معرفة

كربون

العدد الذري: 6

الكثافة (20 درجة مئوية): 2.3 جم/سم³

الوزن الذري: 12.01

نقطة الانصهار: > 3550 درجة مئوية (6422 درجة فهرنهايت)

نقطة الغليان: 4827 درجة مئوية (8721 درجة فهرنهايت)

نظرة عامة

يُعد الكربون أهم عنصر في سبائك الفولاذ والحديد الزهر، إذ يُحدد بشكل رئيسي مجموعة واسعة من الخصائص الميكانيكية التي يمكن تحقيقها في المسبوكات والمطروقات. عندما يتجاوز محتوى الكربون في السبائك القائمة على الحديد 2.0% (باستثناء سبائك الحديد)، تُصنف على أنها حديد زهر. ووفقًا للتصنيف المعدني، يُقسم الفولاذ الكربوني الشائع إلى صنفين: فولاذ تحت-يوتكتويد وفولاذ فائق-يوتكتويد، وذلك بناءً على ما إذا كان محتوى الكربون أقل أو أعلى من 0.80%. يمكن أن تُغير إضافة عناصر سبائكية أخرى (مثل المنغنيز والسيليكون والنيكل، إلخ) محتوى الكربون عند نقطة الإيوتكتويد، وقد تُزيل هذه النقطة أيضًا. وقد أدت محدودية الكربون إلى تطوير فولاذ دقيق السبائك منخفض الكربون. ومع ذلك، يُناقش هذا الفصل الفولاذ والحديد الزهر اللذين يُعتبر الكربون عنصرهما الرئيسي في السبائك فقط، متجاهلًا وجود عناصر أخرى تبقى بعد إزالة الأكسدة أو ضرورية للتحكم في الكبريت.

يكاد الكربون أن يكون موجودًا في جميع أنواع الفولاذ منذ بداية عملية تصنيعه. عادةً ما تحتوي المواد الخام المستخدمة في صناعة الفولاذ (مثل الحديد المصهور، وحديد الصب، وخردة الفولاذ، وسبائك الحديد، وغيرها) على نسبة كربون أعلى من تلك المطلوبة في المنتج النهائي. أثناء عملية تصنيع الفولاذ، يُزال الكربون من خلال تفاعلات الأكسدة، ويمكن صقل الفولاذ عند الوصول إلى نسبة الكربون المطلوبة (أقل بقليل من القيمة المطلوبة في حال إضافة سبائك حديد عالية الكربون في المغرفة). في عملية BOF، من الشائع "نفخ" نسبة الكربون إلى أقل من 0.10% ثم زيادتها في المغرفة. في عملية إنتاج فرن القوس الكهربائي، يُضاف الكربون عن طريق الرش لتكوين خبث رغوي، بينما في محطة تنقية المغرفة، يتم التحكم بدقة في نسبة الكربون باستخدام أسلاك قلب الكربون.

عند استخدام سبائك الحديد عالية الكربون، تُصبح هذه السبائك نفسها "وسطًا إضافيًا" للكربون. إذا كان محتوى الكربون منخفضًا جدًا ولا يُمكن تعويضه بسبائك الحديد، يُمكن إضافة الكربون باستخدام المواد التالية: الجرافيت، والكوك، وفحم البترول المُكلس، والأنثراسيت، وفي حالات نادرة، خردة الفولاذ عالية الكربون مثل الحديد الزهر أو الحديد الزهر البارد. يجب الانتباه بشكل خاص: قد تؤدي إضافة الحديد الزهر بدلًا من الكربون إلى زيادة الفوسفور، لذا يجب اختيار فحم الكوك منخفض الكبريت وقليل التطاير لإضافة الكربون.

في إنتاج الحديد الزهر في أفران القوس الكهربائي، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى خطوة إضافة الكربون لأن المواد الخام غالبًا ما تكون من فولاذ خردة منخفض الكربون. على الرغم من إمكانية استخدام فولاذ خردة عالي الكربون، أو سبائك الحديد عالي الكربون، أو حتى الحديد الزهر كمصادر للكربون، إلا أنه وفقًا لمتطلبات العملية أو اعتبارات التكلفة، تُستخدم عادةً إضافات كربونية خاصة - الجرافيت أو فحم الكوك. يُستخدم الجرافيت الطبيعي (المُنتَج بشكل رئيسي في المكسيك) على نطاق واسع في أمريكا الشمالية، حيث يحتوي على نسبة كربون تتراوح بين 70% و85% ونسبة عالية من الشوائب، مما يحد من استخدامه؛ يتميز الجرافيت الصناعي (معظمه من نفايات أقطاب أفران القوس الكهربائي) بنقاء أعلى، ويمكن أن يؤثر تركيبه البلوري على البنية الدقيقة لحديد الصب. فحم الكوك المعدني منخفض التكلفة، ولكنه يحتوي على نسبة عالية من الرماد تصل إلى 9%، مما يحد من استخدامه؛ يتمتع فحم الكوك البترولي المكلس بنقاء يصل إلى 99%، ولكن قد يتجاوز محتواه من الكبريت 1%.

