الحديد (Fe) - خصائصه وبنيته وأهميته في صناعة الصلب

الحديد (Fe، باللاتينية ferrum) يُعد العنصر الأساسي لمعظم المواد التي يشار إليها باسم الفولاذ والحديد الزهرلا تنبع أهميته الخاصة في علم المعادن من وفرته العالية وإمكانيات إنتاجه الصناعي فحسب، بل قبل كل شيء من قدرته على التواجد في أشكال تآصلية مختلفة وتكوين محاليل صلبة مع węglem والعديد من عناصر السبائك.
إن التغيرات الهيكلية التي تحدث في الحديد وسبائكه مع الكربون هي التي تشكل أساس معظم العمليات المعالجة الحرارية للصلبإن القدرة على تحويل الفريت إلى أوستنيت ثم الحصول على الفريت أو البيرلايت أو البينيت أو المارتنسيت عند التبريد تسمح بتشكيل الخصائص الميكانيكية للفولاذ على نطاق واسع للغاية.
على مدى عقود عديدة، بدءًا من نهاية القرن التاسع عشر، ارتبط تطور علم المعادن ارتباطًا وثيقًا بدراسة النظام الحديد والكربونويرجع ذلك إلى الأهمية العملية الهائلة لسبائك الحديد، التي أصبحت واحدة من مواد البناء الأساسية للحضارة الحديثة.

الحديد – Fe – البيانات الأساسية

تشير المراجع التقنية القديمة إلى قيم مختلفة قليلاً، مثل نقطة انصهار تبلغ 1535 درجة مئوية، ونقطة غليان تبلغ حوالي 3070 درجة مئوية، أو درجة حرارة كوري تبلغ 768 درجة مئوية. وتعود هذه الاختلافات، من بين أمور أخرى، إلى البيانات وطرق القياس المستخدمة تاريخياً. أما الجداول الفيزيائية والكيميائية الحديثة للحديد النقي فتفترض نقطة انصهار تبلغ حوالي 1538 درجة مئوية ، ونقطة غليان تبلغ حوالي 2862 درجة مئوية ، ودرجة حرارة كوري تبلغ حوالي 770 درجة مئوية.

نظائر الحديد

يتكون الحديد الطبيعي من أربعة نظائر مستقرة:

يُعدّ نظير الحديد ⁵⁶ الأكثر شيوعًا . ويُعطي المتوسط ​​المرجح لكتل ​​النظائر الموجودة في الطبيعة كتلة ذرية نسبية للحديد تبلغ حوالي 55,845 وحدة كتل ذرية.

وجود الحديد في الطبيعة

يُعدّ الحديد أحد أهم العناصر في بنية الأرض. ويتواجد بشكل أساسي في قشرة الأرض على هيئة مركبات كيميائية لأنه يتفاعل بسهولة نسبية مع العناصر الأخرى.
تشمل أهم المعادن الصناعية وخامات الحديد ما يلي:

• الهيماتيت الحديد₂O₃,
• المغنتيت Fe₃O₄,
• جوثيت FeO(OH)،
• السديريت FeCO₃.

يمكن أن يوجد الحديد أيضاً في الكبريتيدات والسيليكات والمعادن الأخرى.
الحديد الحر نادر جدًا في الطبيعة، بينما يكثر وجوده في صورة مركبات كيميائية. ومن الحالات الخاصة الحديد الموجود في النيازك الحديدية، حيث يمكنه تكوين سبائك مع النيكل.

الحديد النقي والحديد التقني

يُعدّ الحصول على حديد عالي النقاء أمراً صعباً من الناحية التقنية. وتنتج العمليات المعدنية الصناعية مادة تحتوي على كميات ضئيلة من عناصر أخرى.
قد يحتوي الحديد الصناعي، من بين أمور أخرى، على ما يلي:

• الكربون C,
• المنغنيز (Mn),
• السيليكون Si,
• الفوسفور P,
• الكبريت S,
• الأكسجين O,
• النيتروجين N,
• الهيدروجين H

حتى الكميات الصغيرة من هذه العناصر يمكن أن تؤثر على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والتكنولوجية للحديد وسبائكه.

