آهن(به انگلیسی: Iron) نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷۸۷۴kg/m۳میباشد.

آهن یک فلز است که در نخستین دوره فلزهای واسطه جای دارد. آهن از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازنده کره زمین است. آهن اصلی‌ترین عنصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته‌است.

فراوانی آهن در سیاره‌های زمین‌سان و دیگر کره‌های سنگی مانند ماه، به خاطر پدیده همجوشی هسته‌ای در ستاره‌های بزرگ است، که در پروسه همجوشی آهن آخرین عنصری‌است که با آزادسازی انرژی؛ پیش از فروپاشی خشونت‌آمیز آن ستاره به صورت یک ابرنواختر، و پراکندن آهن در فضا، ایجاد می‌شود.

آهن نقش زیادی در سلامت انسان دارد و افراد زیادی در معرض فقر آهن قرار می گیرند. بدن افراد بالغ سه تا پنج گرم آهن دارد که ۴۰-۳۰ درصد آن به صورت ذخیره و بیشتر آن به صورت هموگلوبین است. این پروتئین از “هم” (ترکیب آهن دار) متصل به گلوبین (یک پروتئین) تشکیل شده است.

آهن چهارمین عنصر مهم در پوسته زمین شناخته شده ویکی از عوامل و عناصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین می باشد

آن را با نماد شیمیایی Fe و با عدد اتمی ۲۶ در جدول تناوبی نشان می دهند. آهن و آلیاژ های آن جزو دسته پر کاربیردترین و رایج ترین فلزات نام برده می شود که دارای سطوحی صاف و نقره ای براق به رنگ خاکسری می باشد اما وقتی که در هوا با اکسیژن ترکیب شود به رنگ قرمز یا قهوه ای نمایان می شود.

آهن خالص از جنس فلز می باشد اما با وجود اکسیژن و رطوبت که در آن ترکیب می شود اکسیده شده و کمتر می توان به شکل فلز یا آهن خالص بر روی کره زمین آن را مشاهده کرد به همین دلیل برای دست یافتن به فلز آهن توسط روشی به نام کاهش شیمیایی، اکسیژن نهفته در سنگ معدن را از بین می برند

و به این صورت فلز آهن پدید می آید. نقش آهن – حمل اکسیژن از ریه ها به تمام سلول ها و برگرداندن دی اکسید کربن از آنها -تأمین نیاز اکسیژن عضلات – شرکت در فعالیت ایمنی.

در کمبود آهن، گلبول های سفید تأثیرشان را در حفظ ایمنی بدن از دست می دهند. کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و ۹۵ درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد.

قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبیلها، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر می‌کند

فولاد معروفترین آلیاز آهن است و تعدادی از گونه های آهن به شرح زیر می باشد: – آهن خام که دارای ۵%-۴% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد، سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.

– چدن، شامل ۵/۳%-۲% کربن و مقدار کمی منگنز می‌باشد. ناخالصی‌های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند. نقطه ذوب چدن بین k ۱۴۷۰-۱۴۲۰ می‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می‌کند.

چدن بسیار محکم، سخت و شکننده می‌باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می‌شود. – فولاد کربن شامل ۵/۱% – ۵/۰% کربن و مقادیر کم منگنز، گوگرد، فسفر و سیلیکون است. – آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از ۵/۰% کربن می‌باشد و محصولی محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست. حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد).

اگر یک لبه آن تیز شود، به‌سرعت تیزی خود را از دست می‌دهد. – فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم،وانادیوم، نیکل، تنگستن و. . . می باشد.

– اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می‌کنند.

آهن یکی از عناصر ضروری و مورد نیاز بدن است و وظایف مهمی را بر عهده دارند که عبارت‌اند از: وظایف ۱٫ انتقال اکسیژن در گلبول‌های قرمز ۲٫ تولید هموگلوبین خون ۳٫ مقاومت در برابر استرس و ناخوشی ۴٫ عملکرد صحیح آنزیمها ۵٫ تقویت سیستم ایمنی آهن آلفا آهن آلفا یا آهن فریتی جزء سیستم مکعبی بوده وشبکه بلوری آن مکعب مرکز دار است.

آهن گاما واحد شبکه ی بلوری آهن گاما یا آهن آستنیتی متعلق به سیستم بلوری مکعبی است.

