معرفة

المقدمة

المواد المعدنية هي تخصص مليء بالألغاز. سواء كانت المواد اللازمة لتصنيع الأدوات نفسها أو معالجة الأجزاء، فسوف يواجه المرء مشكلات تتعلق بالمواد. إذا كنت تعمل في صناعة الصلب، فهل لاحظت يومًا ما تعنيه المكونات الكيميائية المدرجة في تقرير اختبار الصلب؟ قد تعرف فقط أن درجات الصلب المختلفة تحتوي على العديد من المكونات الكيميائية المختلفة ومحتويات مختلفة من العناصر. في هذه المقالة، قمنا بفرز وإدراج 21 عنصرًا كيميائيًا وتأثيرها على أداء الصلب.

#1 الكربون (C)

الكربون هو العنصر الأكثر أهمية في الفولاذ. وهو عنصر بالغ الأهمية للفولاذ الذي يحتاج إلى التصلب عن طريق الإطفاء. ويتحكم محتوى الكربون في صلابة المادة وقوتها، وكذلك استجابتها للمعالجة الحرارية (قابلية الإطفاء). ومع زيادة محتوى الكربون، تنخفض قابلية الصلب للطرق والتشكيل وقابليته للتشكيل، كما تنخفض قابليته للحام.

#2 المنغنيز (Mn)

قد يكون المنجنيز هو ثاني أهم عنصر بعد الكربون. وظيفته مماثلة لوظيفة الكربون، ويقوم منتجو الصلب بدمج هذين العنصرين للحصول على مواد ذات الخواص المرغوبة. المنجنيز ضروري لعملية الدرفلة الساخنة للصلب من خلال الارتباط بالأكسجين والكبريت.

إن وجودها له الوظائف الأساسية التالية:

 

إنه مزيل أكسدة خفيف ويعمل كعامل تنقية لنقل الكبريت والأكسجين من المصهور إلى الخبث. إنه يعزز قابلية التصلب وقوة الشد ولكنه يقلل من اللدونة. يتحد مع الكبريت لتكوين كبريتيد المنغنيز الكروي، وهو أمر بالغ الأهمية لسهولة تشغيل الفولاذ المقطوع بحرية. تحتوي الفولاذ عادةً على ما لا يقل عن 0.30% من المنغنيز، ولكن في بعض أنواع الفولاذ الكربوني، يمكن العثور على محتويات تصل إلى 1.5%.

يميل المنجنيز أيضًا إلى زيادة نفاذية الكربون أثناء عملية التكرير ويعمل كمزيل أكسدة خفيف. ومع ذلك، عندما تكون نسبة الكربون والمنجنيز مرتفعة للغاية، يحدث الهشاشة. يمكن للمنجنيز تكوين كبريتيد المنجنيز (MnS) مع الكبريت، وهو أمر مفيد للمعالجة الميكانيكية. في الوقت نفسه، يمكنه مواجهة الهشاشة التي يسببها الكبريت ويساعد في تشطيب سطح الفولاذ الكربوني.

في اللحام، يجب أن تكون نسبة المنجنيز إلى الكبريت 10:1 على الأقل. قد يؤدي محتوى المنجنيز الأقل من 0.30% إلى حدوث مسامية وشقوق داخل خط اللحام، وقد يؤدي المحتوى الذي يتجاوز 0.80% أيضًا إلى حدوث شقوق. قد تحتوي الفولاذ ذات نسبة المنجنيز إلى الكبريت المنخفضة على الكبريت في شكل كبريتيد الحديد (FeS)، مما قد يتسبب في حدوث تشققات في خط اللحام.

#3 الفوسفور (P)

على الرغم من أنه يمكن أن يعزز قوة الشد للصلب ويحسن قابليته للتصنيع، إلا أنه يعتبر عمومًا شوائب غير مرغوب فيها بسبب تأثيره الهش.