أنواع الحديد التقنية

تشمل الأنواع التقنية للحديد، من بين أمور أخرى:

• الحديد الإلكتروليتي – تم الحصول عليها بالطرق الكهروكيميائية وتتميز بنقائها العالي،
• حديد الكربونيل – يتم الحصول عليها عن طريق تحلل خماسي كربونيل الحديد Fe(CO)₅، تتميز بنقائها العالي جداً،
• حديد عالي النقاء – يتم الحصول عليها من خلال طرق تكرير خاصة،
• حديد أرمكو – حديد نقي تقنياً يتم الحصول عليه بالطرق المعدنية.

ويمكن زيادة نقاء المادة بشكل أكبر باستخدام طرق خاصة، مثل صهر المنطقة في الفراغ.

تعدد الأشكال والتآصلات الحديدية

من أهم خصائص الحديد من وجهة نظر علم المعادن هي تعدد الأشكالأي القدرة على الظهور في هياكل بلورية مختلفة تبعاً لدرجة الحرارة.
بالنسبة للحديد النقي عند الضغط الجوي، يمكن تمييز ثلاثة نطاقات هيكلية أساسية:

يُعد التغير في البنية البلورية للحديد أحد الظواهر الأساسية التي تُمكّن من المعالجة الحرارية للفولاذ.

حديد ألفا – الفريت وشبكة BCC

يوجد الحديد النقي على شكل درجة حرارة أقل من 912 درجة مئوية تقريبًا. حديد ألفا حول شبكة منتظمة ذات مركز مكاني محدد – BCC (مكعب مركزي الجسم).
يُطلق على المحلول الصلب للكربون والعناصر الأخرى في حديد ألفا اسم الفريت.
يتميز الفريت بانخفاض ذوبانيته بشكل كبير فحمتبلغ أقصى قابلية ذوبان الكربون في الفريت حوالي 0,02% وزناً بالقرب من درجة حرارة اليوتكتويد، وتنخفض مع انخفاض درجة الحرارة.
الفريت معدن لين نسبيًا وقابل للطرق. في الفولاذ منخفض الكربون، يُعد الفريت أحد المكونات الأساسية لبنيته المجهرية، وله تأثير كبير على قابليته للطرق والتشكيل اللدن.

المغناطيسية الحديدية ودرجة حرارة كوري

حديد ألفا هو مغناطيسي حديدي أقل من درجة حرارة كوري التي تبلغ حوالي 770 درجة مئوية.
بعد تجاوز درجة حرارة كوري، يفقد الحديد ترتيبه المغناطيسي الحديدي ويصبح مغناطيسيًا مسايرًا، ولكن لا يوجد تغيير في الشبكة البلورية BCC.
في الأدبيات القديمة، كان يُشار أحيانًا إلى حديد ألفا البارامغناطيسي الذي يحدث بين درجة حرارة كوري ودرجة حرارة التحول α→γ باسم حديد بيتا.
مع ذلك، فهو ليس شكلاً مميزاً من أشكال الحديد. ويحمل الرمز β حالياً دلالة تاريخية في المقام الأول.

حديد غاما الأوستنيت وشبكة لجنة الاتصالات الفيدرالية

بعد تجاوز درجة الحرارة حوالي 912 درجة مئوية، يتحول التركيب المكعب المتمركز في الجسم للحديد النقي إلى تركيب مكعب متمركز في الوجه. FCC (مكعب مركزي الوجه)ثم ينشأ حديد غاما.
يُطلق على المحلول الصلب للكربون والعناصر الأخرى في حديد غاما اسم الأوستنيت.
يُعد الأوستنيت عنصراً أساسياً في المعالجة الحرارية للفولاذ لأنه قادر على إذابة كمية من الكربون تفوق بكثير ما يذيبه الفريت. ويعود ذلك إلى اختلاف هندسة الشبكة البلورية المكعبة ذات المراكز الوجهية.
في نظام Fe–Fe شبه المستقر₃جـ: تبلغ أقصى قابلية ذوبان الكربون في الأوستنيت تقريبًا 2,1% وزناً عند درجة حرارة تقارب 1147 درجة مئوية.
إن إمكانية إذابة الكربون في الأوستنيت ثم تحويل هذه المرحلة أثناء التبريد هي التي تجعل من الممكن إجراء ذلك. تقوية الفولاذ والحصول على هياكل ذات صلابة عالية جداً.

