فولاذ وأنواعه هو عبارة عن نوع من الصلب المقاوم للصدأ، إذ يتمتع بميزة مقاومة الصدأ بشكل أكبر مقارنةً بالصلب الكربوني التقليدي. ومع ذلك، فإن الفولاذ قد يتعرض للصدأ في ظروف معينة، وتعتمد قدرته على مقاومة الصدأ على نسبة عنصر الكروم الموجود فيه، مما يستدعي أهمية اختيار النوع المناسب وفقًا للاستخدام المراد.
تعريف الفولاذ
الفولاذ، أو Steel، هو سبيكة حديدية تحتوي على أقل من 2% من الكربون و1% من المنغنيز. ونسبة الكروم تتراوح بين 5% إلى 30%، بينما يحتوي أيضًا على حوالي 8.5% من النيكل والمولبيدنيوم. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي على نسب ضئيلة من:
- السيليكون.
- الفوسفور.
- الكبريت.
- الأكسجين.
فولاذ الصلب المقاوم للصدأ، المعروف أيضًا بـ Stainless Steel، يُعتبر من العناصر التي لا تصدأ بسهولة. ويرجع ذلك لوجود طبقة غير مرئية من أكسيد الكروم التي تتكون على سطح المعدن وتعمل على حمايته من الصدأ والتآكل، حيث تزداد فاعلية هذه الطبقة كلما ارتفعت نسبة الكروم.
أنواع الفولاذ
الفولاذ الكربوني
يُصنَّف الفولاذ الكربوني إلى ثلاث فئات:
- فولاذ يحتوي على أقل من 0.3% من الكربون.
- فولاذ يحتوي على تركيز متوسط من 0.3% إلى 0.6% من الكربون.
- فولاذ يحتوي على أكثر من 0.6% من الكربون.
فولاذ السبائك يحتوي على العديد من العناصر مثل:
- المنغنيز.
- السيليكون.
- النيكل.
- التيتانيوم.
- النحاس.
- الكروم.
- الألمنيوم.
حيث يتم استخدام هذه العناصر بنسب متفاوتة.
أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ
يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على نسبة بين 10% إلى 20% من عنصر الكروم، مما يمنحه القدرة على مقاومة الصدأ بشكل فعال.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الفولاذ المقاوم للصدأ، وهي:
- الفولاذ الأوستينتي: يحتوي على 18% من الكروم و8% من النيكل، مع أقل من 0.8% من الكربون.
- الفولاذ الفيريتي: يحتوي على 12% إلى 17% من الكروم وأقل من 0.1% من الكربون، مع كميات ضئيلة من النيكل.
- الفولاذ المارتينسيتي: يحتوي على 11% إلى 17% من الكروم وأقل من 0.4% من النيكل، ونسبة 1.2% من الكربون.
يمكن أن يحتوي فولاذ المعدات على عناصر مثل التنجستين، الموليبدينوم، الكوبالت، والفاناديوم بكميات مختلفة، مما يزيد من مقاومته للحرارة، إذ تفوق قوة الفولاذ قوة الحديد بمئات المرات.
يعتبر الحديد من العناصر الأساسية في صناعة الفولاذ ويعد من المكونات المتوفرة بكثرة في قشرة الأرض بعد الأكسجين والألومنيوم والسيليكون، مما يجعله عنصرًا مثاليًا في تصنيع معدات القطع والحفر.
المعادن الشائعة في تكوين الفولاذ
تتواجد المعادن بشكل شائع في الفولاذ، ومنها:
- الكربون: يعمل كمقوي للعناصر الأخرى، ويتم الحفاظ عليه بناءً على مرونة السبيكة وقدرتها على اللحام.
- المنغنيز: يزيد من القوة والصلابة.
- الفوسفور والنحاس: يعززان القوة ويعملان على مقاومة الصدأ والتآكل الناتج عن الظروف الجوية.
- الكبريت: النسب العالية منه قد تؤثر سلبًا على المرونة والصلابة وتؤثر على قابلية اللحام.
- السيليكون: يُستخدم كمؤكسد قوي في صناعة الفولاذ، حيث يؤثر على مدى القوة والصلابة.
يتضمن الفولاذ أيضًا كميات صغيرة من الألمنيوم والأكسجين والنيتروجين، بالإضافة إلى عناصر أخرى مضافة بشكل مقصود، مثل:
- النيكل.
- الكروم.
- التيتانيوم.
- البورون.
- الموليبدينوم.
