فولاد دمشقی چیست؟ روش ساخت، کاربرد و ترکیب شیمیایی

فولاد دمشقی یا همان فولاد دمشق نوعی فولاد معروف پیش از دوران صنعتی است که به وسیله نوعی الگوی موج دار تیره و روشن قابل تشخیص است. این فولاد یکی از بزرگترین عجایب جهان باستان است. این نوع فولادی است که به دلیل مقاومت، استحکام و دوام خود بیش از 1500 سال پیش اختراع شده، فراموش شده و سپس دوباره کشف شده است. این فولاد علاوه بر زیبایی ظاهری دارای استحکام، انعطاف پذیری بالا، مقاومت به ضربه و دارای قابلیت تیز بودن می‌باشد.

تکنیک‌های آهنگری لازم برای ایجاد و کار فولاد دمشقی قابل توجه است. این کار با ساندویچ کردن تا شش نوع مختلف فولاد، گرم کردن آنها و کار کردن آنها با هم بر روی یک سندان، تاشو آنها را بارها و بارها برای ایجاد یک ورق فلزی واحد شامل یک لایه طبقه بندی شده از فلزات مختلف ساخته شده است.

فولاد دمشقی تا قبل از ظهور فولاد‌های پرکربن ساخته شده در قرن 19 توسط فرایند بسمر بسیار مورد توجه بوده است. دلیل نام گذاری این فولاد به این اسم قطعی مشخص نشده است اما دلایل احتمالی عبارتند از:

• شبیه بودن ظاهر این فولاد به نوعی پارچه دمشقی
• ساخت این فولاد در دمشق
• خرید و فروش این فولاد در دمشق

انواع فولاد دمشقی

دو نوع فولاد دمشقی وجود دارد : فولاد دمشقی ریخته گری (Cast Damascus Steel) و فولاد دمشقی با الگوی جوش (pattern-welded Damascus steel). در این قسمت به معرفی این دو دسته پرداخته می‌شود.

فولاد دمشق ریخته گری

روش اصلی ساخت فولاد دمشق قابلیت تکرار نداشته است چرا که این ماده از ووتز (Wootz) ساخته شده است، ووتز نوعی فولاد  است که بیش از دو هزار سال پیش در هند ساخته شده است.

هند تولید ووتز را از قبل از تولد مسیح آغاز کرد، اما سلاح‌ها و سایر اقلام ساخته شده از ووتز در قرن 3 و 4 به عنوان اقلام تجاری فروخته شده در شهر دمشق، در سوریه مدرن، واقعاً محبوب شدند.

تکنیک‌های ساخت ووتز در دهه 1700 از دست رفته بود، بنابراین مواد اولیه فولاد دمشق از بین رفت. اگرچه بسیاری از تحقیقات و مهندسی معکوس سعی در تکرار فولاد دمشق ریخته گری کرده است، اما هیچ کس نتوانست با موفقیت مواد مشابه را ریخته گری کند.

فولاد ریخته گری ووتز با ذوب شدن آهن و فولاد به همراه ذغال سنگ در اکسیژن کم ساخته می‌شود. در این شرایط، فلز کربن را از ذغال جذب می‌کند. آهسته خنک شدن آلیاژ منجر به ایجاد ماده بلوری حاوی کاربید می‌شود.

فولاد دمشق با فورج ووتز به شمشیر و اشیای دیگر ساخته شد. برای تولید فولاد با الگوی موج دار مشخصه، مهارت قابل توجهی برای حفظ درجه حرارت ثابت لازم است.

فولاد دمشق با الگوی جوش

چاقوها و سایر اشیا امروزی ساخته شده از فولاد دمشق که با الگو جوش داده می‌شوند بسیاری از مشخصات فلز دمشق اصلی را دارا هستند. فولاد جوش داده شده با الگو از طریق لایه لایه سازی آهن و فولاد، فورج فلزات با چکش کاری در دمای بالا و تشکیل پیوند جوش خورده ساخته می‌شود. محل اتصال برای جلوگیری از نفوذ اکسیژن توسط یک فلاسک آب بندی می‌شود.

