الفولاذ وأنواعه يُشير إلى أحد أنواع الصلب المعروف بمقاومته للصدأ بشكل أفضل من الصلب الكربوني العادي، إذ يُظهر الفولاذ ميزات خاصة تجعله أقل عرضة للصدأ في ظروف محددة.
تُعزى قدرة الفولاذ على مقاومة الصدأ إلى مستوى الكروم فيه، لذا من الضروري اختيار النوع المناسب من الفولاذ بناءً على طبيعة الاستخدام المعني.
تعريف الفولاذ
الفولاذ (Steel) هو سبيكة تتكون أساسًا من الحديد، حيث يحتوي على نسبة أقل من 2% من الكربون و1% من المنغنيز. كما يحتوي على نسبة الكروم تتراوح من 5% إلى 30%، ونحو 8.5% من النيكل والمولبيدنيوم، بالإضافة إلى كميات ضئيلة من:
- السيليكون.
- الفوسفور.
- الكبريت.
- الأكسجين.
يُعرف الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless Steel) بأنه يحارب الصدأ والتآكل بفضل وجود طبقة رقيقة غير مرئية من أكسيد الكروم، التي تُغلف السطح المعدني وتمنحه هذه الخصائص. كلما زادت نسبة الكروم، زادت فعالية هذه الطبقة الوقائية.
أنواع الفولاذ
أولاً: الفولاذ الكربوني
يتقسم الفولاذ الكربوني إلى ثلاثة أصناف:
- فولاذ يحتوي على أقل من 0.3% كربون.
- فولاذ يحتوي على نسبة متوسطة من 0.3% إلى 0.6% كربون.
- فولاذ يحتوي على أكثر من 0.6% كربون.
الفولاذ السبائكي (Alloy Steel) يحتوي على مجموعة من العناصر مثل:
- المنجنيز.
- السيليكون.
- النيكل.
- التيتانيوم.
- النحاس.
- الكروم.
- الألمنيوم.
تلعب هذه العناصر دورًا هامًا في تعزيز الخصائص الفيزيائية للفولاذ.
أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ
يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على نسبة من 10% إلى 20% من الكروم، مما يمنحه قدرة عالية على مقاومة الصدأ.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الفولاذ المقاوم للصدأ:
- الفولاذ الأوستينيتي: يحتوي على 18% من الكروم، و8% من النيكل، وأقل من 0.8% من الكربون.
- الفولاذ الفيريتيني: يحتوي على 12% إلى 17% من الكروم، وأقل من 0.1% من الكربون، ونسبة قليلة من النيكل.
- الفولاذ المارتينسيتيني: يحتوي على 11% إلى 17% من الكروم، وأقل من 0.4% من النيكل، و1.2% من الكربون.
كما يشمل فولاذ المعدات كمية من التنجستين والموليبدينوم والكوبالت والفاناديوم بكميات مختلفة لتعزيز مقاومته للحرارة.
المعادن الشائعة في الفولاذ
تشمل المعادن التي توجد بكثرة في الفولاذ:
- الكربون: يُستخدم كعنصر تقوية ويساهم في تحسين خصائص المرونة.
- المنغنيز: يُعزز القوة والصلابة.
- الفوسفور والنحاس: يزيدان القوة ومقاومة الصدأ.
- الكبريت: تؤدي النسب العالية منه إلى تقليل المرونة والصلابة.
- السيليكون: يُعد مؤكسدًا قويًا يؤثر على خصائص الفولاذ.
كما يحتوي الفولاذ على نسب ضئيلة من الألمنيوم والأكسجين والنيتروجين، مع إضافات متعمدة من:
- النيكل.
- الكروم.
- التيتانيوم.
- البورون.
- الموليبدينوم.
- النيوبيوم.
عملية تصنيع الفولاذ
- بعد استخراج الحديد الخام، نجد أنه يحتوي على نسب مرتفعة من الكربون، ما يؤدي إلى صعوبة الحصول على النتيجة المرغوبة.
