פלדה

פלדה היא סגסוגת המורכבת ברובה מן המתכת ברזל, ומכילה ריכוז נמוך של האל-מתכת פחמן (0.04%-‏2.25%). סוגיה השונים של הפלדה מצטיינים בחוזקה ובגמישותה הרבה. לעיתים מוסיפים לסגסוגת הפלדה יסודות אחרים כמו צורן, מגנזיום, מנגן, כרום וניקל. בעזרת שינוי של שיעורי תוספים אלה, ניתן להפיק סגסוגות פלדה בעלות תכונות משופרות, כגון: קשיות, גמישות, עמידות בפני שיתוך או חלודה, עמידות בפני חום, עיבוד שבבי קל ועוד. הפלדה מאופיינת בחוזק מתיחה גבוה, עמידות גבוהה כנגד התעייפות החומר ומחיר זול, לכן היא משמשת כרכיב עיקרי במוצרים רבים: מכוניות, גשרים, מסמרים, קפיצים, להבי סכינים, כלי בישול, כלי עבודה, מחטים, צמר פלדה, בטון מזוין ועוד אלפי מוצרים אחרים. אחד מסוגי הפלדה הנפוצים הוא פלדת אל-חלד, המכילה כרום בשיעור של 10.5% לפחות, והיא עמידה יחסית בפני חלודה. פלדה שאינה אל-חלד לרוב דורשת טיפול פני שטח כמו צביעה או שימון. לפלדה צפיפות יחסית של כ-7.8 (טון למטר קוב), הולכה תרמית סבירה (10-20 W/MK). פלדות רגילות הן לרוב מגנטיות (אך לא תמיד) ורוב סגסוגות הפלב"מ (פלדה בלתי מחלידה) מאופייניות במגנטיות חלשה. הברזל הוא המרכיב העיקרי בפלדה. ברזל טהור הוא רך, מאפשר שינוי צורה בקלות ואף וניתן לריקוע. הברזל מופיע בשני מופעים גבישיים שונים: מבנה קובייתי ממורכז גוף ומבנה קובייתי ממורכז פאה, כתלות בטמפרטורת הסביבה. במבנה קובייתי ממורכז גוף (BCC) ישנו אטום ברזל במרכז ושמונה אטומים בקדקודי התא. במבנה קובייתי ממורכז פאה (FCC) ישנו אטום ברזל במרכז של כל אחת משש פאות המבנה הקובייתי ושמונה אטומים בקדקודי התא. האינטראקציה של אלטרופיות הברזל עם שאר היסודות המסוגסגים בפלדה, בראש ובראשונה הפחמן מאפשרת לפלדה מגוון תכונות ומאפיינים ייחודיים. לעומת זאת, בפלדה, עקב הוספת הסגסוגים השונים החומר מכיל מיקרומיבנה מורכב הכולל גרעינים ביניהם חומר בין-גרעיני – לרוב בעלי הרכב כימי שונה (הגרעין וגבולו אמנם מכילים את כל היסודות המסגסגים את הפלדה – אך בריכוזים שונים). תהליכים תרמיים כמו חימום וחיסום (קירור בקצב מסוים, לרוב מהיר) משפיעים על מורפולוגית הגרעינים (כגון: גודל, מיקרו־מבנה) ובכך בעלי השפעה רבה על תכונות החומר. לדוגמה – כדי להשיג בפלדת פחמן פאזת מרטנזית נדרש לקרר מהר מאוד, קירור איטי יוביל לפאזה יציבה אחרת בטמפ' חדר. נהוג לתאר את הפאזה אליה הפלדה מתייצבת בדיאגרמה הנקראות: TTT (Time Temperature Transformation), בהן ציר Y הוא הטמפ' וציר X הוא משך הקירור. תכונה זו מגבילה חלק מנתחי הפלדה לעובי מקסימלי, שכן מעל עובי זה, לא ניתן לקרר מהר מספיק את פנים הפלדה כדי לקבל את הפאזה הרצוייה. מכיוון שהפאזה היא לרוב גדילה של גרעינים או היווצרות של גרעינים חדשים (שני תהליכים מתחרים בו זמנית), לעיתים הפלדה תכיל יותר מפאזה אחד. תהליכים נוספים כמו הקשייה ו-זיקון משפיעים על מורפולוגיית במיקרו-מבנה של הפלדה ומאפשרים תכונות משופרות (לרוב שיפור החוזק). הפחמן בסגסוגות פלדה אופייניות עשוי להרכיב עד 2.14% ממשקלה. שונות כמויות הפחמן ושאר היסודות, מכתיבה