ولی دارای شبکه بلوری مکعب با سطوح مرکزی FCCاست وجمعا۴اتم در واحد شبکه ی آهن گاما وجود دارد.

آهن دلتا آخرین فازی که ممکن است در آهن خالص وجود داشته باشد،آهن دلتا با شبکه BCC بوده واز نظر بلور شناسی مشابه آهن آلفا است

افزایش حجم ناشی از تبدیل آهن گاما به آهن دلتا درست برابر افزایش حجم ناشی از تبدیل آهنگاما ب آهن آلفا است. آهن دلتا فقط در دماهای نزدیک نقطه ذوب آهن تشکیل میشود

فرایند زنگ زدن

زنگ زدن عبارتی است که به اکسیداسیون آهن اطلاق می‌شود.

اکسیداسیون آهن معمولا از طریق واکنش با اکسیژن صورت می‌گیرد اما نوع‌های دیگری از زنگ زدن وجود دارد که حاصل واکنش آهن و کلر است که به آن زنگ سبز می‌گویند.

“زنگ” نام متداول یکی از ترکیبات بسیار رایج یعنی اکسید آهن با فرمول Fe2O3 است.

این نام رایج است زیرا آهن به سرعت با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل زنگ آهن را می دهد. در حقیقت آهن را به ندرت می توان به صورت خالص در طبیعت پیدا کرد.

زنگ آهن (یا فولاد) نمونه ای از فرایند خوردگی است: فرایند الکتروشیمیایی شامل آند (یک قطعه فلز که به راحتی الکترون از دست می دهد)، الکترولیت (مایعی که به حرکت الکترون ها کمک می کند) و یک کاتد (یک قطعه فلز که به راحتی الکترون می پذیرد) است.

وقتی فلزی خورده می شود، الکترولیت به تولید اکسیژن در آند کمک می کند. سپس اکسیژن با فلز ترکیب شده و الکترون آزاد می شود.

وقتی الکترون ها از طریق الکترولیت به سمت کاتد جریان می یابند، آند با جریان الکتریکی حذف می شود یا به کاتیون های فلزی تبدیل شده و زنگ تشکیل می شود.

اکسیده شدن آهن

برای این که آهن اکسید شود به سه ماده نیاز است: آهن، آب و اکسیژن. و اما فرایند زنگ زدن: با افتادن یک قطره آب بر روی اشیای آهن فورا دو اتفاق می افتد. نخست آن که آب به عنوان یک الکترولیت خوب با دی اکسیدکربن موجود در هوا واکنش داده و اسید کربنیک که یک اسید ضعیف است تشکیل می شود. اسید کربنیک نسبت به آب، الکترولیت بهتری است.

پس از تشکیل اسید و حل شدن آهن در آن، ملکول های آب به اجزای سازنده آن یعنی اکسیژن و هیدروژن تبدیل می شود. اکسیژن آزاد و آهن حل شده با هم پیوند داده و اکسید آهن را تشکیل می دهند.

در این فرایند الکترون آزاد می شود. الکترون های آزاد از بخش آند که همان آهن است به سمت کاتد که ممکن است فلزی با واکنش پذیری کمتر از آهن یا بخش دیگری از سطح آهنی باشد، جریان می یابد.

مایعاتی مانند باران های اسیدی، آب دریا و افشانه نمکی برای ذوب کردن برف جاده های یخی به علت ترکیبات موجود در آنها نسبت به آب الکترولیت های قوی تری هستند. به همین دلیل آهن و فلزات دیگر در این محیط ها با سرعت بیشتری زنگ زده و خورده می شوند.

چرا آهن زنگ می زند؟

آیا توجّه کرده اید که بعضی از فلزات زنگ می زنند و بعضی دیگر٬زنگ نمی زنند؟آهن معموأ زنگ می زند.

به همین علّت است که وقتی رنگ قسمتی از بدنه اتومبیل از بین می رود٬هوا باعث می شود که آهن زیر قسمت رنگ شده خیلی زود زنگ بزند.

برای آن که آهن با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شود و اکسیدآهن قرمز رنگ را (که همان زنگ آهن است) تولید می کند. در هر صورت نوعی آهن وجود دارد که زنگ نمی زند.

