکروم ذوب می‌شود. معمولا فروکروم‌های تولیدشده در جهان برای ساخت فولاد ضدزنگ به کار می‌روند.

فرومولیبدن

این آلیاژ ترکیبی از آهن و مولیبدن است که معمولا بین 55 الی 75 درصد از وزن مولیبدن را دارد. از این آلیاژ برای تامین مولیبدن در فولاد و افزایش سختی آن استفاده می‌شود.

فرونیکل

بسیاری از شهاب سنگ‌هایی که به زمین برخورد می‌کنند، از جنس فرونیکل هستند. این آلیاژ از 35 درصد فرونیکل و 65 درصد آهن ساخته شده است. فرونیکل از مواد مهم و اصلی در ساخت فولاد ضد زنگ و همچنین بالا بردن مقاومت در برابر گرما در فرآیند ریخته‌گری است.

فرو سیلیسیم

فروسیلیسیم آلیاژی از فلز آهن و سیلیسیم است که در کوره‌های قوس الکتریکی و در مقادیر مختلفی مانند ۱۰ الی ۹۰ درصد تولید می‌شود؛ این آلیاژ برای ساخت چدن و فولاد به کار برده شده و به عنوان اکسیدزا از آن بهره می‌برند.

فروتیتانیم

از آلیاژ تیتانیوم در فولادسازی به منظور تثبیت کربن، نیتروژن و همچنین، اکسیدزایی استفاده می‌کنند. درواقع، در طی فرآیند فولادسازی از آلیاژ تیتانیوم به دلیل چگالی بالا و دمای ذوب پایین، به عنوان فروتیتانیوم بهره می‌برند. فولادهایی که در ساختار آن‌ها مقادیر نسبتا زیادی تیتانیوم وجود دارد، شامل فولادهای ضدزنگ، بینابینی و کم آلیاژ با استقامت بالا می‌شود.

فروتنگستن

فروتنگستن یک عنصر آلیاژی مهم در فولادهای ابزار به ‌شمار می‌رود که دارای وزن زیاد و مقاومت بالایی در برابر خوردگی است. ساختار این آلیاژ به گونه‌ای است که می‌تواند در فولاد‌ها هدایت الکتریکی و سختی را تا میزان قابل ‌توجهی افزایش دهد.

فرووانادیم

فرووانادیوم آلیاژی است که از ترکیب عنصر آهن و وانادیوم ساخته می‌شود. این آلیاژ می‌تواند مقاومت فولاد را در برابر ضربات، افزایش داده و موجب استحکام آن شود. درواقع، وانادیوم از جمله فلزات بسیار پرکاربرد در ترکیبات فولاد به‌ شمار می‌رود.

آلیاژ آهنی در چه مواردی کاربرد دارد؟

آلیاژها ترکیب چندین عنصر خالص هستند که وقتی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، موارد مصرف بسیار منحصربه‌فردی پیدا می‌کنند. بسیاری از وسایلی که در اطراف ما وجود دارند، از جنس فلز یا پلاستیک بوده و در واقع به نوعی یک آلیاژ هستند. در حقیقت، هیچ ماده‌ای را نمی‌توان به طور خالص استفاده کرد و با نگاهی به اطراف می‌توانیم متوجه این موضوع شویم. وسایلی از جمله میز و صندلی‌ها، ظروف، قاشق‌ها، درب و پنجره، مصالح ساختمانی، اسکلت ساختمان و به‌طورکلی، تمامی تجهیزات لازم ساختمان که توسط صنعت فولادسازی تولید می‌شوند، از نوع آلیاژ هستند.

عمده‌ترین کاربرد آلیاژهای آهنی نیز مربوط به صنعت می‌شود. از این آلیاژها در ساخت میلگردها، تیرآهن‌ها، نبشی‌ها، پروفیل‌ها و... استفاده می‌کنند. علاوه بر این، از آلیاژ آهنی در صنعت خودروسازی، توسعه زیرساخت، صنعت پتروشیمی، صنعت هوا و فضا و... استفاده می‌شود؛ چرا که این نوع از آلیاژ مقاوم بوده و دچار خوردگی نمی‌شود. به عبارتی، آلیاژهای آهنی بسیار زیبا هستند و در عین حال، مقاومت عالی از خود نشان می‌دهند؛ به همین جهت، به بسیاری از صنایع بزرگ امروزی راه یافته‌اند.

تفاوت آلیاژهای آهنی و غیرآهنی چیست؟

فلزات آهنی را می‌توان به راحتی توسط مغناطیس شناسایی کرد؛ در حالی‌ که در فلزات غیرآهنی چنین ویژگی وجود ندارد. درواقع، یک راه سریع برای شناسایی این دو نوع، استفاده از آهنربا است. همچنین، آلیاژهای غیرآهنی بسیار سبک‌تر و انعطاف‌پذیرتر از آلیاژهای آهنی هستند؛ ازاین‌رو، این دسته از آلیاژها برای کارهای سبک‌تر استفاده می‌شوند.

علاوه بر این موارد، آلیاژهای غیرآهنی در برابر خوردگی از مقاومت بالاتری برخوردار هستند. با توجه به نام این دو آلیاژ، آلیاژ آهنی عنصری است که در ترکیبات آن، آهن وجود دارد؛ درحالی‌که در آلیاژ غیرآهنی از هیچ آهنی استفاده نشده و ماده‌ اصلی آن مس است. در آلیاژهای آهنی، هدایت الکتریکی و رسایی بسیار بالا بوده، اما چنین چیزی در آلیاژهای غیرآهنی وجود ندارد.