بررسی تاثیر عنصرهای آلیاژی در کاربرد و خواص آهن و فولاد

 

فولاد ترکیبی از آهن و کربن است. فولاد برای بهبود خصوصیات فیزیکی و ایجاد خواص ویژه از جمله مقاومت در برابر خوردگی یا گرما با عناصر مختلف آلیاژ شده است. فولاد آلیاژی به نوعی از فولاد اشاره دارد که با عناصر مختلف آلیاژ شده است. از نظر تئوری، هر فولاد را می توان به عنوان فولاد آلیاژی نام برد زیرا ساده ترین فولاد، آهن  آلیاژ شده با حداکثر 2.06٪ کربن است.

با این حال ، اصطلاح فولاد آلیاژی معمولاً به فولادهایی گفته می شود که به عناصر غیر از کربن آلیاژ داده شده اند. وزن کل عناصر آلیاژی می تواند تا 50٪ برسد تا به فولاد خاصیت‌هایی مانند محافظت بهتر دربرابر سایش یا انعطاف پذیری داده شود.

مزایای آلیاژهای فولادی

 

عناصر آلیاژی مختلف – یا مواد افزودنی – هر کدام روی خواص فولاد به طور متفاوت اثر می گذارند. برخی از خواص که از طریق آلیاژی کردن بهبود می‌یابد عبارتند از:

تثبیت کردن آستنیت : عناصر مانند نیکل ، منگنز ، کبالت و مس محدوده دمایی را که در آن فرایند استنیت وجود دارد افزایش می دهد.

تثبیت کننده فریت : کروم ، تنگستن ، مولیبدن ، وانادیوم ، آلومینیوم و سیلیکون می تواند به کاهش حلالیت کربن در آستنیت کمک کند. این ویژگی منجر به افزایش تعداد کاربیدها در فولاد می شود و دامنه دمایی که در آن آستنیت وجود دارد را کاهش می دهد.

تشکیل کاربید : بسیاری از فلزات جزئی ، از جمله کروم ، تنگستن ، مولیبدن ، تیتانیوم ، نیوبیوم ، تانتالوم و زیرکونیوم ، کاربیدهای قوی ایجاد می کنند که در فولاد ، سختی و استحکام را افزایش می دهد. اینگونه فولادها اغلب برای ساختن فولاد با سرعت بالا و ابزار فولادی گرم کار مورد استفاده قرار می گیرند.

گرافیت سازی : سیلیکون ، نیکل ، کبالت و آلومینیوم می توانند باعث کاهش پایداری کاربیدها در فولاد شوند و باعث شکسته شدن آنها و تشکیل گرافیت آزاد شوند.

انواع عناصر آلیاژی

در طی فرآیند آلیاژی ، فلزات ترکیب می شوند تا ساختارهای جدیدی ایجاد کنند که استحکام بالاتر، خوردگی کمتر یا سایر خواص ایجاد می کند. فولاد ضد زنگ نمونه ای از فولاد آلیاژی است که شامل افزودن کروم است. اثرات خاص اضافه شدن چنین عناصر در زیر بیان شده است :

نیکل (Ni)

یکی دیگر از عناصر آلیاژی بسیار مهم برای فولادهای ضد زنگ ، نیکل است که به مقدار بیش از 8٪  به استیل حاوی کروم بالا اضافه می شود. نیکل مقاومت ، استحکام در برابر ضربه و چقرمگی را افزایش می دهد و در عین حال مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی را نیز بهبود می بخشد. هنگامی که این آلیاژ در دماهای کم، به مقدار کم اضافه می شود چقرمگی را افزایش می دهد.

کروم (Cr)

کروم به دلیل سختی بالا و مقاومت در برابر خوردگی یکی از محبوب ترین فلزات آلیاژی برای فولاد است. کروم یک فلز خاکستری ، سخت و شکننده با مقاومت در برابر درجه حرارت بالا و نقطه ذوب 1907 درجه سانتیگراد (3465 درجه فارنهایت) است. کروم در فولاد برای افزایش سختی‌پذیری آلیاژ می شود. میزان کروم بالا از 4 تا 18 درصد باعث مقاومت در برابر خوردگی بالاتر می شود. به عنوان مثال: یکی از آلیاژهای پرکاربرد فولاد ، یعنی فولاد ضد زنگ ، دارای حداقل کروم حداقل 10.5٪ است و باعث می شود در برابر آب ، گرما یا خوردگی، مقاومت بیشتری را دارا باشند.

کربن ( (C

مهمترین ماده سازنده فولاد کربن است. استحکام کششی ، سختی پذیری و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد. انعطاف پذیری، چقرمگی و ماشین‌کاری را کاهش می دهد.

وانادیوم (V)

این عنصر آلیاژی، استحکام، سختی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر ضربه را افزایش می دهد. این عنصر رشد دانه را به تاخیر می اندازد و دمای کوئنچ را بالاتر می برد. از وانادیوم برای کمک به کنترل اندازه دانه های فولاد استفاده می شود. در واقع اندازه دانه را کوچک نگه می‌دارد، زیرا كاربیدهای وانادیوم كه هنگام اضافه شدن وانادیوم به فولاد تشکیل می شوند مانع از رشد دانه میشوند. این ساختار ریزدانه به افزایش شکل پذیری کمک می کند. در برخی از فولادها ، کاربیدهای تشکیل شده توسط وانادیوم می توانند سختی و استحکام فولاد را افزایش دهند.

فولادهای A3 ، A9 ، O1 و D2 ، آلیاژهای فولادی با مقادیر زیادی وانادیوم هستند. فولادهای تیغه ای مانند M390 و VG 10 نیز مقادیر نسبتاً بالایی وانادیوم دارند.

