الفولاذ
يعد الفولاذ (بالإنجليزية: Steel) سبيكة تتكوّن من عنصري الحديد والكربون بشكل رئيسي، وتتراوح نسبة الكربون فيها بين (0.002-2.1)% من وزنها،وهي تضم كذلك نسبة 1% من المنغنيز، وكميات أخرى من عناصر أخرى، ويمكن أن تفوق قوة الفولاذ قوة الحديد بتحو ألف مرة، ويعد الحديد وهو العنصر الرئيسي في تصنيع الفولاذ رابع أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية بعد كل من الأكسجين، والسيليكون، والألمنيوم .
يعد الفولاذ المادة الأكثر شيوعاً لبناء البنية التحتية، وفي الصناعات حول العالم؛ فهو يستخدم لتصنيع جميع المواد بدءاً من الإبرة إلى ناقلات البترول ، وقد بلغ إنتاج العالم منه في عام 2013م نحو 1.6 بليون طن، بينما بلغ مقدار إنتاج معدن الألمنيوم وهو ثاني المعادن الهندسية أهمية بعده بنحو 47 مليون طن؛ مما يدل على أهميته.
يعود السبب في رواج استخدام الفولاذ إلى التكلفة المنخفضة نسبياً لتصنيعه، وتشكيله، ومعالجته، وخصائصه الميكانيكية التي يتميز بها، ووفرة مواده الخام، ويعود تاريخ أقدم قطعة فولاذية إلى عام 2000ق.م، وقد تم استخراجها من إحدى المواقع الأثرية في الأناضول .
معلومات عن الفولاذ
الأنواع
هناك أكثر من 3,500 صنفاً من الفولاذ وفقاً للاتحاد العالمي للصلب (World Steel Association )، تشمل خصائص بيئية، وكيميائية، وفيزيائية مميزة وفريدة؛ حيث تؤثر كمية الكربون، ومستوى الشوائب، والعناصر المضافة إلى السبيكة على الخصائص لكل صنف من هذه الأصناف، ويتم تصنيف الفولاذ التجاري إلى أربعة أنواع رئيسة وفقاً لمحتوى السبيكة المعدني واستخداماتها كما يلي:
- الفولاذ الكربوني (بالإنجليزية: Carbon Steels): يشكل هذا النوع من الفولاذ نسبة 90% من الإنتاج العالمي للفولاذ، وتقل فيه نسبة المنغنيز عن 1.65%، ونسبة السليكون عن 0.6%، ونسبة النحاس عن 0.6%، بحيث لا يزيد مجموع هذه العناصر المضافة عن 2%، ومن أنواعه ما يلي:
- الفولاذ منخفض الكربون (بالإنجليزية: low Carbon Steel) : يشكّل الكربون فيه نسبة تتراوح بين 0.05-0.19%.
- الفولاذ متوسط الكربون (بالإنجليزية: medium Carbon Steel): الذي يشكّل الكربون فيه نسبة تتراوح بين 0.2-0.49%.
- الفولاذ مرتفع الكربون (بالإنجليزية: high Carbon Steel): الذي تشكّل نسبة الكربون فيه أكثر من 0.5%.
- الفولاذ السبائكي (بالإنجليزية: Alloy steel): وهو الذي يضم بعض المعادن مثل: المنغنيز، والسيليكون، والنيكل، والكروم،ومن أنواعه الفولاذ منخفض السبائكية عالي المقاومة (بالإنجليزية: High-Strength Low-Alloy (HSLA) Steel) الذي يضم نسبة تقل عن 0.05% من الكربون، وكميات صغيرة من أحد أو مجموعة من العناصر الآتية: الكروم، والنيكل، والموليبدنوم، والفاناديوم، والتيتانيوم، والنيوبيوم، ويستخدم في صناعة أنابيب النفظ، والغاز، والمنشآت البحرية، والسفن ، وصهاريج التخزين.
- الفولاذ المقاوم للصدأ أو الستانليس ستيل (بالإنجليزية: Stainless Steel): وهو يضم نسبة 10% من الكروم.
