المعادن الحديدية: الهيكل والأنواع والخصائص - كيمياء - 2024

و المعادن الحديدية هي تلك التي تحتوي على الحديد (الحديد)، وكذلك كميات صغيرة من المعادن الأخرى التي تمت إضافتها إلى إعطاء بعض الخصائص المفيدة لسبائكه. على الرغم من أن الحديد يمكن أن يوجد في حالات أكسدة مختلفة ، فإن +2 (حديدي) و +3 (حديديك) هما الأكثر شيوعًا.

ومع ذلك ، فإن مصطلح "حديدية" يشير إلى وجود الحديد بغض النظر عن حالة الأكسدة في المادة. الحديد هو رابع أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية ، ولكنه عنصر الأرض الرئيسي على مستوى العالم. لذلك ، تاريخيًا وصناعيًا ، شاركت المعادن الحديدية 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) والمغنتيت (Fe ₃ O ₄) والسيدريت (FeCO ₃). نظرًا للأداء ، فإن هذه الأكاسيد هي الأكثر رغبة في معالجة الحديد.

تُظهر الصورة العلوية ساطعًا من الحديد الزهر "لسان نار". من بين جميع المعادن الحديدية ، يتألف الأهم من سبيكة حديد تحتوي على كميات صغيرة من الكربون المضاف: الفولاذ.

بناء

لأن الحديد هو المكون الرئيسي للمعادن الحديدية ، تتكون هياكلها من تشوهات بلورية لصلبها النقي.

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

ما هذا الترتيب؟ يشكل الحديد متآصلات (هياكل صلبة مختلفة) اعتمادًا على درجة الحرارة التي يتعرض لها ، ويغير خصائصه المغناطيسية. وبالتالي ، في درجة حرارة الغرفة ، فإنها تقدم ترتيبًا مخفيًا ، يُعرف أيضًا باسم حديد ألفا (المكعب على الصورة اليسرى ، العلوية).

من ناحية أخرى ، في نطاق درجات الحرارة المرتفعة (912-1394 (درجة مئوية)) ، فإنه يظهر الترتيب ccp أو fcc: جاما الحديد (المكعب الموجود على اليمين). بمجرد تجاوز درجة الحرارة هذه ، يعود الحديد إلى شكل مخفي ليذوب أخيرًا.

يُعرف هذا التغيير في بنية ألفا جاما بتحول الطور. طور جاما قادر على "حبس" ذرات الكربون ، بينما طور ألفا ليس كذلك.

وبالتالي ، في حالة الفولاذ ، يمكن تصور هيكله كمجموعات من ذرات الحديد المحيطة بذرة كربون.

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

الخصائص والخصائص

الحديد النقي هو معدن ناعم ومطاطي للغاية ، وحساس للغاية للتآكل والأكسدة من العوامل الخارجية. ومع ذلك ، عندما يتضمن نسبًا مختلفة من معدن أو كربون آخر ، فإنه يكتسب خصائص وخصائص جديدة.

في الواقع ، هذه التغييرات هي التي تجعل المعادن الحديدية مفيدة لعدد لا يحصى من التطبيقات.

تتميز السبائك الحديدية بأنها قوية ومتينة وقوية بشكل عام ، ولها ألوان رمادية زاهية وخصائص مغناطيسية.

أمثلة

الحديد المطاوع أو الحلو

يحتوي على نسبة كربون أقل من 0.03٪. إنه فضي اللون ، ويصدأ بسهولة ويتشقق داخليًا. بالإضافة إلى ذلك ، فهو مطيل وقابل للتشكيل ، وموصل جيد للكهرباء ويصعب لحامه.

إنه نوع المعدن الذي استخدمه الإنسان لأول مرة في صناعة الأسلحة والأواني والمباني. يتم استخدامه حاليًا في اللوحات والمسامير والتعريشات وما إلى ذلك. نظرًا لأنه موصل كهربائي جيد ، فإنه يستخدم في قلب المغناطيسات الكهربائية.

حديد خشن أو حديد زهر

في منتج الفرن العالي الأولي ، يحتوي على 3-4٪ كربون وآثار من عناصر أخرى مثل السيليكون والمغنيسيوم والفوسفور. استخدامه الرئيسي هو التدخل في إنتاج المعادن الحديدية الأخرى.

حديد نقي

وهو معدن أبيض مائل للرمادي بخصائص مغناطيسية. على الرغم من صلابته ، فهو هش وهش. درجة انصهارها عالية (1500 درجة مئوية) وتتأكسد بسرعة.

إنه موصل كهربائي جيد ، ولهذا يتم استخدامه في المكونات الكهربائية والإلكترونية. وإلا فهي قليلة الفائدة.

الحديد الزهر أو الزهر (المسابك)

تحتوي على نسبة عالية من الكربون (بين 1.76٪ و 6.67٪). إنها أصلب من الفولاذ ولكنها أكثر هشاشة. تذوب عند درجة حرارة أقل من الحديد النقي ، حوالي 1100 درجة مئوية.

