آهن با فولاد و چدن چه تفاوتی دارد ؟
برای همه مردم در وهله اول شاید تفاوت چندانی بین آهن، فولاد و چدن نباشد و همه را در یک سطح و گروه بدانند اما آن چیزی که در حقیقت وجود دارد تفاوت قابل توجه این سه دسته است.این محصول، سطح صاف و نقره ای رنگی دارد که به سمت خاکستری می رود و وقتی با اکسیژن هوا ترکیب می شود رنگ متفاوتی پیدا می کند و به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید. این تغییر رنگ را اکسید یا زنگ زدگی می گویند. آهن ، چدن و فولاد همگی پایه و اساس آن ها از سنگ آهن است. زمانی که سنگ آهن را به داخل کوره ها می برند و آن را نرم می کنند به آهن خام دست پیدا می کنند که از این ماده، آهن معمولی، چدن و فولاد می توان تولید کرد. عنصرهای اصلی سنگ آهن شامل سولفور، کربنات، اکسید و هیدروکسید است که به همراه دیگر آلیاژهای موجود در سنگ آهن با یکدیگر ترکیب می شوند. مصارف و کاربردی که از سنگ آهن می شود بیشترین میزان فلزات در تمام دنیا است. حدود 95 درصد از فلزات آهنی از سنگ آهن گرفته می شود. این که در این مطلب از سنگ آهن می گوییم به این دلیل است که فولاد، چدن و آهن نیز از این ماده گرفته می شود. قیمت پایین و مقاومت بالا و همچنین قابلیت تغییر و استفاده زیاد از این محصولات باعث شده است که حجم تولید و کاربرد از این سه مورد یعنی آهن و چدن و فولاد افزایش یابد و از وسایل ریزی چون پیچ و مهره تا ورق و نبشی و... را از آنان بسازند. در این مقاله می توانیم به تفاوت های عمده ای که این محصولات باهم دارند و نیز با نحوه تولید آن ها بیشتر آشنا شوید.
تعریف سنگ آهن
برای تولید، سنگ آهن را در کوره های گداز حرارت داده و محصول خام می سازند. سپس از محصول خام انواع مختلف آهن و آلیاژهای آن را تولید می کنند. سنگ آهن مخلوطی از اکسیدهای این عنصر، نمک های معدنی، سنگ آهک، سیلیس، آلومین و … است. از چهار نوع سنگ می توان در کوره آهن گدازی استفاده کرد.
اکسیدها: سنگ آهن مغناطیسی با مگنتیت که ۶۸ درصد وزنش آهن دارد و سنگ آهن سرخ یا هماتیت که ۶۰ درصد وزنش این عنصر را دارد.
هیدروکسید : سنگ آهنی لیمویی تا قهوه ای که ۵۰ درصد وزنش این عنصر دارد.
کربنات
سولفور
سنگ آهن را پس از استخراج از معدن در سنگ شکن خرد کرده و با انجام عملیات خاص آن را برای ورود به کوره آماده می کنند.
آهن گدازی و تولید محصول خام
سنگ آهن را در کوره با حرارت بالا ذوب می کنند. ماده مذاب حاصل شامل فلز آهن و ناخالصی های سنگ آهن است ولی چون وزن مخصوص این ناخالصی ها با فلز مذاب متفاوت است، بنابراین ناخالصی ها از آهن مذاب جدا شده و روی سطح آن شناور می شوند. از این رو آن ها را سرباره یا تفاله کوره آهن گدازی می نامند. سرباره را توسط شیر تخلیه فوقانی و آهن مذاب را توسط شیر تخلیه تحتانی از کوره خارج می کنند.
فلز به دست آمده را آهن خام می نامند. هنگام تخلیه آهن خام مقداری ناخالصی هم همراه آن تخلیه می شوند به طوری که آهن خام ۱۰-۵ درصد ناخالصی هایی نظیر گوگرد ، سیلیس، فسفر، منگنز و کربن دارد. آهن خام بدون حالت خمیری از جامد به مایع تبدیل می شود. بنابراین قابلیت چکش خواری ندارد و قابل نورد شدن هم نیست. برای اینکه سنگ آهن در درجه حرارت پایین تر ذوب شود، به آن گدازآور می افزایند.
