المعادن الحديدية: الهيكل والأنواع والخصائص والمثال

المعادن الحديدية هي تلك التي تحتوي على الحديد (الحديد) ، وكذلك كميات صغيرة من المعادن الأخرى التي تمت إضافتها لإعطاء بعض الخصائص المفيدة لسبائكها. على الرغم من إمكانية وجود الحديد في حالات الأكسدة المختلفة ، إلا أن + 2 (حديدية) و +3 (حديديك) هما الأكثر شيوعًا.

ومع ذلك ، يشير المصطلح "حديدية" إلى وجود الحديد بغض النظر عن حالة الأكسدة في المادة. الحديد هو العنصر الرابع الأكثر وفرة في قشرة الأرض ، لكنه على المستوى العالمي هو العنصر الأرضي الرئيسي. لذلك ، فإن المعادن الحديدية تاريخيا وصناعا كان لها دور في تطور الإنسان.

كان هذا هو الحال بسبب وفرة كبيرة وخصائص قابلة للتعديل. تبدأ هذه المعادن الحديدية من استخلاص الحديد من المصادر المعدنية ، مثل: الهيماتيت (Fe ₂ O ₃ ) ، المغنتيت (Fe ₃ O ₄ ) و siderite (FeCO ₃ ). بسبب المحصول ، هذه الأكاسيد مرغوبة أكثر في معالجة الحديد.

تُظهر الصورة العليا "لسان النار" المتوهج من الحديد الزهر. من بين جميع المعادن الحديدية ، يتكون أهمها من سبيكة حديدية تحتوي على كميات صغيرة من الكربون المُضاف: الصلب.

هيكل

نظرًا لأن الحديد هو المكون الرئيسي للمعادن الحديدية ، فإن هياكلها تتكون من تشوهات بلورية لمادة صلبة نقية.

وبالتالي ، فإن السبائك الحديدية مثل الصلب ليست أكثر من التضمين الخلالي للذرات الأخرى في الترتيب البلوري للحديد.

ما هو هذا الترتيب؟ الحديد يشكل allotropes (هياكل صلبة مختلفة) وفقا لدرجة الحرارة التي يتعرض لها ، وتغيير خصائصه المغناطيسية. وبالتالي ، فإنه في درجة حرارة الغرفة ، يقدم صفيفًا مخفيًا ، يُعرف أيضًا باسم alpha-iron (المكعب على الصورة اليسرى العلوية).

ومع ذلك ، في نطاق درجات الحرارة المرتفعة (912-1394 (درجة مئوية)) ، يُظهر الترتيب ccp أو fcc: غاما الحديد (المكعب الموجود على اليمين). بمجرد تجاوز درجة الحرارة هذه ، يعود الحديد إلى شكل مخبأ ليذوب أخيرًا.

يُعرف هذا التغيير في بنية alpha-gamma باسم تحويل الطور. طور جاما قادر على "حبس" ذرات الكربون ، في حين أن طور ألفا لا.

وبالتالي ، في حالة الفولاذ ، يمكن تصور هيكلها على شكل مجموعات من ذرات الحديد المحيطة بذرة الكربون.

وبهذه الطريقة ، يعتمد هيكل المعادن الحديدية على توزيع أطوار الحديد وذرات الأنواع الأخرى في المادة الصلبة.

الخصائص والخصائص

الحديد النقي هو معدن ناعم وطويل الدنتايل ، شديد الحساسية للتآكل وأكسدة العوامل الخارجية. ومع ذلك ، عندما يتضمن نسبًا مختلفة من معدن أو كربون آخر ، فإنه يكتسب خصائص وخصائص جديدة.

في الواقع ، فإن هذه التغييرات هي التي تجعل المعادن الحديدية مفيدة للتطبيقات التي لا تعد ولا تحصى.

السبائك الحديدية مقاومة بشكل عام ودائم ومتين ، بألوان رمادية زاهية وبخصائص مغناطيسية.

أمثلة

الحديد المطاوع أو الحلو

أنه يحتوي على نسبة الكربون أقل من 0.03 ٪. إنه لون فضي ، يتأكسد بسهولة ويتشقق داخليًا. بالإضافة إلى ذلك ، إنه مطيل و قابل للتشكيل ، موصل جيد للكهرباء و يصعب اللحام به.

إنه نوع من المعادن الحديدية التي استخدمها الإنسان لأول مرة في صناعة الأسلحة والأواني والمنشآت. المستخدمة حاليا في لوحات ، والمسامير ، المشابك ، الخ بما أنه موصل كهربائي جيد ، فهو يستخدم في قلب المغناطيس الكهربائي.

الحديد في الخام أو الحديد الزهر

في المنتج الأولي من أفران الصهر ، فإنه يحتوي على 3-4 ٪ من الكربون وآثار العناصر الأخرى مثل السيليكون والمغنيسيوم والفوسفور. استخدامه الرئيسي هو التدخل في إنتاج المعادن الحديدية الأخرى.

