تاثیر عناصر آلیاژی روی فولادها

کربن (C)
کربن مهمترین و موثرترین عنصر آلیاژی در فولادها می باشد و بالاترین تاثیر را در ساختار آن دارد.هر فولاد آلیاژ شده علاوه بر کربن عناصر آلیاژی دیگری نظیر سیلیسیم، منگنز، فسفر و گوگرد را به همراه خواهد داشت بطوریکه این عناصر به شکلی ناخواسته به هنگام فرایند تولید در فولاد باقی خواهند ماند. با افزایش میزان کربن استحکام، سختی پذیری فولاد بیشتر میشود اما چکش خواری و قابلیت جوشکاری و ماشینکاری (با استفاده از ماشینهای برش) کاهش می یابد.این عنصر عملا هیچ تاثیری بر مقاومت خوردگی در آب, اسید و گازهای گرم ندارد.

تاثیر عناصر آلیاژی روی فولادها

کلسیم (Ca)
در ترکیب با سیلیسیم به شکل سیلیسیم -کلسیم در اکسیژن زدایی فولادها به کار می رود.کلسیم, مقاومت در برابر پوسته شدن مواد هادی حرارت را افزایش می دهد.

سدیم (Na)
این عنصر یک اکسیژن زدای مسلم و نیرومند است و گوگرد زدایی را نیز سرعت و شتاب می دهد. به همین دلیل یک عنصر پالایشی در فولادها محسوب می گردد. وجود این عنصر در فولادهای پرآلیاژ باعث گستردگی دامنه فرآیند شکل گیری گرم می شود. همچنین مقاومت فولادهای نسوز را در برابر پوسته شدن بهبود می بخشد. آلیاژهای آهن-سدیم با مقادیر تقریبی 70% سدیم دارای خواص آتش دهندگی(مانند سنگ چخماق) هستند و در تولید چدنهایی با گرافیت کروی مورد استفاذه قرار می گیرد.

کبالت (Co)
کبالت هیچ کاربیدی را تشکیل نمی دهد. در دمای بالا از رشد دانه ها جلوگیری می کند. مقاومت در برابر تنشهای ناشی از بازپخت را افزایش می دهد و موجب بهبود استحکام مکانیکی فولاد در برابر دمای بالا می شود. لذا به عنوان یک عنصر آلیاژی در فولادهای ابزاری گرم کار و فولادهای مقاوم در برابر خزش و فولادهای دیرگداز به کار می رود. وجود کبالت شکل گیری گرافیت کروی را تسریع می کند. در کمیتها و مقادیر بالا، پایداری مغناطیسی و نیروی مغناطیس زدایی و هدایت حرارتی را افزایش می دهد. لذا به عنوان یک عنصر پایه در آلیاژها و فولادهای مغناطیسی دایم مرغوب به کار می‌رود.

کروم (Cr)
وجود عنصر فوق باعث سختی پذیری فولاد در هوا و روغن می باشد. کروم با کاهش سرعت خنک سازی بحرانی به وسیله شکل دادن ساختار مارتنزیتی،  قابلیت سخت کاری را افزایش می دهد. بنابراین سبب بهبود حساسیتهای سخت کاری و بازپخت می شود، اما در هر صورت چقرمگی کاهش می یابد و از انعطاف پذیری یا شکل پذیری فولاد به مقدار کمی کاسته می گردد. با افزایش کروم در فولادهای ساده کروم‌دارجوش پذیری کاهش می یابد. با اضافه نمودن هر واحد (1 %) کروم به عنوان یک عنصر کاربید سازاستحکام کششی فولاد به میزان 100-80 نیوتن بر میلیمتر مربع افزایش می یابد. کروم به عنوان یک عنصر کاربید ساز بکار برده می شود.کاربیدهای این عنصر کیفیت نگهداری لبه ها و مقاومت سایشی را افزایش می دهد. کروم موجب مقاومت فولاد در دماهای بالا می شود. با افزایش کروم مقاومت در برابر پوسته شدن فولادها نیز بهبود می یابد. به طور تقریبی حداقل 13% کروم مورد نیاز است تا مقاومت خوردگی فولادها نیز بهبود یابد. این عنصر سبب کاهش هدایت الکتریکی و حرارتی می شود و انبساط حرارتی را نیز کاهش می دهد. با افزایش همزمان میزان کربن و کورم تا میزان 3% پایداری مغناطیسی افزایش می یابد.