اختراع یاکشف این آهن امری تصادفی بود! در سال۱۹۱۳ هری بریرلی٬ که متخصص ذوب فلزات بود٬ برای ساختن لوله تفنگ٬ دنبال فلزی مناسب می گشت. از این رو فلزات گوناگون را با هم ترکیب کردو آلیاژهای مختلفی به دست آورد. امّا پس از انجام آزمایش ها٬ تمام نمونه ها را به گوشه ای انداخت. چند ماه بعد متوجّه شد در حالی که همه نمونه های دور ریخته شده٬ زنگ زده اند٬ یکی از آنها زنگ نزده است! بریرلی این آلیاژ را با دقّت بررسی کرد و فهمید که ۱۴٪ آن کروم است.

به این ترتیب فلز زنگ نزن یا استنلس استیل وارد زندگی بشر شد.

امروزه اغلب لوازم آشپزخانه ها از آهن زنگ نزن هستند. جنس بیشتر دیگ ها٬ کتری ها٬ ماهی تابه ها٬ قاشق و چنگال ها٬ چاقو ها و لگن ظرفشویی آشپزخانه ها از آهن زنگ نزن است؛

همین طور بسیاری از لوازم جرّاحی و قطعات خودرو ها از این فلز ساخته می شوند. فولاد زنگ نزن ، جزو فلزات بسیار مقاوم در برابر خوردگی است و در صنایع شیر آلات مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این نوع فولاد ، آلیاژ فولاد با کروم می‌‌باشد و گاهی نیکل نیز به ‌این آلیاژ اضافه می‌‌شود.

نکته:کروم یا کرومیوم فلزی سخت٬خاکستری و دیر گداز است با علامت اختصاریcr.

نکته:آلیاژ فلزی است که از ترکیب دو یا چند فلز به دست می آید.

کاربردهای آهن

کاربرد آهن از تمامی فلزات بیشتر است و ۹۵ درصد فلزات تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می‌دهد.

قیمت ارزان و مقاومت بالای ترکیب آن استفاده از آنرا بخصوص در اتومبیلها ، بدنه کشتی‌های بزرگ و ساختمانها اجتناب ناپذیر می‌کند.

فولاد معروف‌ترین آلیاژ آهن است و تعدادی از گونه‌های آهن به شرح زیر می‌باشد:

• آهن خام که دارای ۵%- ۴% کربن و مقادیر متفاوتی ناخالصی از قبیل گوگرد ، سیلیکون و فسفر است و اهمیت آن فقط به این علت است که در مرحله میانی مسیر سنگ آهن تا چدن و فولاد قرار دارد.

• چدن ، شامل ۵/۳%-۲% کربن و مقدار کمی منگنز می‌باشد. ناخالصی‌های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آنرا تحت تاثیر منفی قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش می‌یابند.

نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می‌کند.

چدن بسیار محکم ، سخت و شکننده می‌باشد. چدن مورد استفاده حتی چدن گرمای سفید موجب شکستن اجسام می‌شود.

• فولاد کربن شامل ۵/۱% – ۵/۰% کربن و مقادیر کم منگنز ، گوگرد ، فسفر و سیلیکون است.

• آهن ورزیده ( آهن نرم) دارای کمتر از ۵/۰% کربن می‌باشد و محصولی محکم و چکش‌خوار است، اما به اندازه آهن خام گدازپذیر نیست.

حاوی مقادیر بسیار کمی کربن است ( چند دهم درصد). اگر یک لبه آن تیز شود، به‌سرعت تیزی خود را از دست می‌دهد.

فولادهای آلیاژ حاوی مقادیر متفاوتی کربن بعلاوه فلزات دیگر مانند کروم ، وانادیم ، مولیبدن ، نیکل ، تنگستن و … می‌باشد.

اکسیدهای آهن برای ساخت ذخیره مغناطیسی در کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها اغلب با ترکیبات دیگری مخلوط شده و خصوصیات مغناطیسی خود را بصورت محلول هم حفظ می‌کنند.

انواع پوشش های محافظ آهن

پوشش های رنگها و جلاها

ساده‌ترین راه مبارزه با خوردگی ، اعمال یک لایه رنگ است.

با استفاده ‌از رنگها بصورت آستر و رویه ، می‌‌توان ارتباط فلزات را با محیط تا اندازه‌ای قطع کرد و در نتیجه موجب محافظت تاسیسات فلزی شد.

