فلز آهن

تاریخچه آهن

علامت Fe و کلماتی مثل Ferrous از کلمه لاتین فروم Ferrum گرفته شده است. واژه فارسی آهن احتمالاً دارای چند ریشه لغوی است؛ این واژه ممکن است از ریشه (ai) واژه‌ سانسکریت آیاس(Ayas) آمده باشد که واژه‌ی لاتین(Aes) به معنای مس نیز از آن مشتق شده است. برخی نیز واژه آهن را مشتق از واژه‌های آیزین(Aisen) آلمانی و آیرون(Iron) انگلیسی می‌دانند. همچنین این واژه ممکن است وابسته به گروهی از واژه‌ها از ریشه آس باشد، مانند آسن(Asan) در سانسکریت به معنای سنگ یا آسمان، شاید این واژه با اندیشه‌های هومری(Homeric) مرتبط باشد که آنها عقیده داشتند که آسمان جامی فلزی است. باستان‌شناسی تاریخ قدیم نشان می‌دهد اولین نشانه‌های استفاده از آهن متعلق به حدود ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد یعنی زمان سومری‌ها و مصریان می‌باشد. در آن زمان ابزارهای کوچکی مانند سرنیزه و زیورآلات که از آهن شهاب‌سنگ‌ها به دست آمده بود، مورد استفاده قرار می‌گرفت. از آن جا که شهاب‌سنگ‌ها از آسمان بر روی زمین می‌افتادند، برخی زبان‌شناسان معتقدند که واژه‌ی انگلیسی Iron که با بسیاری از زبان‌های اروپای غربی و شمالی هم ریشه است، از واژه‌ی Etruscan aisar به معنی خدایان گرفته شده است.

تبر آهنی متعلق به ۱۲ قرن قبل از میلاد

 

از ۳۰۰۰ تا ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد، تعداد اشیا آهنی ذوب شده(که به دلیل نبود نیکل در آهن حاصل از شهاب‌سنگ‌ها قابل تشخیص است) در بین‌النهرین، ترکیه و مصر افزایش یافت. اما به نظر می‌رسد استفاده از آهن تشریفاتی بوده و آهن جزء فلزات گرانبها به حساب می‌آمده است و حتی قیمت آن از طلا نیز بیشتر بوده است. در Illiad تسلیحات جنگی اکثراً از جنس مفرغ بوده و شمش آهن برای تجارت به کار برده می‌شده است. برخی از منابع بیان می‌کنند ابتدا آهن به صورت آهن اسفنجی و به عنوان یک محصول فرعی برای پالایش مس مورد استفاده قرار می‌گرفت و در آن زمان امکان بازیافت آهن وجود نداشت. طی سال‌های ۱۲۰۰ تا ۱۶۰۰ قبل از میلاد، آهن به طور فزاینده‌ای در خاورمیانه استفاده می‌شد، اما استفاده از مفرغ هنوز هم غالب بود.
دوره‌ی زمانی بین قرن ۱۰ تا ۱۲ قبل از میلاد در خاورمیانه، دوره انتقال ابزار و سلاح‌های مفرغی به آهن بود. به نظر می‌رسد عامل اصلی افزایش استفاده از آهن، کاهش ذخایر قلع بوده و افزایش تکنولوژی آهن‌کاری تاثیر کمتری در آن داشته است. این دوره‌ گذار‌ که در زمان‌های متفاوت در نقاط مختلف دنیا رخ داد، عصر تمدن یا عصر آهن نامیده شد.