مواد گدازآور باید به گونه ای انتخاب شوند که با آهن ترکیب نشده و واکنش ندهند. چون سنگ آهن دارای ناخالصی های سیلیسی، آهکی یا رسی است، بنابراین جسم گدازآور باید طوری انتخاب شود که تفاله آهن گدازی ، سیلیکات کلسیم شود تا در ساخت مصالح مختلف به کار رود. اگر ناخالصی سنگ آهن، آهکی باشد، باید گدازآور سیلیسی یا رسی استفاده شود و اگر ناخالصی آن سیلیس باشد، باید گدازآور آهکی مصرف شود.
اگر کوره آهن گدازی ، مبدل آهن به چدن یا آهن به فولاد داشته باشد، آهن خام مذاب را مستقیما به مبدل می فرستند. در غیر این صورت آن را به شکل قرص، سرد می کنند. سرعت سرد شدن و میزان ناخالصی ها در آهن خام، در جنس آن موثر است. جنس سرباره کوره آهن گدازی سیلیکات کلسیم و سیلیکات آلومینیوم است و از آن در ساخت مصالح ساختمانی مختلف استفاده می کنند. از جمله کاربردهای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
مصارف سرباره کوره آهن گدازی
نقاله آبکی را به شکل سنگ پله و جدول در می آورند یا از آن برای سنگ فرش راه های با شیب زیاد استفاده می کنند.
خرد شده آن را به عنوان سبک دانه در ساخت بتن سبک مصرف می کنند.
در صورتی که روی سرباره خرد شده با فشار، آب پاشیده شود، به شکل ماسه در می آید که آن را در روکاری آسفالتی و رومالی آسفالتی به کار می برند.
از گرد سرباره در تولید سیمان (سیمان سرباره) استفاده می کنند.
سرباره را به شکل تار و الیاف در می آورند و از آن در ساخت عایق حرارتی و صوتی استفاده می کنند.
کوره آهن گدازی
کوره آهن گدازی کوره بلند نامیده می شود. این کوره استوانه بزرگی از جنس فولاد است که داخل آن با آجر نسوز آستر شده است. کوره بلند دارای تنوره، آتش خانه و بوته (ظرف مخصوصی که مواد مذاب داخل آن می ریزند) است. تنوره در بالا، آتش خانه در وسط و بوته در پایین کوره قرار دارد. مواد اولیه یعنی سنگ آهن و گدازآور از بالای کوره به داخل آن ریخته می شوند. این مواد در حین حرکت به سمت پایین کوره رفته رفته داغ شده و به حالت مذاب در می آیند و در نهایت به درون بوته می ریزند. آهن خام هر ۶-۴ ساعت و سرباره پیوسته با شیر تخلیه از بوته خارج می شوند.
سوخت کوره بلند در قدیم زغال چوب بوده ولی امروزه از کک و یا آنتراسیت به عنوان سوخت کوره استفاده می کنند. هوای گرم از طریق مجراهایی که در بالای بوته تعبیه شده به داخل کوره دمیده می شود. در دمای ۱۷۰۰-۱۶۰۰ درجه سانتی گراد کک به کمک اکسیژن موجود در هوا می سوزد.
C + O2 = CO2
CO2 + C = 2CO
مونوکسید کربن حاصل براساس واکنش های زیر، آهن را از سنگ آهن جدا می کند.
در قسمت بالای کوره درپوشی وجود دارد که از خارج شدن گازهای تولید شده در کوره جلوگیری می کند. از این گازها به عنوان منبع حرارت در قسمت های مختلف کارخانه استفاده می شود.
کوره بلند آهن گدازی هرگز خاموش نمی شود چون راه اندازی دوباره آن زمان بر و پر هزینه است. این کوره معمولا ۱۰ سال بدون توقف کار می کند و روزانه حداکثر ۵۰۰۰ تن آهن خام تولید می کند. در مناطقی که برق ارزان است، حرارت کوره آهن گدازی را با برق تامین می کنند و از کک فقط برای گرفتن اکسیژن از سنگ آهن استفاده می کنند. این کوره را کوره آهن گدازی برقی (کوره الکتریکی) می نامند.