به روشهای ساده‌ای می‌‌توان رنگها را بروی فلزات ثابت کرد که می‌‌توان روش پاششی را نام برد. به کمک روشهای رنگ‌دهی ، می‌‌توان ضخامت معینی از رنگها را روی تاسیسات فلزی قرار داد.

آخرین پدیده در صنایع رنگ سازی ساخت رنگهای الکتروستاتیک است که به میدان الکتریکی پاسخ می‌‌دهند و به ‌این ترتیب می‌توان از پراکندگی و تلف شدن رنگ جلوگیری کرد.

پوشش های فسفاتی و کروماتی

این پوششها که پوششهای تبدیلی نامیده می‌‌شوند، پوششهایی هستند که ‌از خود فلز ایجاد می‌‌شوند. فسفاتها و کروماتها نامحلول‌اند.

با استفاده ‌از محلولهای معینی مثل اسید سولفوریک با مقدار معینی از نمکهای فسفات ، قسمت سطحی قطعات فلزی را تبدیل به فسفات یا کرومات آن فلز می‌‌کنند و در نتیجه ، به سطح قطعه فلز چسبیده و بعنوان پوششهای محافظ در محیط‌های خنثی می‌‌توانند کارایی داشته باشند.

این پوششها بیشتر به ‌این دلیل فراهم می‌‌شوند که ‌از روی آنها بتوان پوششهای رنگ را بر روی قطعات فلزی بکار برد. پس پوششهای فسفاتی ، کروماتی ، بعنوان آستر نیز در قطعات صنعتی می‌‌توانند عمل کنند؛ چرا که وجود این پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکم‌تر می‌‌سازد. رنگ کم و بیش دارای تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمی‌‌تواند از خوردگی جلوگیری کند.

پوشش های اکسید فلزات

اکسید برخی فلزات بر روی خود فلزات ، از خوردگی جلوگیری می‌‌کند.

بعنوان مثال ، می‌‌توان تحت عوامل کنترل شده ، لایه‌ای از اکسید آلومینیوم بر روی آلومینیوم نشاند. اکسید آلومینیوم رنگ خوبی دارد و اکسید آن به سطح فلز می‌‌چسبد و باعث می‌‌شود که ‌اتمسفر به‌ آن اثر نکرده و مقاومت خوبی در مقابل خوردگی داشته باشد.

همچنین اکسید آلومینیوم رنگ‌پذیر است و می‌‌توان با الکترولیز و غوطه‌وری ، آن را رنگ کرد. اکسید آلومینیوم دارای تخلخل و حفره‌های شش وجهی است که با الکترولیز ، رنگ در این حفره‌ها قرار می‌‌گیرد.

همچنین با پدیده ‌الکترولیز ، آهن را به ‌اکسید آهن سیاه رنگ (البته بصورت کنترل شده) تبدیل می‌‌کنند که مقاوم در برابر خوردگی است که به آن “سیاه‌کاری آهن یا فولاد” می‌‌گویند که در قطعات یدکی ماشین دیده می‌‌شود.

پوشش های گالوانیزه

گالوانیزه کردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهن و فولاد با روی است. گالوانیزه ، بطرق مختلف انجام می‌‌گیرد که یکی از این طرق ، آبکاری با برق است. در آبکاری با برق ، قطعه‌ای که می‌‌خواهیم گالوانیزه کنیم، کاتد الکترولیز را تشکیل می‌‌دهد و فلز روی در آند قرار می‌‌گیرد. یکی دیگر از روشهای گالوانیزه ، استفاده ‌از فلز مذاب یا روی مذاب است.

روی دارای نقطه ذوب پایینی است. در گالوانیزه با روی مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرار می‌‌دهند و با استفاده ‌از غوطه‌ور سازی فلز در روی مذاب ، لایه‌ای از روی در سطح فلز تشکیل می‌‌شود که به ‌این پدیده ، غوطه‌وری داغ (Hot dip galvanizing) می‌گویند. لوله‌های گالوانیزه در ساخت قطعات مختلف ، در لوله کشی منازل و آبرسانی و … مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

پوشش های قلع

قلع از فلزاتی است که ذاتا براحتی اکسید می‌‌شود و از طریق ایجاد اکسید در مقابل اتمسفر مقاوم می‌‌شود و در محیطهای بسیار خورنده مثل اسیدها و نمکها و … بخوبی پایداری می‌‌کند. به همین دلیل در موارد حساس که خوردگی قابل کنترل نیست، از قطعات قلع یا پوششهای قلع استفاده می‌‌شود. مصرف زیاد این نوع پوششها ، در صنعت کنسروسازی می‌‌باشد که بر روی ظروف آهنی این پوششها را قرار می‌‌دهند.