مس (Cu)
مس به عنوان یک فلز آلیاژی به تعداد بسیار کمی از فولادها اضافه می شود. زیرا این فلز به زیرلایه های سطحی فولاد تمرکز یافته و در فرآیند شکل دهی گرم با نفوذ به مرز دانه ها، حساسیت سطحی را در فولادها بوجود می آورد. لذا به عنوان یک فلز مخرب در فولادها محسوب می گردد. به واسطه حضور مس نقطه تسلیم و نسبت نقطه تسلیم به استحکام نهایی افزایش می یابد. این عنصر در مقادیر بالای 30%موجب سختی رسوبی می‌شود و بدین ترتیب سختی پذیری نیزبهبود می یابد. اما قابلیت جوشکاری به واسطه حضور مس تغییری نمی کند. در فولادهای آلیاژی ساده و پرآلیاژ مقاومت جوی به میزان کافی بهبود می یابد. مقادیر بالاتر از 1% مس موجب بهبود مقاومت در برابر واکنشهای اسید کلریدریک و اسید سولفوریک می شود.

هیدروژن (H)
هیدروژن یک عنصر مخرب در فولاد تلقی می گردد. زیرا بدون آنکه نقطه تسلیم و استحکام کششی فولاد را افزایش دهد موجب تردی و شکنندگی فولاد می گردد. انعطاف پذیری را کم کرده و باعث کاهش سطح مقطع می باشد. هیدروژن سبب پوسته شدن ناخواسته سطح فولاد میگردد و ایجاد خطوط رنگین ناشی از ترکیبات را شتاب می دهد. هیدروژن اتمی ایجاد شده در خلال فرایند اکسیژن زدایی در فولاد نفوذ کرده و حفره هایی را تشکیل می‌دهد. هیدروژن مرطوب در دمای بالا باعث کربن زدایی فولاد می باشد.

منگنز (Mn)
یک اکسیژن زداست. این عنصر با گوگرد ترکیب شده و تشکیل سولفید منگنز می دهد. بر همین اساس اثرات نامطلوب اکسید آهن را از بین می برد. وجود این عنصر در فولادهای خوش تراش بسیار مهم است. زیرا خط قرمز شکنندگی را کاهش می دهد. منگنز سرعت خنک شدن بحرانی را نیز به شدت کم می کند به همین دلیل سختی پذیری و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را افزایش می دهد. با اضافه نمودن منگنز تاثیرات مطلوبی در قابلیتهای آهنگری و جوشکاری فولاد بوجود می آید و بطور قابل ملاحظه ای عمق سختی فولادها را بیشتر می کند. اگر سطح این نوع فولادها در معرض تنشهای ضربه ای قرار گیرد به مقدار بسیار زیادی کارسخت خواهد شد در حالیکه مغز فولاد چقرمگی اولیه خود را حفظ میکند لذا این گروه از فولادها تحت تاثیر نیروهای ضربه ای(کارسختی) مقاومت سایشی مطلوبی از خود نشان می دهند. با افزایش منگنز ضریب انبساط حرارتی افزایش یافته در حالیکه هدایت الکتریکی کاهش می یابد. منگنز باعث افزایش خاصیت فنری می شود.

