تصنيف ومعايير الصلب في الصين
لماذا تتنوع خصائص أنواع الفولاذ المختلفة، وكيف يتم تصنيفها في الصين؟ توضح هذه المقالة تصنيف ومعايير الفولاذ، وتشرح كيفية تصنيف الفولاذ في الصين...
هل تعلم أن العناصر الصغيرة المخبأة داخل الفولاذ يمكن أن تغير أداءه بشكل جذري؟ تغوص هذه المدونة في عالم عناصر السبائك الرائع، وتكشف كيف يشكل الهيدروجين والبورون والكربون والنيتروجين والأكسجين والمغنيسيوم والألومنيوم والسيليكون قوة الفولاذ ومتانته وقابليته للاستخدام. استعد لاكتشاف الأسرار الكامنة وراء هذه المكونات المهمة وتأثيراتها المدهشة على الصلب.
من المعروف على نطاق واسع أن الهيدروجين هو العنصر الأكثر ضررًا في الفولاذ، حيث من المحتمل أن يؤدي وجوده إلى تقصف الهيدروجين وتكوين بقع بيضاء، وكلاهما يضر بجودة الفولاذ وأدائه بشكل كبير.
على غرار الأكسجين والنيتروجين، يُظهر الهيدروجين قابلية ذوبان منخفضة للغاية في الصلب الصلب. أثناء عمليات صناعة الصلب في درجات الحرارة العالية، يمكن أن يذوب الهيدروجين في الفولاذ السائل. وإذا لم تتم إدارته بشكل صحيح، فقد يصبح الهيدروجين محصوراً أثناء التبريد السريع، ويتراكم داخل البنية المجهرية ويشكل مساماً دقيقة عالية الضغط. يمكن لهذه الظاهرة أن تقلل بشكل كبير من مرونة الفولاذ وصلابته وقوة إجهاده، مما قد يؤدي إلى تشقق شديد وكسر هش كارثي.
تختلف القابلية للتقصف الهيدروجيني باختلاف البنى المجهرية للصلب. فالفولاذ المارتنزيتي ضعيف بشكل خاص، بينما يُظهر الفولاذ الحديدي مقاومة أعلى بشكل عام. عادةً ما تزداد شدة التقصف الهيدروجيني مع ارتفاع مستويات الصلابة ومحتوى الكربون، مما يسلط الضوء على أهمية الاختيار الدقيق للمواد وعمليات المعالجة الحرارية في البيئات الغنية بالهيدروجين.
ومن المثير للاهتمام أنه على الرغم من أن تأثيرات الهيدروجين سلبية في الغالب، إلا أنه يمكن أن يعزز بعض الخصائص المغناطيسية للصلب. وعلى وجه التحديد، يحسِّن الهيدروجين النفاذية المغناطيسية، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا في بعض التطبيقات الكهرومغناطيسية. ومع ذلك، يأتي ذلك على حساب زيادة الإكراه وفقدان الحديد. وقد أظهرت الدراسات أن إضافة الهيدروجين يمكن أن ترفع الإكراه بمعامل من 0.5 إلى 2، مما يستلزم توازناً دقيقاً في تصميم الفولاذ المغناطيسي.
وللتخفيف من المشكلات المتعلقة بالهيدروجين، يستخدم صانعو الصلب استراتيجيات مختلفة مثل تفريغ الغازات ومعدلات التبريد المتحكم بها والمعالجات الحرارية بعد الإنتاج. وتُعد طرق الاختبار غير المدمرة المتقدمة، مثل مجسات الهيدروجين وتقنيات الموجات فوق الصوتية، ضرورية للكشف عن العيوب الناجمة عن الهيدروجين وضمان سلامة الفولاذ في التطبيقات الحرجة.
تتمثل الوظيفة الرئيسية للبورون في الفولاذ في تعزيز صلابته بشكل كبير، مما يسمح بتقليل استخدام عناصر السبائك الأخرى مثل النيكل والكروم والموليبدينوم. وعادةً ما يُضاف البورون بتركيزات تتراوح بين 0.0011 تيرابايت 3 تيرابايت إلى 0.0051 تيرابايت 3 تيرابايت، حيث يمكن لهذه الكمية الصغيرة أن تحل محل 1.61 تيرابايت 3 تيرابايت من النيكل أو 0.31 تيرابايت 3 تيرابايت من الكروم أو 0.21 تيرابايت 3 تيرابايت من الموليبدينوم.
عند التفكير في البورون كبديل للموليبدينوم، من المهم ملاحظة أنه في حين أن الموليبدينوم يخفف من التقصف المزاجي، فإن البورون قد يعززه قليلاً. وبالتالي، لا يُنصح بالاستبدال الكامل للموليبدينوم بالبورون.
وتؤدي إضافة البورون إلى الفولاذ الكربوني إلى تحسين الصلابة بشكل ملحوظ، مما يعزز بشكل خاص أداء المقاطع الفولاذية السميكة التي تتجاوز 20 مم. وتسمح هذه الخاصية للفولاذ 40B و40MnB بالعمل كبدائل قابلة للتطبيق للفولاذ 40Cr، في حين يمكن للفولاذ 20Mn2TiB أن يحل بشكل فعال محل 20CrMnTi في تطبيقات الكربنة.
ومع ذلك، تقل فعالية البورون مع زيادة محتوى الكربون في الفولاذ. وتكتسب هذه الظاهرة أهمية خاصة عند اختيار الفولاذ المكربن المحتوي على البورون، حيث إن صلابة الطبقة المكربنة بعد المعالجة ستكون أقل من صلابة المادة الأساسية.
بالنسبة لتطبيقات الفولاذ الزنبركي، حيث يكون التبريد الكامل مطلوبًا بشكل عام، يمثل فولاذ البورون خيارًا ممتازًا بسبب مقطعه العرضي الزنبركي المضغوط. ومع ذلك، يجب توخي الحذر عند التفكير في إضافات البورون إلى الفولاذ الزنبركي عالي السيليكون، حيث يمكن أن يؤدي التفاعل إلى نتائج غير متوقعة.
يُظهر البورون أيضًا تقاربًا قويًا للنيتروجين والأكسجين. في الفولاذ الحديدي، يمكن أن تؤدي إضافة أقل من 0.007% من البورون إلى القضاء على تأثيرات التصلب مع تقدم العمر بشكل فعال، مما يحسن من ثبات الفولاذ على المدى الطويل.
ولتحسين فوائد البورون في الفولاذ، من الضروري التحكم الدقيق في التركيب ومعلمات المعالجة. يمكن استخدام تقنيات متقدمة مثل تفريغ الغازات الفراغية والمعالجة الحرارية في الغلاف الجوي الواقي للحفاظ على محتوى البورون المطلوب وتوزيعه داخل مصفوفة الفولاذ.
الكربون هو أهم عنصر من عناصر السبائك في الفولاذ بعد الحديد، حيث يؤثر بعمق على خواصه الميكانيكية وبنيته المجهرية وخصائص المعالجة. يؤثر محتوى الكربون تأثيراً مباشراً على قوة الفولاذ وليونته وصلابته وقابليته للحام، مما يجعله عاملاً حاسماً في اختيار المواد وعمليات التصنيع.
في الفولاذ ناقص التكثيف (محتوى الكربون أقل من 0.8%)، تؤدي زيادة محتوى الكربون إلى زيادة القوة والصلابة بسبب تكوين البرليت وتأثير التقوية لذرات الكربون الخلالي. ومع ذلك، يأتي ذلك على حساب انخفاض الليونة وصلابة الصدمات، حيث تصبح البنية المجهرية للفولاذ أقل مرونة.
وعلى النقيض من ذلك، في الفولاذ فائق التكتيل (محتوى الكربون أعلى من 1.0%)، تؤدي الزيادات الإضافية في محتوى الكربون إلى انخفاض القوة. تحدث هذه الظاهرة بسبب تكوين شبكة أسمنتيّة هشّة على طول حدود حبيبات الأوستينيت السابقة، والتي يمكن أن تعمل كمواقع لبدء التشقق تحت الضغط.
تتأثر قابلية لحام الفولاذ بشكل كبير بالمحتوى الكربوني، مع ملاحظة انخفاض ملحوظ في قابلية اللحام عندما تتجاوز مستويات الكربون 0.3%. ويُعزى هذا الانخفاض في المقام الأول إلى زيادة الصلابة والقابلية للتشقق البارد في المنطقة المتأثرة بالحرارة. مع ارتفاع محتوى الكربون، يصبح الفولاذ أيضًا أكثر عرضة للتقصف البارد وتقادم الإجهاد، بينما تقل مقاومته للتآكل في الغلاف الجوي بسبب تكوين كربيدات الحديد التي يمكن أن تعمل ككاثودات محلية، مما يسرع من عملية التآكل.
إن تأثير النيتروجين (N) على أداء الفولاذ متعدد الأوجه، حيث يتشارك في أوجه التشابه مع الكربون والفوسفور. فمع زيادة محتوى النيتروجين، يعزز النيتروجين من قوة الفولاذ بشكل كبير مع تقليل اللدونة في الوقت نفسه، مما يؤثر بشكل خاص على المتانة وقابلية اللحام. علاوة على ذلك، يساهم النيتروجين في زيادة هشاشة الفولاذ على البارد.
وتؤدي مستويات النيتروجين المرتفعة إلى تفاقم ميول التقادم والهشاشة على البارد والساخن، وتؤثر سلبًا على خصائص اللحام والثني على البارد. وبالتالي، يعد تقليل محتوى النيتروجين في الفولاذ والتحكم فيه أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على خصائص الأداء المثلى.
توصي معايير الصناعة عادةً بالحد من محتوى النيتروجين بما لا يزيد عن 0.0181 تيرابايت في معظم درجات الصلب. ومع ذلك، عند دمجه بشكل استراتيجي مع عناصر مثل الألومنيوم أو النيوبيوم أو الفاناديوم، يمكن تخفيف الآثار الضارة للنيتروجين وتحسين أداء الصلب. ويسمح هذا التفاعل التآزري للنيتروجين بالعمل كعنصر سبائك مفيد في بعض أنواع الفولاذ منخفض السبائك.