درباره عنصرآهن

آهن عنصر شیمیایی فلزی ای با نماد Fe، عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷٫۸۷g/cm3 است، آهن در گروه ۸ و دورهٔ ۴ عناصر است، بنابراین به عنوان فلز واسطه دسته‌بندی شده است. آهن و آلیاژهای آن از رایج‌ترین فلزات و رایج‌ترین مواد فرومغناطیسی در کاربردهای روزمره هستند. آهن دارای سطوح صاف و نقره ای براق مایل به رنگ خاکستری‌ست اما وقتی در هوا با اکسیژن ترکیب می‌شود به رنگ قرمز یا قهوه ای در می آید که به آنها اکسید درای ترکیبات آهن یا زنگ گفته می شود. کریستال‌های خالص آهن نرمه (نرم تر از آلمینیوم) و با اضافه کردن مقدار کمی ناخالصی مانند کربن مقدار قابل توجهی تقویت می شود. مقادیر مناسب و کمی (تا چند درصد) از فلزات دیگر و کربن، تولید فولاد می‌کند که می تواند ۱۰۰۰ بار سخت تر از آهن خالص باشد. Fe56 سنگین‌ترین ایزوتوپ پایدار (تولید شده توسط فرآیند آلفا در نکلئوسنتز استلار) است که با عناصر سنگین‌تر از آهن و نیکل برای تشکیلشان به سوپر نوا احتیاج دارند. آهن فراوان‌ترین عنصر در غول‌های قرمز است، و فراوان‌ترین فلز در شهاب‌سنگ‌ها و در هستهٔ فلزی متراکم در سیاراتی مثل زمین است.

ویژگی‌ها

آهن خالص فلز است، اما به ندرت در این شکل روی سطح زمین یافت می‌شود زیرا در حضور اکسیژن و رطوبت یه آسانی اکسیده می شود. به منظور به دست آوردن فلز آهن، اکسیژن باید از سنگ معدن‌های طبیعی توسط کاهش شیمیایی حذف شود – به طور عمده از سنگ آهن از سنگ Fe2O3 توسط کربن در درجه حرارت بالاست. خواص آهن را می توان با تولید آلیاژ هایی از آن با استفاده از فلزات متنوع گوناگون (و بعضی غیر فلزها به ویژه کربن و سیلیکون) اصلاح نمود و فولادها را ایجاد کرد. هستهٔ اتم‌های آهن دارای تقریبا بالاترین انرژی‌های اتصال در هر نکلئون است و تنها ایزوتوپ Ni62 دارای انرژی بیشتر از آن می باشد. هرچند فراوان‌ترین نوکلیدهای پایدار همان Fe56 می‌باشد، این آهن از طریق همجوشی هسته ای در ستاره‌های شکل گرفته است و اگرچه اندکی انرژی کمتر نیز از طریق سنتز کردن نیکل ۶۲ نیز استخراج می گردد. شرایط در ستارگان برای ایجاد این فرآیند مناسب نیست. توزیع عنصر آهن بر روی زمین بسیار بیشتر از نیکل است و احتمالا در تولید عنصر از طریق سوپر نوا نیز همینطور است. آهن (آهن Fe+2، یون فروس) عنصر ردیابی لازمی‌ست که تقریبا تمام موجودات زنده از آن استفاده می کنند. تنها استثناهای این موضوع چندین موجود زنده ای هستند که در محیط‌های فقیر از نظر آهن زندگی می کنند و به گونه ای تکامل یافته اند که عناصر گوناگونی را در فرآیندهای متابولیکشان مورد استفاده قرار دهند مثل منگنز به جای آهن برای تجزیه و یا هموسیانین به جای هموگلوبین. آنزیم‌های حاوی آهن معمولاً دارای گروه‌های هموپروستاتیک هستند که در تجزیهٔ واکنش‌های اکسیداسیون در زیست‌شناسی و در انتقال تعدادی از گازهای حل شدنی شرکت می کنند.

خواص مکانیکی

خواص مکانیکی و آلیاژهای آن با استفاده از آزمون‌های گوناگون مانند آزمون برنیل، راکول یا آزمایش‌های مقاومت کششی ارزیابی می‌شود، نتایج این قسمت‌ها به گونه ای با یکدیگر سازگارند که قسمت‌های آهن اغلب برای مرتبط نمودن نتایج یک تست با تست دیگر به کار می رود. اندازه گیری‌ها نشان می دهد که خواص مکانیکی آهن عمدتا بستگی به خلوص دارد به گونه ای که خالص‌ترین کریستال‌های تک آهن که برای مقاصد تحقیقاتی تولید شده اند از آلمینیوم نرم ترند، افزودن تنها ۱۰ قسمت در میلیون کربن مقاومتش را دو برابر می کند. سختی نیز به سرعت با افزایش مقدار کربن تا ۰/۲% و اشباع شده تقریبا در ۰/۶% به سرعت افزایش می یابد. خالص‌ترین آهن تولید شدهٔ صنعتی (تقریبا ۹۹/۹۹% خلوص) دارای سختی ۲۰-۳۰ برنیل است.