تنگستن (W)

استحکام ، مقاومت در برابر سایش ، سختی و سفتی را افزایش می دهد. فولادهای دارای تنگستن، قابلیت گرم کاری بسیار زیاد و برش بهتر در دماهای بالا را دارا هستند.

منگنز (Mn)

در فولاد آلیاژی، منگنز به طور معمول در ترکیب با گوگرد و فسفر استفاده می شود. منگنز به کاهش شکنندگی کمک می کند و باعث افزایش قابلیت فورجینگ، استحکام کششی و مقاومت در برابر سایش می شود. منگنز با گوگرد واکنش نشان می دهد و در نتیجه سولفید منگنز مانع از تشکیل سولفیدهای آهن می شود. منگنز نیز به دلیل سخت شدن بهتر به منگنز اضافه می شود زیرا منجر به کندتر شدن سرعت کوئنچ کردن در تکنیک های سخت شدن می شود. اکسیژن اضافی را می توان در فولاد مذاب با استفاده از منگنز از بین برد.

تیتانیوم (Ti)

در حالی که اندازه دانه آستنیتی را محدود می کند ، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را نیز بهبود می بخشد. در محتوای 0.25-0.60 درصد تیتانیوم، کربن با تیتانیوم ترکیب می شود و باعث می شود کروم در مرزهای دانه بماند و در برابر اکسیداسیون مقاومت کند.

زیرکونیوم (Zr)

این عنصر سبب افزایش استحکام و محدودیت در اندازه دانه‌ها میشود. استحکام را می توان در دماهای بسیار پایین (زیر انجماد) افزایش داد. فولادهایی که دارای زیرکونیوم تا حدود 0.1٪ هستند ، دارای اندازه دانه های کوچکتر و مقاومت در برابر شکستگی هستند.

گوگرد  (S)

اگر گوگرد به مقدار کم به فولاد اضافه شود، باعث بهبود ماشین کاری می شود بدون اینکه باعث شکنندگی فولاد در اثر حرارت شود. با افزودن منگنز شکنندگی حرارتی بیشتر کاهش می یابد به این دلیل که سولفید منگنز دارای نقطه ذوب بالاتری نسبت به سولفید آهن است.

سلنیوم

قابلیت ماشین کاری را افزایش می دهد. افزودن سلنیوم به مقدار کم (0.04-0.08٪) تأثیر قابل توجهی در ماهیت ، مورفولوژی و پراکندگی اجزاء غیر فلزی و بنابراین خواص مکانیکی ، تکنولوژیکی و عملیاتی فولاد سازه دارند.

فسفر

این عنصر اغلب به همراه گوگرد به منظور بهبود ماشینکاری به فولادهای کم آلیاژ اضافه می شود. همچنین باعث افزایش استحکام و افزایش مقاومت در برابر خوردگی می شود. فسفر بیش از 0.4% باعث می شود که جوش شکننده شود و تمایل به ترک افزایش یابد. کشش سطحی فلز مذاب جوش کاهش یافته و کنترل آن دشوار می‌شود.

نیوبیوم

 با تشکیل کاربیدهای سخت که باعث ثبات کربن میشود دارای مزیت است. اغلب در فولادهای دمای بالا یافت می شود. مقادیر کم نیوبیوم می تواند استحکام تسلیم را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

نیتروژن

استحکام آستنیتی فولادهای ضد زنگ را افزایش داده و استحکام تسلیم در این فولادها را بهبود می بخشد.

مولیبدن

به مقدار کمی در فولادهای ضد زنگ وجود دارد ، مولیبدن سختی و استحکام را خصوصاً در دماهای بالا افزایش می دهد. مولیبدن مانند کروم در مقاومت در برابر خوردگی فولاد تأثیر دارد. با کم کردن سرعت کوئنچ در طی فرآیند عملیات حرارتی ، برای ساختن یک فولاد قوی و محکم، مولیبدن سختی پذیری را افزایش می دهد. این عنصر اغلب در فولادهای آستنیتی کروم-نیکل استفاده می شود و آن را در برابر خوردگی حفره‌ای ناشی از کلریدها و مواد شیمیایی محافظت می کند. بنابراین ، این آلیاژها اغلب در صنایع شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند.

مولیبدن در فرم خالص آن نیز یک عنصر اساسی برای تغذیه گیاهان است ، بنابراین می بینید که در طیف گسترده ای از کودها مورد استفاده قرار می گیرد.

سیلیکون

سیلیکون تا حدودی در تمام فولادها وجود دارد. سیلیکون استحکام و سختی را افزایش می دهد اما نسبت به منگنز این میزان کمتر است. محتوای آن برای ورق های برقی که در مدارهای مغناطیسی جریان متناوب استفاده می شوند می تواند تا 4٪ برسد. هنگام جوشکاری ، سیلیکون برای کیفیت سطح خصوصاً در گریدها کم کربن، مضر است.  وقتی که محتوای کربن نسبتاً زیاد باشد، تمایل به ترک خوردگی را تشدید می کند. برای بهترین شرایط جوشکاری، محتوای سیلیکون نباید از 0.10٪ تجاوز کند.

مس

در فولادها بعنوان ماده باقیمانده یافت می شوند زیرا اثر مخرب برای فولاد دارد. برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی اضافه می شود.

سرب

اگرچه تقریباً در فولاد مایع یا جامد نامحلول است ، بعضی اوقات سرب با روش پراکندگی مکانیکی به فولادهای کربن اضافه می شود تا بتواند قابلیت ماشین‌کاری را بهبود بخشد.

کبالت

باعث افزایش مقاومت در دماهای بالا و نفوذپذیری مغناطیسی می شود.

آلومینیوم

یک اکسید زدای قوی است که برای محدود کردن رشد دانه های آستنیتی استفاده می شود.