همچنین در سال ۱۳۴۰ در روشی نو، اکسیژن سنگ آهن در کوره تنوره ای یا کوره گردنده خفته در حرارت ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد با گاز کربن یا گاز هیدروژن چاه نفت گرفته شد. آهن خامی که بدین طریق به دست آمد، حالت اسفنجی داشت و به همین دلیل آن را آهن خام اسفنجی نامیدند. آهن خام اسفنجی ۹۵-۹۳ درصد آهن دارد. هزینه تولید آهن خام بدین طریق از کوره آهن گدازی بلند کمتر است.
انواع آهن خام
انواع مختلف آهن خام به ساختارهای کریستالی آن بستگی دارد.
آهن خام سفید: هرگاه آهن خام مذاب را زود سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در نمی آید. بنابراین رنگ آن روشن (سفید نقره ای) می شود که به آن آهن خام سفید می گویند و در فولادسازی به کار می رود. مقدار سیلیسیم در آهن خام سفید کم است و جنس آن سخت و ترد است. سطح شکسته آن دارای دانه های ریز و روشن می باشد.
آهن خام خاکستری: هرگاه آهن خام مذاب را به آهستگی سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در می آید. بنابراین رنگ آن تیره می شود که به آن آهن خام خاکستری می گویند و در چدن سازی مصرف می شود. مقدار سیلیسیم در آهن خام خاکستری زیاد است ، ترد نیست و از آهن خام سفید نرم تر است. سطح شکسته آن دارای دانه های درشت و خاکستری می باشد.
آهن خام نیمه خاکستری: جنس این آهن خام مابین آهن خام سفید و خاکستری است و در ساختن فولاد و چدن سخت به کار می رود.
تفاوت آهن معمولی و آهن خالص
تفاوت انواع مختلف آهن در میزان کربن آن هاست. میزان کربن در آهن، چدن و فولاد نیز نشانه جنس آن هاست. چون میزان کربن در آهن خام زیاد است بنابراین ترد بوده و قابلیت چکش خواری و نورد شدن ندارد زیرا در اثر ضربه خرد می شود. کربن همچنین دمای ذوب فلزات را نیز کاهش می دهد. بر همین مبنا با کاهش میزان کربن در آهن خام، دو نوع آهن به شرح زیر تولید می کنند:
آهن معمولی (آهن) : این آهن حدود ۲ درصد کربن دارد و از طریق کربونیزاسیون آهن خام به همراه مقداری آهن قراضه در کوره به دست می آید. دمای ذوب آن پایین و حدود ۱۱۳۰ درجه سانتی گراد است. آهن در هوای نمناک زنگ می زند بنابراین نیاز به ضد زنگ و پوشش های محافظ دارد. این فلز مصارف متعددی در صنایع مختلف، ساخت ماشین آلات صنعتی و نیز ساختمان سازی دارد.
آهن خالص (آهن نرم – آهن ورزیده): این آهن فقط ۰٫۰۲ درصد کربن دارد و به دلیل مخلوط شدن مقداری سرباره با آن، حالت فیبری دارد. دمای ذوب آن بالا و حدود ۱۵۴۰ درجه سانتی گراد است به همین علت جوشکاری با آن امکان پذیر نیست. آهن خالص انعطاف پذیر است و مقاومت کششی بالایی دارد، مقاومت آن در برابر خوردگی نیز زیاد است. آهن خالص مصرف ساختمانی ندارد بلکه از آن در ساخت چدن و فولاد استفاده می کنند.