في تركيبات محددة من الفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن أن تحل إضافات النيتروجين الخاضعة للرقابة محل الكروم جزئيًا، مما يقلل بشكل فعال من تكاليف المواد دون المساس بالأداء. على سبيل المثال، في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، يعمل النيتروجين في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ كمثبت للأوستنيت ويساهم في تقوية المحلول الصلب، مما يسمح بتقليل محتوى النيكل.
من المهم أن نلاحظ أن التحكم الدقيق في مستويات النيتروجين وتفاعله مع عناصر السبائك الأخرى أمر بالغ الأهمية في تحقيق التوازن المطلوب في خصائص إنتاج الصلب. وتلعب التقنيات المتقدمة لصناعة الفولاذ، مثل التفريغ بالتفريغ والتبريد المتحكم فيه، دورًا حيويًا في إدارة محتوى النيتروجين وتحسين أداء الفولاذ في مختلف التطبيقات.
يلعب الأكسجين دورًا حاسمًا في إنتاج الصلب، ولكن وجوده يمكن أن يكون له آثار ضارة على المنتج النهائي. فهو موجود بطبيعته أثناء صناعة الصلب، وعلى الرغم من جهود إزالة الأكسدة باستخدام عناصر مثل المنجنيز والسيليكون والحديد والألومنيوم في المراحل النهائية، إلا أن إزالته بالكامل لا تزال غير قابلة للتحقيق.
أثناء عملية التصلب، يتفاعل الأكسجين المذاب مع الكربون في الفولاذ المصهور، مكونًا أول أكسيد الكربون. يمكن أن يؤدي هذا التفاعل إلى تكوين مسامية غازية أو ثقوب نفخية، مما يضر بالسلامة الهيكلية للصلب.
في الصلب، يوجد الأكسجين في المقام الأول في صورة شوائب أكسيد، مثل FeO (أكسيد الحديد) وMnO (أكسيد المنجنيز) و SiO2 (ثاني أكسيد السيليكون) وAl2O3 (أكسيد الألومنيوم). تعمل هذه الشوائب غير المعدنية كمركزات إجهاد، مما يقلل من الخواص الميكانيكية للصلب، وخاصةً قوته وليونته. ويؤثر وجود هذه الأكاسيد تأثيراً كبيراً على قوة الإجهاد والمتانة، وهي عوامل حاسمة في العديد من التطبيقات الهندسية.
في الفولاذ الكهربائي، وخاصةً فولاذ السيليكون المستخدم في المحولات والمحركات الكهربائية، يكون لمحتوى الأكسجين تأثيرات واضحة. فهو يزيد من خسائر الحديد، وبالتالي يقلل من كفاءة الطاقة. ويقلل الأكسجين أيضًا من النفاذية المغناطيسية ومغنطة التشبع، وهي معايير رئيسية للأداء الكهرومغناطيسي. وعلاوة على ذلك، فإنه يسرع من الشيخوخة المغناطيسية، وهو تدهور يعتمد على الوقت في الخواص المغناطيسية، مما قد يقلل من العمر التشغيلي للمكونات الكهربائية.
يلعب المغنيسيوم (Mg) دورًا حاسمًا في تحسين جودة وأداء الفولاذ، خاصةً في التحكم في الشوائب وتعزيز الخواص الميكانيكية. عند إضافته بكميات دقيقة، يمكن للمغنيسيوم تعديل البنية المجهرية للصلب بشكل كبير، مما يؤدي إلى خصائص مادية فائقة.
في إنتاج الفولاذ، يعمل المغنيسيوم كمزيل أكسدة قوي ومزيل للكبريت. فهو يقلل بشكل فعال من عدد الشوائب غير المعدنية، ويقلل من حجمها، ويعزز توزيعًا أكثر اتساقًا في جميع أنحاء مصفوفة الصلب، ويعدل شكلها إلى أشكال أكثر ملاءمة. وتساهم هذه التحسينات في خصائص الشوائب في تحسين نظافة الفولاذ والأداء العام للمواد.
بالنسبة للفولاذ الحامل، الذي يتطلب نظافة استثنائية وبنية مجهرية موحدة، أظهرت الإضافات النزرة للمغنيسيوم فوائد ملحوظة. ويؤثر المغنيسيوم على حجم وتوزيع الكربيدات، وهي مكونات حاسمة في الفولاذ الحامل. ومن خلال تنقية هياكل الكربيدات، يساهم المغنيسيوم في تحسين مقاومة التآكل، وعمر التعب، والأداء العام للمحمل.
إن تأثير المغنيسيوم على الخواص الميكانيكية للصلب جدير بالملاحظة بشكل خاص. عندما يتم التحكم في محتوى المغنيسيوم بدقة بين 0.0021 تيرابايت 3 تيرابايت و0.0031 تيرابايت 3 تيرابايت بالوزن، يُظهر الفولاذ تحسينات كبيرة في القوة دون المساس بالليونة. وعلى وجه التحديد، تزداد كل من قوة الشد وقوة الخضوع بأكثر من 5%، بينما تظل مرونة المادة دون تغيير جوهريًا. هذا المزيج الفريد من القوة المحسّنة والليونة المحفوظة مرغوب فيه للغاية في العديد من التطبيقات الهندسية، حيث يتيح تصميم مكونات أخف وزنًا وأقوى في الوقت ذاته.
ومن المهم الإشارة إلى أن تحقيق هذه الفوائد يتطلب تحكمًا دقيقًا في إضافة المغنيسيوم، حيث يمكن أن تؤدي الكميات الزائدة إلى آثار ضارة. ولذلك، فإن تقنيات السبائك المتقدمة والتحكم الدقيق في العملية ضروريان للاستفادة من الإمكانات الكاملة للمغنيسيوم في إنتاج الصلب.
يُظهر الألومنيوم، وهو مزيل أكسدة قوي وعنصر صناعة السبائك في إنتاج الصلب، قدرات فائقة على إزالة الأكسدة مقارنة بالسيليكون والمنجنيز. وتتعدد وظائفه الأساسية في صناعة معادن الصلب وتتسم وظائفه الأساسية في تعدين الصلب بتعدد الأوجه والأهمية الحاسمة لتعزيز خصائص الصلب المختلفة.
تعمل إضافة الألومنيوم إلى الفولاذ على تنقية الهياكل الحبيبية وتثبيت النيتروجين، مما يؤدي إلى تحسينات كبيرة في صلابة الصدمات. تخفف آلية صقل الحبيبات هذه بشكل كبير من الهشاشة على البارد وتقلل من ميول التصلب مع تقدم العمر، وبالتالي تعزز الأداء الميكانيكي العام للصلب وطول عمره.
في درجات محددة من الفولاذ، يكون محتوى الألومنيوم الدقيق أمرًا بالغ الأهمية. على سبيل المثال، يتطلب الفولاذ الهيكلي الكربوني من الدرجة D ما لا يقل عن 0.015% من الألومنيوم القابل للذوبان في الأحماض. في حالة الصفيحة المدرفلة على البارد 08AL، المصممة لتطبيقات السحب العميق، يتراوح محتوى الألومنيوم الذائب في الحمض الأمثل من 0.015% إلى 0.065%، مما يضمن قابلية التشكيل والقوة المناسبة.
يساهم الألومنيوم أيضًا في تعزيز مقاومة الفولاذ للتآكل، خاصةً عند استخدامه بالتآزر مع عناصر السبائك الأخرى مثل الموليبدينوم والنحاس والسيليكون والكروم. يخلق هذا المزيج طبقة سلبية أكثر قوة، مما يحسن من مقاومة الفولاذ لمختلف البيئات المسببة للتآكل.
في فولاذ الكروم والموليبدينوم والكروم، تؤدي إضافات الألومنيوم إلى زيادة مقاومة التآكل. ويتحقق ذلك من خلال تكوين جسيمات أكسيد الألومنيوم الصلبة الدقيقة المنتشرة في جميع أنحاء مصفوفة الفولاذ، والتي تعمل كعوائق أمام حركة الخلع وتعزز صلابة السطح.
ومع ذلك، من المهم أن نلاحظ أن تأثيرات الألومنيوم ليست مفيدة بشكل عام. ففي فولاذ الأدوات عالي الكربون، يمكن أن يؤدي وجود الألومنيوم إلى هشاشة أثناء عملية التبريد، مما قد يضر بصلابة الفولاذ وأدائه العام.
في حين أن الألومنيوم يوفر العديد من المزايا، فإنه يمثل أيضًا تحديات في معالجة الصلب. فقد يؤثر سلبًا على خصائص المعالجة الحرارية وأداء اللحام وقابلية التشغيل الآلي. ترجع هذه التأثيرات إلى تكوين شوائب أكسيد الألومنيوم عالية الانصهار وتعديل البنية المجهرية للفولاذ، مما قد يؤدي إلى زيادة تآكل الأداة أثناء المعالجة الآلية وعيوب اللحام المحتملة إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.
يعد السيليكون عنصرًا حاسمًا في صناعة الصلب، حيث يعمل كعامل اختزال أساسي ومزيل للأكسدة. في الفولاذ الكربوني، يظل محتوى السيليكون عادةً أقل من 0.51 تيرابايت 3 تيرابايت، ويتم إدخاله أثناء عملية صناعة الفولاذ لأداء هذه الأدوار الحاسمة.
عند ذوبانه في الفريت والأوستينيت، يعزز السيليكون صلابة الفولاذ وقوته بشكل كبير. ويأتي تأثير تقويته في المرتبة الثانية بعد الفوسفور، متجاوزًا تأثير المنجنيز والنيكل والكروم والتنجستن والموليبدينوم والفاناديوم. ومع ذلك، يمكن لمحتوى السيليكون الذي يتجاوز 3% أن يقلل بشكل كبير من مرونة الفولاذ وصلابته.
تأثير السيليكون على خواص الصلب متعدد الأوجه:
في إنتاج الصلب، يتم التحكم في محتوى السيليكون بعناية. بالنسبة للصلب الحديدي، يقتصر على <0.07%. وعند الضرورة، تتم إضافة سبيكة السيليكون والحديد أثناء صناعة الفولاذ لتحقيق مستويات السيليكون والخصائص المرغوبة.
