ما الذي يجعل الفولاذ قوياً ومتيناً؟ يكمن السر في تركيبته الكيميائية. تتناول هذه المقالة تأثيرات 19 عنصرًا مختلفًا، مثل الكربون والسيليكون والمنجنيز، على خصائص الفولاذ. من تعزيز القوة والصلابة إلى التأثير على قابلية اللحام ومقاومة التآكل، ستكتشف كيف يلعب كل عنصر دورًا حاسمًا. تعمّق في فهم كيف يمكن للمزيج الصحيح من العناصر أن يكيّف الفولاذ لمختلف التطبيقات، مما يوفر نظرة ثاقبة في هندسة المواد.
إن دور الكربون في الصلب هو توازن دقيق. فمن ناحية، حيث أن محتوى الكربون تزداد قوة الخضوع وقوة الشد للفولاذ، ولكن من ناحية أخرى، تنخفض اللدونة ومقاومة الصدمات.
ونتيجة لذلك، يجب تكييف محتوى الكربون مع الاستخدام المقصود من الفولاذ. عندما يتجاوز محتوى الكربون 0.23%، يتدهور أداء اللحام بشكل كبير، ولهذا السبب يجب ألا يتجاوز محتوى الكربون في الفولاذ الهيكلي منخفض السبائك المستخدم في اللحام 0.20%.
بالإضافة إلى ذلك، يقلل محتوى الكربون الزائد من مقاومة الفولاذ للتآكل الجوي، مما يجعل الفولاذ عالي الكربون في البيئات المفتوحة في الهواء الطلق عرضة للتآكل.
ومع ذلك، فإن المحتوى العالي من الكربون ليس سلبيًا تمامًا لأنه يمكن أن يحسّن أيضًا من هشاشة الفولاذ على البارد وحساسيته للتقادم.
يُضاف السيليكون كعامل اختزال وعامل إزالة الأكسدة أثناء عملية صناعة الصلب، مما ينتج عنه صلب يحتوي على 0.15-0.30% من السيليكون. عندما يتجاوز محتوى السيليكون 0.50-0.60%، فإنه يعتبر عنصرًا من عناصر السبائك.
يمكن أن يزيد السيليكون من الحد المرن بشكل كبير, قوة الخضوعوقوة الشد للفولاذ، ولذلك يستخدم على نطاق واسع في الفولاذ الزنبركي، مثل 65Mn و82B، الذي يحتوي على 0.15-0.37% من السيليكون.
إضافة 1.0-1.2% سيليكون 1.0-1.2% إلى مروي ومخفف يمكن أن تزيد قوة الفولاذ الهيكلي بمقدار 15-20%.
وبالإضافة إلى ذلك، عندما يقترن السيليكون بعناصر مثل الموليبدينوم والتنغستن والكروم، فإنه يحسن من مقاومة الفولاذ للتآكل والأكسدة، ويستخدم لإنتاج فولاذ مقاوم للحرارة.
يتميز الفولاذ منخفض الكربون الذي يحتوي على 1.0-4.0% من السيليكون بنفاذية مغناطيسية عالية للغاية ويستخدم في صنع صفائح السيليكون الصلب في الصناعة الكهربائية.
ومع ذلك، فإن السيليكون له عيب في أنه يقلل من أداء لحام الفولاذ.
أثناء عملية صناعة الصلب، يعمل المنجنيز كمزيل أكسدة جيد ومزيل للكبريت، ويحتوي الصلب عادةً على 0.30-0.501 تيرابايت 3 تيرابايت منجنيز.
إذا تمت إضافة أكثر من 0.70% منجنيز إلى الصلب الكربوني، فإنه يعتبر "صلب منجنيز".
لا يتميز هذا النوع من الفولاذ بالصلابة الكافية فحسب، بل يتميز أيضًا بصلابة أعلى القوة والصلابة من الفولاذ العادي. يحسّن المنجنيز من صلابة الفولاذ وقابليته للتشغيل على الساخن؛ على سبيل المثال، قوة الخضوع للفولاذ 16Mn أعلى من الفولاذ A3 بمقدار 40%.
يتميز الصلب المحتوي على المنجنيز 11-14% بمقاومة عالية للغاية للتآكل ويستخدم في تطبيقات مثل دلاء الحفارات وبطانات المطاحن الكروية. ومع ذلك، فإن المحتوى العالي من المنجنيز له عيوب أيضًا.
عندما يكون محتوى المنجنيز مرتفعًا، يكون الفولاذ أكثر عرضة للتقسية. يعزز المنجنيز نمو الحبوب، وهو ما يجب أخذه في الاعتبار أثناء المعالجة الحرارية. عندما يتجاوز الجزء الكتلي من المنجنيز 1%، ينخفض أداء لحام الفولاذ.