چدن چیست ؟
چدن آلیاژی از آهن، کربن و سیلیسیم است که از آهن خام خاکستری ساخته می شود. برای ساخت چدن، آهن خام را همراه با مقداری آهن قراضه در کوره های مخصوص ذوب می کنند تا مقداری از کربن آن بسوزد و ناخالصی هایی نظیر گوگرد و فسفر که خصوصیات آن را تا حد زیادی تحت تاثیر قرار می دهند، به صورت سرباره خارج گردند. فلز مذاب باقی مانده که حاوی مقداری منگنز نیز هست، چدن نام دارد. منگنز چدن را سخت می کند و سیلیسیم هم سبب می شود که کربن چدن به صورت گرافیت در آید. میزان کربن در چدن ۳٫۵-۲ درصد وزن آن است.
جنس چدن بستگی به سرعت سرد شدن و نیز جنس آهن خامی دارد که در ساخت آن مصرف می شود. قیمت نسبتا پایین و نیز ویژگی های چدن سبب استفاده از آن در صنایع مختلف شده است. در صنعت ساختمان از چدن برای ساخت لوله های آب و فاضلاب ، نرده، کف پوش، یراق آلات و … استفاده می کنند.
کوره های تولید چدن
هنگام تولید چدن از آهن خام، چون مقداری از کربن آهن خام می سوزد و مقداری از ناخالصی های آن نیز به صورت سرباره خارج می شود، بنابراین وزن چدن حاصل از آهن خام مصرفی اندکی کمتر است. برای تولید چدن از سه نوع کوره به شرح زیر استفاده می کنند.
کوره شعله ای: این کوره از ظرف بزرگ سر پوشیده ای تشکیل شده است که آهن خام را در آن ریخته و شعله را روی آن قرار می دهند تا کربن و دیگر عناصر آهن خام بسوزد و چدن با ۱۰-۶ درصد کاهش وزن تولید شود. در این کوره گدازآور مصرف نمی شود و مصرف سوخت آن زیاد است.
کوره کوپل: شکل این کوره و روند کار آن مشابه کوره بلند آهن گدازی است با این تفاوت که مقداری از آن کوچک تر است. در کوره کوپل آهن خام با ۶-۳ درصد کاهش وزن به چدن تبدیل می شود.
کوره برقی: حرارت این کوره از انرژی برق تامین می شود و مزیتش نسبت به دو کوره قبل این است که می توان دمای آن را بالا برد و ثابت نگه داشت. از کوره برقی برای تولید چدن های ویژه و با مقاومت زیاد استفاده می کنند.
بررسی خواص چدن
چدن نیز مانند آهن خام، بدون حالت خمیری از جامد به مایع تبدیل می شود. بنابراین قابلیت چکش خواری خوبی ندارد. چدن سخت و شکننده است، مقاومت آن در برابر آتش بیشتر از فولاد بوده و دیر زنگ می زند. هریک متر چدن به ازای هر یک درجه افزایش دما، ۰٫۰۱ میلی متر افزایش طول خواهد داشت.
معرفی انواع چدن
انواع مختلف چدن نیز مانند انواع آهن خام هستند و وجه اشتراک آن ها این است که همگی در برابر فشار مقاومند.
چدن سفید: اگر چدن مذاب را زود سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در نمی آید. همچنین مقدار کم سیلیسیم در چدن سفید نیز موجب می شود که کربن کمی در آن به شکل گرافیت در آید. سطح شکسته چدن سفید دارای دانه های ریز بوده و جنس آن نیز سخت است به طوری که قابل سوهان کشیدن نیست. از این چدن وسایل کوچک می سازند.
چدن خاکستری: هرگاه چدن مذاب را به آهستگی سرد کنند و نیز مقداری سیلیسیم در آن زیاد باشد، کربن بیشتری در آن به شکل گرافیت در می آید و رنگ چدن را تیره می کند. چدن خاکستری از چدن سفید نرم تر است، شکننده بوده ، قابلیت چکش خواری دارد و سطح شکسته آن دارای دانه های درشت است. از این چدن برای ساخت لوله های چدنی، ناودانی ، پروفیل پنجره ، درپوش های چدنی کف خیابان ها، شبکه چدنی ، یراق آلات و …. استفاده می کنند.
چدن نیمه خاکستری: جنس آن بین چدن سفید و چدن خاکستری است.