پوشش های کادمیم

این پوششها بر روی فولاد از طریق آبگیری انجام می‌‌گیرد. معمولا پیچ و مهره‌های فولادی با این فلز ، روکش داده می‌‌شوند. روکش کادمیم مخافظ خوبی برای کالاهای آهنی و فولادی در برابر زنگ زدگی و فسادتدریجی در اثر هوا می باشد. روکش کادمیم بیشتر قسمت های اساسی هواپیماها و کشتی ها و کالاهایی که در آب و هوای گرمسیری مصرف دارد، به کار برده می شود. پوشش های کادمیم مخصوصا در محیط های طبیعی موثرند. مقاومت این پوشش ها در مقابل فساد تدریجی در مناطق روستایی بیشتر از مناطق صنعتی است.

روش های کنترل زنگ زدن فلزات

ماده ای که به طور ذاتی نسبت به محیط اطراف خود مقاومت نشان می دهد و پوسیده نمی شود (البته به طور ایده آل)، اولین انتخاب در نیازهای مکانیکی و اقتصادی خواهد بود؛ متاسفانه اغلب چنین نیست و بسیاری از مواد به روشی برای کنترل زنگ خوردگی خود نیاز دارند؛ به همین دلیل سه روش عمده برای این کار وجود دارد:

اصلاح محیط اطراف ماده ای که در معرض این محیط قرار دارد

روش های کنترل الکتریکی

استفاده از روکش های محافظ

لایه نشانی و روکش به روش اسپری حرارتی برای کنترل زنگ زدن:

روکش محافظی که به روش حرارتی روی ماده مورد نظر اسپری می شود، برای بسیاری از مواد مورد استفاده است. در این روش، گزینه های لازم برای روکش کردن مواد و اسپری بسیار زیاد است. این روش به سه گروه اصلی تقسیم می شود:

روکش آندی

روکش کاتدی

روکش خنثی یا بی طرف

روش اسپری برای روکش کردن فلزات

روکش آندیروکش آندی برای محافظت زیرلایه های آهن و فولاد تقریبا فقط به روکش های روی (Zn) و آلومینیوم (Al) یا آلیاژهای آن ها محدود می شود. محافظ زنگ زدن این زیرلایه بایستی محافظ کاتدی یا محافظ قربانی باشد. زیرلایه نقش کاتد را در این روش ایفا کرده و روکش روی آن، نقش آند قربانی را خواهد داشت. مکانیسم محافظت زنگ خوردگی فلزات به دو دسته تقسیم می شود:

محافظت کاتدی یا قربانی شدن روکش

سد محافظ در برابر محیط اطراف

حال به توضیح این روش ها می پردازیم.

روکش قربانی:

یک روش پیچیده تر برای روکش کردن، اعمال اندکی بار منفی به فلز است؛ پس واکنش این فلز به صورت M → M²⁺ + 2e^–سخت تر اتفاق خواهد افتاد. برای این کار می توان با فراهم کردن بار منفی و اعمال آن به روکشی از یک فلز فعال تر ، به این هدف دست یافت. یعنی یک روش رایج برای محافظت فولاد، لایه نشانی آن با لایه نازکی از روی است ؛ این فرایند ” گالوانیزه کردن” نامیده می شود. روکش روی، واکنش پذیری بیش تر از آهن دارد و تمایل دارد به طور انتخابی زنگ بخورد. حل شدن این روکش قربانی ، الکترون هایی را به جا می گذارد که در آهن جمع می شوند و آن را کاتدی می کنند؛ بنابراین از خوردگی و حل شدن آهن جلوگیری می شود(شکل پایین، سمت چپ).

