آهن زنگ نزن شگفت انگیز مربوط به هند باستان

در محوطه ی یک معبد خرابه در مجتمع Qutub Minar در فاصله ای نه چندان دور از فرودگاه بین المللی گاندی ایندیرای دهلی واقع در شمال هند، بقایای یک ستون فلزی از زمان ساخت آن در ۴۰۰ سال پیش از میلاد به صورت زنگ نزده باقی مانده است که در ائامه بررسی میکنیم.

ستون ۶ تنی در اصل فورج (آهنگری) شده و در دوره ی گوپتا (Gupta) در هند مرکزی نصب شده بود، اما حدود هفت قرن پیش به مکان کنونی اش منتقل شد. اگرچه جو دهلی به مقدار زیادی خورنده نیست -برای فولاد کم‌کربن در m/yµ۲۰ (براساس گواهی ایزو C2)- اما این شرایط دلیلی بر عدم زنگ زدگی ستون نیست. به عنوان یک نتیجه ی برجسته، این ستون مورخان و باستان شناسان و صاحبان علم و فن را به مدت طولانی به تحسین واداشته است.

ستون فلزی سخت حدود ۷ متر ارتفاع و ۴۰۰ میلیمتر قطر در پایه دارد. قسمت پایینی (ستون) سخت بوده و قسمت هایی که زیر زمین قرار داشته حفره‌دار شده‌است. اما باقی ستون استوانه ای صاف و یکنواخت با یک زنگ تزئینی در بالای سر آن می‌باشد. در آن‌جا کتیبه‌ای از پیروزی‌های پادشاه چاندرا (Chandra) بر دشمنانش در قرن چهارم پیش از میلاد به یادگار مانده‌است. هم‌چنین تصور بر این می‌باشد که خسارات برجای مانده در اثر شلیک گلوله‌ی توپ بوده‌است. این ستون عظیم به صورت یک تکه ساخته نشده‌است بلکه از چکش‌کاری و اتصال چندین قطعه از آهن داغ کار شده توسط فرایندی به نام forge welding تولید شده‌است. ترکیب این قطعات همگن نیست، مقدار کربن موجود به‌طور متنوعی متفاوت می‌باشد. ترکیب متوسط ستون دهلی، در قیاس با یک فولاد معمولی جدید در جدول ۱ نشان داده شده‌است.

جدا از مقدار فسفر موجود که بیش از ده برابر فولادهای جدید می‌باشد، مقدار ناخالصی‌های موجود در ستون عموماً پایین می‌باشد، که عموماً در فولادهای کارشده‌ی قدیمی رایج می‌باشد. به‌طور آشکار سنگ معدن آهن با مقدار زیادی فسفر (برای ساخت این ستون‌ها) مورد استفاده قرار گرفته‌است، و این جزء باعث آلودگی محصول شده‌است. در نتیجه، یک لایه‌ی محافظ خاکستری تیره‌ی بسیار نازک از فسفات هیدروژن آهن در سطح ستون تشکیل شده‌است که دلیلی بر مقاومت به خوردگی آن می‌باشد. بنابراین آیا فقط نیاز به افزایش فسفر محتوای فولاد امروزی (جدید) به‌منطور جلوگیری از زنگ‌زدگی می‌باشد؟ متأسفانه وجود این مقدار فسفر تأثیر مخربی بر خواص مکانیکی فولاد دارد.

در حالی‌که آهن موجود در ستون دهلی استحکام تسلیم نسبتاً بالایی در مقایسه با فولاد ساختمانی دارد، وجود فسفر به‌طور چشمگیری داکتیلیته‌ی آن را کاهش داده که توسط معیار ازدیاد طول (Elongation) اندازه‌گیری می‌شود. انرژی ضربه نیز به‌طور مشابه کاهش خواهدیافت. فولادی با چنین مقادیر فسفر بالا بسیار شکننده خواهد بود و مشکلی به نام cold shortness دارد. short یک اصطلاح قدیمی به‌ معنای تکه‌تکه می‌باشد (همانند خرده نان). از سال‌ها قبل این مطلب درک شده بود که مقدار فسفر موجود در فولاد باید محدود باشد. در حقیقت، اولین استاندارد توسط انجمن ASTM در سال ۱۹۰۱ میلادی وضع شد، ASTM A1 برای ریل‌های راه‌آهن، شامل محدودیت‌هایی برای مقدار فسفر موجود (در فولاد) بود. مقادیر فسفر زیاد برای ستونی که فقط (در مکانی) ایستاده مشکل ایجاد نمی‌کند، اما برای هر شیئی که در معرض تنش قرار بگیرد به طور مثال برای پل‌ها، ساختمان‌ها، ریل‌ها یا هر وسیله‌ی مکانیکی دیگر قابل قبول نیست. خواص مکانیکی آهن کارشده‌ی قدیمی، در مقایسه با فولادهای معمول امروزی با مقادیر مشابهی کربن، در جدول۲ نمایش داده شده‌است.

اگرچه آهنگران هند باستان در حدود ۱۶۰۰ سال قبل به طور تصادفی به آهن زنگ نزن دست پیدا کردند، متأسفانه رسیدن به خواص مکانیکی مناسب و کارآمد، امکان پذیر نبود.
در نوامبر ۲۰۱۸ در مجله‌ی MP، خواهیم دید چگونه به کارگیری هوشمندانه‌ی ترکیب شیمیایی، می‌تواند منجر به تولید فولاد زنگ‌نزن با خواص مکانیکی قابل قبول شود که به منظور تولید یکی از شاهکارهای معماری مدرن مورد استفاده قرار گرفته‌است.

ستون فلزی در Qutub Minar دهلی به مدت بیش از ۱۶۰۰ سال زنگ‌نزده باقی‌مانده است.