الكبريت هو عنصر ضار في الصلب يأتي من خام صناعة الصلب وفحم الكوك الوقود. ويوجد الكبريت في الصلب في شكل FeS ويشكل مركبات مع الحديد الذي له نقطة انصهار منخفضة (985 درجة مئوية)، في حين أن درجة حرارة التشغيل الساخن للصلب عادةً ما تكون 1150-1200 درجة مئوية.
ونتيجة لذلك، أثناء العمل على الساخن، يذوب مركب FeS قبل الأوان، مما يتسبب في تشقق قطعة العمل، وهي ظاهرة تعرف باسم "الهشاشة الساخنة". كلما زاد محتوى الكبريت، زادت حدة الهشاشة الساخنة، لذلك يجب التحكم في محتوى الكبريت.
بالنسبة للصلب عالي الجودة، يكون محتوى الكبريت أقل من 0.02-0.03%؛ وبالنسبة للصلب عالي الجودة، يكون أقل من 0.03-0.045%؛ وبالنسبة للصلب العادي، يكون أقل من 0.055-0.07%. في بعض الحالات، يضاف الكبريت إلى الفولاذ.
على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إضافة 0.08-0.20% كبريت إلى الفولاذ إلى تحسين قابلية تشغيله للقطع، مما يؤدي إلى ما يعرف باسمقطع الفولاذ.
ومع ذلك، فإن للكبريت أيضًا تأثيرات سلبية على أداء اللحام ويمكن أن يقلل من مقاومة التآكل.
يتم إدخال الفوسفور في الصلب من خلال الخام. وبشكل عام، يعد الفوسفور عنصرًا ضارًا في الصلب. في حين أنه يمكن أن يزيد من قوة و صلابة الفولاذفإنه يقلل إلى حد كبير من مرونته وصلابته في الصدمات.
في درجات الحرارة المنخفضة، يجعل الفوسفور الفولاذ هشًا بشكل كبير، وهي ظاهرة تُعرف باسم "الهشاشة الباردة"، مما يؤدي إلى تدهور عمله على البارد و قابلية اللحام.
كلما زاد محتوى الفوسفور، زادت حدة الهشاشة على البارد، لذا فإن التحكم في محتوى الفوسفور في الفولاذ صارم.
يحتوي الفولاذ عالي الجودة على نسبة فوسفور أقل من 0.025%، والفولاذ عالي الجودة يحتوي على نسبة فوسفور أقل من 0.04%، والفولاذ العادي يحتوي على نسبة فوسفور أقل من 0.085%.
الأكسجين عنصر ضار في الصلب يدخل بشكل طبيعي في عملية صناعة الصلب. وعلى الرغم من إضافة المنجنيز والسيليكون والحديد والألومنيوم لإزالة الأكسدة في نهاية عملية صناعة الصلب، إلا أنه لا يمكن إزالة كل الأكسجين.
يظهر الأكسجين في الفولاذ في صورة FeO وMnO وSiO2 وAl2O3 وغيرها من الشوائب التي تقلل من قوة الفولاذ وليونته. وعلى وجه الخصوص، له تأثير كبير على قوة الإجهاد وصلابة التصادم.
الفريت لديه قدرة منخفضة على إذابة النيتروجين. عندما يكون النيتروجين مفرط التشبع في الفولاذ، فإنه يترسب في شكل نيتريدات بعد فترة طويلة من الزمن أو بعد التسخين عند درجة حرارة 200-300 درجة مئوية، مما يزيد من صلابة وقوة الفولاذ ولكنه يقلل من مرونته ويسبب الشيخوخة.
وللتخلص من الميل إلى التقادم، يمكن إضافة الألومنيوم أو Ti أو V إلى الفولاذ المصهور لمعالجة تثبيت النيتروجين، الذي يعمل على تثبيت النيتروجين في صورة ألN أو TiN أو VN.
يعزز الكروم بشكل كبير من قوة وصلابة ومقاومة التآكل في الفولاذ الهيكلي وفولاذ الأدوات، مما يمنح الفولاذ مقاومة جيدة للأكسدة والتآكل.
ونتيجة لذلك، يُعد الكروم عنصرًا مهمًا في صناعة السبائك للفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للحرارة. يحسن الكروم أيضًا من صلابة الفولاذ وهو عنصر إشابة مهم للغاية.
ومع ذلك، يزيد الكروم أيضًا من درجة حرارة الانتقال الهش للفولاذ، ويزيد من هشاشته في التقسية، ويمكن أن يسبب صعوبات في عملية المعالجة.
يزيد النيكل من قوة الفولاذ مع الحفاظ على اللدونة والمتانة الجيدة. ويتميز بمقاومة عالية للتآكل من الأحماض والقلويات، كما أنه مقاوم للصدأ والحرارة في درجات الحرارة العالية. ولكن، بما أن النيكل مورد نادر، فغالباً ما يتم استخدام عناصر سبائك أخرى بدلاً من فولاذ النيكل والكروم.
يعمل الموليبدينوم على صقل بنية حبيبات الفولاذ، ويحسن من صلابته وقوته الساخنة، ويحافظ على قوة ومقاومة كافية للزحف في درجات الحرارة العالية (عندما يحدث تشوه تحت ضغط طويل الأمد في درجات حرارة عالية).