يختلف تأثير الفوسفور على الفولاذ باختلاف تركيزه. وبسبب ضرره، فإن الحد الأقصى لمحتوى الفوسفور في الفولاذ عالي الجودة يتراوح بين 0.03% و0.05%. وفي الفولاذ منخفض السبائك وعالي القوة، يمكن أن يعزز ما يصل إلى 0.10% من الفوسفور القوة ويحسن مقاومة الفولاذ للتآكل. وعندما يكون المحتوى مرتفعًا جدًا في الفولاذ المقسى، تزداد احتمالية الهشاشة. وعلى الرغم من تحسن القوة والصلابة، فإن اللدونة والصلابة تنخفضان.

يعمل الفوسفور على تحسين قابلية القطع الحر للصلب، ولكن إذا تجاوز محتوى الفوسفور 0.04%، فقد يحدث هشاشة اللحام و/أو تشققات اللحام أثناء اللحام. يؤثر الفوسفور أيضًا على سمك طلاء الزنك أثناء الجلفنة.

#4 الكبريت (S)

يعتبر الكبريت عمومًا من الشوائب. عندما يكون محتوى الكبريت في الفولاذ مرتفعًا ومحتوى المنجنيز منخفضًا، فسيكون لذلك تأثير سلبي على أداء التأثير. يحسن الكبريت من قابلية التصنيع ولكنه يقلل من اللدونة العرضية وصلابة تأثير الشق، مع تأثير صغير نسبيًا على الخصائص الميكانيكية الطولية. يقتصر محتوى الكبريت في الفولاذ على 0.05٪، ولكن في الفولاذ المقطوع بحرية، يمكن أن تصل الإضافة إلى 0.35٪، مع زيادة محتوى المنجنيز لمواجهة أي آثار ضارة، حيث يمكن أن تعمل إضافات سبائك الكبريت بنسبة 0.10٪ إلى 0.30٪ على تحسين قابلية تصنيع الفولاذ. يمكن تسمية مثل هذه الفولاذ بالفولاذ "المعاد الكبريت" أو "القطع الحر". يضيف الفولاذ المقطوع بحرية الكبريت لتحسين قابلية التصنيع، وعادةً ما يصل إلى 0.35٪.

على الرغم من أن الكبريت له تأثير سلبي على الفولاذ في مراحل معينة، إلا أن محتوى الكبريت أقل من 0.05% له تأثير إيجابي على درجة الفولاذ.

#5 السيليكون (Si)

السليكون هو أحد المواد الرئيسية لإزالة الأكسدة من الفولاذ. فهو يساعد على إزالة فقاعات الأكسجين في الفولاذ المنصهر. وهو العنصر الأكثر استخدامًا في إنتاج الفولاذ شبه المؤكسد والفولاذ المنزوع الأكسدة بالكامل، وعادةً ما يكون محتواه أقل من 0.40%. وعند استخدامه كمزيل للأكسدة، فإنه يحتوي عادةً على كمية صغيرة فقط (0.20%) في الفولاذ المدلفن. ومع ذلك، فإنه يحتوي عادةً في الصب الفولاذي على نسبة تتراوح بين 0.35% إلى 1.00%.

يذوب السليكون في الحديد ويميل إلى تقويته. قد تحتوي بعض المعادن الحشو على ما يصل إلى 1% من السليكون لتوفير تأثيرات تنظيف وإزالة أكسدة أفضل عند اللحام على الأسطح الملوثة. عند استخدام هذه المعادن الحشو للحام على الأسطح النظيفة، سيتم تعزيز قوة معدن اللحام الناتج بشكل كبير. يزيد السليكون من القوة والصلابة، ولكن بدرجة أقل من المنجنيز. قد يؤدي الانخفاض الناتج في اللدونة إلى حدوث مشاكل التشقق.