يتم إدخال الفوسفور (P) في الصلب في المقام الأول من خلال خام الحديد ويعتبر بشكل عام عنصرًا ضارًا. وفي حين أن P يمكن أن يزيد من قوة وصلابة الفولاذ، إلا أنه يضر بشكل كبير باللدونة وصلابة الصدمات.
في درجات الحرارة المنخفضة، يؤدي P إلى "الهشاشة على البارد"، مما يقلل بشدة من ليونة الفولاذ. تؤثر هذه الظاهرة سلبًا على قابلية الصلب للتشغيل على البارد وقابلية اللحام. وتزداد شدة الهشاشة على البارد بشكل متناسب مع محتوى الفوسفور، مما يستلزم رقابة صارمة على مستويات الفوسفور في إنتاج الصلب.
تختلف معايير الصناعة لمحتوى P باختلاف جودة الفولاذ:
يُظهر الفوسفور تأثيرات قوية لتقوية المحلول الصلب وتصلب التبريد. وعند دمجه مع النحاس، فإنه يعزز مقاومة التآكل في الغلاف الجوي في الفولاذ منخفض السبائك عالي القوة، وإن كان ذلك على حساب أداء الختم على البارد. وبالاقتران مع الكبريت والمنجنيز، يمكن أن يحسّن P من قابلية التشغيل الآلي مع تفاقم هشاشة المزاج وحساسية الهشاشة على البارد.
والجدير بالذكر أن P يحسن المقاومة الكهربائية ويمكن أن يقلل من القوة القسرية وخسائر التيار الدوامي بسبب تأثيره في تقشير الحبيبات. في المجالات المغناطيسية الضعيفة، يُظهر الفولاذ الذي يحتوي على نسبة P أعلى من P تحريضًا مغناطيسيًا محسنًا.
بالنسبة لفولاذ السيليكون، يجب أن يقتصر محتوى P على ≤0.15% (على سبيل المثال، 0.07-0.10% في فولاذ السيليكون الكهربائي المدلفن على البارد). في حين أن P لا يعيق بشكل كبير العمل الساخن لصلب السيليكون، إلا أنه يمكن أن يؤدي إلى هشاشة. الفوسفور هو العنصر الأكثر فاعلية في تثبيت الفريت، حيث يبلغ تأثيره على درجة حرارة إعادة التبلور ونمو الحبيبات في فولاذ السيليكون 4-5 أضعاف تأثير السيليكون بتركيزات مكافئة.
باختصار، بينما يوفر P بعض الخصائص المفيدة، فإن آثاره الضارة على الخواص الميكانيكية للصلب وخصائص المعالجة تستلزم التحكم الدقيق والمراعاة في تصميم السبائك وعمليات التصنيع.
يتم إدخال الكبريت في المقام الأول في الصلب من خام الحديد وفحم الكوك أثناء عملية صناعة الصلب. ويعتبر بشكل عام عنصراً ضاراً في إنتاج الصلب نظراً لتأثيره السلبي على خواص الصلب المختلفة.
في الصلب، يوجد الكبريت في الغالب في صورة كبريتيد الحديد (FeS). ويشكل نظام FeS-Fe مركب سهل الانصهار منخفض الانصهار مع درجة انصهار تبلغ حوالي 985 درجة مئوية (1805 درجة فهرنهايت). وبالنظر إلى أن درجة حرارة التشغيل الساخن للصلب تتجاوز عادةً 1150 درجة مئوية (2102 درجة فهرنهايت)، يمكن أن تذوب مركبات FeS قبل الأوان أثناء عمليات التشغيل الساخن. ويؤدي هذا الانصهار المبكر إلى ظاهرة تعرف باسم "القصور الساخن" أو "الهشاشة الساخنة"، مما يقلل بشكل كبير من ليونة الفولاذ وصلابته، وغالبًا ما يؤدي إلى حدوث تشققات أثناء عمليات التشكيل والدرفلة.
وعلاوة على ذلك، يؤثر الكبريت سلبًا على قابلية لحام الفولاذ ويقلل من مقاومته للتآكل. وللتخفيف من هذه التأثيرات السلبية، يتم التحكم في محتوى الكبريت في الفولاذ بشكل صارم. بالنسبة للفولاذ عالي الجودة، يقتصر محتوى الكبريت عادةً على أقل من 0.02% إلى 0.03%. في الفولاذ عالي الجودة، يكون النطاق المقبول أعلى قليلاً، حتى 0.03% إلى 0.045%، في حين أن الفولاذ الهيكلي الشائع قد يحتوي على ما يصل إلى 0.055% إلى 0.07% كبريت.
على الرغم من آثاره الضارة بشكل عام، يمكن أن يكون الكبريت مفيدًا في تطبيقات محددة. على سبيل المثال، في إنتاج الفولاذ حر التشغيل الآلي، مثل بعض درجات الفولاذ المقاوم للصدأ (على سبيل المثال، AISI 303)، تتم إضافة كمية صغيرة من الكبريت (0.2% إلى 0.4%) عن قصد لتحسين قابلية التشغيل الآلي وصقل السطح. تسهّل هذه الإضافة المضبوطة للكبريت تكسير البُرادة وتقلل من تآكل الأداة أثناء عمليات التشغيل الآلي. وبالمثل، تستخدم بعض أنواع الفولاذ عالي السرعة وفولاذ الأدوات الكبريت لتحسين خصائص السطح وقابلية التشغيل الآلي.
في الختام، في حين أن الكبريت يعتبر بشكل عام من الشوائب في صناعة الصلب، إلا أن آثاره يمكن أن تكون ضارة ومفيدة على حد سواء اعتمادًا على التطبيق المحدد ودرجة الصلب. يعد التحكم الدقيق في محتوى الكبريت أمرًا بالغ الأهمية في تحقيق الخصائص الميكانيكية وخصائص الأداء المطلوبة في منتجات الصلب.
يمكن استخدام K/Na كمعدِّلات قوية لتحويل الكربيدات في الحديد الأبيض إلى كربيدات كروية، مما يعزز صلابته بشكل كبير بنسبة تصل إلى 200% مع الحفاظ على صلابته العالية المميزة. يحدث هذا التحول من خلال تعزيز تكوين عقيدات الجرافيت وتقليل شبكات الكربيدات الهشة.
وتؤدي هذه المعادن القلوية أيضًا دورًا حاسمًا في تنقية البنية المجهرية لحديد الدكتايل وتعزيز تكوين عقيدات جرافيت أكثر عددًا وموزعة بشكل موحد. وفي إنتاج الحديد الفيرمي (الجرافيت المضغوط)، يعمل K/Na كعوامل تثبيت، مما يضيق نافذة العملية ويحسن الاتساق في التحكم في مورفولوجيا الجرافيت.
وعلاوة على ذلك، فإن K/Na فعال للغاية في تعزيز الأوستنة في السبائك الحديدية. ومن الأمثلة الملحوظة على ذلك تأثيرها على فولاذ المنجنيز الأوستنيتي، حيث يمكنها تقليل نسبة المنجنيز إلى الكربون المطلوبة بشكل كبير من النسبة التقليدية 10:1-13:1 إلى نسبة أكثر اقتصادًا من 4:1-5:1. لا يقلل هذا التخفيض من تكاليف السبائك فحسب، بل يعزز أيضًا من مقاومة الفولاذ للتآكل وقدرات تصلب العمل، مما يوسع من تطبيقاته في البيئات عالية التأثير والكاشطة.
تُعد إضافة الكالسيوم إلى الفولاذ تقنية معدنية قوية توفر العديد من الفوائد في مختلف خصائص الفولاذ ومراحل المعالجة. يعمل الكالسيوم كمصفاة قوية للحبوب، ومزيل جزئي للكبريت، ومعدّل للشوائب غير المعدنية، على غرار تأثيرات العناصر الأرضية النادرة في الفولاذ.
وتعزز إضافة الكالسيوم بشكل كبير من مقاومة الفولاذ للتآكل والتآكل، مع تحسين أدائه في درجات الحرارة العالية والمنخفضة. كما أنها تعزز الخواص الميكانيكية الحرجة مثل صلابة الصدمات وقوة التعب واللدونة. وعلاوة على ذلك، تؤثر إضافة الكالسيوم بشكل إيجابي على قابلية لحام الفولاذ، مما يجعله أكثر ملاءمة لعمليات التصنيع المختلفة.
فيما يتعلق بالتطبيقات المحددة، يُظهر الفولاذ المعالج بالكالسيوم خصائص فائقة في التثبيت على البارد، ومقاومة معززة للصدمات، وزيادة الصلابة، وتحسين قوة التلامس. هذه الخصائص تجعلها ذات قيمة خاصة في تصنيع أدوات التثبيت عالية الأداء والمحامل والمكونات الأخرى التي تتعرض لظروف تحميل قاسية.
بالنسبة لتطبيقات الصلب المصبوب، توفر إضافة الكالسيوم مزايا متعددة. فهي تزيد من سيولة الفولاذ المصهور، مما يؤدي إلى تحسين قابلية الصب والتشطيب السطحي للمنتج النهائي. والجدير بالذكر أنه يساعد في القضاء على التباين في البنية المجهرية المصبوبة، مما يؤدي إلى خصائص أكثر اتساقًا في جميع أنحاء الصب. يُترجم هذا التماثل إلى تعزيز مقاومة التشقق الحراري والخصائص الميكانيكية الفائقة وتحسين قابلية التشغيل الآلي لمكونات الصب.
وعلاوة على ذلك، يُظهر الفولاذ المعالج بالكالسيوم مقاومة متزايدة للتشقق الناجم عن الهيدروجين والتمزق الصفائحي، وكلاهما عاملان حاسمان في بعض التطبيقات عالية الإجهاد والهياكل الملحومة. يمكن لهذا الأداء المحسّن أن يطيل عمر خدمة المعدات والأدوات المصنوعة من الفولاذ المعالج بالكالسيوم بشكل كبير.