تأثیر روکش کردن آهن با یک فلز که واکنش پذیری کم تری دارد، یک پدیده جالب به وجود می آورد. یک مثال خوب از این حالت، روکشی از قلع است(شکل بالا، سمت راست). تا جایی که روکش قلع دست نخورده باقی می ماند، همه چیز خوب است؛ اما حتی اگر قسمت کوچکی از آهنی که در زیر قلع قرار گرفته، در معرض رطوبت محیط اطراف قرار بگیرد، پوسیدگی آغاز می شود. الکترون ها از آهن آزاد شده و به سمت قلع می آیند و آهن را آندی تر می کنند؛ پس اکنون قلع، پوسیدگی آهن را بیش تر می کند! حتما زنگ خوردن قوطی کنسروها را بعد از باز شدن درب آن ها دیده اید.

محافظت کاتدی:

یک روش عالی برای این که بارهای الکتریکی منفی به طور پیوسته در روی فلز باقی بمانند، آن است که از حل شدن و از بین رفتن یون های مثبت جلوگیری شود. از آن جایی که کل سطح به وضعیت کاتدی در می آید، این روش را” محافظت کاتدی” می گویند. منبع الکترون ها می تواند یک منبع تغذیه جریان مستقیم خارجی باشد (این روش برای محافظت خط لوله های نفت و دیگر تجهیزات زیر خاک به کار می رود) یا می تواند زنگ خوردگی فلز فعال دیگری مانند تکه ای آلومینیوم یا روی در زیر زمین و در کنار فلز اصلی باشد؛ در مخزن پروپان شکل زیر در زیر زمین چنین کاری صورت گرفته است:

روکش خنثی:

مواد خنثایی مانند آلومینیوم یا سرامیک های اکسید کروم با حذف محیط بسیار خورنده از ماده ای که استعداد زنگ زدن را دارد، محافظ های خوبی برای زنگ زدگی هستند. معمولا یک ماده خنثی، حتی اگر روکش آن تا اندازه ای نشت پذیر باشد (یک استثنا برای این حالت، فولاد زنگ نزن است که حذف اکسیژن می تواند باعث زنگ زدن شکاف دار آن ها شود و روکش های پیوندی نیکل کروم برای جلوگیری از زنگ زدن چنین موادی مناسب هستند) سرعت زنگ زدن را زیاد نمی کنند. اما در هر حالت برای محافظت بیش تر، ضخیم ترین و متراکم ترین روکش های اسپری پلاسما لازم اند.

برگرفته از تبیان

فولادهای زنگ نزن گروه وسیع و متنوعی از مواد مهندسی به شمار می آیند. از ویژگیهای فولادهای زنگ نزن می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

۱-شکل پذیری عالی

۲- چقرمگی زیاد در دمای اتاق و دمای پایین

۳- مقاومت خوب در برابر پوسته شدن

۴- مقاومت اکسایش و خزش در دماهای بالا

۵-مقاومت به خوردگی

مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن از مقدار زیاد کروم یعنی بالاتر از %wt12 ناشی می شود،مقدار کم کروم گر چه مقاومت به خوردگی آهن را مقداری افزایش می دهد ولی نمی تواند فولاد را زنگ نزن سازد.

کروم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی ، سطح آهن را حفاظت می سازد و لایه های زیرین را از خوردگی محافظت می نماید. تشکیل این لایه محافظت کننده مستلزم قرار گرفتن فولاد(سطح فولاد)زنگ نزن در یک محیط اکسید کننده می باشد.

علاوه بر کروم،عناصر آلیاژی دیگری از قبیل نیکل و مولیبدن نیز به این فولادها اضافه می شوند که نه تنها مقاومت به خوردگی را در بعضی مواقع افزایش می دهند بلکه باعث پایداری فاز های دیگر شده و برخی از خواص مکانیکی را نیز بهتر می کنند.بطور مثال افزایش نیکل به فولادهای زنگ نزن ، مقاومت به خوردگی در محیط های خنثی و یا اکسید کننده ضعیف را بهبود می بخشد.همچنین مقدار کافی نیکل قابلیت انعطاف پذیری و شکل پذیری فولادها را افزایش می دهد چرا که امکان نگهداری فاز آستنیت با شبکه کریستالی Fcc در دمای اتاق را میسر می سازد.

اضافه نمودن کروم و نیکل و عناصر دیگر به آهن،فازهای متنوعی علاوه بر فریت و آستنیت را میتواند به وجود آورد که در بررسی هریک از این فازها به نمودارهای سه تایی و چهارتایی نیاز است که در ذیل با استفاده از نمودارهای مناسب به بررسی این فازها پرداخته می شود.

