كربنة الفولاذ: هي  عملية تتضمّن إضافة الكربون إلى الحديد لصنع الفولاذ مما يجعله أقوى وأكثر صرامة. ويعدّ الفولاذ الكربوني ( الصلب الكربوني) عبارة عن سبيكة حديدية كربونية تحتوي على 2.1٪ بالوزن من الكربون، ولا يوجد حد أدنى للمحتوى المحدد لعناصر السبائك الأخرى، ومع ذلك فإنّها غالبًا ما تحتوي على المنغنيز. يجب أن يكون الحد الأقصى لمحتوى المنجنيز والسيليكون والنحاس أقل من 1.65٪ بالوزن، و0.6٪ بالوزن، و 0.6٪ بالوزن  على التوالي.

يتم تصنيع الفولاذ البكر من خلال الجمع بين خام الحديد وفحم الكوك (الذي ينتج عن طريق تسخين الفحم في غياب الهواء) والجير في فرن الانفجار عند حوالي 1650 درجة مئوية. يتم إثراء الحديد المنصهر المستخرج من خام الحديد بالكربون من فحم الكوك المحترق. تتحد الشوائب المتبقية مع الجير لتشكيل الخبث، الذي يطفو فوق المعدن المنصهر حيث يمكن استخراجه.

يحتوي الفولاذ المصهور الناتج على حوالي 4٪ بالوزن من الكربون. يتم بعد ذلك تقليل محتوى الكربون إلى الكمية المطلوبة في عملية تسمى إزالة الكربنة. ويتحقق ذلك عن طريق تمرير الأكسجين من خلال المادة المنصهرة، التي تؤكسد الكربون في الفولاذ، وتنتج أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.

أنواع الصلب الكربوني وخصائصه:

يمكن تصنيف الفولاذ الكربوني إلى ثلاث فئات وفقًا لمحتواه من الكربون:

  • الفولاذ منخفض المحتوى من الكربون: هو الشكل الأكثر استخدامًا من الفولاذ الكربوني. عادةً ما يكون محتوى هذا الفولاذ من الكربون أقل من 0.25٪ بالوزن. لا يمكن تجميده بالمعالجة الحرارية. عادةً ما يكون فولاذ الكربون هذا ناعمًا نسبيًا ولكن قوّته منخفضة، ومع ذلك، فإن لديه ليونة عالية، مما يجعله ممتازًا للقطع واللحام بالإضافة إلى تكلفتة المنخفضة. غالبًا ما يتم تصنيف الفولاذ عالي القوة منخفض السبائك (HSLA) على أنه فولاذ منخفض الكربون، ومع ذلك فإنه يحتوي أيضًا على عناصر أخرى مثل النحاس والنيكل والفاناديوم والموليبدينوم. وتشكل هذه العناصر مجتمعة ما يصل إلى 10٪ بالوزن من محتوى الفولاذ. الفولاذ عالي القوة منخفض السبيكة كما يوحي الاسم، لديه نقاط قوة أعلى والتي يتم تحقيقها عن طريق المعالجة الحرارية. كما أنه يحتفظ بالليونة، مما يجعله قابلًا للتشكيل، كما أنه أكثر مقاومة للتآكل من الفولاذ العادي منخفض الكربون.
  • معدن الفولاذ متوسط المحتوى من الكربون: يحتوي على الكربون بمعدل  0.25 – 0.60٪ بالوزن ومحتوى المنغنيز من 0.60 – 1.65٪ بالوزن. يتم تحسين الخواص الميكانيكية لهذا الفولاذ عن طريق المعالجة الحرارية التي تنطوي على التحصين الذاتي متبوعة بالتبريد والتلطيف ، مما يمنحهم بنية مجهرية مارتينية
    تتمتع الصلب المتوسطة الكربون المتصلدة بقوة أكبر من الفولاذ منخفض الكربون لكن ذلك  يأتي على حساب الليونة والمتانة.
  • الفولاذ عالي المحتوى من الكربون: يحتوي على على محتوى كربون من 0.60 – 1.25٪ بالوزن ومحتوى المنغنيز من 0.30 – 0.90٪ بالوزن. لديها أعلى صلابة وصلابة من الفولاذ الكربوني وأقل ليونة. الفولاذ عالي الكربون مقاوم للتآكل للغاية نظرًا لحقيقة أنه غالبًا ما يكون صلبًا للغاية.

أمثلة وتطبيقات
الفولاذ منخفض الكربون:
غالبًا ما يستخدم الفولاذ منخفض الكربون في مكونات جسم السيارة، والأشكال الهيكلية مثل العوارض، والأنابيب، ومكونات البناء والجسور، وعلب الطعام.
الفولاذ متوسط الكربون:
نتيجة لقوته العالية ومقاومته للتآكل ومتانته، غالبًا ما يتم استخدامه في مسارات السكك الحديدية وعجلات القطار وأعمدة الكرنك والتروس وأجزاء الآلات التي تتطلب هذا المزيج من الخصائص.
الفولاذ عالي الكربون:
نظرًا لمقاومته العالية للتآكل والصلابة، يتم استخدام الفولاذ عالي الكربون في أدوات القطع وفي الأسلاك عالية القوة.