في إنتاج الصلب، عادةً ما يتم إدخال الكالسيوم كجزء من السبيكة الأم، حيث يؤدي أدوارًا متعددة: كمزيل للأكسدة لإزالة الأكسجين الضار، ومادة ملقحة لتعزيز التصلب المتحكم فيه، وعامل سبائك دقيقة لضبط البنية المجهرية للصلب وخصائصه. ويُعد التحكم الدقيق في إضافة الكالسيوم وتفاعله مع عناصر السبائك الأخرى أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق التوازن المطلوب في الخواص في منتج الصلب النهائي.
يُظهر التيتانيوم تقاربًا قويًا للنيتروجين والأكسجين والكربون، وتقاربًا أقوى للكبريت مقارنةً بالحديد، مما يجعله عنصرًا فعالًا لإزالة الأكسدة وتثبيت النيتروجين والكربون في الفولاذ.
وباعتباره عنصراً قوياً مكوناً للكربيد، يتحد التيتانيوم بسهولة مع الكربون لتكوين كربيد التيتانيوم (TiC). ويمتلك هذا المركب قوة ربط قوية وثباتاً عالياً ومقاومة للتحلل. يحدث انحلال TiC في الفولاذ ببطء، وعادةً ما يحدث ذلك عند درجات حرارة تتجاوز 1000 درجة مئوية (1832 درجة فهرنهايت).
قبل الذوبان، تلعب جسيمات كربيد التيتانيوم دورًا حاسمًا في تثبيط نمو الحبيبات قبل الذوبان، مما يساهم في صقل البنية المجهرية للصلب.
إن تقارب التيتانيوم الأكبر للكربون مقارنةً بالكروم يجعله إضافة قيمة في الفولاذ المقاوم للصدأ. فهو يعمل على تثبيت الكربون بشكل فعال، ويخفف من استنزاف الكروم عند حدود الحبيبات وبالتالي يقلل أو يزيل القابلية للتآكل بين الخلايا الحبيبية.
وباعتباره عنصرًا قويًا مكوِّنًا للفريت، يرفع التيتانيوم درجة حرارة A1 (التحويل من الأوستينيت إلى الفريت) في الفولاذ بشكل كبير، مما يؤثر على سلوكه في التحول الطوري.
في الفولاذ منخفض السبائك، يعزز التيتانيوم كلاً من القوة والليونة. ويتحقّق ذلك من خلال قدرته على تثبيت النيتروجين والكبريت، وتشكيل كربيدات التيتانيوم، وتعزيز صقل الحبيبات أثناء عمليات المعالجة الحرارية مثل التطبيع. تحسّن الكربيدات المترسبة بشكل كبير من مرونة الفولاذ وصلابة الصدمات.
تُظهر سبائك الفولاذ الإنشائية المحتوية على التيتانيوم خواص ميكانيكية وخصائص معالجة ممتازة. ومع ذلك، فإن العيب الملحوظ هو انخفاض صلابتها، والتي يمكن أن تؤثر على التصلب عبر السماكة في المقاطع العرضية الأكبر.
في الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الكروم، يضاف التيتانيوم عادةً بنسبة 5:1 إلى محتوى الكربون. تحسّن هذه الإضافة من مقاومة التآكل (خاصةً ضد التآكل بين الخلايا الحبيبية)، وتعزز المتانة، وتعزز نمو الحبيبات المتحكم فيه في درجات الحرارة المرتفعة، وتحسّن قابلية لحام الفولاذ.
يُظهر الاستخدام الاستراتيجي للتيتانيوم في مختلف درجات الفولاذ تعدد استخداماته في تكييف الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل وخصائص المعالجة لتلبية متطلبات تطبيقات محددة في صناعات تتراوح بين السيارات والفضاء والمعالجة الكيميائية.
يُظهر الفاناديوم تقارباً قوياً مع الكربون والنيتروجين والأكسجين، مكوناً مركبات مستقرة. وفي الصلب، يوجد في الغالب في صورة كربيدات.
تشمل الوظائف الأساسية للفاناديوم في الفولاذ تنقية البنية المجهرية وحجم الحبيبات وتعزيز الصلابة عند إذابته في مصفوفة الأوستينيت عند درجات حرارة مرتفعة. ومع ذلك، عند وجوده في صورة كربيدات، يمكن أن يعاكس هذا التأثير عن طريق تقليل الصلابة. كما يحسّن الفاناديوم أيضًا من مقاومة التقسية للصلب المقسّى بشكل كبير ويحفز ظاهرة التصلب الثانوي.
ويقتصر محتوى الفاناديوم في الفولاذ عادةً على 0.51 تيرابايت 3 تيرابايت، باستثناء فولاذ الأدوات عالي السرعة. في سبائك الفولاذ التقليدية منخفضة الكربون، يعمل الفاناديوم كمصفاة للحبوب، مما يعزز القوة ونسبة الخضوع والصلابة في درجات الحرارة المنخفضة وقابلية اللحام. في سبائك الفولاذ الإنشائية، عند استخدامها مع المنجنيز والكروم والموليبدينوم والتنغستن، يمكن للفاناديوم أن يخفف من الصلابة في ظل ظروف المعالجة الحرارية القياسية.
بالنسبة للفولاذ النابض والفولاذ الحامل، تعمل إضافات الفاناديوم على تحسين القوة ونسبة الخضوع، وخاصة الحد النسبي والحد المرن. كما أنها تخفف من حساسية الكربون أثناء المعالجة الحرارية، مما يؤدي إلى جودة سطح فائقة. في فولاذ الأدوات، يعمل الفاناديوم على تحسين بنية الحبيبات ويقلل من قابلية التأثر بالحرارة الزائدة، ويعزز استقرار التقسية ويحسن مقاومة التآكل، وبالتالي يطيل عمر الأداة.
في فولاذ الكربنة، يتيح الفاناديوم التبريد المباشر بعد الكربنة، مما يلغي الحاجة إلى خطوة تبريد منفصلة. يُظهر الفولاذ المحمل الذي يحتوي على الفاناديوم والكروم تشتتًا محسنًا للكربيد وخصائص أداء فائقة.
يعتمد تأثير الفاناديوم على خواص الفولاذ اعتمادًا كبيرًا على تركيزه وتفاعله مع عناصر السبائك الأخرى، مما يستلزم التحكم الدقيق في تصميم الفولاذ ومعالجته لتحسين الخواص المطلوبة لتطبيقات محددة.
يلعب الكروم دوراً حاسماً في تعزيز خصائص مختلف أنواع الفولاذ والسبائك. فهو يزيد بشكل كبير من صلابة الفولاذ ويساهم في التصلب الثانوي، مما يحسّن صلابة ومقاومة التآكل في الفولاذ الكربوني دون المساس بالليونة.
عندما يتجاوز محتوى الكروم 12%، فإنه يضفي مقاومة ممتازة للأكسدة في درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل على الفولاذ، مع تعزيز قوته الساخنة في الوقت نفسه. وهذا يجعل الكروم عنصر السبائك الأساسي في الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للأحماض والفولاذ المقاوم للحرارة.
في الفولاذ الكربوني، يحسّن الكروم من القوة والصلابة في ظروف الدرفلة، بينما يقلل من الاستطالة وانكماش المقطع العرضي. ومع ذلك، عندما يزيد محتوى الكروم عن 15%، يحدث تأثير عكسي: تنخفض القوة والصلابة، بينما تزداد الاستطالة وانكماش المقطع العرضي. والجدير بالذكر أن مكونات فولاذ الكروم يمكن أن تحقق جودة سطح عالية من خلال عمليات الطحن.
أثناء عملية التقسية، تتمثل الوظيفة الأساسية للكروم في تعزيز الصلابة، مما يؤدي إلى خواص ميكانيكية فائقة بعد التبريد والتلطيف. في فولاذ الكربنة، يُشكّل الكروم كربيدات الكروم، مما يحسّن بشكل كبير من مقاومة التآكل السطحي. يُظهر الفولاذ الزنبركي الحامل للكروم مقاومة لإزالة الكربنة أثناء المعالجة الحرارية، وهي خاصية قيّمة للحفاظ على الخواص المرغوبة.
بالنسبة لفولاذ الأدوات، يعمل الكروم على تحسين مقاومة التآكل والصلابة والصلابة الحمراء (الصلابة الساخنة)، مع تعزيز ثبات التقسية. هذا المزيج من الخصائص يجعل فولاذ الأدوات المخلوط بالكروم مثاليًا للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
في السبائك الكهروحرارية، يعمل الكروم على تحسين مقاومة الأكسدة والمقاومة الكهربائية والقوة الكلية. هذه الخصائص ضرورية للتطبيقات في عناصر التسخين والمكونات الكهربائية الأخرى ذات درجة الحرارة العالية.
يؤكد تعدد استخدامات الكروم كعنصر من عناصر السبائك على أهميته في علم المعادن والمواد الحديثة، مما يتيح تطوير الفولاذ والسبائك ذات الخصائص المصممة خصيصًا لتطبيقات صناعية محددة.
يلعب المنجنيز (Mn) دورًا حاسمًا في تعزيز خصائص الصلب، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى فعاليته من حيث التكلفة وتوافقه مع الحديد (Fe). فهو يحسّن من قوة الفولاذ بشكل كبير بينما يؤثر على اللدونة إلى الحد الأدنى، مما يجعله عنصرًا معتمدًا على نطاق واسع في صناعة الصلب.
يتضح انتشار المنغنيز في كل مكان في إنتاج الصلب في مختلف الدرجات. من فولاذ الختم منخفض الكربون إلى الفولاذ المتقدم عالي القوة (AHSS) مثل الفولاذ ثنائي الطور (DP) واللدونة الناجمة عن التحول (TRIP) والفولاذ المارتنسيتي (MS)، يعتبر المنغنيز مكونًا رئيسيًا. ويختلف محتواه بناءً على الخواص الميكانيكية والاستخدامات المطلوبة.
في أنواع الفولاذ منخفض الكربون، يظل محتوى المنغنيز عادةً أقل من 0.51 تيرابايت 3 تيرابايت. ومع ذلك، مع زيادة متطلبات القوة، يزداد محتوى المنغنيز أيضًا. على سبيل المثال، في أنواع الفولاذ المارتنسيتي فائق القوة، يمكن أن تصل مستويات المنغنيز إلى 3%، مما يساهم بشكل كبير في نسب القوة إلى الوزن الاستثنائية.