عندما يتعلق الأمر بالجلفنة، فإن الفولاذ الذي يحتوي على نسبة سيليكون تتجاوز 0.04% سيؤثر بشكل كبير على سمك ومظهر الطلاء المجلفن. سيؤدي هذا إلى طلاء سميك يتكون بشكل أساسي من سبائك الزنك والحديد، مع سطح باهت وغير جذاب. ومع ذلك، فإنه يوفر نفس الحماية المضادة للتآكل مثل الطلاء المجلفن اللامع مع طبقة خارجية من الزنك النقي.

#6 الكروم (Cr)

الكروم هو عنصر سبائك قوي في الفولاذ. توجد كمية صغيرة من الكروم في بعض الفولاذ الهيكلي. يستخدم بشكل أساسي لتعزيز قابلية تصلب الفولاذ وزيادة مقاومة التآكل وقوة خضوع الفولاذ. لذلك، غالبًا ما يتم دمجه مع النيكل والنحاس. قد يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على أكثر من 12٪ كروم. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ "18-8" المعروف على 8٪ نيكل و 18٪ كروم.

عندما يتجاوز محتوى الكروم في الفولاذ 1.1%، تتكون طبقة سطحية تساعد على حماية الفولاذ من الأكسدة.

#7 الفاناديوم (V)

إن دور الفاناديوم كعنصر كيميائي يشبه دور المنجنيز والموليبدينوم والنيوبيوم. وعند استخدامه مع عناصر السبائك الأخرى، فإنه يحد من نمو الحبوب، ويحسن حجم الحبوب، ويعزز قابلية الصلابة، ومتانة الكسر ومقاومة الأحمال الصدمية. كما أنه يحسن التليين في درجات الحرارة العالية، ومقاومة الإجهاد والتآكل. وعندما يتجاوز المحتوى 0.05%، فقد يكون هناك ميل إلى الهشاشة أثناء معالجة تخفيف الإجهاد الحراري.

يستخدم الفاناديوم في النترتة، والفولاذ المقاوم للحرارة، والفولاذ الزنبركي، إلى جانب عناصر السبائك الأخرى.

#8 التنغستن (W)

يتم استخدامه مع الكروم أو الفاناديوم أو الموليبدينوم أو المنغنيز لإنتاج فولاذ عالي السرعة لأدوات القطع. يُعرف فولاذ التنغستن بأنه "صلب أحمر"، مما يعني أنه يظل صلبًا بدرجة كافية للقطع حتى بعد تسخينه إلى درجة حمراء ساخنة. بعد المعالجة الحرارية، يحتفظ الفولاذ بصلابته في درجات حرارة عالية، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص لأدوات القطع.

التنغستن على شكل كربيد التنغستن:

يمكنه أن يضفي صلابة عالية على الفولاذ حتى في درجات الحرارة العالية. ويعزز تكوين الحبيبات الدقيقة، ويعزز المقاومة الحرارية، ويعزز القوة في درجات الحرارة العالية.

#9 الموليبدينوم (Mo)

إن دور الموليبدينوم يشبه دور المنجنيز والفاناديوم، وكثيراً ما يستخدم مع أحدهما أو كليهما. هذا العنصر هو مكون قوي للكربيد، ومحتواه في الفولاذ السبائكي عادة ما يكون أقل من 1%. إنه يعزز قابلية التصلب والقوة في درجات الحرارة العالية، مع تحسين مقاومة التآكل وزيادة قوة الزحف. يضاف إلى الفولاذ المقاوم للصدأ لزيادة مقاومته للتآكل ويستخدم أيضاً في الفولاذ عالي السرعة.

#10 الكوبالت (Co)

يعمل الكوبالت على تحسين قوة التحمل عند درجات الحرارة العالية والنفاذية المغناطيسية. كما يزيد من الصلابة مع السماح بدرجات حرارة إخماد أعلى (أثناء المعالجة الحرارية). وفي الفولاذ الأكثر تعقيدًا، يعمل على تعزيز التأثيرات الفردية للعناصر الأخرى. لا يعد الكوبالت مكونًا للكربيد، ولكن إضافة الكوبالت إلى السبائك يمكن أن يحقق صلابة أعلى يمكن تحقيقها وصلابة حمراء أعلى.