أكمل القراءة

يعتبر الفولاذ من المعادن الأكثر استخداماً في الآونة الأخيرة، فهو رخيص ومقاوم ومناسب لعدد كبير من المجالات، ويبلغ الإنتاج العالمي منه حوالي 750 طن سنويّاً حيث يحتل المرتبة الثانية بعد الإسمنت في السلع الأكثر مبيعاً حول العالم، ويتم تصنيع الفولاذ بطريقة بسيطة نسبيّاً، وباستخدام كمية محدودة من الطاقة، وذلك عن طريق عمليّة تُدعى كربنة الفولاذ.

كربنة الفولاذ تعني تسخين الحديد الخام وإزالة الشوائب منه، ثم إضافة الكربون إليه، وبعد ذلك يتم تمرير كمية من الأوكسجين على الفولاذ المنصهر لتقليل تركيز الكربون فيه، والحصول على النسبة المطلوبة (إزالة الكربنة).

يعتبر الحديد رابع أكثر العناصر وفرةً في الطبيعة، ويشكّل أكثر من 5% من عناصر القشرة الأرضيّة، وقد بدأ استعمال الحديد من قبل الإنسان في حوالي عام 2000 قبل الميلاد في جنوب غرب ووسط آسيا، وكان ذلك بمثابة العصر الحديدي الذي شهد استبدال البرونز بالحديد، وتم استخدامه على نطاق واسع في صناعة أدوات الزراعة والصناعة وأسلحة الصيد، ثم تطوّرت صناعة الحديد في العصور الوسطى فأصبح الحدادون يستخدمون درجات حرارة أعلى في صناعته.

وقد أُطلق على حديد العصور الوسطى الحديد الزهري الذي كان يتمتع بصلابة كبيرة ومطاوعة مناسبة أيضاً، ومع مرور الزمن وتطوّر الصناعات وتقدمها تم صنع سبائك الفولاذ الحاوية على الحديد والكربون وكميات قليلة من عناصر أخرى كالسيليكون والفوسفور والكبريت والأوكسجين.

يُصنع الفولاذ في الفرن العالي الذي تم اختراعه من قبل هنري بسمر في منتصف خمسينات القرن التاسع عشر، حيث يتم إدخال الحديد الخام وفحم الكوك (مصدر الكربون)، والحجر الجيري في الفرن من فتحة علويّة، وتزداد درجة حرارة الفرن بالاتجاه من الأعلى إلى الأسفل (قد تصل إلى 3000 فهرنهايت)، وبعد التسخين تنتشر الغازات في القسم العلوي من الفرن، بينما تتراكم الشوائب في القسم السفلي منه.

يُقسم الفولاذ حسب نسبة الكربون فيه إلى ثلاثة أنواع، وهما:

  • فولاذ منخفض المحتوى من الكربون: يحتوي هذا النوع على نسبة من الكربون تتراوح بين 0.04%-0.30%، يُطلق عليه اسم الفولاذ الطري حيث يتميّز بليونته الكبيرة وقابليته للطرق واللحام، وتنتمي الكثير من أشكال الفولاذ المستخدمة إلى هذا النوع كأجسام السيارات ومواد البناء والجسور والعلب المعدنيّة، وذلك نظراً لتوافره الكبير وسعره المناسب (قليل التكلفة)، وقد تتم إضافة عناصر أخرى (الألمنيوم والمنغنيز) إلى الفولاذ الطريّ للحصول على صفات معيّنة مطلوبة.
  • فولاذ متوسط المحتوى من الكربون: يحتوي على نسبة من الكربون تتراوح بين 0.31%-0.60%، كما يحتوي على نسبة من المنغنيز تتراوح بين 0.060%-1.60%، ويُعتبر هذا النوع أكثر صلابة من الفولاذ منخفض الكربون، وأكثر صعوبة في التشكيل والقطع واللحام، كما يتم اللجوء إلى معاملته بالحرارة للحصول على صفات معيّنة مطلوبة، ويُستخدم بشكل خاص في صناعة سكك القطارات وعجلاتها، والتروس وأدوات القتال اليدويّة.
  • فولاذ مرتفع المحتوى من الكربون: يتراوح معدل الكربون فيه بين 0.61% و1.50%، ويتفوق هذا النوع على باقي الأنواع بالصلابة والمقاومة، إلا أنه أقل قابليّة للطرق والقطع واللحام، كما يتميّز بمقاومته العالية للتآكل والتلف، ويستخدم هذا النوع في صناعة الأسلاك المعدنيّة وآلات اللحام.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما معنى كربنة الفولاذ"؟