چدن سخت: برای ساخت چدن سخت، چدن را گرم کرده سپس سطح خارجی آن را زود سرد می کنند و اجازه می دهند که داخل آن به آهستگی خنک شود. بدین ترتیب سطح آن چدن سفید و مغز آن چدن خاکستری است. این چدن دیر ساییده می شود و از آن لوله های زیر دال پل ها را می سازند.
چدن نرم: برای این که مقاومت چدن در برابر ضربه بالا رود و بتوان آن را چکش کاری کرد، تکه های چدن سفید و نیمه خاکستری را به همراه مقداری گرد سنگ اکسید آهن حرارت می دهند تا بخشی از کربن آن بسوزد ، تردی آن کم شده و نرم شود. از این چدن در ساخت وسایل کوچک نظیر یراق در و پنجره ، کلید و قفل، شیر آب و … استفاده می کنند.
چدن ریزی (شکل دادن به چدن)
برای ساختن اجسام چدنی که شکل ساده ای دارند چدن مذاب را در قالبی که از چدن سخت ساخته شده است، می ریزند. ولی برای ساختن اجسام چدنی که شکل ساده ندارند، از بستر ماسه ای استفاده می کنند. بدین ترتیب که ابتدا به ماسه مقداری بانتونیت (گل سر شو) می زنند تا چسبنده شود. سپس مدل چوبی مد نظر را در بستر ماسه قرار می دهند تا ماسه شکل مدل را به خود بگیرد. در نهایت مدل چوبی را بر می دارند و در قالب آماده شده به آرامی چدن مذاب می ریزند تا دیواره های قالب فرو نریزد. به این روش شکل دادن، ریخته گری می گویند که برای فلزات دیگر نیز به کار می رود.
چدن هنگام گرفتن کمی منبسط می شود ولی پس از آن منقبض شده و ۱-۰٫۵ درصد کاهش حجم می یابد. بنابراین مدل چوبی را از هر جهت ۱-۰٫۵ درصد بزرگ تر می سازند تا این کاهش حجم جبران شود. هرچه مقدار کربن چدن بیشتر باشد، هنگام گرفتن کمتر منقبض می شود.
لوله های چدنی را هم به روش ریخته گری و هم با استفاده از قالب چرخنده می سازند. بدین ترتیب که چدن مذاب هنگام چرخیدن قالب به بدنه آن پرتاب شده و به آن می چسبد و به شکل لوله در می آید. جنس این لوله ها از لوله های ریخته گری بهتر است.
تعریف فولاد و تفاوت آن با آهن
فولاد عنصر نیست بلکه معروف ترین آلیاژ است که بین ۱٫۵-۰٫۲ کربن دارد. فولاد پر مصرف فلز آهنی است. این فلز را از آهن خام سفید می سازند. بدین ترتیب که آهن خام سفید را همراه با مقداری آهن قراضه حرارت می دهند تا کربن آن بسوزد و برخی از ناخالصی های آن نیز به صورت سرباره خارج شود. در حال حاضر تقریبا ۵۰ درصد تولید کنونی فولاد در دنیا از آهن قراضه است. عناصر موجود در فولاد به شرح زیرند.
کربن: تغییر میزان کربن در فولاد باعث تغییر خواص فیزیکی آن می شود. کربن فولاد را ترد می کند، مقاومت کششی و سختی آن را افزایش داده و دمای ذوب آن را کاهش می دهد. هرچه میزان کربن در فولاد کمتر باشد، فولاد نرم تر شده و قابلیت چکش خواری بهتری خواهد داشت. ولی با فولادی که درصد کربن آن کم است نمی توان ابزار ساخت.
سیلیسیم: این عنصر نیز مقاومت کششی و سختی فولاد را افزایش می دهد ولی آن را ترد و تیره رنگ می کند و قابلیت چکش خواری آن را نیز کاهش می دهد. میزان سیلیسیم در فولاد نباید از ۰٫۳۵ درصد وزنش بیشتر باشد.
مگنز: مقاومت کششی و سختی فولاد را افزایش و چکش خواری آن را کاهش می دهد. میزان منگنز در فولاد ۱-۰٫۵ درصد وزن آن است. با فولاد منگنزی ، ساچمه های سخت فولادی می سازند.
