انواع فلزات آهنی

انواع فلزات آهنی

فلزات آهنی (Ferrous Metals) گروهی از فلزات هستند که پایه‌ی اصلی آن‌ها آهن (Fe) است. این فلزات به دلیل استحکام بالا، فراوانی در طبیعت، قابلیت بازیافت و کاربردهای گسترده در صنایع مختلف، از مهم‌ترین مواد مهندسی در جهان محسوب می‌شوند. از ساخت سازه‌های عظیم عمرانی تا استفاده در قطعات خودرو، ماشین‌آلات سنگین، وسایل خانگی و حتی لوازم کوچک صنعتی، همه و همه به نوعی وابسته به فلزات آهنی هستند.

به‌طور کلی فلزات آهنی به دو دسته‌ی اصلی چدن‌ها و فولادها تقسیم می‌شوند. عامل تعیین‌کننده در این تقسیم‌بندی درصد کربن موجود در ترکیب آهن است. وجود عناصر آلیاژی دیگر همچون منگنز، کروم، نیکل یا سیلیس نیز بر خواص مکانیکی و فیزیکی آن‌ها اثرگذار است.

۱. چدن‌ها (Cast Irons)
چدن‌ها آلیاژهایی از آهن و کربن هستند که میزان کربن آن‌ها معمولاً بین ۲ تا ۴ درصد است. مقدار زیاد کربن در چدن باعث می‌شود که ساختار آن شکننده‌تر از فولاد باشد، اما در عوض دارای نقطه‌ی ذوب پایین‌تر و قابلیت ریخته‌گری بهتری هستند.

۱.۱. چدن سفید:

در این نوع چدن، بیشتر کربن به صورت کاربید آهن (Fe₃C) وجود دارد که باعث سختی زیاد و مقاومت سایشی بالای آن می‌شود. چدن سفید در مواردی مانند غلتک‌های آسیاب، تیغه‌های خردکن و قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند، استفاده می‌شود.

۱.۲. چدن خاکستری:

در چدن خاکستری، کربن به شکل گرافیت آزاد است. وجود این گرافیت باعث بهبود ویژگی‌های ماشین‌کاری و افزایش مقاومت در برابر ارتعاش می‌شود. این نوع چدن کاربرد وسیعی در بدنه‌ی موتور خودرو، سیلندرها، پایه‌های ماشین‌آلات و دیسک‌های ترمز دارد.

۱.۳. چدن نشکن (داکتایل):

با افزودن منیزیم یا سریم، ساختار گرافیت از حالت ورقه‌ای به کره‌ای تبدیل می‌شود و بدین‌ترتیب چدن نشکن حاصل می‌گردد. این تغییر ساختاری سبب افزایش چشمگیر انعطاف‌پذیری و مقاومت کششی چدن می‌شود. چدن داکتایل در ساخت قطعات خودرو، لوله‌های انتقال آب و فاضلاب و اتصالات صنعتی کاربرد فراوان دارد.

۱.۴. چدن مالیبل (چکش‌خوار):

این نوع با عملیات حرارتی ویژه از چدن سفید تولید می‌شود تا قابلیت تغییر شکل‌پذیری آن افزایش یابد. چدن مالیبل در قطعاتی مانند بست‌های چدنی، چرخ‌دنده‌ها و قطعات ضربه‌پذیر استفاده می‌شود.

۲. فولادها (Steels)
فولادها آلیاژهایی از آهن و کربن با درصد کربن کمتر از ۲ درصد هستند. ترکیب کم کربن و افزودن عناصر آلیاژی گوناگون موجب می‌شود فولادها دارای خواص مکانیکی و فیزیکی متنوعی باشند.

۲.۱. فولاد کم‌کربن
در این فولادها مقدار کربن کمتر از ۰/۳ درصد است. این فولادها نرم، چقرمه و دارای قابلیت جوشکاری بالا هستند. در صنایع خودروسازی، ساخت لوله، ورق‌های ساختمانی و پروفیل‌های فولادی ساختمان کاربرد دارند.

۲.۲. فولاد متوسط‌کربن
این نوع فولادها بین ۰/۳ تا ۰/۶ درصد کربن دارند. سختی و مقاومت سایشی بالاتری نسبت به فولادهای نرم دارند ولی از نظر انعطاف‌پذیری کمترند. در ساخت قطعات مکانیکی مانند محور، میل‌لنگ و چرخ‌دنده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

۲.۳. فولاد پرکربن
با داشتن بیش از ۰/۶ درصد کربن، دارای سختی و مقاومت بسیار بالا هستند. در ساخت ابزارهای برشی، فنرها، چاقوها و شمشیرها کاربرد دارند. البته به دلیل شکنندگی، معمولاً مورد عملیات حرارتی تمپرینگ قرار می‌گیرند تا در عین سختی، چقرمگی نسبی نیز داشته باشند.

۳. فولادهای آلیاژی و زنگ‌نزن
با افزودن عناصری مانند کروم، نیکل، وانادیوم یا مولیبدن به فولاد، خواص آن بهبود می‌یابد.

فولادهای زنگ‌نزن (Stainless Steels):

در این فولادها حداقل ۱۰.۵ درصد کروم وجود دارد. کروم با تشکیل لایه‌ای محافظ از اکسید کروم بر سطح فلز، مانع زنگ‌زدگی می‌شود. فولادهای زنگ‌نزن در صنایع غذایی، پزشکی، تجهیزات شیمیایی و دکوراسیون کاربرد گسترده دارند.

فولادهای ابزار (Tool Steels):

این فولادها با افزودن عناصر آلیاژی خاص دارای سختی بسیار بالا حتی در دماهای زیاد هستند. برای ساخت قالب‌ها، مته‌ها و ابزارهای صنعتی استفاده می‌شوند.

۴. ویژگی‌ها و مزایا
فلزات آهنی به دلیل استحکام بالا، شکل‌پذیری، جوش‌پذیری، قابلیت بازیافت و هزینه‌ی تولید مناسب، نسبت به سایر فلزات در اکثر صنایع برتری دارند. با این حال سنگینی نسبی و حساسیت به خوردگی از معایب عمده‌ی آن‌هاست که با توسعه‌ی آلیاژهای ضدزنگ و پوشش‌های محافظ تا حد زیادی برطرف شده است.

جمع‌بندی
فلزات آهنی از بنیادی‌ترین مصالح صنعتی محسوب می‌شوند. شناخت انواع چدن‌ها و فولادها، درک اثر ترکیبات شیمیایی و عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی، نقش مهمی در طراحی و انتخاب مواد در مهندسی مکانیک، عمران و متالورژی دارد. از سازه‌های غول‌پیکر فولادی گرفته تا قطعات دقیق موتورهای صنعتی، همه حاصل دانش بشر در بهره‌گیری هوشمندانه از این گروه ارزشمند از فلزات هستند.