يمتد تأثير المنغنيز إلى ما هو أبعد من تعزيز القوة. فهو يعمل على تحسين صلابة الفولاذ، مما يعزز استجابته لعمليات المعالجة الحرارية. يتجلى هذا التأثير في المقارنة بين الفولاذ 40Mn والفولاذ AISI 1040، حيث يُظهر الفولاذ الأول صلابة فائقة بسبب محتواه العالي من المنغنيز.
ومن الوظائف الهامة الأخرى للمنجنيز قدرته على تخفيف الآثار الضارة للكبريت (S) في الصلب. أثناء عملية صناعة الفولاذ، يشكل المنغنيز المنغنيز شوائب كبريتيد المنجنيز (MnS) ذات نقطة انصهار عالية، مما يؤدي إلى تحييد التأثير السلبي للكبريت على خصائص الفولاذ، وخاصة قابلية التشغيل على الساخن والليونة.
ومع ذلك، تتطلب إضافة المنغنيز توازنًا دقيقًا. في حين أن زيادة محتوى المنغنيز يمكن أن ينتج عنه قوة أعلى، إلا أن الكميات الزائدة قد تؤثر على مرونة الفولاذ وقابلية اللحام. تستلزم هذه المفاضلة تحكمًا دقيقًا في محتوى المنغنيز بناءً على الاستخدام المقصود والخصائص المطلوبة للصلب.
في صناعة الفولاذ الحديثة، يعد تحسين محتوى المنغنيز في الفولاذ، وغالبًا ما يكون ذلك بالاقتران مع عناصر السبائك الأخرى، أمرًا بالغ الأهمية لتطوير الفولاذ مع مجموعات من الخصائص المصممة خصيصًا لتلبية متطلبات الصناعة المحددة، بدءًا من صناعة السيارات الخفيفة الوزن إلى التطبيقات الهيكلية عالية الأداء.
يلعب الكوبالت (Co) دورًا حاسمًا في تعزيز خصائص الفولاذ والسبائك المتخصصة. في الفولاذ عالي السرعة، يضفي الكوبالت صلابة استثنائية على الساخن، مما يحافظ على أداء أداة القطع في درجات الحرارة المرتفعة أثناء عمليات التشغيل الآلي.
عندما يتم خلطه مع الموليبدينوم في الفولاذ المتآلف، يحسّن Co الصلابة والخصائص الميكانيكية الكلية بشكل كبير. وينتج عن هذا التأثير التآزري فولاذ فائق القوة مع صلابة ممتازة، ويستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء والدفاع.
يُعد Co عنصر إشابة أساسي في الفولاذ المقاوم للحرارة والمواد المغناطيسية. وفي هذا النوع الأخير، يساهم في التشبع المغناطيسي العالي وتحسين درجات حرارة كوري، وهو أمر بالغ الأهمية للمغناطيس الدائم عالي الأداء والفولاذ الكهربائي.
ومع ذلك، فإن تأثير Co على خواص الفولاذ معقد. في الفولاذ الكربوني، يمكن أن يقلل من قابلية التصلب، مما قد يضر بالخصائص الميكانيكية الشاملة. ويتضح هذا التأثير بشكل خاص في الفولاذ الكربوني المتوسط إلى العالي الكربون، حيث تكون الصلابة أمرًا حاسمًا لتحقيق البنى المجهرية والخصائص المرغوبة.
يقوي الفريت من خلال تصلب المحلول الصلب. عند إضافته إلى الفولاذ الكربوني أثناء المعالجات الحرارية مثل التلدين أو التطبيع، فإنه يزيد من الصلابة وقوة الخضوع وقوة الشد. ومع ذلك، يأتي ذلك على حساب انخفاض الليونة التي تتجلى في انخفاض الاستطالة وتقليل المساحة.
تؤدي زيادة محتوى Co في الفولاذ عمومًا إلى انخفاض صلابة الصدمات. يجب أن تكون هذه المفاضلة بين القوة والصلابة متوازنة بعناية في تصميم السبائك لتطبيقات محددة.
مقاومة Co الممتازة للأكسدة تجعلها لا تقدر بثمن في الفولاذ المقاوم للحرارة والسبائك الفائقة. تُظهر السبائك الفائقة القائمة على الكوبالت، خاصةً في تطبيقات التوربينات الغازية، قوة فائقة في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف ومقاومة التآكل الساخن، مما يتيح درجات حرارة تشغيل أعلى وكفاءة محرك أفضل.
إن الآثار المفيدة للنيكل في سبائك الفولاذ كبيرة، وتشمل الخواص الميكانيكية المعززة، وخصائص البنية المجهرية المحسنة، والمقاومة الفائقة للتآكل. هذه السمات تجعل الفولاذ المحتوي على النيكل مرغوباً للغاية في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.
يعزز النيكل بشكل كبير نسبة قوة الصلب إلى الصلابة، وهو عامل حاسم في العديد من التصميمات الهندسية. فهو يخفض درجة حرارة الانتقال من الدكتايل إلى الهشاشة بشكل كبير، حيث تصل القيم إلى أقل من -100 درجة مئوية عند محتوى 0.31 تيرابايت 3 تيرابايت نيكل، وتنخفض إلى -180 درجة مئوية عند دمجها مع 4-51 تيرابايت 3 تيرابايت كوبالت. توسع هذه الصلابة الرائعة في درجات الحرارة المنخفضة من الغلاف التشغيلي للفولاذ المحتوي على النيكل في التطبيقات المبردة.
تأثير النيكل على صلابة الفولاذ يعتمد على التركيز. في حين أن محتوى 3.51 تيرابايت 3 تيرابايت نيكل غير كافٍ لإخماد التصلب، فإن زيادة محتوى النيكل إلى 81 تيرابايت 3 تيرابايت في فولاذ الكروم يسهل التحول المارتنسيتي حتى عند معدلات التبريد المنخفضة جدًا. تعتبر هذه الخاصية ذات قيمة خاصة في إنتاج المكونات الكبيرة السميكة المقطعية حيث يكون التصلب العابر أمرًا صعبًا.
يعمل التركيب الذري للنيكل، مع ثابت شبكي مماثل لثابت الأوستينيت (γ-Fe)، على تعزيز تكوين محلول صلب مستمر. ويعزز هذا التوافق المعدني من صلابة الفولاذ ويساهم في الحصول على بنية مجهرية أكثر اتساقًا. وعلاوة على ذلك، يقلل النيكل من درجات حرارة التحول الحرجة ويثبت الأوستينيت، مما يسمح بدرجات حرارة تبريد أقل وقابلية تبريد محسنة.
التأثيرات التآزرية للنيكل مع عناصر السبائك الأخرى جديرة بالملاحظة. تعمل تركيبات النيكل والكروم والنيكل والتنغستن والنيكل والكروم والموليبدينوم على تعزيز الصلابة بشكل كبير. يُظهر فولاذ النيكل والموليبدينوم مقاومة استثنائية للإجهاد، بينما يُظهر فولاذ النيكل عمومًا خصائص إجهاد حراري متفوقة، مما يجعله مناسبًا للمكونات التي تتعرض للدراجات الحرارية.
في الفولاذ المقاوم للصدأ، يلعب النيكل دورًا حاسمًا في تثبيت الطور الأوستنيتي، وبالتالي تحسين مقاومة التآكل عبر مجموعة واسعة من البيئات. وهذا ما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ المحتوي على النيكل لا غنى عنه في المعالجة الكيميائية وإنتاج الأغذية والتطبيقات البحرية.
من فوائد النيكل في الفولاذ التي غالبًا ما يتم تجاهلها هي قدرته على منع نمو الحبيبات في درجات الحرارة المرتفعة. وتساعد هذه الخاصية على الحفاظ على بنية مجهرية دقيقة الحبيبات، وهو أمر ضروري للحفاظ على الخواص الميكانيكية ومنع التقصف أثناء الخدمة في درجات الحرارة العالية أو عمليات المعالجة الحرارية.
يلعب النحاس (Cu) دورًا هامًا في تعزيز خصائص الفولاذ، خاصةً في تحسين مقاومته للتآكل في الغلاف الجوي. عند خلطه مع الفولاذ منخفض الكربون، يشكّل النحاس زنجارًا واقيًا على السطح، مما يطيل عمر خدمة المادة في البيئات المسببة للتآكل بشكل كبير. لا يقتصر التأثير التآزري للنحاس والفوسفور (P) على تعزيز مقاومة التآكل فحسب، بل يزيد أيضًا من قوة الفولاذ ونسبة الخضوع دون المساس بقابليته للحام.
تُظهر السكك الحديدية الفولاذية التي تحتوي على 0.201 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت من النحاس (يشار إليها عادةً باسم فولاذ U-Cu) مقاومة رائعة للتآكل، مع متانة أكبر من الفولاذ الكربوني القياسي بمقدار 2-5 مرات. وهذا يجعلها ذات قيمة خاصة في التطبيقات التي تتعرض لظروف بيئية قاسية، مثل البنية التحتية الساحلية أو مرافق المعالجة الكيميائية.
عند التركيزات الأعلى، وتحديدًا عندما يتجاوز محتوى النحاس 0.75%، يمكن أن يخضع الفولاذ لتأثير التصلب العمري بعد المعالجة بالمحلول الصلب والتعتيق اللاحق. ويمكن الاستفادة من هذه الظاهرة لزيادة تعزيز قوة المادة وصلابتها من خلال عمليات المعالجة الحرارية المتحكم فيها.
في التركيزات المنخفضة، يكون تأثير النحاس على خواص الفولاذ مماثل لتأثير النيكل، وإن كان أقل وضوحًا. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن المحتوى الزائد من النحاس (عادةً ما يزيد عن 1%) يمكن أن يؤدي إلى تحديات المعالجة أثناء عمليات التشغيل على الساخن. ويرجع ذلك إلى تكوين مرحلة منخفضة نقطة الانصهار غنية بالنحاس عند حدود الحبوب، مما قد يؤدي إلى تقصير ساخن أو تقصف النحاس.