شکل مختلف

آهن شاید بهترین مثال شناخته شده از دگروارگی در یک فلز باشد، سه فرم چند شکلی از آهن وجود دارد که به نام‌های α ، ϒ و δ شناخته می شود همانطور که آهن ذوب شده سرد می‌شود در دمای ۱۵۳۸ درجهٔ سانتی گراد به آلوتروپ δ کریستالیزه می‌شود که دارای یک ساختمان کریستالی مکعبی مرکزی‌ست، همانطور که بیشتر سرد می‌شود ساختمان بلوری یا کریستالی در دمای ۱۳۹۴ درجهٔ سانتی گراد به شکل مکعبی وجه مرکزی تغییر می یابد که به نام آهن ϒ یا استنیت شناخته می‌شود، در دمای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد ساختمان بلوری یا کریستالی دوباره مکعبی بدنه مرکزی یا آهن α یا فریت می‌شود و در ۷۷۰ درجهٔ سانتی گراد (نقطهٔ کوری ، TC) آهن مغناطیسی می‌شود، هنگامی که آهن از دمای کوری عبور می‌کند تغییری در ساختمان کریستالی وجود ندارد اما در ساختمان حوزه تغییری رخ می دهد ( هر حوزه شامل اتم‌های آهن با یک اسپین الکترونیک خاص می باشد). در آهن غیر مغناطیسی شده همهٔ اسپین‌های الکترونیک اتم هادر یک حوزه در یک جهت قرار دارند هرچند در حوزهٔ مجاور آنها جهات متفاون و گوناگونی دارد و لذا یکدیگر را خنثی می کنند، در آهن مغناطیسی اسپین‌های الکترونیک همهٔ حوزه‌ها همجهت شده اند لذا اثرات مغناطیسی حوزه‌های مجاور همدیگر را تقویت می کنند اگر چه هر حوزه شامل بیلیون‌ها اتم است ولی آنها خیلی کوچک و در حدود ۱۰ میکرون می باشند. آهن وقتی با بعضی فلزات خاص دیگر و کربن مخلوط می‌شود تا فولاد را ایجاد نماید دارای بیشترین اهمیت خواهد بود، انواع مختلفی از فولاد وجود دارد که درای خواص متفاوتی می باشند و درک خواص آلوتروپ‌های آهن کلید ساخت فولاد هایی با کیفیت خوب می باشد. آهن α یا همان فریت پایدارترین شکل آهن در دمای اتاق است. این آهن فلز نسبتا نرمی‌ست که دارای مقدار کمی کرین ( نه بیش از ۰/۰۲۱% از جرم در ۹۱۰ درجهٔ سانتی گراد) می باشد. در دماهای بالای ۹۱۲ درجهٔ سانتی گراد و تا ۱۴۰۰ درجهٔ سانتی گراد آهن α یک انتقال فاز از حالت مکعب بدن مرکزی به حالت مکعب وجه مرکزی یعنی آهن ϒ را که استانیت نیز نامیده می‌شود تجربه می کند. این آهن نیز نرم است اما می تواند مقدار بسیار بیشتری کربن (به میزان ۲/۴% جرمی در دمای ۱۱۴۶ درجهٔ سانتی گراد) داشته باشد، این شکل آهن در فولاد ضد زنگ که برای ساختن کارد و چنگال، تجهیزات بیمارستان‌ها و صنایع غذایی به کار می رود استفاده می شود.