مطالعات انجام شده بر فولاد دمشق

مطالعه مدرن فولاد دمشق در انگلیس در سال 1795 با مطالعه جورج پیرسون در مورد فولاد بوته ووتز آغاز شد. D Mushet در ادامه این خط مطالعه، و به درستی نتیجه گرفت که ووتز محتوای کربن بسیار بالایی دارد و این ممکن است بر خواص فولاد دمشق تأثیر بگذارد.

مایکل فارادی نفر بعدی بود که روی این موضوع کار کرد، اگرچه وی به اشتباه خواص فولاد دمشق را به ناخالصی های سیلیکون و آلومینیوم نسبت داد.

با این حال، مقاله فارادی ژان رابرت برانت را در فرانسه ترغیب کرد که مطالعه فولاد دمشق را آغاز کند. او نمونه ای از wootz را بدست آورد و آزمایش آن را آغاز کرد. برانت نتیجه گرفت که ساختار فولاد مخلوطی از فولاد خالص(یا فولاد ترکیبی یوتکتوئید) و فولاد کربوراته (یا سمانیت طرفدار یوتکتوئید) است.

مطالعه فولاد دمشق تا قرن 19 و قرن 20 ادامه یافت. در سال 1918، N. T. Belaiew مقاله ای در مورد فولاد دمشق منتشر كرد كه ریزساختار را به تفصیل شرح می داد. ورهوون تصمیم گرفت آزمایشات تخریبی را روی شمشیر فولادی دمشق انجام دهد و ریزساختار آن را تجزیه و تحلیل کند و مقاومت آن را کمی آزمایش کند.

فولاد دمشق ریزساختار جالبی دارد. Verhoeven ریزساختار و ترکیب شمشیرهای مختلف را تجزیه و تحلیل کرده است و به ترکیب متوسط ​​زیر رسیده است (غلظت هایی که به صورت درصد وزنی داده می شود).

ترکیب شیمیایی فولاد دمشقی

از این رو می‌توان دریافت که فولاد دمشقی دارای مقدار کربن بسیار بالایی است، بنابراین به عنوان یک فولاد با کربن بسیار بالا طبقه بندی می شود.

اگر این فرض مطرح شود، سیستم به یک سیستم آهن-کربن تبدیل می شود. از آنجا که این ترکیب بیش از حد یوتکتوئید است، از دانه های مروارید (سیمانتیت لاملا و فریت) و سیمانیت تشکیل خواهد شد.

ساختار این دانه های سیمانیت طبیعی نیست. دانه های سیمانیت خالص کوچک هستند (قطر 2 تا 20 میکرومتر) و به طور تصادفی پراکنده نمی شوند. بنابراین میتوان آن را یک فولاد آلیاژی پرکربن دانست.

در عوض، آنها در صفحات موازی بزرگ به ضخامت 12 تا 30 میکرومتر و ده ها یا صدها میکرومتر از هم قرار گرفته اند. در سطح تیغه، ورق های سمانیت موازی نیستند، بلکه موجدار هستند، که به احتمال زیاد به دلیل فورج شدن تیغه است (چکش به ندرت منجر به تغییر شکل یکنواخت می شود، همانطور که در مورد جدیدترین عملیات آهنگری یا نورد وجود دارد) این ورق ها کاملاً با سطح زمین موازی نیستند و همراه با موجی که در اثر عمل فورج ایجاد می شود، باعث ایجاد الگوی نوار بندی قابل رویت می شود که به راحتی قابل مشاهده ترین ویژگی فولادهای دمشقی است.

این ذرات سمنتیت به عنوان موانعی در برابر دررفتن عمل می‌کنند و مقاومت فولادها را افزایش می دهند (مشابه روشی که رسوبات باعث افزایش مقاومت می شود آلیاژهای غیر آهنی است).

اگرچه می‌توان چنین موادی را در دمای پایین تولید کرد تا الگوی نوارهای دمشق باندهای فریت و سیمانیت مخلوط شده را به روشی مشابه با فولاد دمشقی الگوی جوش داده شده تولید کند، اما هرگونه عملیات حرارتی کافی برای حل کاربیدها باعث از بین رفتن دائمی این الگو می‌شود. با این حال، Verhoeven و Pendray کشف کردند که در نمونه‌های فولاد واقعی دمشق، الگوی دمشقی می‌تواند با پیر شدن در دمای متوسط ​​بازیابی شود.