کروم: حداقل ۱۲ درصد کروم در فولاد، مقاومت کششی آن را افزایش داده و مانع زنگ زدگی آن می شود. از فولاد کروم دار قاشق، چنگال، کارد و ظروف فولادی می سازند.
مس: برای جلوگیری از زنگ زدن فولادهایی که در مناطق مرطوب مورد استفاده قرار می گیرند ، به آن ها مس می زنند.
گوگرد و فسفر: این دو عنصر نیز همانند آنچه در مورد چدن گفته شد باید در فولاد به حداقل ممکن برسند.
در تولید فولاد دو هدف دنبال می شود:
۱ – سوزاندن مقداری کربن و نیز سوزاندن ناخالصی های آهن خام سفید یا خروج آن ها به صورت سرباره
۲ – افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده (عناصر مورد نیاز در فولاد) به آهن خام سفید
برای تولید فولاد از کوره ها و پاتیل های مختلفی استفاده می کنند که روش کار در هریک از آن ها متفاوت است. در ادامه هریک از کوره ها و پاتیل های فولادسازی و روش کار آن ها مختصرا شرح داده خواهد شد.
کوره شعله ای: این کوره همانند کوره شعله ای چدن سازی است. امروزه دیگر از این کوره برای فولادسازی استفاده نمی شود.
پاتیل بسمر: آستر این پاتیل از آجر نسوز اسیدی است که با سیلیس و خاک رس ساخته شده است. زیرا در این پاتیل فولاد اسیدی تولید می شود. در پاتیل بسمر، اکسیژن با فشار به روی آهن خام مذاب دمیده می شود و ناخالصی های آن را اکسید می کند. در پاتیل بسمر از آهک استفاده نمی کنند زیرا با سیلیس موجود در آستر، تولید سیلیکات کلسیم می کند و باعث خوردگی آن می شود.
پاتیل توماس: آستر این پاتیل از آجر نسوز قلیایی است که با دولومیت ساخته شده است. زیرا در این پاتیل فولاد قلیایی می سازند. در پاتیل توماس برای گرفتن ناخالصی فسفر به آهن خام مذاب آهک می زنند تا سرباره فسفات کلسیم تشکیل شود.
کوره زیمنس مارتن: در این کوره با دمیدن هوای داغ، کربن آهن خام مذاب را می سوزانند. جنس فولاد تولید شده در این کوره ممتاز بوده و ناخالصی آن کم است زیرا در برابر حرارت به عمل می آید.
کوره الکتریکی: در این کوره حرارت ناشی از ایجاد قوس بین الکترودهای گرافیتی و آهن خام مذاب درون کوره، سبب ذوب و اکسید شدن ناخالصی ها می شود. این کوره نیاز به ماده سوختی و اکسیژن ندارد و فولاد حاصل از آن نیز از کیفیت بالایی برخوردار است. از این کوره برای تصفیه فولاد به دست آمده از کوره ها و پاتیل های دیگر و تبدیل آن به فولاد مرغوب نیز استفاده می کنند.
خواص فولاد
فولاد به علت قابلیت شکل پذیری و مقاومت زیاد، یکی از مهمترین مصالح ساختمانی به شمار می رود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژدهنده موجود در آن بستگی دارد.
انبساط حرارتی: با افزایش دما تا ۱۰۰ درجه، فولاد ۲ درصد منبسط می شود.
قابلیت شکل پذیری : فولاد را می توان به هر شکل دلخواهی در آورد. در مورد نحوه شکل دادن به فولاد در مباحث آتی صحبت خواهد شد.
قابلیت اتصال: با استفاده از اتصال خشک (پیچ و مهره یا تا کردن) و اتصال تر (جوشکاری) می توان قطعات مختلف فولادی را به یکدیگر متصل کرد.