تمتد فوائد النحاس إلى ما هو أبعد من الفولاذ الكربوني. في الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ، تعزز إضافة 2-3% Cu بشكل كبير من مقاومة الوسائط المسببة للتآكل مثل حمض الكبريتيك وحمض الفوسفوريك وحمض الهيدروكلوريك. وعلاوة على ذلك، يحسّن النحاس من مقاومة السبيكة للتشقق الإجهادي، وهو عامل حاسم في التطبيقات الصعبة مثل معدات المعالجة الكيميائية أو البيئات البحرية.
ويقع الغاليوم (Ga)، وهو فلز ما بعد المرحلة الانتقالية، في الكتلة p من الجدول الدوري ويُظهر خصائص فريدة في علم المعادن الفولاذية. في نظام الحديد والكربون، يكون الغاليوم الدقيق قابلاً للذوبان في طور الفريت (α-Fe)، مكوّناً محلولاً صلباً بديلاً. على عكس العديد من عناصر السبائك، لا يشكّل الغاليوم كربيدات أو أكاسيد أو نيتريدات أو كبريتيدات في الفولاذ، مما يؤثر على سلوكه أثناء المعالجة الحرارية والخدمة.
في منطقة الأوستينيت (γ) + الفريت (α) ثنائي الطور، يُظهر الغاليوم الدقيق انتشارًا تفضيليًا من الأوستينيت إلى الفريت بسبب قابليته العالية للذوبان في البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) للفريت مقارنةً بالبنية المكعبة المتمركزة في الوجه (FCC) للأوستينيت. ويؤدي سلوك الانتشار هذا إلى زيادة تركيز الغاليوم في طور الفريت، مما قد يؤثر على حركية تحول الطور والبنية المجهرية النهائية للصلب.
الآلية الأساسية التي يؤثر من خلالها الغاليوم على الخواص الميكانيكية للصلب هي من خلال تقوية المحلول الصلب. وباعتباره ذرة بديلة في شبكة الحديد، فإن ذرات الغاليوم تخلق تشوهات محلية، مما يعيق حركة الخلع وبالتالي يزيد من قوة الفولاذ وصلابته. ومع ذلك، يكون حجم تأثير التقوية هذا أقل وضوحًا بشكل عام مقارنة بعناصر السبائك التقليدية مثل المنجنيز أو الموليبدينوم.
فيما يتعلق بمقاومة التآكل، فإن الغاليوم له تأثير ضئيل على سلوك التآكل الكلي للصلب. على عكس عناصر مثل الكروم أو النيكل، والتي يمكن أن تعزز بشكل كبير من مقاومة التآكل من خلال تكوين طبقة سلبية، لا يغير الغاليوم بشكل كبير من الخصائص الكهروكيميائية لسطح الفولاذ. ويرجع تأثيره المحدود على مقاومة التآكل في المقام الأول إلى طبيعته غير المكونة للأكسيد في مصفوفات الصلب.
يمثل الزرنيخ (As) في الخام تحديات أثناء إنتاج الحديد والصلب، حيث يمكن تحقيق إزالة محدودة من خلال التلبيد التقليدي. ومع ذلك، يوفر التحميص بالكلور طريقة أكثر فعالية للتخلص من الزرنيخ. وأثناء الصهر في الفرن العالي، يندمج الزرنيخ المتبقي في الحديد الخام، مما يستلزم إدارة دقيقة.
عندما يتجاوز محتوى الزرنيخ في الفولاذ 0.1%، فإنه يؤثر بشكل كبير على خصائص المواد، مما يزيد من هشاشة المواد ويضر بقابلية اللحام. وللتخفيف من هذه التأثيرات الضارة، فإن التحكم الصارم في مستويات الرصاص في الخام أمر بالغ الأهمية، مع حد أقصى موصى به يبلغ 0.07%.
يُظهر وجود الأس في الفولاذ تأثيرات معقدة على الخواص الميكانيكية. ففي الفولاذ المستدير منخفض الكربون يميل إلى رفع كل من نقطة الخضوع (σs) وقوة الشد (σb). ومع ذلك، يأتي ذلك على حساب انخفاض الليونة، كما يتضح من انخفاض الاستطالة. علاوةً على ذلك، يُظهر As تأثيرًا سلبيًا واضحًا على صلابة الصدمات في درجة حرارة الغرفة (Akv) للفولاذ الكربوني المستدير، وهو عامل حاسم للعديد من التطبيقات.
تؤكد هذه الاعتبارات المعدنية على أهمية الإدارة الدقيقة في جميع مراحل عمليات صناعة الحديد والصلب، وموازنة الفوائد المحتملة مقابل الآثار الضارة لضمان الجودة والأداء الأمثل للصلب.
يؤدي السيلينيوم (Se) دورًا حاسمًا في تعزيز قابلية التشغيل الآلي لمختلف المعادن، بما في ذلك الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ والنحاس. ويؤدي إدماجه إلى تحسين تشطيب السطح، حيث تُظهر الأجزاء مظهرًا لامعًا ونظيفًا. ويرجع هذا التحسين في المقام الأول إلى قدرة السيلينيوم على تشكيل شوائب قابلة للقص بسهولة، مما يسهل تكسير البُرادة ويقلل من تآكل الأداة أثناء عمليات التشغيل الآلي.
في المجال التخصصي للصلب السليكوني الموجه بالحث المغناطيسي العالي، كثيرًا ما يُستخدم ثاني سيلينيد المنجنيز (MnSe2) كمثبط. يُظهر MnSe2 خصائص تضمين متفوقة مقارنةً بكبريتيد المنجنيز (MnS)، خاصةً في قدرته على التحكم في نمو حبيبات إعادة التبلور الأولية. ويُعد هذا التثبيط المعزز مفيدًا في تعزيز نمو حبيبات إعادة التبلور الثانوية الانتقائية. والنتيجة هي نسيج (110) [001] عالي التوجه، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق الخصائص المغناطيسية المثلى في الفولاذ الكهربائي المستخدم في قلب المحولات وغيرها من التطبيقات الكهربائية عالية الكفاءة. يؤدي هذا التحسين في النسيج إلى تقليل الخسائر في القلب وتحسين كفاءة المحولات بشكل عام.
يُعد الزركونيوم (Zr) عنصرًا قويًا مكونًا للكربيدات، ويُظهر خصائص مماثلة للنيوبيوم والتنتالوم والفاناديوم في سبائك الصلب. خصائصه الفريدة تجعله مادة مضافة قيّمة في مختلف التطبيقات المعدنية عالية الأداء.
ينتج عن دمج كميات صغيرة من الزر تأثيرات مفيدة متعددة على البنية المجهرية للصلب وخصائصه:
وتساهم هذه التأثيرات بشكل تآزري في تحسين الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة وقابلية التشكيل الفائقة، وهي مفيدة بشكل خاص في تحسين أداء ختم صفائح الفولاذ.
يستخدم الزر Zr على نطاق واسع في إنتاج:
يعد التحكم الدقيق في محتوى الزرو، عادةً في نطاق 0.05-0.15%، أمرًا بالغ الأهمية لتحسين فوائده مع تجنب المشاكل المحتملة مثل التكوين المفرط للكربيد أو التقصف.
النيوبيوم (Nb) والتنتالوم عنصران مترابطان بشكل وثيق، وغالباً ما يوجدان معاً في الطبيعة، ويؤدي العنصران أدواراً متشابهة في تعدين الصلب. يمكن أن يذوب كلا العنصرين جزئياً في محلول صلب، مما يساهم في تقوية مصفوفة الفولاذ.
يعزز وجود Nb بشكل كبير من استجابة التبريد للصلب عند ذوبانه في الطور الأوستنيتي. ومع ذلك، عند وجوده في صورة كربيدات أو جزيئات أكسيد، يعمل Nb كمصفاة للحبوب ويقلل من صلابة الفولاذ. كما أنه يزيد من استقرار التقسية ويحدث تأثير تصلب ثانوي، وهو أمر مفيد لتحقيق خصائص ميكانيكية محددة.
توفر السبائك الدقيقة مع النيوبيوم ميزة فريدة من نوعها: فهي تحسن من قوة الفولاذ دون المساس باللدونة أو الصلابة. وتكتسب هذه الخاصية قيمة خاصة في الفولاذ الحديث منخفض السبائك عالي القوة (HSLA). يصقل Nb بنية الحبوب، ويعزز صلابة الصدمات، ويقلل من درجة حرارة الانتقال من الدكتايل إلى الهشاشة. عندما يتجاوز محتوى Nb 8 أضعاف محتوى الكربون، يمكنه تثبيت كل الكربون تقريبًا في الفولاذ بشكل فعال، مما يؤدي إلى مقاومة ممتازة للتقصف الهيدروجيني.
في الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ، يعمل النيوبيوم كعنصر تثبيت، مما يمنع التحسس والتآكل بين الخلايا الحبيبية في البيئات المؤكسدة. ويتحقق ذلك من خلال تكوين كربيدات النيوبيوم المستقرة، والتي تمنع ترسيب كربيد الكروم عند حدود الحبوب. وعلاوة على ذلك، يحسّن النيوبيوم أداء الفولاذ في درجات الحرارة العالية، وخاصةً قوة الزحف، من خلال قدرته على تثبيت الكربون وتأثير تصلب الترسيب.
بالنسبة للفولاذ التقليدي منخفض السبائك، تؤدي إضافة Nb إلى تحسين قوة الخضوع وصلابة الصدمات مع تقليل درجة حرارة الانتقال من الدكتايل إلى الهشاشة. هذا المزيج من الخصائص مفيد بشكل خاص للهياكل الملحومة. في الفولاذ الهيكلي المصنوع من سبائك الفولاذ المكربن والمبرد يزيد من صلابة الفولاذ مع تعزيز المتانة والأداء في درجات الحرارة المنخفضة في الوقت نفسه. في أنواع الفولاذ المارتنسيتي منخفض الكربون غير القابل للصدأ المارتنسيتي، يقلل Nb من ميل تصلب الهواء، ويخفف من التقصف المزاجي، ويعزز قوة الزحف، مما يجعله عنصرًا متعدد الاستخدامات في صناعة السبائك لمختلف درجات الفولاذ وتطبيقاته.