את הקשרים הכימיים ואת המאפיינים הפיזיקליים המאפיינים את הפלדה (או כאלמנטים מומסים או כזרזים בפאזות השונות). מרכיבים אלו שולטים בתנועת הנקעים (שהופכים את הברזל הטהור לרך), מאפשרים שליטה ובקרה על מאפייני הפלדה וכך משפרים את איכותה. שיפורים אלו יעילים עבור מגוון רחב של תכונות הפלדה: הקשייה, חישול, חיסום, כניעה (הנדסה), חוזק למתיחה. עליית חוזק הפלדה בהשוואה לברזל הטהור מקטינה את משיכות (התארכותו באחוזים עד לכשל) הברזל. בתיאור התנ"כי של מפלת אשור בידי בבל, נמצא התיאור הספרותי הבא: ”מָגֵן גִּבֹּרֵיהוּ מְאָדָּם, אַנְשֵׁי חַיִל מְתֻלָּעִים, בְּאֵשׁ פְּלָדוֹת הָרֶכֶב בְּיוֹם הֲכִינוֹ, וְהַבְּרֹשִׁים הָרְעָלוּ” (נחום ב' ד'). המשמעות המקראית הייתה כנראה לפיד (אותיות מתחלפות) שמבריקים באמצעותו את רכב הברזל. המילה חודשה במשמעות המודרנית מהמילה הערבית פולד, שמשמעותה עירוב ברזל עם פחמן. פלדה הופקה באמצעות תנורים אלפי שנים, אך בתפוצה רחבה ובאופן תעשייתי נעשה בה שימוש רק לאחר שתהליכי הייצור נעשו יעילים ומתוחכמים יותר בסביבות המאה ה-17, עם המצאת כבשני בטון ולאחר מכן כורי פלדה. עם המצאת תהליך בסמר במחצית המאה ה-19, החל עידן חדש של הפקת פלדה בייצור המוני. תהליך בסמר וייצור פלדה באמצעות תנורי כבשן פתוח שקדם לו העלו ושיפרו את איכות הפלדה. בעקבות פיתוחים אלו, הפלדה החליפה את יצקת הברזל. שיפורים נוספים בתהליך הפקת הפלדה, החליפו פרוצדורות קודמות, הוזילו את מחיר ההפקה והעלו את איכות התוצר הסופי. היום, הפלדה היא אחת מהחומרים הנפוצים ביותר מעשה ידי אדם בעולם. 1.6 מיליארד טונות פלדה מיוצרים מדי שנה. קיימת תקינה מוכרת עולמית לנתחי פלדה שונים (על ידי מכוני תקנים – בעיקר ארצות הברית גרמניה ויפן), התקינה מאפשרת לתכנן בקלות מוצרים הנדסיים שכן שלנתח פלדה העומד בתקן מסוים יש תכונות ידועות ומובטחות (חוזק, צפיפות, הרכב כימי, עמידות בקורוזיה וכדומה). הפלדה מופקת בתהליך טכנולוגי מסובך. ראשית, מוכנסים עפרת הברזל וצרף לתנור רם. התנור מתחמם עד 1,200–1,300 מעלות צלזיוס על ידי צרף ואוויר שנשאב לתוך התנור. בסוף התהליך נוצרים ברזל יצוק וסיגים (שלאקות). יצקת מורכבת מברזל ומעל 3% פחמן, אך הפלדה אמורה להכיל פחות מכך ולכן יש להקטין את כמות הפחמן בסגסוגת. למטרה זו משתמשים בתהליך בסמר, כבשן פתוח או כבשן חשמלי. נכון ל-2024, יצרנית הפלדה הגדולה בעולם היא סין, והיא היא הייתה אחראית ל־43% מהייצור העולמי. במקום השני אחריה נמצאת הודו האחרית ך-8% מהייצור העולמי של פלדה. הפלדות המסחריות מכילות מספר יסודות, בעלי השפעות שונות על תכונותיה של הפלדה, לדוגמה: טונגסטן – קשיות, חוזק בחום, התנגדות לאיכול, העלאת טמפרטורת החיסום והתנגדות לשיבוב בחום. מוליבדן – קשיות, חוזק בחום והתנגדות לשינויים. ונדיום – קשיות, חוזק בחום וצמיגות. ראו גם פלדת כרום-ונדיום. קובלט – קשיות, מגנטיות והתנגדות לשיבוב. העלאת אחוז הפחמן בפלדה מגדילה את החוזק, הקשיות, ההתנגדות לחיתוך וכושר החיסום, על חשבון הגמישות (הגדלת הפריכות - שבר פתאומי במקום הימתחות כמו