تاریخچه فرفورژه
آهن یک فلز خاکستری تیره است که طیف وسیعی از مواد دیگر را با آن می‌توان تولید کرد، مانند آهن فرفورژه، چدن، آهن کربنیزه (فولاد کربنی) و فولاد که هر کدام خواص منحصر‌به‌فرد خود را دارند. آهن ابتدا به عنوان ماده‌ای برای ساخت ابزار و سلاح بود. کاربردهای آهن از آن زمان به بعد افزایش یافته و شامل مواردی برای مصارف خانگی تا اجزای ساخت ساختمانی شد. حالا در این مقاله همراه ما هستید تا با معایب آهن فرفورژه و مقایسه آن با مابقی آلیاژهای آهن بپردازیم.
تفاوت اصلی آهن فرفورژه با چدن و فولاد این است که کربن کمتری دارد، که این خاصیت به معنای شکل پذیری بهتر است. این سه فلز از نظر محتوای کربن به شرح زیر رتبه بندی می‌شوند:
- آهن فرفورژه: حاوی کمترین مقدار کربن (کمتر از 0.035%) است.
- فولاد: حاوی مقدار متوسطی کربن (بین 0.06% تا 2%) است.
- چدن: بیشترین مقدار کربن (بین 2 تا 4 درصد) را دارد.
ویژگی های آهن فرفورژه
- نرم
- شکل‌پذیر
- مغناطیسی
- قوی – کشش بالا و استحکام کششی
- چکش خوار – می‌توان آن را گرم کرد و دوباره گرم کرد و به اشکال مختلف آن را درآورد.
- هر چه بیشتر کار شود قوی‌تر می‌شود.
مراحل ساخت آهن فرفورژه در گذشته
مرحله 1: آماده سازی آهن
آهن خام ابتدا در کوره های بلند ذوب می‌شد و آهن در حال جوش به طور مداوم توسط حوضچه آهنی بر روی آن کار شده و ناخالصی‌های بیشتری از آهن خارج می‌شود که در نتیجه به سفت شدن آهن می‌رسیم. آهن را آنقدر می‌جوشاندند که تقریباً کربنی باقی نماند و توده‌ای خمیری از آهن بدست بیاید. این امر تا زمانی ادامه پیدا می‌کرد که مونوکسید کربن از حباب زدن در آهن متوقف می‌شد. سپس آهن را به اندازه‌های (به شکل گلوله) درمی‌آوردند تا قالب گیری کنند.
مرحله 2: گلوله‌های آهنی را با چکش می‌کوبیدند تا سرباره یا خاکستر اضافی خارج شود، و محصول نهایی فرفورژه‌ای به دست بیاید. فرفورژه، که هنوز در حرارت قرمز روشن و داغی بود، با استفاده از چکش و یا هر ابزاری می‌توانستند شکل دلخواه را به آن بدهند.
مرحله 3: فرفورژه مجدداً گرم شده و در صورت نیاز برای دستیابی به درجه‌های مورد نظر دوباره کار شدند. این مرحله باعث افزایش شکل پذیری و استحکام کششی آن شده است. هر چه فرفورژه بیشتر گرم شود و دوباره بر روی آن کار شود، خواص مکانیکی آن قوی‌تر می‌شود.
کاربردهای فرفورژه در گذشته
کاربردهای فرفورژه در طول قرن‌های هفدهم و هجدهم معمولاً تزئینی بوده و شامل موارد زیر است:
- نرده‌ها، دروازه‌ها
- بالکن‌ها
- سایبان
- تاج سقف
- لوستر‌ها
- گلدان و شمعدان
کاربردهای تاریخی در طول قرن نوزدهم ساختاری بیشتری داشت و شامل موارد زیر بود:
- میله آهنی
- آهن پرچ
- آهن زنجیری
- آهن نعل اسبی
- آهن میخ
- آهن صفحه‌ای
- آهن روکش شده (قلع یا سرب)
- آهن ورق موجدار
توجه: در پایان قرن نوزدهم، استفاده از آهن فرفورژه برای اهداف ساختاری جایگزین فولاد شد.
معایب فرفورژه
مشکلات فرفورژه را می‌توان به دو دسته کلی طبقه بندی کرد:
1) مشکلات طبیعی بر اساس ویژگی‌های مواد
2) خرابکاری و مشکلات ناشی از انسان
اگرچه برخی از همپوشانی بین این دو دسته وجود دارد، مشکلات طبیعی مواد عموماً به تدریج در دوره‌های زمانی طولانی و با نرخ‌های قابل پیش‌بینی رخ می‌دهند و برای کنترل نیاز به نگهداری و پیشگیری دارند. برعکس، بسیاری از مشکلات ناشی از انسان (به ویژه خرابکاری)، تصادفی هستند و همچنین برخی از مشکلات ناشی از انسان قابل پیش بینی هستند و به طور معمول رخ می‌دهند.
مشکلات طبیعی یا ذاتی
زنگ: احتمالاً رایج‌ترین شکل خوردگی شیمیایی آهن فرفورژه است. زمانی اتفاق می‌افتد که فلز محافظت نشده در مجاورت رطوبت در معرض اکسیژن جو قرار می‌گیرد. رطوبت می‌تواند به صورت باران، شبنم، تراکم و غیره باشد. گازهای دیگر مانند دی اکسید کربن، ترکیبات گوگردی، دوده و خاکستر بادی مانند نمک‌های موجود در هوا، خوردگی آهن را تشدید کنند.
خوردگی گالوانیکی (یا الکتروشیمیایی): خوردگی گالوانیکی زمانی اتفاق می‌افتد که دو فلز غیرمشابه با یکدیگر در تماس باشند و یک الکترولیت مانند آب باران، تراکم، شبنم، مه و غیره وجود داشته باشد. چنین واکنشی باعث خوردگی یکی از فلزات می‌شود. در مورد آهن فرفورژه تماس مستقیم با مس یا روی و تا حدی آهن یا فولاد گالوانیزه باعث خوردگی گالوانیکی می‌شود.
مشکلات ناشی از انسان
خستگی: شکست فلزی که به طور مکرر بیش از حد الاستیک آن تحت فشار قرار گرفته است. آهن فرفورژه عموماً در برابر خستگی مقاوم است زیرا بسیار سخت است. این به طور قابل توجهی، در محدوده الاستیک خود، بدون شکست تغییر شکل می‌دهد. حتی اگر بارگذاری بیش از حد گذشته باعث تغییر شکل شده باشد، اتصالات آهن فرفورژه معمولاً به کار خود ادامه می‌دهند.
گرما: معمولاً به صورت آتش‌سوزی باعث اعوجاج و از بین رفتن اجزای آهن‌های فرفورژه می‌شود.
اعوجاج: تغییر شکل یا شکست دائمی ممکن است زمانی رخ دهد که یک فلز بیش از نقطه تسلیم خود بارگذاری شود زیرا به دلیل افزایش بارهای زنده یا مرده، تنش‌های حرارتی یا تغییرات ساختاری که رژیم تنش را تغییر می‌دهد.
خرابی اتصال: فرآیندهای شیمیایی و مکانیکی می‌توانند کارایی اتصالات فلزی ساختاری مانند پیچ‌ها، پرچ‌ها و پین‌ها را خراب یا کاهش دهند.