عند إضافته إلى الفولاذ الإنشائي، يعزز الموليبدينوم من خواصه الميكانيكية ويقلل أيضًا من هشاشة سبائك الصلب بسبب الحريق. بالإضافة إلى ذلك، عند إضافة الموليبدينوم إلى فولاذ الأدوات، يحسن الموليبدينوم من صلابته الحمراء.
تيتانيوم هو مزيل أكسدة قوي في الفولاذ. فهو يجعل الهيكل الداخلي للفولاذ أكثر كثافة، ويحسّن هيكله الحبيبي، ويقلل من حساسية الشيخوخة والهشاشة على البارد، ويحسّن أداء اللحام. يمكن أن تمنع إضافة الكمية المناسبة من التيتانيوم إلى الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ Cr18Ni9 التآكل بين الخلايا الحبيبية.
الفاناديوم مزيل أكسدة ممتاز في الفولاذ. بإضافة 0.5% الفاناديوم إلى الفولاذ، يتم تحسين بنية الحبوب وتحسين القوة والمتانة. وتعزز الكربيدات المتكونة من مزيج الفاناديوم والكربون مقاومة التآكل الهيدروجيني تحت درجات الحرارة والضغط المرتفعة.
يتميز التنجستن بنقطة انصهار عالية وكثافة عالية، مما يجعله عنصرًا حاسمًا في صناعة السبائك. وتتمتع الكربيدات المتكونة من التنجستن والكربون بصلابة عالية ومقاومة للتآكل. وتؤدي إضافة التنجستن إلى فولاذ الأدوات إلى تحسين صلابته الحمراء وقوته الحرارية بشكل كبير، مما يجعله مناسبًا للاستخدام كأدوات قطع و قوالب تشكيل القوالب.
يعمل النيوبيوم على تحسين بنية حبيبات الفولاذ ويقلل من حساسيته للسخونة الزائدة وهشاشة المزاج، مع تحسين قوته أيضًا، ولكن مع تقليل مرونته وصلابته.
تعمل إضافة النيوبيوم إلى الفولاذ العادي منخفض السبائك على تعزيز مقاومته للتآكل الجوي ومقاومة التآكل الهيدروجيني والنيتروجين والأمونيا في درجات الحرارة العالية. يحسّن النيوبيوم أيضًا من أداء اللحام. عند إضافته إلى الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، يمنع النيوبيوم التآكل بين الخلايا الحبيبية.
الكوبالت معدن نادر وثمين يستخدم في الغالب في الفولاذ والسبائك الخاصة، مثل الفولاذ المقاوم للحرارة والمواد المغناطيسية.
غالبًا ما يحتوي فولاذ WISCO، المصنوع من خام داي، على النحاس. يعزز النحاس من القوة والمتانة، وخاصة أداء التآكل في الغلاف الجوي. ويتمثل الجانب السلبي في أن الهشاشة الساخنة من المرجح أن تحدث أثناء المعالجة الساخنة. عندما يزيد محتوى النحاس عن 0.51 تيرابايت 3 تيرابايت، تقل اللدونة بدرجة كبيرة، ولكن عندما يكون محتوى النحاس أقل من 0.501 تيرابايت 3 تيرابايت، لا يكون له أي تأثير على قابلية اللحام.
الألومنيوم هو مزيل أكسدة شائع في الفولاذ. بإضافة كمية صغيرة من الألومنيوم إلى الفولاذ، يتم تحسين بنية الحبيبات وصلابة الصدمات، كما هو واضح في فولاذ 08Al المستخدم في صفائح السحب العميق. يتميز الألومنيوم أيضًا بمقاومة الأكسدة والتآكل.
عند دمجه مع الكروم والسيليكون، يحسّن الألومنيوم بشكل كبير من أداء عدم التآكل في درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، فإن الألومنيوم يؤثر سلبًا على قابلية التشغيل على الساخن وأداء اللحام وأداء القطع للصلب.
بإضافة كمية صغيرة من البورون إلى الفولاذ، يتم تحسين الاكتناز وخصائص الدرفلة على الساخن للصلب وزيادة قوته.
تشير العناصر الترابية النادرة إلى اللانثانيدات الـ 15 ذات الأعداد الذرية 57-71 في الجدول الدوري. هذه العناصر كلها فلزات، ولكن أكاسيدها تشبه "التراب"، لذلك يشار إليها عادةً باسم العناصر الأرضية النادرة. تؤدي إضافة العناصر الأرضية النادرة إلى الفولاذ إلى تعديل تركيبة وشكل وتوزيع وخصائص الشوائب في الفولاذ، مما يعزز خصائص مختلفة مثل الصلابة وقابلية اللحام وقابلية التشغيل على البارد. إضافة العناصر الأرضية النادرة إلى حديد المحاريث يحسن من مقاومة التآكل.
انظر أيضًا:
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