גומי) - לדוגמה: סכינים בעלי להב פלדה עם אחוז פחמן גבוה מאופיינים לרוב בשמירה על חדות לאורך זמן אך בעלי סיכון להישבר בנפילה מגובה משטח העבודה לרצפה. התקן הוא רשימה מוסכמת בין היצרנים לצרכנים. נהוג להבחין בין התקן האמריקאי, האירופאי והישראלי. התקן הנפוץ הוא התקן האמריקאי. התקן האמריקאי מורכב מ-4 ספרות ואות לפניהם: אות המסמלת את אופן ההפקה: A – סימנס מרטין B – בסמר C – אח (תנור) פתוח – בסיסי D – אח פתוח – חומצי E – תנור חשמלי ספרה ראשונה משמאל מייצגת את הסגסוגת לפי מפתח: 1 – פלדה פחמנית 2 – פלדת ניקל 3 – פלדת כרום-ניקל 4 – פלדת מוליבדן 5 – פלדה כרומית 6 – פלדת כרום-ונדיום 7 – פלדת וולפרם 8 – פלדת צורן הספרה השנייה משמאל מייצגת את אחוז הסגסוגת העיקרית. 2 הספרות האחרונות מייצגות את אחוזי הפחמן חלקי 100. אותיות מציינות טיפול תרמי: CD – משוך בקור CR – מעורגל בקור HR – מעורגל בחום F – מחושל HT – מחוסם S – מרוכך לדוגמה: SAE 1020 – פלדה פחמנית בעלת 0.2% פחמן. SAE 5130 – פלדת כרום בעלת 0.3% פחמן ו־1% כרום. התקן האירופאי לקוח בעיקר מהתעשייה הגרמנית, הידוע בתור DIN. גם כאן, נפוצות שתי תצורות: STxx, כאשר ST מייצג את המילה STEEL ושתי הספרות את חוזק הקריעה המינימלי בק"ג על מ"מ רבוע. כלומר ST37 הוא בעל חוזק קריעה מינימלי של 37 ק"ג על מ"מ רבוע. xxXXxx – מסמל תרכובת של סגסוגת. לדוגמה: 50V10 – פלדת ונדיום היא בעלת 0.5% פחמן ו־1% ונדיום. תיקון ישראלי קיים אך ורק ליציקת ברזל, נחושת וסגסוגות נחושת. האות מציינת ראשי תיבות של שם היסוד והמספרים את חוזק המשיכה בק"ג לממ"ר או לחלופין, את ההרכב באחוזים. לדוגמה: י"ב 18 – יציקת ברזל בעלת חוזק של 18 ק"ג לממ"ר פליז 60-37-3 – פליז המכיל 60% נחושת, 37% אבץ, 3% עופרת (תקן ישראלי מספר 137) נהוג לבצע טיפול תרמי בפלדות לצרכים שונים. הטיפול התרמי מיועד לשיפור תכונותיה על ידי שינוי במבנה הגבישי, מבלי לבצע שינויים בצורתה או בהרכבה הכימי. נהוג להבחין בין כמה סוגים של טיפולים תרמיים: חיסום – טיפול תרמי להגדלת קשיותה, על ידי חימום וצינון מזורז ועל ידי כך למנוע חדירה של חומרים אחרים לאחר החימום. פלדות הניתנות לחיסום מכילות לפחות 0.6% פחמן. החיסום אומנם מגדיל את הקשיות של הפלדה, אך הופך אותה לפריכה, ולכן נהוג לבצע הרפיה מיד לאחר החיסום. הרפיה – טיפול תרמי להגדלת הצמיגות על ידי חימום לטמפרטורה נמוכה וצינון לאחר מכן. הקשיות מעט תרד בעקבות פעולה זו. צימנוט – טיפול תרמי לחיסום פני המוצר והשארת הגרעין צמיג. ריפוי – טיפול תרמי המרכך את הפלדה ומבטל את קשיותה לצורך פעולת עיבוד שבבי. אוסטניט מרטנזיט The Drama of Steel – הסבר על תהליך ייצור הפלדה (באנגלית), סרטון באתר יוטיוב, הופק על ידי משרד המכרות האמריקאי (שנת 1946) פלדה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) אתר המכון האמריקאי לברזל ופלדה (AISI) פלדה, דף שער בספרייה הלאומית חמוטל איינהורן, ריקלין ושו"ת, ערוץ 14, 9 בפברואר 2022 ויקי אוסלנדר, הסינים מציפים את העולם בפלדה זולה, באתר כלכליסט, 1 בספטמבר 2024