اکسیداسیون: فولاد در برابر رطوبت و نمک ها به سرعت زنگ می زند (اکسید می شود) و یا پوسیده می گردد. همان گونه که قبلا ذکر شد، برای مقابله با زنگ زدگی فولاد می توان عناصری نظیر کرم، مس، وانادیم و نیکل را به آلیاژ آن اضافه کرد. این گونه فولادها هنگام استفاده باید طوری قرار داده شوند که آب باران ار روی آن ها بر مواد دیگر مخصوصا بتن و شیشه نچکد چون باعث ایجاد لکه روی آن ها می شود. همچنین برای جلوگیری از زنگ زدگی فولاد، می توان سطح آن را قلع اندود (حلبی)، روی اندود (آهن سفید) و یا با مواد آلی و پلاستیکی رنگ کرد.
مقاومت های مکانیکی: مقاومت کششی فولادهای مختلف متفاوت است. امروزه مقاطع مختلف فولاد را براساس مقاومت کششی آن ها به صورت ST33، ST37، ST45، ST50 و ST52 نامگذاری می کنند. مقاومت فشاری، برشی، خمشی، ضربه ای و نیز سختی فولادهای مختلف بر حسب آلیاژ آن ها متفاوت است. خواص مکانیکی فولاد را می توان با عملیات مختلف گرمایی و سپس سرد کردن تحت شرایط مختلف، تغییر داد. سرد کردن فولاد می تواند به صورت سریع در آب یا روغن (آب دیده کردن) و یا به آهستگی به وسیله دستگاه خنک کننده یا در هوا صورت گیرد. تاثیر هریک از این روش ها بر فولاد متفاوت خواهد بود.
دسته بندی انواع فولاد
کلی ترین دسته بندی برای فولاد بر حسب میزان کربن در آن است که بدین شرح است:
فولاد نرم: درصد کربن در این فولاد کم و حدود ۰٫۲ درصد است. این فولاد را نمی توان در ابزار سازی به کار برد بلکه از آن برای ساخت سیم، لوله، ورق فولادی و تیرهای فولادی مورد استفاده در سازه ساختمان ها استفاده می کنند.
فولاد متوسط: درصد کربن در این فولاد بین ۰٫۶-۰٫۲ درصد است. این فولاد در ساخت ریل، دیگ بخار و ماشین آلات به کار می رود.
فولاد سخت: درصد کربن در این فولاد زیاد و بین ۱٫۵-۰٫۶ درصد است. از این فولاد برای ساخت ابزارآلات، مته، فنر، کارد و چنگال و … استفاده می کنند.
همان طور که قبلا اشاره شد با افزودن برخی عناصر به فولاد، فولادهای ویژه ای جهت مصارف خاص تولید می کنند. من جمله فولاد ضد زنگ، فولاد مقاوم در برابر آب و هوا، فولاد مقاوم در برابر گرما و …
فولاد ریزی (شکل دادن به فولاد)
فولاد را به روش های مختلفی که در زیر شرح داده شده اند شکل می دهند.
ریخته گری: در این روش فولاد مذاب را در قالب های ویژه ای می ریزند تا به شکل دلخواه در آید. چون فولاد هنگام گرفتن، کمی منقبض می شود، قالب را از هر جهت ۲-۱٫۵ درصد بزرگ تر می سازند.
آهنگری: در این روش فولاد را حرارت داده تا به حالت خمیر در آید. سپس آن را زیر فشار پرس می کنند یا با ضربات چکش شکل می دهند. پرچ و گل میخ را با این روش می سازند.
نورد: در این روش فولاد را حرارت می دهند تا به حالت خمیر در آید. سپس آن را از میان غلتک های مخصوص عبور می دهند تا به شکل دلخواه در آید. نورد کردن روشی ارزان قیمت است که اکثر قطعات ساختمانی نظیر تیرها، ریل ها، ورق ها، میلگردها و حتی لوله ها را به این روش می سازند. نورد به دو صورت سرد و گرم انجام می گیرد. نورد سرد برای فولادهایی با مقطع نازک که حرارت خود را زود از دست می دهند، استفاده می شود. در روش نورد گرم نیز فولاد را ۱۲۵۰-۹۰۰ درجه سانتی گراد حرارت می دهند تا خمیری شود.