- فولاذ العُدَد (بالإنجليزية: Tool Steels): وهو الفولاذ الذي يتم دمجه مع معادن صلبة مثل: التنغستن، والموليبدنوم على درجات حرارة مرتفعة،وهو يُنتج بكميات صغيرة، ويضم معادن غالية الثمن.
يتم إنتاج الأنواع المختلفة من الفولاذ حسب الخصائص المطلوبة للتطبيقات المختلفة، وهناك أنظمة تصنيف مختلفة؛ للتمييز بين الفولاذ بناءً على هذه الخصائص، والتي تشمل: الكثافة، والمرونة، ودرجة الانصهار ، والتوصيل الحراري، والقوة، والصلابة، ولتحقيق الاختلاف في هذه الخضائص يغيّر المصنّعون عادة نوع وكمية المعادن المستخدمة في السبيكة، بالإضافة إلى العملية الإنتاجية.
المعادن الأكثر شيوعاً فيه
من المعادن الأكثر شيوعاً في الفولاذ ما يلي:
- الكربون: وهو يستخدم كعنصر للتقوية، ويتم الحفاظ عليه في مستويات تتناسب مع قابلية السبيكة للّحام، والمرونة.
- المنغنيز: وهو يساهم في الصلابة والمتانة.
- الفسفور، والنحاس: يزيد كل منها من القوة، والمقاومة ضد التآكل بسبب الغلاف الجوي .
- الكبريت: تسبب المستويات المرتفعة منه نقصان المرونة أو المطاوعة، والصلابة، وقابلية اللّحام.
- السيليكون: وهو يعد من المؤكسدات القوية، والتي تستخدم في صناعة الفولاذ، وتساهم في المتانة والصلابة.
- يضم الفولاذ كذلك كميات ضيلة من الألمنيوم، والأكسجين، والنيتروجين ، وكميات من عناصر أخرى مضافة إليه بشكل متعمد مثل: النيكل، والكروم، والتيتانيوم، والبورون، والموليبدنوم، والنيوبيوم؛ للتأثير على الخصائص المختلفة له مثل: الصلابة، والمرونة، والمتانة.
عملية التصنيع
يحتوي الحديد الخام بعد استخراجه على الكثير من الكربون، الأمر الذي يعيق الحصول على الخصائص المطلوبة منه، لذلك تتم إعادة صهر كريات الحديد الخام، ومعالجتها لتقليل كمية الكربون، كما تضاف كميات من عناصر إضافية، ليتم بعدها صب الفولاذ، أو صنعه على شكل سبائك.
يتم صنع الفولاذ الحديث حالياً من حديد الزهر أو حديد الغفل (بالإنجليزية: pig iron)، ويتم إنتاج نحو 40% منه باستخدام عملية الفرن الأكسجيني القاعدي (بالإنجليزية: basic oxygen furnace (BOF) process)،كما يتم إنتاج نحو ربع الفولاذ في العالم عن طريق عملية القوس الكهربائي (بالإنجليزية: electric-arc method)، ويتم إنتاج نحو سدس الفولاذ عالمياً بطريقة فرن المجمرة المكشوفة (بالإنجليزية: Open-hearth) على الرغم من استبدالها بطريقتي الفرن الأكسجيني القاعدي، وعملية القوس الكهربائي من قبل الدول الصناعية المتطورة.
حقائق عامة عن الفولاذ
من الحقائق العامة عن الفولاذ ما يلي:
- يبلغ متوسط عمر الفولاذ نحو أربعين سنة تقريباً.
- يحتوي الفولاذ المنتج حديثاً في المتوسط على نحو 37% من الفولاذ المعاد تدويره،
- وصلت كمية الفولاذ التي تم استخدامها في العالم عام 2017م نحو 1,587 مليون طن، وتوزعت استخداماته بشكل رئيسي على النحو الآتي: 51% في المباني والبنى التحتية، و12% في السيارات ووسائل النقل، و11% في صناعة المعادن ، و15% في صناعة المعدات الميكانيكية، وغيرها من الصناعات.
- يعد الستانليس ستيل مثالياً للاستخدام في المعدات الطبية؛ بسبب خموله، وسهولة تنظيفه، وتعقيمه، ومقاومته للتآكل، والخدش.