الحديد النقي

إنه معدن أبيض رمادي اللون ذو خصائص مغناطيسية. على الرغم من صلابتها فهي هشة وهشة. درجة انصهارها عالية (1500 درجة مئوية) وتتأكسد بسرعة.

إنه موصل كهربائي جيد ، لذلك يستخدم في المكونات الكهربائية والإلكترونية. بالنسبة للبقية ، فهي ذات فائدة قليلة.

الحديد الزهر أو الحديد الزهر (المسابك)

لديهم نسبة عالية من الكربون (بين 1.76 ٪ و 6.67 ٪). إنها أصعب من الفولاذ ولكنها أكثر هشاشة. يذوب في درجة حرارة أقل من الحديد النقي ، حوالي 1100 درجة مئوية.

لأنه قابل للتشكيل ، يمكن تصنيع قطع من أحجام مختلفة وتعقيد معها. يستخدم الحديد الزهر من النوع الرمادي في هذا النوع من الحديد ، مما يمنحه الثبات والعفن.

لديهم مقاومة أكبر للتآكل من الفولاذ. بالإضافة إلى ذلك ، فهي رخيصة وكثيفة. أنها توفر سيولة في درجات حرارة منخفضة نسبيا ، والقدرة على ملء القوالب.

أيضا ، لديهم خصائص ضغط جيدة ، لكنها هشة وتنكسر قبل الانحناء ، وبالتالي فهي ليست مفيدة للقطع المعقدة جدا.

الحديد الرمادي

هذا هو الحديد الزهر الأكثر شيوعا ، هوى الرمادي بسبب وجود الجرافيت. لديها تركيز الكربون بين 2.5 ٪ و 4 ٪. بالإضافة إلى ذلك ، أنه يحتوي على 1-3 ٪ سيليكون لتحقيق الاستقرار في الجرافيت.

ويعرض العديد من سمات الحديد الزهر الأساسية ، كونها ذات سيولة عالية. انها غير مرنة وينحني قبل فترة وجيزة من الانهيار.

حديد الدكتايل

يضاف الكربون ، في شكل جرانيت كروي ، بتركيز يتراوح بين 3.2 ٪ و 3.6 ٪. يمنحها الشكل الكروي للجرافيت مقاومة أكبر للتأثيرات والقدرة على التحمل مقارنةً بالحديد الرمادي ، والذي يسمح باستخدامه في تصميمات مفصلة وحدود.

الفولاذ

محتوى الكربون بين 0.03 ٪ و 1.76 ٪. ومن بين صفاته الصلابة والمثابرة ومقاومة الجهود البدنية. بشكل عام ، أنها تتأكسد بسهولة. فهي قابلة للحام ويمكن معالجتها في الصياغة أو ميكانيكيا.

أيضا ، لديهم صلابة أكبر وسيولة أقل من الحديد الزهر. لهذا السبب يحتاجون إلى درجات حرارة عالية لتدفق في القوالب.

الصلب وتطبيقاتها

هناك عدة أنواع من الفولاذ ، لكل منها تطبيقات مختلفة:

الكربون الصلب أو البناء

يمكن أن يتفاوت تركيز الكربون ، مكونًا أربعة أشكال: الفولاذ الطري (0.25٪ من الكربون) ، والصلب شبه الحلو (0.35٪ من الكربون) ، والصلب شبه الصلب (0.45٪ من الكربون) والصلب (0.5٪) ).

يتم استخدامه في صناعة الأدوات ، صفائح الفولاذ ، عربات السكك الحديدية ، المسامير ، البراغي ، السيارات والقوارب.

السيليكون الصلب

وتسمى أيضا الصلب الكهربائية أو الصلب المغناطيسي. يتراوح تركيز السيليكون بين 1 ٪ و 5 ٪ ، ويتراوح Fe بين 95 ٪ و 99 ٪ ، والكربون لديه 0.5 ٪.

بالإضافة إلى ذلك ، تتم إضافة كميات بسيطة من المنجنيز والألومنيوم. لديها صلابة كبيرة ومقاومة كهربائية عالية. يتم استخدامه في تصنيع المغناطيس والمحولات الكهربائية.

الصلب المجلفن

إنه مغطى بطبقة زنك تحميها من الأكسدة والتآكل. لذلك ، إنه مفيد لتصنيع قطع الأنابيب والأدوات.

الفولاذ المقاوم للصدأ

لديها تكوين من الكروم (14-18 ٪) ، ني (7-9 ٪) ، الحديد (73-79 ٪) و C (0.2 ٪). إنه مقاوم للأكسدة والتآكل. يتم استخدامه في إنتاج أدوات المائدة وكذلك قطع المواد.