#11 النيكل (Ni)

بالإضافة إلى كونها مفيدة لمقاومة التآكل للصلب، فإن إضافة النيكل يمكن أن تعزز أيضًا قابلية التصلب. يحسن النيكل أداء المادة في درجات الحرارة المنخفضة من خلال تعزيز صلابة الكسر. لا يقلل وجود هذا العنصر من قابلية اللحام للصلب. يزيد النيكل بشكل كبير من صلابة الشق للصلب.

غالبًا ما يتم دمج النيكل مع عناصر السبائك الأخرى، وخاصة الكروم والموليبدينوم. وهو مكون أساسي في الفولاذ المقاوم للصدأ، ولكن محتواه في الفولاذ الكربوني منخفض نسبيًا. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على 8% إلى 14% من النيكل.

سبب آخر لإضافة النيكل إلى السبائك هو قدرته على إنشاء أجزاء أكثر إشراقا في الفولاذ الدمشقي.

#12 النحاس (Cu)

النحاس هو عنصر آخر مهم مقاوم للتآكل. كما أن له تأثيرًا طفيفًا على قابلية التصلب. عادةً لا يقل محتواه عن 0.20%، وهو المكون الرئيسي المضاد للتآكل في درجات الفولاذ مثل A242 وA441.

المادة الأكثر شيوعا في الفولاذ هي العامل المتبقي، ويتم إضافة النحاس أيضًا لإنتاج خصائص التصلب بالترسيب وتحسين مقاومة التآكل.

#13 الألومنيوم

يعد الألومنيوم أحد أهم المواد المؤكسدة في المواد، حيث يحتوي على نسبة منخفضة جدًا من الأكسجين. ويساعد الألومنيوم في تكوين بنية حبيبية أدق ويعزز من صلابة أنواع الفولاذ. وعادةً ما يستخدم مع السيليكون للحصول على فولاذ شبه منزوع الأكسجين أو منزوع الأكسجين بالكامل.

#14 التيتانيوم (Ti)

يستخدم التيتانيوم للتحكم في نمو الحبوب، مما يعزز الصلابة. كما أنه يحول شوائب الكبريتيد من الأشكال المستطيلة إلى الأشكال الكروية، مما يحسن القوة ومقاومة التآكل، فضلاً عن الصلابة والسحب.

التيتانيوم هو معدن قوي جدًا وخفيف جدًا ويمكن استخدامه بمفرده أو مخلوطًا بالفولاذ. يُضاف إلى الفولاذ لمنحه قوة عالية في درجات الحرارة العالية. تستخدم المحركات النفاثة الحديثة فولاذ التيتانيوم.

منع استنفاد الكروم في المناطق المحلية من الفولاذ المقاوم للصدأ أثناء التسخين على المدى الطويل، ومنع تكوين الأوستينيت في الفولاذ عالي الكروم، وتقليل صلابة المارتنسيتية وقابلية إخماد الفولاذ متوسط ​​الكروم.

#15 النيوبيوم (Nb)

النيوبيوم هو عنصر أساسي لتنقية الحبيبات كما أنه عنصر يعزز القوة في إنتاج الصلب. إنه مكون قوي للكربيد، يشكل كربيدات بسيطة شديدة الصلابة وصغيرة جدًا. يحسن اللدونة والصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل. في نفس الوقت، يعمل على تنقية بنية الحبيبات. كان يُعرف سابقًا باسم الكولومبيوم.

#16 البورون (ب)

إن الدور والغرض الأكثر أهمية للبورون في الفولاذ هو تعزيز قابلية التصلب بشكل كبير.

الميزة الأعظم للبورون هي أنه لا يلزم سوى كمية صغيرة لتحقيق نفس تأثير التصلب الذي تتطلبه العناصر الأخرى بكمية كبيرة للوصول إليه. النطاق النموذجي في سبائك الصلب هو 0.0005% إلى 0.003%.

أثناء عملية المعالجة الحرارية، يُضاف البورون كبديل لعناصر أخرى لتعزيز قابلية التصلب للفولاذ متوسط ​​الكربون. يتم تحسين أداء القطع للفولاذ عالي السرعة، ولكن على حساب جودة التشكيل. قد يؤدي محتوى البورون الزائد أيضًا إلى تقليل قابلية التصلب والصلابة ويسبب الهشاشة. تلعب نسبة الكربون في الفولاذ أيضًا دورًا في تأثير قابلية التصلب للبورون. مع زيادة تأثير البورون على قابلية التصلب، يجب تقليل محتوى الكربون وفقًا لذلك.

عند إضافة البورون إلى الفولاذ، يجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لضمان عدم تفاعله مع الأكسجين أو النيتروجين، حيث أن اتحاد البورون مع أي من هذه العناصر سيجعله غير فعال.

#17 الرصاص

يتم إضافة كمية صغيرة من الرصاص تصل إلى 0.30% لتحسين قابلية التشغيل. وطالما يتم توزيعها بالتساوي، فإن تأثيرها على الخصائص الفيزيائية للصلب ضئيل. وعلى عكس الاعتقاد الشائع، فهي لا تؤثر على قابلية اللحام.

#18 الزركونيوم (Zr)

يضاف الزركونيوم إلى الفولاذ لتغيير شكل الشوائب. وعادة ما يضاف إلى الفولاذ منخفض السبائك ومنخفض الكربون. وعندما يتغير الشكل من ممدود إلى كروي، تتحسن الصلابة والسحب.

#19 التنتالوم (Ta)

إنه يشبه النيوبيوم (Nb) إلى حد كبير في الخواص الكيميائية، وبالتالي يكون له تأثير مماثل على السبائك - حيث يشكل كربيدات بسيطة شديدة الصلابة وصغيرة الحجم للغاية. كما أنه يحسن اللدونة والصلابة ومقاومة التآكل ومقاومة التآكل. وفي الوقت نفسه، يعمل على تحسين الحبيبات.

#20 النيتروجين (N)

إن دور النيتروجين في السبائك يشبه إلى حد كبير دور الكربون. يمكن للنيتروجين أن يحل محل الكربون بكميات صغيرة (أو حتى بكميات كبيرة في التكنولوجيا الحديثة) لزيادة الصلابة. من الواضح أن النيتروجين يشكل نتريدات بدلاً من الكربيدات. يحتوي INFI على النيتروجين، كما تفعل بعض المواد الأخرى، ومن بينها Sandvik هي البطلة، بنسبة 3٪ من النيتروجين في السبائك، مما يحل محل الكربون تمامًا. لسوء الحظ، لا يستطيع مصنعو الأدوات الحصول عليه. نظرًا لأن النيتروجين لديه ميل أقل لتكوين نتريدات الكروم من الكربون لتكوين كربيدات الكروم، فإن وجوده يحسن مقاومة التآكل ويحتفظ بمزيد من الكروم الحر في السبائك. نظرًا لانخفاض تفاعل النيتروجين عند تكوين النتريدات، يمكن استخدامه لزيادة الصلابة دون زيادة حجم وحجم الكربيد، كما هو الحال في فولاذ Sandvik 14C28N.

#21 السيلينيوم (Se)

لا يتم استخدامه عادة في صناعة أدوات الفولاذ. يتم إضافته لتحسين قابلية التصنيع. على غرار الكبريت، ينتمي إلى نفس مجموعة الكالكوجين.

تتمتع شركة Vigor بفريق محترف وخبرة واسعة في مجال صهر المعادن والمنتجات المعدنية. إذا كان لديك أي سؤال أو طلب لتطوير المنتجات أو تحسين سلسلة التوريد الخاصة بك، فلا تتردد في الاتصال بنا على info@castings-forging.com