۱-۱٫بررسی سیستم آهن-کروم:

کروم در دماهای بالا در آهن بطور کامل حل می شود و انجماد آلیاژهای Fe-Cr به صورت فریت (آلفا) رخ می دهد چرا که ساختار بلوری کروم، Bcc بوده و می تواند پایدار کننده قوی فریت باشد.همچنین محدوده انجمادی برای آلیاژهای Fe-Cr بسیار باریک است.با افزایش میزان کروم نواحی پایداری فازهای دما بالا و دما پایین گسترش می یابد(در سیستم Fe-Cr فاز دما بالا فریت دلتا و فاز دما پائین فریت آلفا در نظر گرفته شده که هر دوی این فازها از آستینت تشکیل می شوند.) بطوریکه در غلظتهای پایین کروم یک حلقه آستنیتی موسوم به حلقه گاما در محدوده درجه حرارتهای ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد وجود دارد .آلیاژهای با مقدار کروم بیشتر از ۱۲ تا ۱۳ درصد وزنی در درجه حرارت بالا کاملا فریتی می باشند در حالیکه آلیاژهای با مقادیر کمتر از این مقدار کروم(درجه حرارتهای محدوده حلقه گاما) مقداری آستنیت تشکیل می دهند.

آلیاژهایی با مقدار کروم کمتر از ۱۲ درصد وزنی در درجه حرارتهای واقع در حلقه گاما کاملا آستنیتی بوده و به محض سرمایش سریع، این آستنیت می تواند به مارتنزیت تغییر فاز دهد. نکته ای که باید ذکر گردد این است که عناصر دیگری همچون مولیبدن و وانادیم نیز وجود دارند که مشابه کروم عمل نموده و در صورت آلیاژ شدن با آهن تشکیل حلقه گاما را می دهند.

در ادامه بررسی نمودار تعادلی آهن – کروم به این مطلب می رسیم که در دماهای کم نمودار فازی آهن- کروم گستره ای کامل از محلولهای جامد نیست بنابراین یک فاز میانی به نام فاز سیگما وجود دارد.

زمانی که آلیاژهای آهن – کروم حاوی بیش از ۲۰ تا ۷۰ درصد وزنی کروم مدتی طولانی در محدوده ۵۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد گرم شوند فاز سیگما رسوب می کند(در برخی کتب مقدار Cr بین ۱۵ تا ۷۰ درصد وزنی بیان شده است). این فاز سخت و شکننده بوده و دارای ساختار کریستالی تتراگونال می باشد و به دلیل همین ترد بودن یک فاز نامطلوب در فولادهای زنگ نزن محسوب می شود چرا که در فرایند نورد می تواند مشکل ساز باشد و زمانی که در حجم زیاد وجود داشته باشد می تواند سبب کاهش چقرمگی و داکتیلیتی شود.

محدوده دیگری که در این دیاگرام تامل برانگیز است تردی ۴۷۵ درجه سانتیگراد یا تردی ۸۸۵ درجه فارنهایت موسوم است.تردی ۴۷۵ درجه سانتیگراد در نتیجه تشکیل رسوبات پیوسته غنی از کروم در زمینه آلفا می باشد که آلفا پرین نامیده می شود. این رسوبات معمولا در محدوده دمایی ۴۵۰-۴۰۰ درجه سانتیگراد تشکیل می شوند و دارای شبکه بلوری bcc بوده و پارامتر شبکه آن تقریبا برابر با پارامتر شبکه فریت bcc است. این رسوبات در آلیاژهایی که مقدار کروم آنها بیشتر از ۱۴%wt می باشد تاثیر ترد سازی شدیدی از خود نشان می دهد.

تشکیل آلفا پرین در آلیاژهای Fe-Cr مانند تشکیل فاز سیگما کاملا آهسته بوده ولی نرخ تشکیل آن را می توان با افزودن عناصر آلیاژی تشدید نمود.

۱-۲ –بررسی سیستم آهن-کروم-کربن:

در این سیستم علاوه بر آهن و کروم، کربن به عنوان یک عنصر آلیاژی نیز وجود دارد.کربن عنصری می باشد که پایدار کننده آستنیت است بنابراین باعث گسترش حلقه گاما خواهد شد به عبارت دیگر کربن منطقه آستنیت را وسیع می کند و این اجازه را به آن می دهد تا در درجه حرارتهای بالا و مقادیر کروم بالاتر نیز پایدار می باشد همچنین با استحاله مارتنزیتی نیز کمک می کند.