يعزز الموليبدينوم (Mo) بشكل كبير من خصائص الفولاذ، مما يحسن من صلابته ومقاومته للحرارة ومقاومته للتقصف المزاجي. كما أنه يزيد من المغناطيسية المتبقية والإكراه ومقاومة التآكل في بيئات معينة.
في الفولاذ المروي والمخفف، يعزز المونيوم قابلية التصلب، مما يسمح بالمعالجة الحرارية الفعالة للأجزاء الكبيرة المقطع العرضي. ويحسّن ثبات التقسية، مما يزيد من مقاومة الفولاذ للتليين في درجات الحرارة المرتفعة. تتيح هذه الخاصية تخفيفًا أكثر كفاءة للإجهاد وتحسين الليونة في ظروف درجات الحرارة المرتفعة دون المساس بالقوة.
بالنسبة للفولاذ المكربن، يخفف Mo من تكوين شبكات الكربيد المستمرة عند حدود الحبيبات في الطبقة المكربنة. وهذا يقلل من محتوى الأوستينيت المحتجز، وبالتالي تعزيز مقاومة التآكل السطحي. وتؤدي البنية المجهرية المحسنة إلى تحسين قوة التعب وصلابة الصدمات.
يعد المونيوم أمرًا بالغ الأهمية في تشكيل الفولاذ القالب، حيث يحافظ على صلابة ثابتة في درجات الحرارة المرتفعة ويعزز مقاومة التشوه البلاستيكي والتشقق الناتج عن الإجهاد الحراري والتآكل الكاشطة. ويؤدي ذلك إلى إطالة عمر القالب وتحسين جودة القِطع في عمليات التشكيل على الساخن.
في الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للأحماض، يعزز المونيوم في الفولاذ المقاوم للصدأ والمقاوم للأحماض بشكل كبير، خاصةً ضد الأحماض العضوية (مثل الفورميك والأسيتيك والأكساليك) والعوامل المؤكسدة (بيروكسيد الهيدروجين) ومختلف المواد الكيميائية الصناعية (حمض الكبريتيك وحمض الكبريتيك والكبريتات والأصباغ الحمضية وعوامل التبييض). وتجدر الإشارة إلى أن إضافة المونيوم تكافح بفعالية التآكل الناجم عن أيونات الكلوريد، وهي مشكلة شائعة في بيئات المعالجة البحرية والكيميائية.
يُظهر الفولاذ عالي السرعة W12Cr4V4V4Mo، الذي يحتوي على حوالي 1% Mo، مقاومة تآكل استثنائية، وثباتًا في التقسية، وصلابة حمراء (صلابة ساخنة). تعمل هذه التركيبة على تحسين التوازن بين مُكوِّنات الكربيد (W، Cr، V، Mo) والمصفوفة، مما يؤدي إلى أداء قطع فائق وعمر افتراضي للأداة في تطبيقات التصنيع الآلي عالي السرعة.
يلعب القصدير (Sn) دورًا معقدًا في تعدين الصلب، حيث تختلف تأثيراته بشكل كبير اعتمادًا على التطبيق المحدد وتركيبة السبيكة. في إنتاج الصلب بشكل عام، غالبًا ما يُعتبر Sn شائبًا ضارًا نظرًا لقدرته على إحداث هشاشة ساخنة وتقصف المزاج والتشقق. ويمكن أن يؤثر سلبًا على قابلية اللحام ويُصنَّف كأحد "العناصر المتشردة" في الصلب، إلى جانب عناصر مثل النحاس والزرنيخ والأنتيمون والفوسفور.
ومع ذلك، يُظهر Sn خصائص مفيدة في تطبيقات الصلب المتخصصة. ففي الفولاذ الكهربائي، وخاصةً فولاذ السيليكون الموجه نحو الحبوب، يساهم Sn في تحسين الخواص المغناطيسية. ويحقق ذلك من خلال التأثير على بنية الحبيبات وتطور النسيج. يميل Sn إلى الانفصال عند حدود الحبيبات مما يمنع نمو الحبيبات أثناء المعالجة. ويعتمد تأثير صقل الحبيبات هذا على التركيز؛ حيث يؤدي ارتفاع محتوى Sn إلى تحكم أكثر فعالية في حجم الحبيبات. وتسهم بنية الحبيبات الدقيقة الناتجة عن ذلك في تقليل الفاقد في الفولاذ الكهربائي.
وعلاوة على ذلك، يعزز Sn تكوين نسيج {100} جوس المفضل في فولاذ السيليكون الموجه نحو الحبوب. ويؤدي هذا التحسين في الملمس إلى زيادة النفاذية المغناطيسية وانخفاض الاحتكاك المغناطيسي، وكلاهما من الخصائص المرغوبة للمواد الأساسية للمحول. يمكن تحسين كثافة الحث المغناطيسي بشكل ملحوظ مع إضافات Sn المتحكم فيها.
في إنتاج الحديد المصبوب، يمكن أن تكون الكميات الصغيرة من Sn (عادةً <0.1 بالوزن %) مفيدة. فهو يعزز من مقاومة التآكل ويؤثر على سيولة المعدن المنصهر، وهو أمر بالغ الأهمية لعمليات الصب. بالنسبة للحديد الزهر القابل للطرق اللؤلؤي، الذي يجمع بين القوة العالية والمقاومة الجيدة للتآكل، تتم إضافة Sn أثناء الصهر لتعزيز تكوين البرليت. ومع ذلك، يعد التحكم الدقيق في محتوى Sn أمرًا بالغ الأهمية، حيث يمكن أن تتداخل الكميات الزائدة مع تكوين الجرافيت الكروي في حديد الدكتايل.
ويستخدم Sn أيضًا في الفولاذ حر القطع، حيث يحسن قابلية التشغيل الآلي. في هذه السبائك، يميل Sn إلى الانفصال حول الشوائب وعند حدود الحبيبات. على الرغم من أنه لا يغير بشكل كبير من شكل شوائب الكبريتيد (وهو عامل رئيسي في الفولاذ حر القطع)، إلا أن سلوك فصل Sn يعزز من تكوين البُرادة والكسر أثناء عمليات التشغيل الآلي. وعادةً ما يتم ملاحظة التحسينات المثلى في قابلية التشغيل الآلي عندما يتجاوز محتوى Sn 0.05 بالوزن %، على الرغم من أن الكمية الدقيقة تعتمد على درجة الفولاذ المحددة وعناصر السبائك الأخرى الموجودة.
وفي الختام، على الرغم من أن Sn غير مرغوب فيه بشكل عام في إنتاج الصلب السائب، إلا أن استخدامه المستهدف في درجات الصلب المتخصصة يمكن أن يحقق فوائد كبيرة في الأداء. يكمن المفتاح في التحكم الدقيق في التركيب وفهم التفاعلات المعقدة بين Sn وعناصر السبائك الأخرى في البنية المجهرية للصلب.
بعد دمج الأنتيمون (Sb) في فولاذ السيليكون ذي التوجه المغناطيسي العالي، فإنه يصقل حجم الحبيبات أثناء عمليات إعادة التبلور الأولية والثانوية. ويؤدي هذا الصقل إلى إعادة بلورة ثانوية أكثر اكتمالاً، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص المغناطيسية.
بعد الدرفلة على البارد ونزع الكربنة من الفولاذ المحتوي على Sb، يتم تقوية مكونات النسيج {110} و {110} . هذه التوجهات مواتية لتعزيز إعادة التبلور الثانوي، وبالتالي زيادة عدد نوى إعادة التبلور الثانوية. ويساهم هذا التعديل في البنية المجهرية في تحسين الأداء المغناطيسي وجودة المادة بشكل عام.
في الفولاذ الهيكلي المحتوي على Sb المصمم لتطبيقات اللحام، يُظهر Sb سلوك ترسيب فريد من نوعه تحت درجات حرارة التقوية. فهو يترسب بشكل تفضيلي حول شوائب كبريتيد المنجنيز (MnS) وعلى طول حدود حبيبات الأوستينيت السابقة. يخدم هذا التخصيب ل Sb المحيط بشوائب MnS غرضًا مزدوجًا: فهو يحسّن البنية المجهرية للصلب ويعزز صلابته. تساهم البنية المجهرية المحسنة في تحسين الخواص الميكانيكية، في حين أن زيادة المتانة مفيدة بشكل خاص للهياكل الملحومة، مما يقلل من خطر الكسر الهش في المنطقة المتأثرة بالحرارة.
يُظهر التنجستن (W) في الفولاذ وظيفة مزدوجة: فهو يذوب جزئيًا في الحديد ليشكل محلولاً صلبًا بينما ينتج أيضًا كربيدات. وتماثل تأثيراته تأثيرات الموليبدينوم (Mo)، على الرغم من أن تأثيراته أقل وضوحًا بشكل عام عند مقارنتها على أساس الوزن.
تشمل المساهمات الأساسية لخصائص الفولاذ W تعزيز ثبات التقسية، وتحسين الصلابة الحمراء (الصلابة الساخنة)، وزيادة مقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل الفائقة، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى تكوين كربيدات التنجستن. وتجعل هذه الخصائص الفولاذ المخلوط بال W مناسبًا بشكل خاص لتطبيقات الأدوات، مثل الفولاذ عالي السرعة والفولاذ المطروق على الساخن.
في الفولاذ الزنبركي عالي الجودة، يعمل W كمانع حراري للكربيدات، مما يمنع خشونة الكربيدات ويحافظ على قوة درجات الحرارة العالية في درجات الحرارة المرتفعة. وبالإضافة إلى ذلك، يقلل W من حساسية الفولاذ للسخونة الزائدة، ويحسّن من الصلابة ويزيد من الصلابة الكلية.
على سبيل المثال، يحقق الفولاذ الزنبركي 65SiMnWA صلابة عالية حتى بعد الدرفلة على الساخن والتبريد بالهواء. يمكن إخماد الفولاذ الزنبركي الذي يحتوي على W، مع مقاطع عرضية تصل إلى 50 مم²، بالزيت لتحقيق صلابة عالية وتحمل أحمال كبيرة مع الحفاظ على مقاومة الحرارة حتى 350 درجة مئوية.