پیدایش

آهن ششمین عنصر از لحاظ فراوانی در جهان است که در آخرین کنش نکلئوسنتز در ستاره‌های بزرگ از طریق سیلیکون فیوزینگ ایجاد می‌شود در حالی که آهن حدود ۵% از پوستهٔ زمین را تشکیل می دهد، اعتقاد بر این است که هستهٔ زمین در حد زیادی از یک آلیاژ آهن-نیکل تشکیل شده است که ۳۵% جرم کل زمین را تشکیل می دهد، بنابر این آهن فراوانترین عنصر روی زمین است ولی در پوستهٔ زمین چهارمین عنصر از لحاظ فراوانی می باشد. بیشتر آهن پوسته به شکل ترکیبی با اکسیژن به صورت سنگ‌های معدنی اکسید آهن مثل هماتیت و مگنتیت یافت می شود. حدود یکی از بیست شهاب سنگ تنها از مواد معدنی آهن-نیکل تائنیت (۳۵-۸۰% آهن) و کاماسیت (۹۰-۹۵% آهن) تشکیل شده اند. اگر چه نادر، شهاب سنگ‌های آهنی بیشترین شکل آهن فلزی طبیعی در سطح زمین می باشند. تصور بر این است که رنگ قرمز سطح مریخ ناشی از رگولیت غنی اکسید آهن است.

تاریخچه

اولین آهن شکل گرفته که توسط نوع بشر در دورهٔ پیش از تاریخ مصرف شد از شهاب سنگ‌ها آمده بود. ذوب آهن در کوره‌ها در هزارهٔ دوم پیش از میلاد شروع شد، آثار مکشوفه از آهن ذوب شده از ۱۲۰۰-۱۸۰۰ پیش از میلاد در هند و در مشرق از حدود ۱۵۰۰ پیش از میلاد بدست آمد (که گمان می رود ناشی از ذوب آهن در آناتولی یا قفقاز بوده است). چدن برای اولین بار در حدود ۵۵۰ پیش از میلاد در چین تولید شد اما در اروپا تا سال‌های قرون وسطا تولید نشد، در طول دوران قرون وسطا ابزاری در اروپا کشف شد که از آهن شکل یافته از چدن (pig Iron) با استفاده از ریخته گری زیور آلات تولید شده بودند، برای تمام این فرآیندها از ذغال چوب به عنوان سوخت استفاده شد. فولاد (که با کربن کمتر از pig Iron است اما آهن شکل یافته بیشتری دارد) اولین بار در دوران باستان تولید شد. روش‌های تازهٔ تولید آن به وسیلهٔ میله‌های کربنیزه کردن آهن در فرآیند سیمانی کردن در قرن هفدهم بعد از میلاد ابداع شد. در انقلاب صنعتی روش‌های جدید تولید آهن بدون ذغال چوب ابداع شد و این روش‌ها بعداً در تولید فولاد مورد استفاده قرار گرفتند . در اواخر دههٔ ۱۸۵۰، هنری بسمر فرآیند جدیدی برای ساخت فولاد اختراع کرد که شامل دمیدن هوا از روی چدن مذاب برای تولید فولاد نرم بود. این فرآیند و دیگر فرآیندهای ابداع شده در قرن ۱۹ و بعد از آن منجر یه آن شد که دیگر آهن شکل یافته تولید نشود.

کانی‌ها

آهن در اغلب رسها، ماسه‌سنگها و گرانیت‌ها وجود دارد. در میان کانه‌های مهم آن می‌توان از هماتیت، مگنتیت، پیریت و کالکوپیریت را نام برد.

خواص فلزات آهنی

در این پست با خواص فلزات آهنی آشنا خواهید شد

مواد فلزات آهنی

فلزات عناصر شیمیایی مانند آهن، طلا یا آلومینیوم هستند که با حل شدن در محلول اسیدی خالص حامل بار مثبت می‏شوند و در هسته الکتریکی به سوی قطب منفی حرکت می‏کنند. بیشتر فلزات رساناهای خوبی برای گرما و الکتریسیته و عموماً سخت، سنگین و مقاوم هستند.