با اضافه شدن کربن به سیستم Fe-Cr نمودار فازی بطور قابل ملاحظه ای تغییر و پیچیده تر می شود.لذا برای اینکه سیستم سه تایی Fe-Cr-C را بتوانیم بصورت تابعی از دما در نظر بگیریم لازم می باشد که یکی از عناصر را ثابت نگه داشته که با این عمل یک دیاگرام دوتایی کاذب(ایزوپلس) بدست می اید.در واقع این دیاگرام تصویری دوبعدی از یک سیستم سه بعدی را در اختیارمان قرار می دهد و به این دلیل به آن دوتایی کاذب گفته می شود و از این جهت این دیاگرام را نمی توان در روشی مشابه به عنوان یک دیاگرام دوتایی استفاده نمود .

اضافه نمودن کربن بیش از ۰٫۶% منجر به تشکیل کاربید آزاد می شود. ترتیب تشکیل کاربید در آلیاژهای Fe-Cr احتمالا به صورت زیر می باشد:

M3C-M7C3-M23C6

درواقع با اضافه نمودن کربن چند نوع کاربید در دیاگرام پدیدار می شود.کاربید نوع سمنتیت در آلیاژهایی که تا ۱۰ درصد وزنی کروم دارند تشکیل می شود و می تواند ۱۵ درصد وزنی نیز کروم داشته باشد. در مقادیر بیشتر کروم، کاربید M7C3 تشکیل می شود که حداقل ۳۶ درصد کروم دارد و حتی با نسبتهای بیشتر کروم به کربن کاربید M7C3 به M23C6تبدیل می شود. کاربید M23C6 در مرز دانه های برخی فولادهای زنگ نزن که در شرایط خاصی عملیات حرارتی می شوند رسوب می کنند در حالیکه کاربید نوع M7C3 در داخل دانه پخش می شود.

در مقادیر بسیار پایین کربن یعنی کمتر از ۰٫۱% ، آلیاژهای سه تایی در درجه حرارتهای بالا کاملا فریتی می باشند. اگر این آلیاژها به مقدار کافی سریع سرد شوند آلیاژ اصولا فریتی باقی خواهد ماند.

در مقادیر کربن بالای ۰٫۱ % ،آستننیت در درجه حرارتهای بالا تشکیل شده و مخلوطی از آستنیت و فریت در درجه حرارتهایی اندکی پایین تر از محدوده حرارتی انجماد وجود خواهد داشت. به محض سرد کردن، این ساختار در درجه حرارتهایی پایین تر از ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد (۲۱۹۰ درجه فارنهایت) کاملا آستنیتی می شوند. اگر نرخ سرمایش به مقدار کافی سریع باشد این آستنیت به مارتنزیت استحاله می یابد. همچنین در مقادیر کربن پایین تر (مثلا ۰٫۰۵%wt ) مخلوطی از آستنیت و فریت در درجه حرارتهای بالا وجود خواهد داشت که سبب ایجاد ساختاری متشکل از فریت و مارتنزیت به محض سرمایش سریع می شود. این ساختارها معمولا به دلیل افت خواص مکانیکی نامطلوب می باشند.

در مقادیر بالاتر ثابت کروم در سیستم Fe-Cr-C محدوده فاز آستنیت کوچک می شود در حالی که محدوده فاز فریت گسترش نیافته . فریت شکل گرفته در درجه حرارت بالا خیلی پایدار خواهد بود و مقادیر بالاتر کربن برای تشکیل آستنیت دارد

تاثير عناصر آلياژي بر خواص فولاد

كربن مهمترين و موثرترين عنصر آلياژي در فولاد ها مي باشد و بالاترين تاثير را در ساختار آن دارد. هر فولاد آلياژ شده علاوه بر كربن عناصر آلياژي ديگري نظيرسيليسيم _ منگنز _ فسفر و گوگرد را به همراه خواهد داشت، به طوري كه اين عناصر به شكلي ناخواسته به هنگام فرآيند توليد در فولاد باقي خواهند ماند.