حديد دلتا – نوع من الحديد يتحمل درجات الحرارة العالية

عند درجة حرارة تبلغ حوالي 1394 درجة مئوية، يتحول حديد غاما ذو البنية المكعبة المتمركزة على الوجوه (FCC) إلى بنية مكعبة متمركزة على الجسم (BCC). ويُشار إلى الشكل ذي درجة الحرارة العالية باسم حديد دلتا.
يوجد الحديد دلتا من حوالي 1394 درجة مئوية إلى نقطة انصهار تبلغ حوالي 1538 درجة مئوية.
مثل حديد ألفا، له شبكة مكعبة مركزية الجسم، لكنه يحدث في نطاق درجة حرارة مختلف تمامًا.
يُعد الحديد δ ذا أهمية خاصة عند تحليل عمليات تصلب الفولاذ وتفسير الجزء ذي درجة الحرارة العالية من نظام الحديد والكربون.

الحديد ونظام الحديد والكربون Fe-C

النظام الحديد والكربون هو نظام التوازن الأساسي المستخدم في علم المعادن للصلب والحديد الزهر.
عملياً، يتم تحليل ما يلي بشكل أساسي:

• الأنظمة شبه المستقرة Fe–Fe₃C، حيث يوجد السمنتيت،
• نظام مستقر Fe–C، حيث قد يوجد الكربون في شكل جرافيت.

يشمل نظام الحديد والكربون، من بين أمور أخرى:

• الفريت – محلول صلب من الكربون في حديد ألفا،
• الأوستنيت – محلول صلب من الكربون في حديد غاما،
• حديد الأسمنتيت₃C – كربيد الحديد،
• البيرلايت – خليط من الفريت والسمنتيت ناتج عن التحول اليوتكتويدي،
• ليدبوريت – خليط يتكون أثناء التحول اليوتكتيكي،
• الجرافيت – شكل حر من الكربون يوجد في نظام Fe–C مستقر.

كما تم وصف معلومات مفصلة حول الفريت والأوستنيت والأسمنت والبيرلايت والليديبوريت والجرافيت في صفحة الكربون C – الكربونيوم ونظام الحديد والكربون.

لماذا يمكن للحديد أن يصنع الفولاذ؟

تنبع الأهمية الاستثنائية للحديد كمادة بناء من إمكانية تشكيل خصائصه على نطاق واسع للغاية من خلال محتوى الكربون، وإضافات السبائك، والمعالجة الحرارية.
من الناحية الفنية، يُعتبر الحديد النقي نفسه ليناً وقابلاً للطرق نسبياً. ومع ذلك، فإن إضافة الكربون تؤدي إلى تغييرات جوهرية في بنيته وخصائصه.
اعتمادًا على محتوى الكربون والتاريخ الحراري، من الممكن الحصول على هياكل ذات خصائص مختلفة للغاية - من الهياكل الفريتية اللينة والبلاستيكية إلى الهياكل المارتنسيتية الصلبة للغاية.
لذلك، فإن الحديد ليس فقط المكون الكمي الرئيسي للصلب. مصفوفة تحدث فيها تغيرات طورية تحدد خصائص المادة.

تأثير الكربون على خواص الحديد والصلب

فحم هو العنصر الأساسي الذي يحدد بنية وخصائص الفولاذ الكلاسيكي.
مع زيادة محتواه - عند مقارنة الحالات الهيكلية المتشابهة - يصبح من الممكن زيادة:

• صلابة،
• تَحمُّل،
• قابلية التصلب والقدرة على الحصول على هياكل مارتنسيتية.

في الوقت نفسه، قد يؤدي ارتفاع محتوى الكربون إلى انخفاض في:

• اللدونة،
• الليونة،
• قوة الصدم،
• قابلية اللحام.

ومع ذلك، لا يمكن النظر إلى تأثير الكربون بمعزل عن البنية المجهرية، والإضافات السبائكية، والمعالجة الحرارية المطبقة.

