الفرق بين الحديد والفولاذ
يعدُّ كلٌّ من الحديد والفولاذ من المعادن المتينة التي تُستخدَم في الصناعات، وهما يتشابهان في بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية، وهذا ما يجعل معظم الأشخاص يخطئون في التمييز بينهما، وعلى الرغم من القواسم المشتركة بين الحديد والفولاذ وعلى الرغم من كون الحديد مكوناً أساسياً من مكونات الفولاذ، إلا أنَّ الفرق بينهما فرق واضح، فهما يختلفان في الرمز والكثافة والوزن الذري ودرجة الانصهار وكثير كثير من النقاط الأخرى، وفي هذا المقال سنسلط الضوء على هذه الفوارق، فنتحدَّث بالتفصيل عن الفرق بين الحديد والفولاذ، فأهلاً بقراءتكم.
ما هو الفرق بين الحديد والفولاذ؟
سنوضح في بادئ الأمر خطوط عريضة عن الفرق بين الحديد والفولاذ، وسيساعدك هذا على إدراك حجم الاختلاف الكبير بينهما، ونبدأ باستعراض معلومات عن الحديد:
رمز الحديد في الجدول الدوري: Fe.
الكثافة: 7700 كغم/م3.
الوزن الذري: 55.847.
الرقم الذري: 26.
الوزن النوعي: 7.86.
درجة الانصهار: 1535 درجة سلسيوس.
درجة الغليان: 2750 درجة سلسيوس.
يعد الحديد من أكثر العناصر المتوفرة في الطبيعة، ويحتل المرتبة الرابعة بين العناصر من ناحية نسبة وجوده في القشرة الأرضية، وينتشر وجوده على شكل أكاسيد.
يصنف الحديد من الفلزات وهو فلز صلب قابل للسحب والطرق، وهذا يتيح له الدخول في صناعة العديد من الأدوات والسبائك والمشغولات، وهو من أكثر المعادن استخداماً في الصناعة.
من ناحية القوة الكهرومغناطيسية يعد الحديد من العناصر المستقرة، كما يمتلك في نواته قوى نووية، ولديه قوة كهرومغناطيسية متأزمة، ومن أكثر مصادر الحديد هي النيازك التي تسقط على الأرض، فتكون 90% من كتلتها من الحديد.
أما الفولاذ فهو مركب وليس عنصراً؛ لذلك ليس له وجود في الجدول الدوري للعناصر، وهو مركب يتألف من الحديد والكربون بشكل أساسي وإلى جانب إضافات فلزية أخرى، وهنا نلمس أول فرق بين الحديد والفولاذ، فالحديد عنصر منفرد أما الفولاذ فهو سبيكة تتكون من مجموعة عناصر.
تختلف خصائص الفولاذ باختلاف العناصر الداخلة في تكوينه، فكلما زادت نسبة الكربون في الفولاذ اختلفت صلابته.
كما توجد أنواع عديدة من الفولاذ منها الستانلس ستيل، والفولاذ المُطاوع، وحديد الزهر الذي يتكون من الحديد والمغنيسيوم والكربون والفسفور، وينقسم حديد الزهر بدوره إلى أنواع أخرى تختلف باختلاف توزع الكربون في السبيكة، مثل الحديد الزهر المرن، والحديد الزهر المطاوع، والحديد الزهر الأبيض، والحديد الزهر الرمادي.
إنَّ الفولاذ أو الحديد الصلب يتكون من الحديد والكربون، إضافة إلى عددٍ من العناصر الأخرى مثل الكروم، والنيكل، والفناديوم، والمولبيديوم، والمنغنيز، والسيليكون وغيرها بنسب صغيرة متفاوتة.
الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية التركيب الكيميائي:
يمكن ملاحظة الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية التركيب الكيميائي، فالحديد هو عنصر كيميائي فلزي يتميز باللون الرمادي، ويوجد في الطبيعة على شكل خامات مثل الهيماتيت والماغنيتيت والليمونيت، أما الفولاذ فهو سبيكة تتألف بشكل أساسي من الحديد والكربون، إضافة إلى عناصر أخرى مثل النيكل والكروم والموليبدينوم والفاناديوم والتيتانيوم وغيرها.
يمكن تحديد نسبة الكربون في الفولاذ لتحديد نوعه، فالفولاذ ينقسم إلى عدة أنواع حسب نسبة الكربون فيه، فمنها ما يحتوي على نسبة كربون منخفضة تتراوح بين 0.05% إلى 0.3% ويعرف باسم "الفولاذ المنخفض الكربوني"، ومنها ما يحتوي على نسبة كربون متوسطة تتراوح بين 0.3% إلى 0.6% ويعرف باسم "الفولاذ المتوسط الكربوني"، ومنها ما يحتوي على نسبة كربون عالية تتراوح بين 0.6% إلى 1.4% ويعرف باسم "الفولاذ العالي الكربوني".
تختلف خواص الفولاذ حسب نسبة الكربون فيه، فالفولاذ ذو النسبة العالية من الكربون يتمتع بالصلابة والمتانة والقوة الميكانيكية المرتفعة، ولكنَّه يكون هشاً وسهل الكسر، بينما الفولاذ ذو النسبة المنخفضة من الكربون يتمتع بالمرونة وسهولة اللحام والتشكيل، ولكنَّه يكون أقل صلابة ومتانة من الفولاذ ذي النسبة العالية من الكربون.
الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية الخواص الميكانيكية:
يمكن أيضاً ملاحظة الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية الخواص الميكانيكية، فعلى الرغم من أنَّ الحديد هو المكون الرئيس للفولاذ، لكنَّ الفولاذ يختلف عن الحديد فيما يتعلق بالخواص الميكانيكية الآتية:
1. الصلابة:
يكون الحديد هشاً وسهل الكسر ولا يتمتع بالصلابة المرتفعة التي يتمتع بها الفولاذ، بينما يتمتع الفولاذ بصلابة عالية، وقد يصل معامل صلابته إلى 300 في مقياس برينل.
2. المتانة:
يوجد فرق بين الحديد والفولاذ من ناحية المتانة أيضاً، فالحديد ليس مادة متينة، ولا يتحمل الضغوطات والتحميلات العالية، بخلاف الفولاذ الذي يتمتع بالمتانة، ويمكن استخدامه في الهياكل الكبيرة والمنشآت الهندسية الضخمة.
3. القوة الميكانيكية:
يتمتع الفولاذ بقوة ميكانيكية عالية، ويمكن استخدامه في الأدوات الحادة والمعدات الثقيلة، بينما يعد الحديد أقل قوة ميكانيكية من الفولاذ، ولا يمكن استخدامه في كثير التطبيقات التي يمكن استخدام الفولاذ فيها.
4. المرونة:
لا يعد الحديد مادة مرنة، فهو يُكسر بسهولة عند تعرضه للتحميلات الزائدة، أما الفولاذ فهو يتمتع بالمرونة، ويتحمل التحميلات الزائدة جيداً، ويمكن استخدامه في الجسور والأبنية العالية.
بناءً على الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية الخواص الميكانيكية يُستخدَم الفولاذ في كثير الصناعات المختلفة، فيعد مادة قوية ومتينة، ويمثل جزءاً أساسياً من الحياة اليومية لكثير من الأشخاص، ويُستخدَم الحديد في كثير من التطبيقات الأساسية مثل الأدوات المنزلية والمباني والجسور والسفن.
الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية الاستخدامات:
ينم الفرق بين الحديد والفولاذ وفق الخواص والتركيب الكيميائي لكل منهما عن بعض الاختلافات في الاستخدامات التي تناسب كل منهما، ومن بين هذه الاختلافات:
1. الاستخدامات الإنشائية:
يستخدم الحديد عادة في الإنشاءات الخرسانية المسلحة، فيتم تضمينه في الخرسانة لتعزيز قوة الهيكل وجعله أكثر متانة وصلابة، أما الفولاذ يستخدم في الإنشاءات الهندسية والصناعية، فيتم استخدامه لصنع الهياكل الفولاذية والأنابيب والمعدات الثقيلة والسفن والجسور والأبنية العالية.
2. الاستخدامات في صناعة السيارات:
يستخدم الحديد في صناعة السيارات في صنع الإطارات، والصدمات الأمامية والخلفية، والأبواب، والألواح الجانبية، وغيرها من الأجزاء التي تُصنَّع باستخدام الصفائح الشديدة السمك، أما الفولاذ فيستخدم في صناعة السيارات في صنع الهياكل الفولاذية والعناصر الأخرى التي تتطلب قوة ميكانيكية عالية ومتانة.
3. الاستخدامات في صناعة الأدوات:
يستخدم الحديد في صناعة الأدوات مثل الأسلحة والأدوات المنزلية والأدوات الزراعية والأدوات اليدوية والعديد من الأدوات الأخرى، أما الفولاذ فيستخدم في صناعة الأدوات المنزلية والأدوات الصناعية والأدوات الجراحية والأدوات الزراعية وغيرها من الأدوات التي تتطلب قوة وصلابة ومتانة عالية.
يُستخدَم الحديد والفولاذ في كثير من الصناعات المختلفة، فيعدان من المواد القوية والمتينة ومتعددة الاستخدامات في كثير من التطبيقات.
الفرق بين الحديد والفولاذ من ناحية التشكيل والتصنيع:
من ناحية التصنيع والشكل يمكن لمس الفرق بين الحديد والفولاذ، ومن بين الفروق الرئيسة بينهما:
1. قابلية التشكيل:
يمكن تشكيل الحديد بسهولة باستخدام الأدوات المناسبة، ويمكن تشكيله يدوياً أو باستخدام آلات التشكيل، أما الفولاذ فيمكن تشكيله أيضاً باستخدام الأدوات المناسبة، ولكنَّه يتطلب تقنيات تشكيل أكثر تعقيداً بسبب صلابته العالية.
2. القوة والمتانة:
يتميز الحديد بالقوة الميكانيكية العالية، ولكنَّه يفتقر إلى المتانة العالية التي يتمتع بها الفولاذ، فالفولاذ يتمتع بالقوة الميكانيكية العالية والمتانة، وهذا يجعله مادة مثالية للاستخدام في كثير من التطبيقات التي تتطلب الصلابة والمتانة.
3. التصنيع الصناعي:
يُصنَّع الحديد في كثير من الصناعات، مثل الصناعات الزراعية والبناء والسيارات والطيران وغيرها من الصناعات الأخرى، أما الفولاذ فيُصنَّع بطرائق صناعية متعددة تشمل التشكيل بالضغط واللحام والقطع والتشكيل بالحرارة والتشكيل بالعمليات الكيميائية، وهذا يجعله مادة قابلة للتصنيع بشكل متعدد ولا نهائي.
4. الاستخدامات الصناعية:
يستخدم الحديد في كثير من الصناعات التي تتطلب مواداً قوية ومتينة وسهلة التشكيل، مثل الأدوات المنزلية والبناء والزراعة وغيرها من الصناعات الأخرى، ولكن يستخدم الفولاذ في الصناعات التي تتطلب مواداً قوية ومتينة وصلابة عالية، مثل الهندسة المدنية والطيران والبناء والسيارات وغيرها من الصناعات الأخرى.
إنَّ الفرق بين الحديد والفولاذ يتضح في عدة جوانب، مثل قابلية التشكيل والمتانة والتصنيع والاستخدامات الصناعية، ومع ذلك، فإنَّ كل منهما يتمتع بخصائص فريدة تجعله مادة مثالية للاستخدام في كثير من التطبيقات المختلفة.
هل يمكن تحويل الحديد إلى فولاذ؟
لقد تطرَّقنا في معرض حديثنا عن الفرق بين الحديد والفولاذ إلى كون الحديد مكوناً رئيساً من مكونات الفولاذ، وعليه فيمكن تحويل الحديد إلى فولاذ باستخدام عملية تسمى عملية التحول الكيميائي، وتتضمن هذه العملية تغيير التركيب الكيميائي للحديد من خلال إضافة العناصر الأخرى مثل الكربون والكروم والنيكل والموليبدينوم والمنغنيز، ويتم ذلك عن طريق تسخين الحديد مع العناصر الأخرى في فرن خاص يسمى فرن الصهر، وتعرف هذه العملية باسم صهر الحديد.
تتضمن عملية صهر الحديد الخطوات الآتية:
1. جمع المواد الخام:
في أول مراحل تحويل الحديد إلى فولاذ يُجمَع الحديد والمواد الأخرى مثل الكربون والنيكل والكروم والموليبدينوم والمنغنيز.
2. التحميص:
في المرحلة التالية تُحمَّص المواد الخام في فرن كبير لإزالة الشوائب والأوساخ الزائدة.
3. الصهر:
في المرحلة الثالثة من مراحل تحويل الحديد إلى فولاذ تُصهَر المواد الخام في فرن الصهر بدرجة حرارة عالية تصل إلى حوالي 1,600 درجة مئوية، وتكون نسبة الكربون في الحديد المنتج حوالي 0.1% إلى 1.5%، وتكون نسبة العناصر الأخرى موجودة أيضاً.
4. التحكم في المكونات:
يتم التحكم في المكونات الكيميائية للحديد المنتج عن طريق إضافة مزيد من العناصر الأخرى أو إزالة بعض العناصر إذا لزم الأمر.
5. التشكيل:
وهي المرحلة الأخيرة من مراحل تحويل الحديد إلى فولاذ، وفيها يُشكَّل الفولاذ المنتج إلى الشكل المرغوب فيه، سواء كان ذلك عن طريق الصب أم التشكيل البارد.
يُحوَّل الحديد إلى فولاذ بواسطة هذه العملية لأنَّ إضافة العناصر الأخرى تؤدي إلى تحسين الخصائص الميكانيكية للحديد، وهذا يجعله أكثر متانة وصلابة، وتُحدَّد خصائص الفولاذ المنتج عن طريق التحكم في نسب العناصر الأخرى التي تُضاف إلى الحديد.
في الختام:
على الرغم من وجود الفرق بين الحديد والفولاذ إلا أنَّهما يعدان من أكثر المواد الهامة والمستخدمة في معظم الصناعات حول العالم، وذلك بسبب خصائصهما الميكانيكية العالية ومتانتهما وصلابتهما، وعلى الرغم من تشابههما في بنية التركيب الذري، إلا أنَّهما يختلفان في عدة جوانب، مثل قابلية التشكيل والاستخدامات الصناعية والقوة والمتانة.
مع ذلك، يمتلك كل من الحديد والفولاذ ميزات فريدة من نوعها، وهذا يجعلهما مادتين مثاليتين ومتكاملتين للاستخدام في كثير من التطبيقات المختلفة، مثل الهندسة المدنية والطيران والبناء والسيارات وغيرها من الصناعات الأخرى.
بالنظر إلى الاستخدامات العديدة للحديد والفولاذ، يتعين علينا الاهتمام بالحفاظ على هذه المواد وتعزيز استخدامها الصحيح، والتي تشمل إعادة التدوير وتطوير تقنيات التصنيع البيئية والمستدامة، وبذلك، يمكن أن نستمر في الاستفادة من فوائد الحديد والفولاذ في كثير من التطبيقات المختلفة، مع الحفاظ على البيئة والحفاظ على الموارد الطبيعية في نفس الوقت.