- النيوبيوم.
تلعب هذه المعادن والعناصر دورًا هامًا في خصائص الفولاذ من حيث الصلابة والمتانة والمرونة.
عملية تصنيع الفولاذ
- بعد استخراج الحديد الخام، نجد أنه يحتوي على نسب عالية من الكربون، مما يعوق النتائج المرجوة.
- يتم صهر الحديد وإجراء المعالجة اللازمة لتقليل نسبة الكربون، مع إضافة عناصر مختلفة بنسب محسوبة، وبعد ذلك يُصب الفولاذ في شكل سبائك.
- تُنتج الفولاذ الحديث من الحديد الزهر، حيث يُنتج حوالي 40% من الفولاذ الحديث عبر عملية الفرن الأكسجيني القاعدي (BOF).
- تُنتج ربع كميات الفولاذ في العالم باستخدام عملية القوس الكهربائي، بينما يُنتج سدس الفولاذ بالطريقة التقليدية (فرن المجمرة المكشوفة).
- تستبدل الدول الصناعية المتقدمة الطرق القديمة بأساليب الفرن الأكسجيني القاعدي وعمليات القوس الكهربائي.
حقائق مثيرة عن الفولاذ
تشمل الحقائق حول الفولاذ:
- متوسط العمر الزمني للفولاذ يُقدّر بـ 40 عامًا تقريبًا.
- المنتجات الحديثة من الفولاذ تحتوي بمعدل 37% على فولاذ تم إعادة تدويره.
- الكمية العالمية للفولاذ المستخدمة في عام 2017 كانت تقارب 1.587 مليون طن.
استخداماته الواسعة تشمل:
- 51% في المباني والبنية التحتية.
- 12% في قطاع صناعة السيارات ووسائل النقل.
- 11% في صناعة المعادن.
- 15% في تصنيع المعدات والأجهزة الميكانيكية.
يعتبر الفولاذ من العناصر الأساسية في صناعات متعددة، خصوصًا الفولاذ المقاوم للصدأ الذي يُستخدم في صناعة المعدات الطبية بفضل سهولة تنظيفه وقدرته الممتازة على مقاومة التآكل.
استخدامات الفولاذ
الفولاذ منخفض الكربون
تُعتبر أنواع الفولاذ الكربوني من أكثر الأنواع استخدامًا، إذ تدخل في:
- تصنيع هياكل ومكونات السيارات.
- جميع أنواع المشاريع البنيوية.
- صناعة قضبان السكك الحديدية.
- تصنيع خطوط أنابيب الغاز والنفط والسفن.
- إنتاج أدوات المنشآت البحرية.
- صناعة خزانات التخزين.
- إنتاج المسامير والبراغي والصواميل.
- استخداماتها في محركات الطائرات.
- استخدامها في تصنيع توربينات الغاز.
- تصنيع السكاكين والأدوات المنزلية.
- توليد الطاقة الكهربائية.
الفولاذ والخصائص الكيميائية
يتجاوز عدد أنواع الفولاذ 3,500 نوع، وفقًا لتقرير الاتحاد العالمي للصلب، ويتميز بالخصائص البيئية الفريدة.
كما تؤثر الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تتمتع بها السبيكة، حيث يتم تصنيف الفولاذ التجاري تحت أربعة أنواع رئيسية بناءً على مكونات السبيكة المعدنية:
الفولاذ الكربوني
يمثل هذا النوع حوالي 90% من الإنتاج العالمي للفولاذ، حيث تقل نسبة المنغنيز فيه عن 1.65%، ونسبة السيليكون 0.6%، ونسبة النحاس 0.6%، ويتوجب ألا تتجاوز مجموع العناصر المضافة 2%.
الفولاذ منخفض الكربون
تتراوح نسبة الكربون فيه بين 0.05-0.19%.
الفولاذ متوسط الكربون
تكون نسبة الكربون فيه بين 0.2-0.49%.
فولاذ مرتفع الكربون
يتميز بنسبة كربون لا تقل عن 0.5%.
الفولاذ السبائكي
يشمل أنواعًا من المعادن مثل: المنغنيز، النيكل، السيليكون والكروم.
الفولاذ منخفض السبائكية
يمثل نسبة كربون تقل عن 0.05%.
الفولاذ المقاوم للصدأ
يمتاز بنسبة 10% من الكروم.
فولاذ العُدَد
هو فولاذ يُخلط مع عدد من المعادن الصلبة.
