نقطه ذوب فولاد و آهن + بررسی دمای ذوب آهن و عوامل آن

فلزات به دلیل توانایی خود در تحمل شرایط محیطی نامساعد مانند فشار بالا، ضربه و دمای زیاد کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارند. کوره‌ها، موتورهای احتراقی، موتورهای جت، نازل‌های احتراق، برخی از ماشین‌آلات، لوله استیل و برخی از قطعات خودرو مانند اگزوز از آن دسته محصولات فلزی هستند که به طور مداوم در معرض دمای بالا قرار گرفته و خطر ذوب شدن آنها را تهدید می‌کند. به همین خاطر است که هنگام انتخاب متریال برای ساخت این محصولات، باید چندین نقطه دمایی مختلف آنها ارزیابی شود و یکی از بحرانی‎ترین آنها دمای ذوب است. ما در این مقاله ضمن ارائه توضیحات در مورد این شاخصه حساس، نقطه ذوب فولاد و نقطه ذوب آهن را نیز بررسی می‌کنیم.

نقطه ذوب فولاد و آهن به دمایی اشاره دارد که این فلزات از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می‌شوند. برای فولاد، نقطه ذوب معمولاً در حدود ۱۴۰۰ تا ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد است، در حالی که برای آهن خالص، این دما در حدود ۱۵۵۰ درجه سانتیگراد قرار دارد.

در این مقاله از سایت taminkala به بررسی نقطه ذوب انواع فلزات و فولاد پرداخته شده است.

منظور از نقطه ذوب چیست؟

دمای ذوب یک فلز که بیشتر به عنوان نقطه ذوب آن شناخته می‎شود؛ دمایی است که در آن ماده از فاز جامد به فاز مایع تبدیل می‎شود. در دمای ذوب، فاز جامد و فاز مایع یک فلز در تعادل قرار می‌گیرند. تا وقتی دما فلز به این درجه نرسد؛ می‌توان به صورت مداوم به آن حرارت داد. اما اگر فلز به طور کامل در فاز مایع قرار بگیرد؛ اضافه شدن حرارت به معنی افزایش دمای داخلی ماده و تسریع در تبدیل شدنش به مایع است.

نقطه ذوب دمایی است که مواد از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می‌شوند. این دما به عنوان نقطه ذوب شناخته می‌شود و معمولاً به واحد درجه سانتیگراد یا کلوین اندازه گیری می‌شود.

چرا اطلاع از نقطه ذوب فولاد و نقطه ذوب آهن مهم است؟

فلزاتی مانند فولاد و آهن، هنگام گرم شدن از طریق فرآیند فلزکاری یا سایر فرآیندها، دماهای مختلفی را تجربه می‌کنند که هر کدام نامی دارد؛ اما دمای ذوب آنها یکی از مهم‌ترین شاخصه‌های فیزیکی فولاد و آهن به حساب می‌آید.

مهم‌ترین دلیل دانستن نقطه ذوب فولاد و نقطه ذوب آهن تغییرات فیزیکی و شیمیایی است که آنها بعد از رسیدن به این دما و وارد شدن به فاز مایع تجربه می‌کنند. به این تغییرات شکست فلز گفته می‌شود که ممکن است قبل از رسیدن به نقطه ذوب هم اتفاق بیفتد. اما زمانی که این ماده به دمای ذوب خود نزدیک شده و شروع به تبدیل شدن به مایع می‎کند؛ دیگر آن خواص اولیه را ندارد.

دلیل دیگر اهمیت دانستن نقاط ذوب فلزات این است که این مواد در حالت مایع شکل‎پذیری بیشتری دارند. برای تولید هر ماده فولادی مانند ورق استیل متریال اصلی یعنی همان فولاد باید فرآیندهای زیادی را طی کرده که برخی از آنها تحت عملیات حرارتی انجام می‌شوند. به عنوان مثال ذوب، جوشکاری ذوبی و ریخته‌گری همگی از جمله فرآیندهای تولید مقاطع فولادی محسوب می‌شوند که برای انجام‌شان فولاد باید به دمای ذوب برسد و شکل‌پذیر باشد. اطلاع از این ویژگی فلز به تولیدکننده کمک می‌کند تا بتواند مواد مناسب را برای تهیه تجهیزات تولید انتخاب کند. به عنوان مثال دستگاه جوشکاری باید از فلزی ساخته شود که بتواند گرمای محیط قوس الکتریکی و فلز مذاب را تحمل کند. تجهیزات ریخته‎گری مانند قالب‎ها باید دمای ذوب بالاتری نسبت به فلزی داشته باشند که قرار است طی عملیات ریخته گری تبدیل به محصول نهایی شود.

