تأثیر افزودنی های آلیاژی بر کیفیت شمش فولادی

شمش ها یکی از انواع مقاطع فولادی هستند که برای کاربرد در صنایع مختلف در کارخانه ذوب آهن و فولاد تولید می شوند. فولاد، مهم ترین ماده اولیه است که از آلیاژ ترکیبی آهن و کربن تولید می شود. مواد اولیه برای تولید مقاطع فولادی، ابتدا به صورت مذاب در می آیند و سپس بسته به نوع محصول نهایی، باید تحت عملیات نورد یا فرآیندهای مختلف پردازش قرار بگیرند. عناصر آلیاژی در صنایع فولاد به طور مستقیم بر بسیاری از خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آنها تأثیر می گذارند و یکی از مهم ترین بخش های این صنعت محسوب می شوند. در این مطلب تخصصی درباره اثر افزودنی های آلیاژی به فولاد برای تولید شمش فولادی و بهبود خواص و کیفیت آنها صحبت می کنیم.

آلیاژهای حاوی آهن و کربن را می توان به فولاد و چدن طبقه بندی کرد. آلیاژهایی که تا 2.14 درصد کربن در آهن دارند را فولاد می‌نامیم و اگر این ترکیب، دارای 6.7 درصد وزنی کربن باشد، چدن خواهد بود. کربن، عنصر اصلی در فولاد است و اگر برخی ناخالصی ها در ترکیب مقاطع فولادی وجود داشته باشند، بر روی کیفیت آنها و مشخصات فیزیکی – مکانیکی تأثیر می گذارند.

در این شرایط، مهندسان با طراحی ویژه و انجام آزمون های کنترل کیفیت فولاد، مقدار استاندارد عناصر افزودنی را تعیین می کنند که به ترکیب اولیه فولاد اضافه می شود تا یک سری خواص را بهبود دهد.

طبق روال تولید فولاد در صنعت، این مصالح به سه دسته اصلی تقسیم بندی می شوند:

1- فولادهای کربنی:

• فولادهای کم کربن (محتوای کربن کمتر از 0.25٪)
• فولادهای کربن متوسط ​​( محتوای کربن در محدوده 0.25٪ تا 55٪)
• فولادهایی با کربن بالا ( محتوای کربن، بیشتر از 0.55٪)

2- فولادهای آلیاژی:

• فولاد کم آلیاژ: کمتر از 5 درصد عناصر آلیاژی در ترکیب خود دارند.
• فولاد پر آلیاژ: بیشتر از 5 درصد عناصر آلیاژی در ترکیب خود دارند.

3- فولادهای خاص با محتوای عناصر افزودنی منتخب:

• فولادهای ضد زنگ
• فولادهای منگنزدار
• فولادهای کروم- نیکل

تأثیر عناصر و افزودنی ها بر خواص فولاد و کاربردهای آن

فولاد، به شکل ورق فولادی، شمش فولادی، میلگرد فولادی، نبشی، تیرآهن و …، در بسیاری از صنایع تولیدی مختلف مانند لوازم آشپزخانه، لوازم خانگی، خودروسازی، صنعت نفت، صنعت چرم، صنایع شیمیایی، قطعات پمپ و کمپرسور، هوافضا، صنایع هسته ای، ساخت و ساز، لوله و اتصالات استفاده می شود. با این توضیح، نیاز است تا برخی از تغییرات در ویژگی ها با توجه به نوع کاربرد و استفاده ها در فولاد ایجاد گردد؛ که این کار با افزودنی عناصر و برخی مواد دیگر انجام می گیرد.

خواص فولاد بسته به ترکیب کربن و عناصر آلیاژی آن متفاوت است. هر عنصر آلیاژی، خواص متفاوتی را با کیفیت مختلف به فولاد اضافه می کند. انتظار اینکه یک ماده، تمام خواص فولاد را به بهترین شکل تغییر بدهد، هم بسیار دشوار است و هم هزینه های زیادی را ایجاد می کند. پس اهمیت زیادی دارد که بر اساس نوع کاربردهای خاص، ترکیب درصد عناصر افزودنی به فولاد را تنظیم و کنترل نمود.

به عنوان مثال، هنگام تولید لوله و اتصالات و انواع شیر آب خانگی، باید دانست که سطح فولادی به طور مکرر با آب در تماس است. به همین دلیل خطر خوردگی، بسیار وجود دارد. پس ویژگی مقاومت در برابر خوردگی باید در سطح بالایی در فولاد تنظیم شود. در برخی از لوله های فولادی نیز باید معیار تحمل فشار بالا، تنش ها و مقاومت در برابر سرعت جریان رعایت شود. اینها فقط بخشی از مهم ترین ویژگی هایی هستند که کیفیت شمش فولادی برای تولید لوله و اتصالات را نشان می دهند.