فلزات آهنی

در ساختمان فلزات آهنی عنصر آهن وجود دارد. ماشینکاران دیر زمانی است که با خاصیت های مفید آهن سروکار دارند.

آهن:

آهن خالص ( فریت ) عنصری نسبتاً نرم با ساختمان بلورین است. آهن خالص در ۱۵۲۷ درجه سانتیگراد به حالت جامد درمی‏آید و دما در طی زمان کوتاهی که بستگی به نرخ انجماد و جرم فلز دارد در این حد ثابت می‏ماند. سپس دما به ۸۹۸ درجه کاهش می‏یابد و در این حالت نیز وقفه دیگری در کاهش دما پیش می‏آید. با سرد شدن بیشتر تا ۷۶۹ درجه باز هم دما برای زمان کوتاهی ثابت می‏ماند. با کاستن دما از ۷۶۹ درجه سانتی گراد تا دمای محیط توقف دیگری در افت دما پیش نمی‏آید.

با سرد شدن آهن خالص تغییرات معینی در آن روی می‏دهد. آهن خالص چهار فاز جامد با خصوصیات فیزیکی متفاوت دارد.

فازهای آهن خالص عبارتند از:

 آهن آلفا:

این آهن نرم و مغناطیسی است و حلال کربن نیست. آهن آلفا در حد فاصل میان دمای محیط و ۷۶۹ درجه سانتی گراد پدید می‏آید.

 آهن بتا:

این فاز آهن در دماهای بالا دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفی است ولی در دماهای پایین خاصیت مغناطیسی ندارد. به شدت سخت و شکننده است و تقریباً اثری بر کربن ندارد. آهن بتا بین ۷۶۹ تا ۸۹۸ درجه سانتیگراد به وجود می‏آید.

 آهن گاما:

در این فاز آهن آماده حل کردن کربن است و حلالیت آن با افزایش دما بیشتر می‏شود. اگر سرد شدن آهن گاما همراه با عبور سریع از نقطه بحرانی باشد گذار آن از آهن گامای سخت به آهن آلفای نرم به تعویق می‏افتد. بنابراین در این حالت آهن از نظر سختی ناپایدار و آماده تبدیل به فاز نرم آلفاست.

به نظر می‏رسد وجود مواد خارجی مانند کربن، نیکل و منگنز مقاومت آهن گاما را نسبت به تبدیل شدن به آهن آلفا افزایش می‏دهد و به این ترتیب آهن گاما در دماهای پایین مقاومتر و پایدارتر خواهد بود.

از طرف دیگر وجود کرم، تنگستن، آلومینیوم، سیلیکون، فسفر، آرسنیک و گوگرد، گذار آهن سخت بتا به آهن نرم آلفا را ساده می‏کند. از نظر سختی آهن گاما در میان آهن آلفا و آهن بتا قرار دارد. آهن گاما در حد فاصل دماهای ۸۹۸ و ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد تشکیل می‏شود.

 آهن دلتا:

این گونه آهن کاربرد بسیار کمی دارد. آزاد شدن حرارت در ۱۴۰۱ درجه سانتیگراد نشانه تغییر ساختمان داخلی فلز در گذار از فاز دلتا به فاز گاماست. نقطه بحرانی در ۱۴۰۱ درجه آشکار می‏شود و بنابراین در بالا و پایین نقطه بحرانی فازهای مختلف آهن تشکیل می‏شوند. آهن دلتا در حد فاصل دماهای ۱۴۰۱ و ۱۵۲۸ درجه سانتیگراد به وجود می‏آید.

آهن خام:

ترکیبی از آهن، کربن و سیلیکون، گوگرد، فسفر و منگنز است. مقدار کربن موجود در آهن خام ۲ تا ۵/۴ درصد است که به دو صورت شکل می‏گیرد، بخشی به صورت محلول یا ترکیبی و بخش دیگر در سراسر جرم فلز به شکل گرافیت یا کربن غیرترکیبی پخش می‏شود.