کشیدن: با کشیدن سرد یا کمی گرم می توان از میله های فولادی کلفت، میله های فولادی نازک و سیم فولادی تهیه کرد. مقاومت کششی و سختی میله یا سیم فولادی سرد کشیده شده از حالت گرم کشیده شده بیشتر است. برای تولید کابل های فولادی، یک دسته میله فولادی را دو هم می پیچند تا به صورت کلاف در آیند.
شکل دهی سرد: در این روش ورق های فولادی را توسط دستگاه مخصوص شکل می دهند. این روش از نورد گرم ارزانتر است و پروفیل های در و پنجره را با این روش می سازند.
در طراحی های سازه ای گاهی حتی بزرگ ترین تیرهای I شکل (INP ، IPE ، IPB) تولیدی نیز توان مقابله با نیروهای وارده را ندارند. از این رو طراحان مجبور می شوند که تیرهای نمره بالا را با ورق فولادی بسازند. برای این منظور ورق را به اندازه مورد نظر بریده و با جوش دادن اجزای مختلف، تیرهای مورد نیاز خود را می سازند. در نتیجه ورق از تولیدات مهم کارخانه های نورد می باشد. در ایران ورق با عرض ۱۲۰ و ۱۵۰ سانتی متر ، طول ۶۰۰ سانتی متر و ضخامت های ۴، ۵، ۶، ۸، ۱۰، ۱۲، ۱۵، ۲۰، ۲۵، ۳۰، ۳۵ و ۴۰ میلی متر تولید می شود و به تیرهایی که با ورق ساخته می شوند تیر ورق، نیمرخ های ورقی و یا ستون ورقی گفته می شود.
اگر سازه ساختمانی به شکل منحنی باشد و برای ساخت آن به تیرهای فولادی خمیده نیاز باشد، می توان در کارگاه های ویژه، تیرهای صاف را خم کرد. برای یک اندازه مشخص از سطح مقطع تیر، آن که سطح مقطعش لبه های ضخیم تر دارد، به شعاع های کوچک تری قابل خم شدن است.
محافظت از فولاد
جهت محافظت از قطعات فولادی مختلف به کار رفته در ساختمان ها، موارد زیر باید مد نظر قرار گیرند:
قطعات فولادی باید در مکانی تمیز و عاری از رطوبت نگهداری شوند تا از زنگ زدگی در آن ها جلوگیری به عمل آید. استفاده از قطعات زنگ زده و پوسیده مجاز نیست مگر اینکه به وسیله ماسه پاشی (سند بلاست) یا برس زنی کاملا تمیز گردند. در این حالت نیز چنانچه سطح مقطع تیرها ضعیف شده باشد، باید سطح مقطع ضعیف شده در محاسبات اعمال شود.
روکش کردن فلزات آهنی در ایجاد ظاهری زیبا و جلوگیری از خوردگی در آن ها بسیار موثر است. روش های روکش کردن فلزات آهنی عبارتند از: نقاشی کردن، لعاب کاری، روکش پلاستیکی، آب کاری، گالوانیزه کردن ( فرو بردن در فلز مذاب یا از طریق پاشیدن) و …
قطعات فولادی نباید در مجاورت گچ و آهک قرار گیرند. زیرا این مواد باعث خوردگی در فولاد و برخی دیگر از فلزات می شوند.
قطعات فولادی که داخل بتن قرار می گیرند به هیچ وجه نباید رنگ یا روغن زده شوند.
قطعات فولادی فقط بین ۱-۰٫۵ ساعت در برابر آتش مقاومت می کنند. از این رو جهت محافظت از آن ها در برابر آتش، از مواد عایق حرارتی مختلفی استفاده می کنند. برخی از این مواد عبارتند از: پوشش های تخته ای از جنس سیمان ، گچ و … (بسته به ضخامتشان از ۴-۱٫۵ ساع مقاومت) ، پوشش های پاشیدنی از جنس سیمان و فیبرهای معدنی (۴ ساعت مقاومت)، رنگ های پوشش دهنده اسفنجی (۲ ساعت مقاومت)، آجر و بتن (۲ ساعت مقاومت)