عناصر آلیاژی و چگونگی تأثیر آنها بر کیفیت شمش های فولاد

1- کربن

کربن، عنصر اصلی آلیاژی فولاد است و خواص مکانیکی از جمله استحکام، سختی و مقاومت مکانیکی را افزایش می دهد. اما در کنار این برتری ها، قابلیت های چکش خواری، شکل پذیری و چقرمگی نیز کاهش پیدا می کند. علاوه بر این، استحکام کششی تا یک نقطه معین در فولاد، افزایش دارد.

افزایش محتوای کربن در ترکیب فولاد باعث کاهش شکل پذیری آن می شود، یعنی خواص شکننده بودن از خود نشان می دهد. در فولادهایی با محتوای بالای کربن، به دلیل آستنیتی بودن، که پس از اعمال عملیات حرارتی رخ می دهد، خطر ترک خوردگی وجود دارد. این شرایط می تواند بر خواص آهنگری و جوش پذیری فولاد تأثیر منفی بگذارد.

2- کروم

کروم، رایج ترین عنصر آلیاژی مورد استفاده در فولاد است. مهمترین ویژگی شمش فولادی و ورق ها این است که لایه اکسید درخشان که بر روی سطح ایجاد می شود، ویژگی ضد زنگ بودن را به فولاد می بخشد. تقریباً 12 درصد کروم در ترکیب فولاد ضد زنگ وجود دارد.

کروم همچنین ترکیب کاربید را در فولاد ایجاد می کند، و به این روش، سختی را افزایش می دهد. محتوای کروم در شمش فولادی، مقاومت کششی و مقاومت حرارتی را مانند فولادهای کربنی افزایش می دهد، اما شکل پذیری نیز کاهش پیدا می کند.

3- نیکل

نیکل یکی از عناصر افزودنی به شمش فولادی است که در اکثر موارد، تا 5 درصد وزنی ترکیب وجود دارد. نیکل بر خلاف کروم و کربن، خواص سختی و استحکام مواد را بدون کاهش شکل پذیری و چقرمگی فولاد، بهبود می بخشد. این عنصر افزودنی، به طور گسترده در شمش های فولاد ضد زنگ استفاده می شود.

4- منگنز

منگنز، یکی از بهترین عناصر افزودنی است که می تواند خواص مکانیکی فولادها را بهبود بدهد. این عنصر باعث افزایش استحکام و کاهش شکل پذیری شمش فولادی می شود؛ و همچنین از طریق واکنش با گوگرد موجود در ترکیب، چکش خواری را افزایش می دهد. توانایی منگنز برای افزایش سختی و استحکام فولاد، به محتوای کربن بستگی دارد. همچنین این عنصر ممکن است باعث افزایش قابلیت جوشکاری مواد شود.

5- گوگرد

گوگرد یک عنصر آلیاژی نامطلوب در فولاد است، زیرا آن را شکننده می کند. به همین دلیل از طریق واکنش با منگنز، اثر آن را به حداقل می رسانند. بهتر است گوگرد را به گونه ای به فولاد اضافه کنند که در ترکیب با منگنز باشد زیرا ماشینکاری در فولادها را تسهیل می سازد.

6- سیلیسیم

سیلیسیم به عنوان یک عامل اکسیژن زدایی و گاززدایی در طول تولید استفاده می شود. همچنین باعث سهولت ریخته گری می شود. این عنصر، خواص مغناطیسی فولاد را بهبود می بخشد و مقاومت حرارتی آن را افزایش می دهد. سیلیسیم در حالی که باعث افزایش سختی و مقاومت فولاد در برابر سایش مواد می شود، اما بر کیفیت سطح تأثیر منفی می گذارد.

7- مولیبدن

مولیبدن یکی از عناصر افزودنی به فولاد است اما ممکن است اثرات شکنندگی ایجاد کند. برای جلوگیری از شکنندگی در فولادهای حاوی مولیبدن، از محتوای کم کروم و نیکل نیز استفاده می شود. مولیبدن، مقاومت حرارتی فولاد را افزایش می دهد و اثرات سایر عناصر آلیاژی را در بهبود کیفیت شمش فولادی افزایش می دهد. به همین دلیل، استفاده از آن نه به تنهایی، بلکه با سایر عناصر آلیاژی رایج است. مولیبدن با کربن ترکیب می شود و کاربید را تشکیل می دهد. از آنجایی که کاربیدها سختی فولاد را افزایش می دهند، استفاده از این عنصر برای تولید فولاد ابزار، رایج است.