چرا فلزات مختلف نقطه ذوب متفاوتی دارند؟

نقطه ذوب فلزات مختلف به دلیل ساختار اتمی و استحکام پیوندی آنها متفاوت است. هر فلز دارای آرایش اتمی و پیکربندی الکترونی منحصربه‎فردی است که مستقیما روی استحکام پیوندهای آن تاثیر می‎گذارد. برای شکستن پیوندهای قوی‌تر، به انرژی بیشتری نیاز است. در نتیجه می‌توان گفت که فلزاتی که پیوندشان چنین شرایطی دارد؛ نقطه ذوب بالاتری دارند. عواملی مانند اندازه اتمی، تغییر مکان الکترون و پیچیدگی ساختار شبکه در این واریانس نقش دارند. وجود ناخالصی‎ها و برخی از آلیاژها در فلز نیز می‎توانند روی نقطه ذوب آن تاثیر داشته باشند.

مقایسه نقاط ذوب فلزات پرکاربرد

همانطور که می‌دانید هر فلز دارای خواص منحصر‏به‎فردی است که بسیاری از آنها تحت تاثیر نقطه ذوب این ماده هستند. کارشناسان و تولیدکنندگان محصولات فلزی، از روی این خواص و نقطه ضعف است که پی می‌برند متریال انتخاب شده مناسب کاربرد مورد نظرشان است یا خیر؟ در این بخش توضیحات کاملی در مورد نقاط ذوب برخی از پرکاربردترین فلزات ارائه می‌کنیم.

نقطه ذوب آلومینیوم

کار کردن با فلز آلومینیوم به دلیل نقطه ذوب پایین در مقایسه با سایر فلزات آسان‌تر است. نقطه ذوب این فلز یک عامل کلیدی در کاربرد گسترده آلومینیوم در صنایع حساسی مانند هوافضا و حمل و نقل است. نقطه ذوب آلومینیوم 660 درجه سانتی‌گراد (1220 درجه فارنهایت) است.

نقطه ذوب مس

از آنجایی که از مس به طور گسترده در تولید سیم و لوله استفاده می‌شود؛ اطلاع از نقطه ذوب آن برای اجرای صحیح سیستم‌های سیم‌کشی برق و لوله‎کشی بسیار مهم است. خاصیت و رسانایی عالی مس این فلز را به یک عنصر اصلی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. نقطه ذوب مس 1084 درجه سانتی‎گراد (1983 درجه فارنهایت) است.

نقطه ذوب برنج

برنج، آلیاژی تشکیل شده از مس و روی بوده و نقطه ذوب آن بسته به ترکیبی که در تولیدش استفاده شده است متفاوت است. از این فلز در ساخت آلات موسیقی، وسایل تزئینی و یراق‌آلات به وفور استفاده می‌شود. نقطه ذوب برنج به طور معمول 930 درجه سانتی‎گراد (1710 درجه فارنهایت) است.

نقطه ذوب آهن

آهن نقطه ذوب بالاتری نسبت به دیگر فلزات دارد. بالا بودن نقطه ذوب آهن به استحکام و دوام این فلز کمک می‎کند. دانستن این ویژگی آهن، برای استفاده از آن در صنعت ساختمان، تولید مقاطع فولادی و صنایع سنگین مختلف حیاتی است. نقطه ذوب آهن 1538 درجه سانتی‌‎گراد (2800 فارنهایت) است.