الحديد كمادة أساسية في سبائك الصلب

يمكن تعديل خصائص الفولاذ عن طريق إدخال عناصر السبائك المختارة بشكل مناسب في مصفوفة الحديد.
وأهمها ما يلي:

• كروم Cr – يزيد من قابلية التصلب ومقاومة التآكل، وذلك بتركيز مناسب مقاومة التآكل,
• نيكل Ni – يعمل على تثبيت الأوستنيت ويمكن أن يحسن من الليونة ومقاومة التآكل،
• المنغنيز (Mn) – يؤثر على قابلية التصلب واستقرار الأوستنيت،
• السيليكون Si - يعمل كمزيل للأكسدة ويمكن أن يزيد من القوة،
• الموليبدينوم Mo – يحسن قابلية التصلب ومقاومة التطبيع، وهو أمر مهم في أنواع الفولاذ التي تعمل في درجات حرارة مرتفعة.
• الفاناديوم V – يُنتج كربيدات متينة ويؤثر على تحسين الحبيبات،
• التنجستن W – يُنتج كربيدات صلبة ويزيد من مقاومة التصليد،
• التيتانيوم Ti – ينتج كربيدات ونتريدات متينة،
• النيوبيوم Nb – يشكل الكربيدات والكربونات النيتروجينية وقد يحد من نمو الحبوب،
• شركة الكوبالت - يستخدم، من بين أمور أخرى، في بعض أنواع الفولاذ المستخدم في صناعة الأدوات والفولاذ عالي السرعة.

إن تأثيرات إضافة العناصر إلى السبائك أكثر تعقيداً من مجرد زيادة أو نقصان خاصية واحدة. إذ يمكن للعناصر أن تؤثر على درجات حرارة التحول الطوري، وقابلية التصليد، وحجم الحبيبات، ونوع الكربيد واستقراره، ومقاومة التآكل، وسلوك المادة أثناء المعالجة الحرارية.

الحديد والفولاذ الفريتي والأوستنيتي والمارتنسيتي

تُعد الأشكال المتآصلة للحديد أيضًا أساسًا لتسمية العديد من الهياكل الموجودة في الفولاذ.
الفولاذ الفريتي تحتوي على مصفوفة حديدية ذات بنية مكعبة مركزية الجسم. مثال على ذلك هو الفولاذ المقاوم للصدأ H17 / X6Cr17 / 1.4016 / AISI 430.
الفولاذ الأوستنيتي تحتوي على مصفوفة أوستنيتية ذات بنية مكعبة مركزية الوجوه، يتم تثبيتها بشكل أساسي من خلال تركيب كيميائي مناسب. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك 0H18N9 / 1.4301 / AISI 304.
الفولاذ المارتنسيتي يمكن الحصول على بنية مارتنسيتية نتيجة للتبريد المناسب للأوستنيت. مثال على ذلك 1.4313 / X3CrNiMo13-4.
توجد أيضاً أنواع من الفولاذ ذات هياكل مختلطة، مثل الفولاذ الفريتي الأوستنيتي. الفولاذ المزدوج np 1.4460, 1.4462, 1.4501, 1.4410

المعالجة الحرارية للحديد والصلب

يُعدّ تحوّل بنية الحديد ألفا إلى حديد غاما والعكس أساسًا للعديد من العمليات. المعالجة الحرارية للصلب.
عند تسخين الفولاذ المختار بشكل مناسب إلى نطاق الأوستنيت، الأوستنةقد يدخل الكربون وبعض عناصر السبائك في المحلول في الأوستنيت.
ويعتمد التأثير الإضافي على طريقة التبريد.
يسمح التبريد البطيء بحدوث تحولات الانتشار وتكوين هياكل قريبة من حالة التوازن. أما التبريد السريع، فيمكن أن يمنع تحولات الانتشار ويؤدي إلى تكوين المارتنسيت.
تعتمد عمليات التصليد والتطبيع والعديد من أنواع التلدين على هذا المبدأ.
بعد التصلب، من الشائع جدًا استخدام فولاذ التصليدمما يسمح بتقليل الإجهاد والهشاشة في الهيكل المتصلب والحصول على المزيج المطلوب من الصلابة والقوة والمتانة.

الحديد والخواص الميكانيكية للفولاذ

لا تُعزى الخواص الميكانيكية للفولاذ إلى وجود الحديد فقط، بل هي نتاج تفاعل عدة عوامل أخرى.