8- وانادیوم

وانادیوم، عنصری ویژه در شمش فولادی خاص است و استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد. مقادیر کمی وانادیم اضافه شده می تواند از درشت شدن دانه بندی بافت فولاد جلوگیری کند. فرآیندهای نرم شدن پس از عملیات حرارتی، هیچ تغییری در این فولاد ایجاد نمی کند، به همین دلیل در تولید فولادهای ابزار کاربرد فراوانی دارد.

9- تنگستن

افزودنی تنگستن به فولاد، مقاومت به سایش، سختی و چقرمگی را افزایش می دهد و سهولت کار برشکاری در دماهای بالا را فراهم می سازد. به همین دلیل در ساخت فولاد ابزار و فولاد در شرایط سرعت زیاد، محبوبیت دارد. تنگستن در ساختار فولادهای مقاوم در برابر حرارت نیز استفاده می شود.

10- کبالت

کبالت فرآیند درشت شدن دانه بندی در دماهای بالا را کندتر می سازد؛ مقاومت حرارتی مواد و استحکام در دماهای بالا را افزایش می دهد و به همین دلیل در تولید فولاد ابزار کاربرد دارد.

11- آلومینیوم

در صنعت تولید شمش فولادی، آلومینیوم به عنوان یک اکسید کننده استفاده می شود؛ خاصیت پالایش دانه بندی را دارد، بنابراین از رشد دانه های آستنیت جلوگیری می کند، و مقاومت در برابر پیری فلزی را افزایش می دهد. به همین دلیل ورق های فولادی، حاوی آلومینیوم در ساختار خود هستند.

12- فسفر

عنصر فسفر در ترکیب فولاد، درست مانند گوگرد، حالت شکنندگی را ایجاد می کند. به همین دلیل، فسفر نیز به تنهایی، عنصری نامطلوب است. وجود فسفر در فولاد، سختی پذیری را افزایش می دهد، اما باعث افت شدید شکل پذیری می شود. این تغییرات، در فولادهای پرکربن، بیشتر مشاهده می شود.

13- مس

مس، عنصری مطلوب است که خواص مقاومت در برابر خوردگی و سختی را به فولاد می بخشد. اما مس، شکل پذیری فولاد را بسیار کاهش می دهد؛ به همین دلیل مقدار استاندارد آن در محتوای آلیاژهای فولادی باید حداکثر 0.5 درصد باشد.

14- نیتروژن

نیتروژن، استحکام و سختی فولاد را افزایش می دهد؛ این عنصر با تشکیل نیترید در ساختار فولاد، سختی را افزایش می دهد؛ فرآیند ماشینکاری را تسهیل می سازد. با این حال ممکن است شکنندگی را نیز افزایش دهد.

جمع بندی

فولاد، پرکاربردترین مصالح آلیاژی است و رد پای آن را در صنایع کوچک و بزرگ و کارگاه های تولیدی می توان یافت. یک ورق فولادی، شمش فولادی، یا هر کدام از مقاطع فولادی رایج در بازار در طول فرآیند ساخت، تحت عملیات مختلف قرار می گیرند؛ جوشکاری، ریخته گری، پرچ کردن، فشار و تنش، خوردگی، دمای بالا، لرزش، از این موارد هستند. لذا فولاد باید برای هر شرایطی که قرار است تحمل کند، بهینه سازی شود.

علاوه بر آهن و کربن، سایر عناصر را به ترکیب اولیه فولاد مذاب اضافه می کنند تا خواص مهم آن نظیر استحکام و مقاومت، تردی و شکنندگی، چکش خواری، تاب آوری در برابر دما و فشار بالا، دانه بندی و ساختار، به خوبی بهینه سازی گردد. مرجع استاندارد فولاد، درصد این عناصر را معین می کند.

موارد ذکر شده در فوق، نقش مهمی در کیفیت انواع مقاطع فولادی دارد. لذا صنعت تجارت پردیس آذربایجان سعی نموده بهترین شمش فولادی با کیفیت بالا را برای کاربردهای صنعتی مختلف به مشتریان عزیز ارائه دهد. شما می توانید قیمت شمش فولادی پردیس، قیمت میلگرد پردیس را از کارشناسان فروش استعلام بگیرید.