يجسّد الفولاذ الزنبركي 30W4Cr2VA عالي القوة والمقاوم للحرارة فوائد إضافة W. يُظهر هذا الصنف صلابة ممتازة ويمكنه تحقيق قوة شد تتراوح بين 1470-1666 ميجا باسكال بعد التبريد عند 1050-1100 درجة مئوية والتلطيف عند 550-650 درجة مئوية. ويتمثل تطبيقه الأساسي في تصنيع النوابض المصممة للبيئات ذات درجات الحرارة العالية حتى 500 درجة مئوية.
يعزز W بشكل كبير من مقاومة التآكل وأداء القطع في الفولاذ، مما يجعله عنصرًا حاسمًا في السبائك في فولاذ الأدوات. يساهم تكوين كربيدات التنجستن الصلبة والمستقرة في تحسين مقاومة التآكل والاحتفاظ بالحافة في أدوات القطع، خاصة تلك التي تعمل في درجات حرارة عالية أو في ظل ظروف قاسية.
وباختصار، تضفي إضافة التنجستن إلى الفولاذ مزيجًا من القوة في درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل وخصائص القطع المحسنة، مما يجعل الفولاذ المخلوط بالزنبرك لا غنى عنه في مختلف التطبيقات عالية الأداء، خاصة في قطاعي الأدوات والفولاذ الزنبركي.
يعزز الرصاص (Pb) من قابلية تشغيل الفولاذ آليًا من خلال العمل كمزلق داخلي أثناء عمليات القطع. ويُظهر الفولاذ الذي يحتوي على كميات خاضعة للرقابة من الرصاص خواص ميكانيكية ممتازة ويظل قابلاً لعمليات المعالجة الحرارية. ومع ذلك، وبسبب المخاوف البيئية والآثار الضارة على عملية إعادة تدوير خردة الصلب، تم التخلص التدريجي من استخدام الرصاص كعنصر صناعة السبائك لصالح بدائل أكثر صداقة للبيئة.
إن قابلية الذوبان المحدودة للرصاص في الحديد (Fe) تمنع تكوين محاليل صلبة أو مركبات بين الفلزات. وبدلاً من ذلك، ينفصل الرصاص إلى حدود الحبيبات متخذًا شكلًا كرويًا. يمكن لهذا الانفصال أن يحفز التقصف المزاجي في الفولاذ ضمن نطاق درجة الحرارة الحرجة 200-480 درجة مئوية (392-896 درجة فهرنهايت). وعلاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي وجود الرصاص في حدود الحبيبات إلى إضعاف قابلية اللحام بشكل كبير، مما يؤدي إلى تكوين تشققات أثناء عمليات اللحام. تستلزم هذه الظواهر المعدنية دراسة متأنية في تصميم السبائك ومعايير المعالجة للفولاذ المحتوي على الرصاص، خاصةً في التطبيقات التي تنطوي على درجات حرارة مرتفعة أو عمليات اللحام.
يمكن تحسين أداء قطع الفولاذ بشكل كبير من خلال دمج 0.1-0.41 تيرابايت 3 تيرابايت من البزموت (Bi) في تركيبات الفولاذ الحر القطع. عند توزيعها بشكل موحد داخل مصفوفة الفولاذ، تذوب جزيئات Bi عند ملامستها لأداة القطع، وتعمل كمزلق فعال. وتمنع هذه الآلية ارتفاع درجة حرارة الأداة، وتتيح سرعات قطع أعلى، وتحسّن من قابلية التشغيل الآلي بشكل عام.
شهدت التطورات الأخيرة إضافة البيولوجي إلى مختلف درجات الفولاذ المقاوم للصدأ لتعزيز خصائص التشغيل الآلي. في فولاذ القطع الحر، يمكن أن يوجد Bi في ثلاثة أشكال متميزة: كجسيمات مستقلة داخل مصفوفة الفولاذ، أو مغلفة بشوائب الكبريتيد، أو في الواجهة بين مصفوفة الفولاذ ومراحل الكبريتيد.
أظهرت الأبحاث أن زيادة محتوى ثنائي المعدن في سبائك الصلب الحر القطع S-Bi يؤدي إلى انخفاض معدل تشوه شوائب كبريتيد المنجنيز (MnS). ويؤدي وجود ثنائي المعدن في الفولاذ إلى تثبيط تشوه الكبريتيد أثناء عملية تشكيل سبائك الفولاذ، مما يسهم في تحسين التحكم في البنية المجهرية.
في تطبيقات الحديد الزهر، أظهرت إضافة 0.002-0.005% Bi فوائد متعددة. فهو يعزز أداء الصب لحديد الزهر القابل للطرق، ويزيد من ميل التبييض، ويقلل من وقت التلدين، ويحسن ليونة المكونات النهائية. وعلاوة على ذلك، يؤدي إدخال 0.005% Bi في حديد الزهر العقدي إلى تحسين مقاومة الزلازل وزيادة قوة الشد.
ومع ذلك، يمثل دمج ثنائي النيتروجين في الفولاذ تحديات تقنية بسبب تطايرها العالي في درجات الحرارة النموذجية لصناعة الفولاذ (حوالي 1500 درجة مئوية)، مما يجعل التوزيع المنتظم صعبًا. ولمعالجة هذه المشكلة، طوّر المصنعون الدوليون أساليب مبتكرة، مثل استخدام ألواح سبائك ثنائي المنغنيز ذات درجة انصهار أقل من 1050 درجة مئوية كإضافات. وعلى الرغم من هذه التطورات، لا يزال معدل استخدام ثنائي النيتروجين منخفضًا نسبيًا، عند حوالي 201 تيرابايت 3 تيرابايت.
في مجال الفولاذ الكهربائي، أفاد كبار منتجي الصلب مثل Nippon Steel & Sumitomo Metal وPOSCO وغيرهما أن إضافات Bi يمكن أن تحسن بشكل كبير من الخصائص المغناطيسية لصلب السيليكون الموجه نحو الحبوب، وخاصة قيمة B8 (الحث المغناطيسي عند 800 أمبير/متر). والجدير بالذكر أنه تم تقديم أكثر من مائة براءة اختراع لصلب السيليكون الموجه عالي المغناطيسية الذي يتضمن إضافات ثنائي الفينيل من قبل شركة نيبون ستيل وسوميتومو ميتال وشركة JFE. وقد أسفرت هذه الابتكارات عن قيم تحريض مغناطيسي تصل إلى 1.90 تيرابايت، مع بعض الحالات الاستثنائية التي تصل إلى 1.99 تيرابايت، مما يمثل تحسينات كبيرة في أداء الصلب الكهربائي.
وتشمل العناصر الأرضية النادرة (REEs) سلسلة اللانثانيدات (الأعداد الذرية 57-71)، بالإضافة إلى السكانديوم (21) والإيتريوم (39)، أي ما مجموعه 17 عنصرًا. وتشترك هذه العناصر في خواص كيميائية متشابهة، مما يجعل فصلها صعباً. تشير العناصر الأرضية النادرة المختلطة، وهي أكثر فعالية من حيث التكلفة، إلى مجموعات العناصر الأرضية النادرة غير المفصولة.
في إنتاج الصلب، تؤدي العناصر الأرضية النادرة وظائف متعددة:
تعتبر العناصر الأرضية النادرة، جنبًا إلى جنب مع الكالسيوم والكاكاو والزيوت والزنك والمغنيسيوم والبيوت فعالة للغاية في تعديل شوائب الكبريتيد. وعند إضافتها بكميات مناسبة، فإنها تحوّل شوائب الأكسيد والكبريتيد إلى جسيمات كروية صغيرة ومشتتة. يخفف هذا التحويل من الآثار الضارة لكبريتيد المنجنيز (MnS) والشوائب الأخرى على خصائص الفولاذ.
في إنتاج الصلب النموذجي، يوجد الكبريت في المقام الأول في صورة كبريتيد الحديد (FeS) وكبريتيد المنجنيز (MnS). ويعزز المحتوى العالي من المنجنيز تكوين كبريتيد المنجنيز الذي، على الرغم من ارتفاع نقطة انصهاره وقدرته على منع التقصير الساخن، يمكن أن يستطيل أثناء معالجة التشوه. وتقلل هذه الشوائب الممدودة من المنجنيز بشكل كبير من مرونة الفولاذ وصلابته وقوة إجهاده. وتكتسب إضافات العناصر النادرة أهمية بالغة في تعديل هذه الشوائب لتحسين معالجة التشوه.
كما تعزز العناصر الاقتصادية النادرة أيضًا مقاومة الفولاذ للأكسدة والتآكل، متجاوزةً بذلك تأثيرات السيليكون والألومنيوم والتيتانيوم. كما أنها تحسن سيولة الفولاذ وتقلل من الشوائب غير المعدنية وتعزز البنية المجهرية الكثيفة والنقية. وتتمثل الأدوار الأساسية لعناصر الطاقة المتجددة في الفولاذ في التنقية وتعديل الشوائب وإضافة السبائك.
ومع تحسن التحكم في محتوى الأكسجين والكبريت في إنتاج الصلب، أصبحت تقنيات التنقية التقليدية وتعديل التضمين أقل أهمية. ومع ذلك، تكتسب تقنيات التنقية الجديدة وتأثيرات السبائك التي تستخدم العناصر الأرضية النادرة أهمية متزايدة. فعلى سبيل المثال، تزيد العناصر الأرضية النادرة من مقاومة الأكسدة لسبائك الألومنيوم المصنوعة من الكروم الحديدي وتحافظ على الهياكل الحبيبية الدقيقة في درجات الحرارة المرتفعة. ويؤدي ذلك إلى تحسين القوة في درجات الحرارة العالية وإطالة عمر الخدمة للسبائك الكهروحرارية بشكل كبير.
باختصار، تلعب العناصر الأرضية النادرة دورًا متعدد الأوجه في إنتاج الصلب الحديث، حيث تقدم فوائد فريدة من حيث التحكم في البنية المجهرية وتعديل التضمين وتعزيز الخصائص. وتستمر تطبيقاتها في التطور مع تقدم تقنيات إنتاج الصلب، مما يفتح آفاقاً جديدة لتطوير الصلب عالي الأداء.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO