معرفة

 

القسم 1: عناصر الشوائب الشائعة في الفولاذ

 

تشمل عناصر الشوائب الشائعة في الفولاذ الفوسفور والكبريت والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين. في الظروف العادية، تؤثر هذه العناصر سلبًا على خصائص الفولاذ. ومع ذلك، يمكن لبعضها أن يلعب دورًا إيجابيًا في ظروف محددة، ويصبح عناصر سبائك.

 

الفوسفور (ع)

المصدر: تم الحصول عليه من المواد الخام أثناء عملية تصنيع الصلب.

الوظيفة: الفوسفور قليل الذوبان في الفولاذ. عندما يكون محتوى الفوسفور في الفولاذ مرتفعًا نسبيًا (الكسر الكتلي w(P) > 0.1%)، يترسب Fe2P عند حدود الحبيبات، مما يقلل من لدونة الفولاذ ومتانته، ويزيد من قابليته للتشقق على البارد، ويؤثر سلبًا على أداء الفولاذ المصبوب. لذلك، يجب التحكم في محتوى الفوسفور في إنتاج الفولاذ المصبوب.

 

الكبريت (S)

المصدر: تم إدخاله إلى الفولاذ من المواد الخام أثناء عملية تصنيع الفولاذ.

الوظيفة: يوجد الكبريت في الفولاذ بشكل عام على شكل FeS أو FeS-Fe يوتكتيكي عند حدود حبيبات الفولاذ، مما يقلل من خصائصه الميكانيكية. عادةً، يجب أن تكون نسبة الكبريت w(S) أقل من 0.04%، وتختلف القيم باختلاف درجة الفولاذ. ويرجع ذلك إلى أن مركبات الكبريت هذه عند حدود الحبيبات تُعطل استمرارية مصفوفة الفولاذ وتؤثر على خصائصه الميكانيكية.

في التصنيع الميكانيكي، بالنسبة لبعض أنواع الفولاذ التي تتطلب قابلية تشغيل مُحسّنة (الفولاذ سهل القطع)، يُمكن إضافة كمية مناسبة من الكبريت (w(S) = 0.1% - 0.4%، حسب نوع الفولاذ) إلى الفولاذ. يُمكن للكبريتيدات المُتشكّلة ((Mn, Fe)S) أن تُؤثّر على استمرارية المصفوفة (رقائق الكسر)، ولكن هذا سيزيد من ميل الفولاذ إلى التشقق الساخن. هذا تطبيق يستغل الآثار السلبية للكبريت لتلبية متطلبات أداء المعالجة المُحدّدة.

الهيدروجين (H)

المصدر: يمتص السائل الفولاذي الهيدروجين من غاز الفرن أثناء عملية تصنيع الفولاذ.

الوظيفة: يترسب الهيدروجين المذاب في سائل الفولاذ أثناء عملية التصلب نتيجةً لانخفاض قابليته للذوبان. في ظروف التصلب البطيء، يترسب الهيدروجين على شكل ثقوب صغيرة، مما يؤثر على كثافة الفولاذ المصبوب، إلخ. عند التصلب السريع، يُسبب الهيدروجين المترسب حالة إجهاد عالية داخل الشبكة الحديدية، مما يؤدي إلى هشاشة الفولاذ، مما يُلحق ضررًا بالغًا بجودة وأداء الفولاذ المصبوب. يجب اتخاذ تدابير في إنتاج الفولاذ المصبوب لإزالة الهيدروجين والتحكم في محتواه لتجنب العيوب الناجمة عنه.

نيتروجين (ن)

المصدر: يمتص السائل الفولاذي النيتروجين من غاز الفرن أثناء عملية تصنيع الفولاذ.

الوظيفة: يترسب النيتروجين المذاب في سائل الفولاذ أثناء التصلب بسبب انخفاض قابليته للذوبان، ويتحد مع عناصر مثل السيليكون والألومنيوم والزركونيوم في الفولاذ لتكوين نيتريدات مثل SiN وAlN وZrN. يمكن لكمية صغيرة من النيتريدات تحسين حبيبات الفولاذ، ولها تأثير إيجابي على خصائص الفولاذ المصبوب؛ ومع ذلك، عند وجود كمية زائدة من النيتريدات، تنخفض مرونة الفولاذ وصلابته، مما يؤثر على خصائصه الميكانيكية. في الإنتاج، يجب التحكم في محتوى النيتروجين والعناصر المرتبطة به بشكل معقول للاستفادة من فوائد النيتريدات وتجنب الآثار السلبية.

الأكسجين (O)

المصدر: يتم توليده على شكل FeO2 أثناء أكسدة الفولاذ المنصهر في عملية تصنيع الفولاذ.

الوظيفة: يتفاعل أكسيد الحديد المذاب في الفولاذ المنصهر مع الكربون الموجود في الفولاذ أثناء انخفاض درجة الحرارة قبل التصلب، مما يؤدي إلى تكوين فقاعات أول أكسيد الكربون، مما يسبب المسامية في أجزاء الفولاذ المصبوب ويؤثر على كثافة وجودة الفولاذ المصبوب.

أثناء تصلب الفولاذ المصهور، يترسب أكسيد الحديد (FeO) عند حدود حبيبات الفولاذ بسبب انخفاض قابليته للذوبان، مما قد يُضعف أداء الفولاذ، ويُخل باستمرارية منطقة حدود الحبيبات، ويؤثر سلبًا على الخواص الميكانيكية للفولاذ المصبوب. في إنتاج الفولاذ المصبوب، من الضروري التحكم في محتوى الأكسجين وتقليل العيوب المرتبطة بأكسيد الحديد (FeO).

 

القسم الثاني: "العناصر الخمسة الضارة" في الفولاذ

 

في نظام تركيب الفولاذ، والرصاص، والقصدير، والأنتيمون، والبزموت، والزرنيخ، تُعرف هذه العناصر الخمسة مجتمعةً باسم "العناصر الضارة الخمسة" نظرًا لتأثيراتها السلبية الكبيرة على خصائص الفولاذ. ولكلٍّ منها سلوكه وتأثيراته في الفولاذ.

أولا: خصائص كل عنصر وتأثيره على الفولاذ

1. الرصاص

الرصاص معدن رمادي مزرق اللون، لين وقابل للطرق، ودرجة انصهاره 327.5 درجة مئوية فقط، ودرجة غليانه 1755 درجة مئوية. ونظرًا لانخفاض درجة غليانه نسبيًا، يصعب ذوبان الرصاص في الفولاذ المنصهر في بيئة صناعة الصلب عالية الحرارة، ويتحول معظمه إلى بخار ويتسرب. لذلك، عادةً ما تكون نسبة الرصاص في الفولاذ النهائي حوالي 0.001% فقط. ومع ذلك، بمجرد أن يتجاوز محتوى الرصاص الحد المعياري، ستظهر آثاره الضارة: فهو يقلل بشكل كبير من متانة الفولاذ عند الصدمات، مما يجعله أكثر عرضة للكسر عند تعرضه لأحمال الصدمات؛ وأثناء عمليات التشغيل الساخنة مثل الدرفلة والتشكيل، يمكن أن يتسبب بسهولة في تشققات سطحية وعيوب معدنية أخرى في الفولاذ، مما يؤدي مباشرة إلى تآكل أجزاء الفولاذ ويؤثر بشكل كبير على جودة المنتج.

2. القصدير (Sn)

القصدير أبيض فضي اللون، لين وقابل للطرق، ودرجة انصهاره أقل من الرصاص عند 232 درجة مئوية، ودرجة غليانه 2275 درجة مئوية. أثناء صناعة الصلب، يدخل القصدير إلى الصلب مع المواد الخام، وخردة الصلب، ومواد السبائك، ومزيلات الأكسدة. ومع ذلك، أثناء عملية أكسدة الصلب، تدخل كمية صغيرة فقط من القصدير إلى الخبث، بينما يبقى معظمه على شكل شوائب في الصلب. عندما يتراكم القصدير إلى مستوى معين في الصلب، يمكن أن يسبب مشاكل هشاشة ساخنة. على سبيل المثال، في السبائك المقاومة للحرارة، يمكن للقصدير أن يقلل بشدة من الخصائص الميكانيكية عالية الحرارة للسبائك، مثل قوة الزحف للصلب المقاوم للحرارة من الكروم والموليبدينوم والفاناديوم، والتي ستنخفض بشكل كبير بسبب وجود القصدير؛ في فولاذ دوار النيكل والكروم والموليبدينوم والفاناديوم، يميل القصدير إلى التراكم عند حدود الحبيبات، ليصبح عاملاً محتملاً لهشاشة المعالجة.

3. الأنتيمون (Sb)

الأنتيمون معدن أبيض لامع، صلب وهش، سهل التفتت إلى مسحوق، درجة انصهاره 603 درجة مئوية ودرجة غليانه 1440 درجة مئوية. يؤثر الأنتيمون سلبًا على قوة ومتانة الفولاذ، إذ يُقلل من قوته ومتانته بشكل كبير، ويزيد من هشاشته في درجات الحرارة العالية. بشكل عام، يجب ضبط نسبة كتلة الأنتيمون في الفولاذ بحيث لا تتجاوز 0.1%، وفي بعض سبائك الفولاذ التي تتطلب معايير صارمة للشوائب، يجب أن تكون نسبة كتلة الأنتيمون أقل من 0.001%.

4. البزموت (Bi)

البزموت معدن أبيض فضي لامع، شديد الهشاشة وعديم اللدونة. درجة انصهاره 273 درجة مئوية ودرجة غليانه 1560 درجة مئوية. في بيئات الصهر عالية الحرارة، يكون البزموت عرضة للتطاير، لذا فإن محتواه المتبقي في الفولاذ منخفض جدًا، وغالبًا ما يكون حرًا، مع نسبة كتلة لا تتجاوز 0.001%. عندما يكون محتوى البزموت مرتفعًا جدًا، فإنه يقلل من لدونة الفولاذ ويؤثر على متانته في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، له "طبيعة مزدوجة". في بعض الحالات، يمكنه تحسين قابلية تشغيل الفولاذ وتثبيت الكربيدات في الحديد الزهر، مما يجعله ذو قيمة تطبيقية محتملة في إنتاج أدوات القطع الفولاذية والحديد الزهر إلى حد ما.