چدن:

چدن با فشار شکل نمی‏گیرد و با نورد و کشش به شکلهای مفید درنمی‏آید. این آهن در واقع آهن خام است که دوباره ذوب شده است. مقدار کربن موجود در چدن بیش از ۲ درصدی است که به این ترتیب فلز چدن در هیچ دمایی چکشخوار نیست. چدن در صنایع ریخته‏گری کاربرد فراوان دارد و دارای چهار نوع است:

 چدن خاکستری:

این نوع چدن در ریخته‏گری معمولی بیشترین کاربرد را دارد. این چدنِ نرم دارای درصد بالایی از گرافیت است که موجب سفتی و از سوی دیگر مقاومت کششی اندک آن می‏شود. چدن خاکستری در هنگام شکست با دانه‏بندی درشت به رنگ تیره یا خاکستری می‏گسلد. این رنگ ناشی از ورقه‏های پهن گرافیت است که در سراسر ماده پخش شده‏اند. اگر ورقه‏های گرافیت بزرگ و فراوان باشند مقاومت کششی چدن اندک است. اندازه و مقدار ورقه‏های گرافیت از چگونگی شکل‏گیری آنها در هنگام انجماد تأثیر می‏پذیرد. اگر سرعت انجماد زیاد باشد کربن کمتری به شکل گرافیت جدا می‏شود. بنابراین سختی ماده بر اثر افزایش میزان کربن ترکیبی زیاد می‏شود. چدن خاکستری دارای ۵/۲ تا ۵/۳ درصد کربن است.

 چدن سفید:

آهن با درصد کربن کم (۲ تا ۵/۲ درصد) آهن سفید نامیده می‏شود. این آهن در تمام طول ریخته‏گری کربن ترکیبی خود را کاملاً حفظ می‏کند و بنابراین گرافیت تشکیل نمی‏شود. در نتیجه آهن حاصل از ریخته‏گری بسیار سخت و شکننده خواهد بود. از آهن سفید هنگامی برای ساخت قطعات ماشین استفاده می‏شود که مطلوب، سختی باشد و شکنندگی مسأله‏ای ایجاد نکند.

اگر گرافیت هم کم‏وبیش تشکیل شود لخته‏های تیره‏ای در آهن سفید مشاهده خواهد شد و در این مناطق سختی کاهش می‏یابد. این آهن، چدن خالدار نامیده می‏شود.

 چدن چکشخوار:

برای ساخت قطعات پیچیده دستگاه ها و در مواردی که نرمش ماده ضرورت داشته باشد از چدن چکشخوار بیش از گونه‏های دیگر استفاده می‏شود. قطعات ریختگی ساخته شده از چدن چکشخوار را می‏توان در محدوده تحمل این ماده بدون ایجاد شکستگی خم کرد.

قطعات ریختگی از چدن سفید سخت و شکننده ساخته می‏شوند و پس از فرایند تافتن تبدیل به چدن چکشخوار می‏شوند. در فرایند تافتن کربن اضافی بر اثر عملیات حرارتی طولانی در دمای ۸۹۹ درجه سانتی گراد حذف می‏شود. با گذشت چند ساعت کربن گرافیتی جذب و چدن به گونه‏ای فولاد تبدیل می‏شود.

 آهن چکشخوار:

بنابر تعریف این ماده نوعی فولاد کم کربن است که مقدار زیادی سرباره دارد. آهن چکشخوار از نظر روش ساخت با فولاد فرق دارد و فرق آن در این است که هنگام تولید کاملاً ذوب نمی‏شود. این آهن دارای ۱ تا ۲ درصد سرباره است. برای تولید آهن چکشخوار از آهن سفید استفاده می‏شود و ناخالصی ها در فرایند همزنی حذف می‏شوند.

با وجود گوگرد آهن چکشخوار شکننده و بر اثر حرارت سرخ‏شکن می‏شود. فسفر در دمای معمولی موجب سردشکنندگی آهن می‏شود. آهن چکشخوار در ۸۷۰ درجه سانتی گراد نرم و قابل جوشکاری است و در دماهای پایینتر نیز همچنان امکان چکش‏کاری آن وجود دارد.