نقطه ذوب فولاد

فولاد نوعی آلیاژ ساخته شده از آهن است و نقطه ذوبش تا حدود زیادی به ترکیب عناصر موجود در آن بستگی دارد. نقطه ذوب فولاد نقش بسزایی در تعیین کاربرد این فلز در صنعت ساختمان، خودروسازی و بخش‎های مختلف دیگر دارد. نقطه ذوب انواع فولاد کربنی بین 1425 الی 1540 درجه سانتی‎گراد (2597 الی 2800 درجه فارنهایت) و نقطه ذوب انواع فولاد ضد زنگ یا همان استیل نیز بین 1375 الی 1530 درجه سانتی‎گراد (2500 الی 2785 درجه فارنهایت) است.

نقطه ذوب فولاد ضد زنگ یا همان استیل چقدر است؟

فولاد مخلوطی از آهن و کربن است که می‎تواند بسته به کربنی یا استیل بودنش، بین 2500 الی2800 درجه فارنهایت یا 1375 الی 1540 درجه سانتی‎گراد دما را تحمل کرده و ذوب نشود. نقطه ذوب فولاد می‎تواند به دلیل وجود عناصر مختلف در ترکیب این فلز متفاوت باشد. در واقع اضافه شدن بسیاری از عناصری که در تولید گریدهای مختلف فولاد کارایی دارند می‏تواند باعث کاهش نقطه ذوب فولاد شود. فولاد ضد زنگ یا همان استیل دارای کروم، نیکل و عناصر دیگری است که وجودشان نقطه ذوب این فلز را حتی بیشتر کاهش می‌دهد.

نقطه ذوب فولاد ضد زنگ بین 2550 تا 2790 درجه فارنهایت یا 1375 تا 1530 درجه سانتی‎گراد است. اما به طور کلی نقطه ذوب دقیق نوع خاصی از استیل، به ترکیب شیمیایی موجود در آلیاژ آن بستگی دارد. هر عنصر یک تاثیر بر روی نقطه ذوب این فلز دارد. عناصر اصلی تشکیل‎دهنده فولاد ضد زنگ آهن، کروم و نیکل هستند.

نقطه ذوب آهن 1535 درجه سانتی‌گراد، کروم 1890 درجه سانتی‎گراد و نیکل 1453 درجه سانتی‎گراد است. اگر این اعداد را با محدوده دمایی 1375 الی 1530 درجه سانتی‎گرادی که برای استیل به آن اشاره کردیم مقایسه کنید متوجه تاثیر وجود این عوامل بر روی نقطه ذوب فولاد ضد زنگ خواهید شد. ترکیب هر کدام از این عناصر در گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ متفاوت است. در نتیجه، نقطه ذوب دقیق در گریدهای مختلف استیل نیز متفاوت خواهد بود.

نقطه ذوب گریدهای مختلف استیل

دو گرید محبوب فولاد ضد زنگ، گریدهای 304 و 316 هستند. هر دو گرید بخشی از خانواده فولادهای آستنیتی محسوب می‌شوند که حدود دو سوم حجم تولید فولاد در جهان را به خود اختصاص داده‌ است. فولاد زنگ نزن آستنیتی دارای ساختار کریستالی مکعبی است که در تمام دماها از دمای برودتی تا نقطه ذوب ثابت می‎ماند. نقطه ذوب فولاد ضد زنگ و محصولاتی که از این فلز تولید می‌شوند مانند میلگرد استیل می‎تواند از حداقل 1375 درجه سانتی‎گراد برای فولاد گرید 316 تا حداکثر 1510 درجه سانتی‎گراد برای گرید 430 متفاوت باشد. رایج‎ترین گرید استیل، گرید 304 به حساب می‌آید که دارای نقطه ذوبی بین 1400 الی 1450 درجه سانتی‎گراد است.

جدول نقطه ذوب فلزات

بالاترین نقطه ذوب فلزات

بالاترین نقطه ذوب فلزات به ترتیب عبارتند از:

• تنگستن (W) با دمای ذوب حدوداً 3422 درجه سانتیگراد.
• رنیوم (Re) با دمای ذوب حدوداً 3186 درجه سانتیگراد.
• اوسمیم (Os) با دمای ذوب حدوداً 3033 درجه سانتیگراد.
• ایریدیوم (Ir) با دمای ذوب حدوداً 2446 درجه سانتیگراد.
• پلاتین (Pt) با دمای ذوب حدوداً 1768 درجه سانتیگراد.