- يتم صهر الحديد الخام ومعالجته لتقليل نسبة الكربون، مع إضافة عناصر مختلفة بنسب متفاوتة، ثم يصب الفولاذ على هيئة سبائك.
- يُصنع الفولاذ الحديث من حديد الزهر، حيث يُنتج 40% من الفولاذ الحديث باستخدام عملية الفرن الأكسجيني القاعدي.
- حيث يُنتج ربع كمية الفولاذ المتاحة في العالم من خلال عملية القوس الكهربائي.
- تُستبدل الطرق التقليدية باستخدام طريقة الفرن الأكسجيني القاعدي والقوس الكهربائي في الدول الصناعية المتقدمة.
حقائق عن الفولاذ
ومن الحقائق المثيرة للاهتمام عن الفولاذ:
- يبلغ متوسط عمر الفولاذ حوالي أربعين عامًا.
- يحتوي الفولاذ الحديث حاليًا على حوالي 37% من الفولاذ المعاد تدويره.
- في عام 2017، بلغت كمية الفولاذ المستخدمة على مستوى العالم نحو 1.587 مليون طن.
استخدامات الفولاذ قد توسعت لتشمل:
- 51% في البناء والبنية التحتية.
- 12% في صناعة السيارات ووسائل النقل.
- 11% في قطاع المعادن.
- 15% في صناعة المعدات والأجهزة الميكانيكية.
يُعتبر الفولاذ من المواد الأساسية في العديد من الصناعات، حيث يتم استخدامه في تصنيع المعدات الطبية، وذلك بفضل سهولة تنظيفه، وتعقيمه، ومقاومته للتآكل.
أهم استخدامات الفولاذ
استخدامات الفولاذ منخفض الكربون
يُستخدم الفولاذ الكربوني على نطاق واسع في:
- إنشاء هياكل ومكونات السيارات.
- تطبيقات البناء.
- صناعة سكك الحديد.
- بناء أنابيب الغاز والنفط والسفن.
- صناعة المعدات البحرية.
- إنشاء خزانات التخزين.
- تصنيع المسامير والبراغي.
- في محركات الطائرات.
- توربينات الغاز.
- أدوات المطبخ.
- توليد الطاقة الكهربائية.
الفولاذ وخصائصه الكيميائية
يوجد أكثر من 3,500 نوع من الفولاذ، وفقًا لما ذكرته رابطة صناعة الفولاذ العالمية، كما أن لديه خصائص بيئية وخصائص فيزيائية وكيميائية مميزة. تعتمد درجة هذه الخصائص على كميات الكربون والشوائب الموجودة.
تندرج أنواع الفولاذ التجاري تحت أربعة تصنيفات رئيسية بناءً على محتوى السبيكة المعدنية:
الفولاذ الكربوني
يمثل هذا النوع حوالي 90% من إنتاج الفولاذ العالمي، حيث تقل نسبة المنغنيز عن 1.65%، ونسبة السيليكون 0.6%، ونسبة النحاس 0.6%، ولا ينبغي أن تزيد نسبة العناصر المضافة عن 2%.
الفولاذ منخفض الكربون
تتراوح نسبة الكربون فيه بين 0.05% و0.19%.
الفولاذ متوسط الكربون
تتراوح نسبة الكربون في هذا النوع بين 0.2% و0.49%.
فولاذ مرتفع الكربون
يمثل نسبة الكربون فيه 0.5% أو أكثر.
الفولاذ السبائكي
يتضمن مجموعة من المعادن مثل المنغنيز، والنيكل، والسيليكون، والكروم.
الفولاذ منخفض السبائكية
يمثل نسبة تقل عن 0.05% من الكربون.
الفولاذ المقاوم للصدأ
يحتوي على نسبة 10% من الكروم.
فولاذ الأدوات
هو فولاذ يتم خلطه مع مجموعة من المعادن الصلبة لتكوين أدوات التحميل.