• التركيب الكيميائي،
• محتوى الكربون،
• نوع وكمية عناصر السبائك،
• حجم الحبيبات،
• البنى المجهرية،
• المعالجة الحرارية,
• المعالجة الكيميائية الحرارية،
• معالجة البلاستيك،
• حالة الضغوط الداخلية.

إن هذه القدرة على تعديل البنية المجهرية تعني أن المواد القائمة على الحديد يمكن أن تتراوح من الفولاذ الناعم والمرن للغاية والمخصص للسحب العميق إلى الفولاذ الهيكلي عالي القوة، وفولاذ الزنبرك، وفولاذ المحامل، وفولاذ الأدوات، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ المقاوم للحرارة، والفولاذ المخصص للاستخدام في الظروف القاسية.

الحديد في عمليات المعالجة الكيميائية الحرارية

كما تسمح مصفوفة الحديد بانتشار العناصر التي يتم إدخالها عمداً في الطبقة السطحية أثناء المعالجة الكيميائية الحرارية.
بحسب العملية، قد يتم إثراء الطبقة السطحية، من بين أمور أخرى، بما يلي:

• فحم - بينما الكربنة,
• نتروجين - بينما النتردة,
• الكربون والنيتروجين - أثناء عملية الكربونتريد والنيتروكربنة.

تستفيد هذه العمليات من قدرة الذرات الأولية على الانتشار في الشبكة البلورية للحديد وتسمح بإنتاج طبقات سطحية ذات خصائص مختلفة عن خصائص لب العنصر.

أهمية الحديد في صناعة الفولاذ الحديث

على الرغم من تطور سبائك الألومنيوم والتيتانيوم والنيكل والمواد المركبة وغيرها من المواد الهندسية، إلا أن الحديد لا يزال يشكل أساس أهم مجموعة من المواد الهيكلية المعدنية.
ويرجع ذلك إلى مزيج فريد من نوعه:

• توافر المواد الخام،
• تكاليف إنتاج منخفضة نسبياً،
• نطاق واسع جداً من الخصائص الميكانيكية،
• إمكانيات تعديل التركيب الكيميائي،
• القدرة على الخضوع لتحولات طورية،
• إمكانيات استخدام طرق المعالجة الحرارية المختلفة،
• قابلية التأثر بالمعالجة البلاستيكية والميكانيكية،
• إمكانيات إعادة التدوير.

لذلك فإن الحديد ليس فقط المكون الرئيسي للصلب، ولكنه قبل كل شيء المادة الأساسية التي تمكن من تشكيل بنيته المجهرية وخصائصه الوظيفية.

الحديد (Fe) – أهميته في علم المعادن والصلب

تكمن أهمية الحديد في علم المعادن في المقام الأول في خصائصه التآصلتتيح التحولات بين حديد ألفا ذي البنية المكعبة المتمركزة في الجسم، وحديد غاما ذي البنية المكعبة المتمركزة في الوجه، وحديد دلتا ذي درجة الحرارة العالية، عددًا من التحولات الهيكلية المستخدمة أثناء إنتاج ومعالجة الصلب.
ومن الأمور ذات الأهمية الخاصة قدرة حديد غاما على إذابة كميات أكبر بكثير فحم أكثر من حديد ألفا. وهذا يجعل من الممكن إنتاج الأوستنيت، ومن ثم - من خلال التبريد المختار بشكل مناسب - الحصول على بنى مجهرية وخصائص ميكانيكية متنوعة.
بالإضافة إلى الكربون وعناصر السبائك مثل الكروم, نيكل, المنغنيز, الموليبدينوم, الفاناديوم, التنغستن, تيتان czy niobيشكل الحديد عائلة ضخمة من المواد ذات الخصائص التي يمكن تكييفها لتطبيقات تقنية مختلفة للغاية.
لذلك، يظل نظام الحديد والكربون أحد أسس علم المعادن الحديث، ومعرفة تحولات طور الحديد هي الأساس لفهم عمليات التصليد والتلدين والتطبيع والتلطيف والمعالجة الكيميائية الحرارية للصلب.

الحديد (Fe) – أهم المعلومات