بیشتر فولادهای مدرن که به منظور تقلید از ظاهر دمشقی اصلی ساخته شده اند، ورقه ورقه شدن فولادهای تاشو هستند که با کیفیت‌های ظاهری انتخاب شده اند، با آسیاب و پرداخت مخصوص برای نشان دادن لایه‌ها. مقدار محدودی از سازندگان فولاد تلاش می‌کنند تا فولاد دمشق اصلی را با استفاده از شمش‌های تولید شده به روش ووتز بازسازی کنند. تاثیر عناصر آلیاژی بر ویژگی های فولادها را برای دانستن بیشتر درباره انواع فولاد بخوانید.

روش ساخت فولاد دمشقی

چندین روش ساخت فولاد، غیر از فولاد اصلی ووتز (مانند فولاد دمشق) می‌تواند منجر به ایجاد سطوح طرح دار شود و به عنوان فولاد دمشق فروخته شده است. از نظر تاریخی فولاد دمشق از فولاد ووتز یا معادل آن پردازش می‌شود.

مواد مدرن که به منظور تقلید از شکل ظاهری فولاد دمشق ساخته می‌شوند، معمولاً با استفاده از الگوی جوشکاری دو فولاد ابزار ساخته می‌شوند، یکی با محتوای نیکل بالا، به نظر می رسد روشن، و دیگری خاکستری تر است، به طوری که فولادهای متناوب نوارهای تاریک و روشن ایجاد می‌کنند.

تصفیه یا اسیدشویی فولاد با اسید رقیق پس از پرداخت سطح باعث تیره شدن یکی از فولادها بیش از دیگری می‌شود. تا و پیچ خوردن در حالی که چکش فورج فولاد را کنترل می‌کند، الگوی راه راه را کنترل می‌کند و روش استفاده شده اغلب با مارک تجاری است. تیغ سازهای باتجربه می‌توانند الگوهای لایه ای را دستکاری کنند تا از طرح‌های موجود در سطح فولاد دمشق قرون وسطی تقلید کنند.

نانولوله‌های کربنی و نانوسیم‌ها در نمونه شمشیر قرن هفدهم از فورج فولاد دمشقی پیدا شدند. Peter Paufler، عضو تیم درسدن، می گوید که این نانوساختارها نتیجه فرآیند فورج هستند.

قبل از اوایل قرن 20، تمام بشکه‌های تفنگ با گرم کردن نوارهای باریک آهن و فولاد و شکل دادن آنها به دور یک سنبه فورج می شدند. به دلیل ظاهر فولاد دمشقی، بشکه‌های سطح بالاتر توسط سازندگان اسلحه بلژیکی و انگلیسی ساخته می شدند.

تولیدکنندگان اسلحه کنونی مانند Caspian Arms مونتاژهای اسلاید و قطعات کوچک مانند محرک‌ها و گاو صندوق‌های تپانچه Colt M1911 را از فولاد سوئدی پودر شده و در نتیجه یک اثر دو رنگ چرخان ایجاد می‌کنند. از این قسمتها اغلب "دمشق ضد زنگ" یاد می‌شود.

کاربرد فولاد دمشقی

فولاد دمشقی به علت استحکام بالا و قابلیت ریخته گری مناسب آن، برای ساخت چاقو و تیغه های تیز مستحکم بسیار مناسب است. علاوه بر این ظاهر منحصر به فرد آن بر زیبایی ظاهری چاقو می افزاید. در تولید بدنه سلاح های گرم هم از این فولاد مقاوم استفاده می‌شود. همچنین در ساخت زیورآلات منحصر به فرد از پترن خاص فولاد دمشقی استفاده می شود. اما به طور کل میتوان گفت که بهترین متریال ساخت چاقو، فولاد دمشقی است، چراکه مقاومت، خاصیت ریخته گری و قابلیت تیز شدن بسیار مناسبی دارد.