مولیبدن (Mo)
این عنصر به طور معمول با عناصر دیگر آلیاژ می شود. در فولاد کرم-نیکل دار و فولاد منگنز دار سبب ریز دانه سازی می شود و باعث بهبود قابلیت جوشکاری می شود و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را بالا می برد. با ازدیاد درصد مولیبدن جوش پذیری کاهش می یابد و سازنده مسلم فاز کاربید است و در فولادهای تندبر خواص برشکاری را بهبود می بخشد. مولیبدن مقاومت خوردگی را بالا می برد. سختی پذیری را افزایش می دهد. در حدود 0.5-1.5 % مولیبدن به فولادهای آلیاژی اضافه می شود تا استحکام و مقاومت خزشی آنها در دماهای بالا حفظ شود. فولادهای زنگ نزن از 0.5 تا 4.0 % مولیبدن دارند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای مقاومت خوردگی بیشتر در محیط های خورنده حاوی مولیبدن مناسب هستند. هم چنین ، مقاومت در برابر پوسته شدن را می کاهد. عنصر مولیبدن باعث بهبود چقرمگی در فولادهای کربنی ساده با استحکام بالا می شود و بنابراین در محدوده دمایی قابل استفاده، استحکام و سختی را افزایش می دهد. در مقایسه با فولادهای کربنی ساده، فولادهای مولیبدن دار خواص الاستیک و استحکام ضربه‌ای بهتری دارند. با افزودن  مولیبدن به فولادهای کم کربنی و مس دار نرخ خوردگی اتمسفری کاسته می شود. با حضور این عنصر، گرافیت زایی دردماهای بالا کند می شود. مولیبدن، نیتریدهای بسیار مقاوم در برابر سایش در فولاد تشکیل می دهد و بنابراین در فولادهای ابزار نیتریده شونده استفاده می‌شود.

 

نیتروژن (N)
این عنصر به دو صورت ظهور می کند:

بصورت یک عنصر مخرب که به دلیل کاهش چقرمگی در خلال فرآیند ته نشینی، رسوبی است که موجب ایجاد حساسیت در برابر پیری و شکنندگی (تغییر شکل در درجه حرارت 300-350 درجه سانتیگراد) می شود و امکان ایجاد تنش در ترکهای درون بلوری فولادهای غیرآلیاژی و کم آلیاژ را فراهم می سازد.
بصورت عنصری آلیاژی دامنه فاز گاما را افزایش می دهد و ساختار آستنیتی را استحکام می بخشد در فولادهای آستنیتی استحکام را افزایش می‌دهد و باعث افزایش نقطه تسلیم و خواص مکانیکی در گرما می شود.
آلومینیوم (Al)
یکی از قوی‌ترین اکسیژن زداها و نیتروژن زداهاست و بر اساس نتایج بدست آمده تأثیر بسیار زیادی برای مقابله با کرنش‌های ناشی از پیری دارد. در ترکیب با نیتروژن تشکیل نیترور  سخت می‌دهد که باعث افزایش مقاومت در برابر پوست‌های شدن می‌شود به همین دلیل به عنوان عنصری آلیاژی برای مقاومت حرارتی فولادها به‌ کار می‌رود.

نیکل (Ni)
این عنصر دو وظیفه مهم انجام می دهد:

تشکیل و پایدار سازی ساختار آستنیتی، کاهش کار سختی، افزایش شکل پذیری، ایجاد خواص مکانیکی مخصوصاً در دماهای پایین.
بهبود خواص خوردگی مخصوصاً در محیط های احیا کننده و اسید های معدنی از طریق کمک به تشکیل لایه محافظ.
نیکل سختی پذیری فولاد را افزایش می دهد و در حدود 0.25 تا 5 درصد در ترکیب فولاد وجود دارد. نیکل چقرمگی شکست فولاد بهمراه استحکام و سختی آن را افزایش می دهد. در مواقعی که در دماهای پایین به چقرمگی شکست بالای نیاز باشد درصد آن تا 9 نیز می توان باشد. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی7 تا 35 درصد نیکل وجود دارد.در این فولادها برای خنثی کردن اثر فریت زایی کروم از نیکل بهره می گیرند.

سیلیسیم (Si)
سیلیس استحکام فولاد را افزایش می دهد وسختی پذیری را زیاد می کند. همچنین مقاومت سایشی را افزایش می دهد. به علت افزایش استحکام تسلیم، عنصر اصلی در فولادهای فنر است. در مقادیر بالای سیلیس، سختی پذیری و استحکام فولاد افزایش می یابد ولی این افزایش همراه با کاهش شکل پذیری و انرژی ضربه است. همچنین وجود این عنصر باعث افزایش مقاومت به پوسته شدن در دمای بالا می گردد. ضمنا در محیط های شیمیایی اکسید کننده قوی مانند اسید سولفوریک غلیظ و گرم نیز مقاومت خوردگی را افزایش می دهد.