نظرًا لأنه قابل للتشكيل ، يمكن استخدامه لتصنيع قطع ذات أحجام ودرجات مختلفة. في هذا النوع من الحديد ، يتم استخدام الحديد الزهر الرمادي ، مما يمنحه الاستقرار والقابلية للتشكيل

لديهم مقاومة أعلى للتآكل من الفولاذ. كما أنها رخيصة الثمن وكثيفة. إنها تقدم سيولة في درجات حرارة منخفضة نسبيًا ، لتكون قادرة على ملء القوالب.

كما أنها تتمتع بخصائص ضغط جيدة ، ولكنها هشة وتنكسر قبل الانحناء ، لذا فهي غير مناسبة للقطع المعقدة للغاية.

الحديد الرمادي

إنه الحديد الزهر الأكثر شيوعًا ، ولونه الرمادي يرجع إلى وجود الجرافيت. له تركيز كربون بين 2.5٪ و 4٪ ؛ بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي على 1-3٪ سيليكون لتثبيت الجرافيت.

لها العديد من سمات الحديد الزهر الأساسي ، كونها شديدة السيولة. إنه غير مرن وينحني قبل وقت قصير من الانكسار.

حديد الدكتيل

يضاف الكربون على شكل جرانيت كروي بتركيز يتراوح بين 3.2٪ و 3.6٪. يمنحه الشكل الكروي للجرافيت مقاومة أكبر للتأثير وقابلية للتطويع مقارنة بالحديد الرمادي ، مما يسمح باستخدامه في تصميمات مفصلة وحواف.

فولاذ

محتوى الكربون بين 0.03٪ و 1.76٪. من بين صفاته الصلابة والمثابرة ومقاومة الجهود البدنية. بشكل عام تصدأ بسهولة. إنها قابلة للحام ويمكن معالجتها في الطرق أو ميكانيكيًا.

لديهم أيضًا صلابة أكبر وسيولة أقل من مكاوي الصب. لهذا السبب يحتاجون إلى درجات حرارة عالية للتدفق في القوالب.

الصلب وتطبيقاته

هناك عدة أنواع من الفولاذ ، ولكل منها تطبيقات مختلفة:

الكربون أو الصلب الإنشائي

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

يتم استخدامه في صناعة الأدوات والألواح الفولاذية ومركبات السكك الحديدية والمسامير والبراغي والسيارات والقوارب.

صلب السيليكون

ويسمى أيضًا الفولاذ الكهربائي أو الفولاذ المغناطيسي. يتراوح تركيز السيليكون فيه بين 1٪ و 5٪ ، ويتراوح الحديد بين 95٪ و 99٪ ، والكربون 0.5٪.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم إضافة كميات صغيرة من المنجنيز والألمنيوم. لها صلابة كبيرة ومقاومة كهربائية عالية. يتم استخدامه في صناعة المغناطيس والمحولات الكهربائية.

الصلب المجلفن

مغطاة بطبقة من الزنك تحميها من الصدأ والتآكل. لذلك ، فهي مفيدة لتصنيع قطع الأنابيب والأدوات.

ستانلس ستيل

يتكون من Cr (14-18٪) ، Ni (7-9٪) ، Fe (73-79٪) و C (0.2٪). إنه مقاوم للصدأ والتآكل. يتم استخدامه في إنتاج أدوات المائدة وكذلك في صناعة مواد القطع.

فولاذ المنغنيز

يتكون من Mn (10-18٪) ، Fe (82-90٪) و C (1.12٪). إنه صعب ومقاوم للارتداء. تستخدم في السكك الحديدية والخزائن والدروع.

الفولاذ المقاوم للصدأ

يحتوي على 36٪ نيكل ، 64٪ حديد و 0.5٪ كربون. لها معامل توسع منخفض. يتم استخدامه في بناء جداول المؤشر ؛ على سبيل المثال: شريط قياس.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. الطبعة الثامنة ، تعلم CENGAGE.
2. مشرف. (19 سبتمبر 2017). ما هو الحديد ، من أين يأتي وكم عدد أنواع الحديد الموجودة. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 ، من: termiser.com
3. ويكيبيديا. (2018). حديد. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 من: en.wikipedia.org
4. المعادن. الخصائص العامة. استخراج وتصنيف المعادن. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 من: edu.xunta.gal
5. خوسيه فيرير. (يناير 2018). التوصيف المعدني للمواد الحديدية وغير الحديدية. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 ، من: steemit.com
6. مقالات ، المملكة المتحدة. (نوفمبر 2013). الهياكل الأساسية للمعادن الحديدية. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 من: ukessays.com
7. كدانغ. (7 يوليو 2011). الحديد ألفا والحديد جاما.. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 من: commons.wikimedia.org
8. Włodi. (15 يونيو 2008). الضفائر الفولاذ المقاوم للصدأ.. تم الاسترجاع في 22 أبريل 2018 من: commons.wikimedia.org