البته، فلزات دیگری نیز با دماهای ذوب بالا وجود دارند، اما این پنج فلز بالاترین دمای ذوب را دارند. به طور مثال، طلا (Au) با دمای ذوب حدوداً 1064 درجه سانتیگراد و نقره (Ag) با دمای ذوب حدوداً 961 درجه سانتیگراد هم جزو فلزاتی هستند که دمای ذوب بالایی دارند

دمای سرخ شدن آهن

دمای سرخ شدن آهن به دما و شرایط محیط بستگی دارد.

به طور کلی، آهن در دمای تقریباً 500 درجه سانتیگراد (932 درجه فارنهایت) شروع به تغییر رنگ می دهد و به تدریج با افزایش دما رنگ آن تیره تر می شود.

در اینجا چند نمونه از رنگ های آهن در دماهای مختلف آمده است:

• 500 درجه سانتیگراد: قرمز گیلاسی
• 600 درجه سانتیگراد: قرمز متمایل به نارنجی
• 700 درجه سانتیگراد: نارنجی روشن
• 800 درجه سانتیگراد: نارنجی متمایل به زرد
• 900 درجه سانتیگراد: زرد روشن
• 1000 درجه سانتیگراد: سفید

توجه:

• این فقط یک تخمین است و دمای دقیق سرخ شدن آهن می تواند بسته به عوامل مختلفی مانند نوع آهن، ناخالصی ها، سطح و فشار هوا متفاوت باشد.
• آهن در دمای 1538 درجه سانتیگراد (2800 درجه فارنهایت) ذوب می شود.
• هنگام کار با آهن داغ، احتیاط کنید و از تجهیزات ایمنی مناسب مانند دستکش و عینک استفاده کنید.

آیا نقطه ذوب فلزات در شرایط مختلف تغییر می‎کند؟

نقطه ذوب فلزات به طور کلی در شرایط استاندارد ثابت است. با این حال این شاخصه می‎تواند تحت فشار شدید یا زمانی که فلز به اشکال مختلف مانند پودر یا لایه نازک است تغییر کند. به عنوان مثال فشار بالا می‎تواند به طور قابل توجهی نقطه ذوب فلز را افزایش دهد. این در حالی است که کاهش ابعاد اتم‌ها (مانند ذرات نانو) ممکن است در کاهش این دما نقش داشته باشد. علاوه بر این، وجود ناخالصی‎ها و عناصر آلیاژی در فلز نیز می‎تواند نقطه ذوب را تغییر دهد. اما به طور کلی در شرایط معمولی، نقطه ذوب یک فلز خالص نسبتا ثابت است.

چرا نقطه ذوب فولاد اهمیت دارد؟

دمای بالا بر استحکام کششی بیشتر فلزات تاثیر می‎گذارد. هنگامی که فولاد در معرض گرمای شدید قرار می‏گیرد، سفت‎تر شده و خم کردنش آسان‎تر می‌شود. علاوه بر تغییرات فیزیکی که نقطه ذوب می‎تواند ایجاد کند؛ این فاکتور در تعیین مقاومت جسم در برابر اکسیداسیون و سولفوریزاسیون نیز اثرگذار است. اکسیژن و گوگرد هر دو آهن را می‌خورند. فولاد ضد زنگ به دلیل داشتن کروم در برابر اکسیداسیون و سولفید شدن مقاوم است. اما گنجاندن نیکل در ترکیب آن که نقطه ذوب نسبتا پایینی دارد؛ قدرت محافظتی کروم را کاهش می‌دهد و آهن و در نتیجه فولاد ضد زنگ را در معرض آسیب احتمالی اکسیژن یا گوگرد قرار می‌دهد. در نتیجه، نقطه ذوب پارامتر مهمی است که هنگام انتخاب مواد یا تکنیک‌های ساخت فولاد ضد زنگ یا استیل باید در نظر گرفته شود.