گوگرد (S)
نقطه تسلیم و مقاومت در برابر کشش فولاد را تغییر نمی دهد. در فولادهای خوش تراش وجود گوگرد عامل مهمی است. در واقع، یکی از راه های افزایش قابلیت ماشینکاری، اضافه کردن گوگرد به ترکیب فولاد است. وقتی ابزار برش روی سطح قطعه کار می کنند، به علت وجود سولفات منگنز طول پلیسه ها کوتاه تر می شوند و نقش روان کار را نیز ایفا می کنند و در نتیجه صافی سطح بیشتر می شود.

فسفر (P)
فسفر خاصیت ماشینکاری، براده برداری، شکنندگی در حالت سرد و استحکام در حالت گرم را افزایش داده و مقاومت در برابر ضربه را کاهش می‌دهد.

 

تنگستن (W)
تنگستن کاربرد زیادی در تولید  فولادهای ابزار داشته و اخیرا در تولید فولادهای پرآلیاژی مقاوم در برابر حرارت نیز استفاده می شوند. سختی پذیری را افزایش می دهد و از افت سختی در دماهای بالا که امری رایج در نوک ابزار است جلوگیری می کند.

در تولید فولادهای ابزار بالاخص فولادهای ابزار تندبر، یکی از عناصر اصلی تنگستن است. تنگستن در فولادهای تندبر زمینه‌ای ایجاد می کند که در حین تمپر نرم نمی‌شود و کاربید بسیار سخت و مقاوم به سایش می باشند.

وانادیوم (V)
با افزودن وانادیم به فولاد ابزار و آلیاژی سختی پذیری آنها افزایش می‌یابد. وانادیم به عنوان عنصرآلیاژی در فولادهای کربنی میکروآلیاژی استفاده می‌شود و تنها به مقدار کمی کافی است تا افزایش قابل توجهی در استحکام فولاد به دست آید. وانادیم از درشت شدن دانه های آستنیت جلوگیری می‌کند. وانادیم، مقاومت به سایش و حفظ دندانه های تیز و استحکام در دماهای بالا را افزایش می‌دهد. هم چنین بخاطر ریز کردن دانه های آستنیت، قابلیت جوشکاری را بهبود می‌بخشد.

تیتانیوم (Ti)
در فولادهای ضد زنگ نیز برای  از بین بردن اثر مخرب کاربید کروم مورد استفاده قرار می گیرد.

نیوبیم (Nb)
در فولادهای ضد زنگ اثری مشابه تیتانیوم را داشته و به تنهایی و یا به همراه تیتانیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در فولادهای آستنیتی، برای بهبود مقاومت خوردگی بین دانه ای و افزایش خواص مکانیکی در دماهای بالا استفاده می شود. در فولادهای مارتنزیتی، نیوبیوم سختی را کم کرده و مقاومت به تمپر را افزایش میدهد. مقدار نیوبیوم مورد نیاز در فولادهای کربنی و کم آلیاژی کم بوده و در حدود 0.05 % نیوبیوم ، افزایش قابل توجهی در استحکام فولاد را در پی دارد.

قلع (Sn)
نقطه تسلیم و مقاومت در برابر کشش فولاد را تغییر نمی دهد ولی در نورد سرد مشکل‌ زا می‌باشد. زیرا افزایش این عنصر در فولاد باعث ایجاد ترکیباتی می‌شود که دمای ذوب آنها پایین می‌باشد.

سرب (Pb)
باعث کم شدن خاصیت نورد در فولاد می‌شود. کیفیت سطحی فولاد را کم می‌کند. به دلیل افزایش خاصیت شکل‌گیری فولاد، در فولادهای اتومات بیشتر مورد استفاده می باشد.

انتشار: بروزرسانی: 15 آذر 1398 شناسه مطلب: 23

دیدگاه های مرتبط با "تاثیر عناصر آلیاژی روی فولادها"

* نظرتان را در مورد این مقاله با ما درمیان بگذارید