5. الزرنيخ (As)

الزرنيخ مادة بلورية هشة ذات لون أبيض رمادي فاتح ولمعان معدني قوي، ودرجة انصهاره 817 درجة مئوية. يأتي الزرنيخ الموجود في الفولاذ بشكل رئيسي من المواد الخام المستخدمة في صناعة الفولاذ، ويصعب إزالته أثناء عملية الصهر. يوجد الزرنيخ في الفولاذ بشكل رئيسي على شكل محاليل صلبة (مثل Fe3As وFe3As2 وFeAs، إلخ). مع زيادة محتوى الزرنيخ، تقل متانة الفولاذ عند الصدمات، وتزداد هشاشته، وقد تحدث مشاكل فصل شديدة. إنه عنصر ضار شائع. ومع ذلك، لكل شيء جانبان. عند إضافة الزرنيخ إلى الفولاذ، يمكن أن يحسن مقاومة الفولاذ للتآكل ومقاومة الأكسدة إلى حد ما. في بعض الحالات التي توجد فيها متطلبات خاصة لمقاومة التآكل وخصائص أخرى ويمكن تحمل الآثار السلبية، يمكن النظر في استخدامه.

ثانيًا: الخصائص المشتركة للعناصر الضارة الخمسة

نقطة انصهار منخفضة: نقاط انصهار هذه العناصر الخمسة أقل بكثير من نقطة انصهار الفولاذ (عادةً ما تتراوح بين 1300 و1500 درجة مئوية). عندما يتصلب الفولاذ تدريجيًا، تبقى هذه العناصر في حالة سائلة، ولذلك تُسمى عناصر منخفضة نقطة الانصهار. هذه الخاصية تجعلها عرضة للتراكم عند حدود الحبيبات وفي مواقع أخرى أثناء تصلب الفولاذ، مما يُخل باستمرارية مصفوفة الفولاذ.

تدهور الأداء الشائع: عندما يتجاوز محتواها في الفولاذ حدًا معينًا، يؤثر سلبًا بشكل كبير على الخواص الميكانيكية للفولاذ في درجات الحرارة العالية، ويزيد من هشاشته، ويقلل من قوته ومتانته، ويجعله هشًا، ويؤثر على أدائه في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. في المكونات الصناعية المعرضة لإجهادات درجات الحرارة العالية (مثل الغلايات وشفرات التوربينات، إلخ)، فإن تجاوز هذه العناصر الحد المسموح به يُقصّر بشكل كبير من عمر خدمة المكونات.

الآلية التكافلية وتضخيم المخاطر: غالبًا ما لا توجد هذه العناصر بمفردها في الفولاذ، بل تتعايش وتنفصل. هذه الخاصية التكافلية تزيد من تأثيرها التدميري على الفولاذ. إن تراكم العديد من العناصر الضارة في مواقع حساسة، مثل حدود الحبيبات، سيُلحق ضررًا بالغًا بالبنية الدقيقة للفولاذ، ويُقلل من أدائه الشامل، ويزيد من خطر مشاكل الجودة في الفولاذ (مثل التشققات والكسور الهشة، إلخ).

 

ثالثًا: استراتيجيات الاستجابة ومراقبة الجودة

تُشكل العناصر الضارة المتبقية في الفولاذ مخاطر كبيرة على جودة منتجاته. لذلك، يُعدّ وضع معايير صارمة لحدود هذه العناصر في الفولاذ وتطبيقها إجراءً حاسمًا لضمان جودة منتجاته. على سبيل المثال، يجب مراقبة محتوى عناصر مثل القصدير (w(Sn) ≤ 0.05%)، والأنتيمون (w(Sb) ≤ 0.01%)، والزرنيخ (w(As) ≤ 0.045%). يجب إيلاء اهتمام كامل للتحكم في العناصر الضارة المتبقية طوال عملية إنتاج الفولاذ، بدءًا من شراء المواد الخام (التحكم الصارم في محتوى الشوائب في مواد الفرن، وخردة الفولاذ، وما إلى ذلك)، ومرورًا بتحسين عملية الصهر (مثل تقوية الأكسدة والتكرير لإزالة العناصر الضارة قدر الإمكان)، ووصولًا إلى فحص المنتج (الكشف الدقيق عن محتوى العناصر الضارة). يجب إنشاء نظام شامل لمراقبة الجودة لضمان استيفاء الفولاذ لمتطلبات الأداء في مختلف سيناريوهات الاستخدام.

 

تتمتع فيجور بخبرة تزيد عن 20 عامًا في صناعات الصب والتشكيل والتشغيل الآلي باستخدام الحاسب الآلي. إذا كانت لديك أي أسئلة أو طلبات أو تطوير قطع غيار أو لتحسين سلسلة التوريد الخاصة بك، فلا تتردد في التواصل معنا علىinfo@castings-forging.com