عمليات إضافة الكربون العملية

عند إضافة الكربون على شكل سبائك حديدية عالية الكربون، يمكن إجراؤه في الفرن، قبل عملية الصب، أو في المغرفة. وتتمثل الممارسة التقليدية في زيادة إزالة الكربون قليلاً في الفرن، ثم إضافة سبائك حديدية للوصول إلى نطاق محتوى الكربون المستهدف. يُعد توازن الكربون والأكسجين ودرجة الحرارة عند عملية الصب عامل تحكم رئيسي، إلا أن العملية المحددة تعتمد عادةً على الخبرة في الموقع. ونظرًا لارتفاع تكلفة المعالجة داخل الفرن، فإن الممارسة الشائعة هي "فتح" عملية الصب (أي السماح للفولاذ المنصهر بالتلامس مع الهواء)، ثم إكمال عملية إزالة الأكسدة اللازمة وتعديل التركيب في المغرفة. يجب الانتباه بشكل خاص: قد يؤدي استخدام الحديد الزهر لتعديل محتوى الكربون إلى زيادة في الكبريت والفوسفور. ما لم تكن القيم الأساسية لهذه العناصر في الفولاذ المنصهر منخفضة للغاية أو كان التركيب النهائي يسمح بزيادتها، يجب أن يحتوي ماء الحديد الخام على أقل قدر ممكن من الفوسفور والكبريت.

كثافة إضافات الكربون (الجرافيت، الكوك، الأنثراسيت) منخفضة نسبيًا، وتميل إلى الطفو على سطح طبقة الخبث، مما يُسبب فقدانًا في كفاءة الاحتراق. لذلك، يجب إضافتها في بداية عملية الصب أو وضعها مسبقًا في قاع المغرفة الفارغة. يجب الحفاظ على اضطراب كافٍ أثناء عملية الصب لتسريع ذوبان الكربون. في عملية الصب، تُضاف إضافات الكربون أيضًا إلى المغرفة، وفقًا لمعايير التشغيل المذكورة أعلاه.

 

الدرفلة/التشكيل

 

يؤثر محتوى الكربون في الفولاذ على عملية التشوه بطرق مختلفة. وبشكل عام، كلما زاد محتوى الكربون، زادت صعوبة المعالجة. يظهر تأثير الكربون أولًا في فرن النقع أو فرن إعادة التسخين. يُعد الفولاذ عالي الكربون أكثر حساسية للصدمات الحرارية، ويجب تسخينه ببطء لتجنب التشقق. قد يكون التسخين التدريجي (أي ترك كتلة الفولاذ على منصات درجات حرارة متعددة قبل الوصول إلى درجة حرارة الدرفلة أو التشكيل لتحقيق درجة حرارة موحدة) ضروريًا، خاصةً في الفولاذ ذي المقطع العرضي الكبير. كما أن الفولاذ الذي يزيد محتوى الكربون فيه عن 0.30% يكون أكثر عرضة للاحتراق الزائد (الأكسدة السطحية العميقة)، مما قد يؤدي إلى تشققات أو تدهور حالة سطح المنتج النهائي، وغالبًا ما تُرمى الكتل المحروقة بشكل زائد. لذلك، يجب تسخين الفولاذ عالي الكربون ببطء وبشكل متساوٍ لتجنب ارتفاع درجة الحرارة الموضعي الناتج عن اصطدام اللهب المباشر.

تزداد قوة الدرفلة في كلٍّ من الدرفلة الساخنة والباردة مع زيادة محتوى الكربون. في الدرفلة الساخنة، يزداد هذا التأثير مع اقتراب درجة حرارة الدرفلة النهائية. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي إضافة 0.15% كربون إلى الفولاذ الكربوني العادي إلى زيادة استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 20% عند درجة حرارة 870 درجة مئوية (1600 درجة فهرنهايت). تعتمد الطاقة اللازمة للدرفلة الباردة بشكل كبير على محتوى الكربون، والذي يرتبط بنسبة البيرلايت في بنيته المجهرية. في ظل الظروف نفسها، تزداد الحاجة إلى التلدين المتوسط ​​مع زيادة محتوى الكربون.

تجدر الإشارة إلى أن الكربون يميل بشدة للانفصال في المقاطع السميكة (مثل قضبان الفولاذ)، ويتراكم في آخر معدن متصلب (مع المنغنيز والفوسفور والكبريت). قد يؤدي هذا إلى توزيع غير متساوٍ للكربون في المنتج النهائي، مثل "الخطوط" التي تُلاحظ غالبًا في الصفائح المدرفلة على الساخن (الناجمة عن انفصال الفوسفور: مناطق الفوسفور العالية تطرد الكربون). مع ذلك، ليس هذا بالضرورة ضارًا. بالنسبة للصلب الذي يحتوي على عناصر السبائك الدقيقة، تُحدد نسبة النسبة المئوية الذرية لعناصر السبائك الدقيقة (MAE) إلى محتوى الكربون كمية رواسب MAE المتكونة عند درجات الحرارة المنخفضة. في هذه المرحلة، تتطلب صفائح الفولاذ الرقيقة المدرفلة على البارد والمُلَدَّنة محتوى كربون أقل من 0.01%.

 

المعالجة الحرارية

يزيد الكربون من قوة الفولاذ المدرفل على الساخن، ولكنه يقلل من صلابة الشق، والمرونة، وقابلية اللحام. لمزيد من التفاصيل حول استخدام الكربون في الصب المستمر والفولاذ المدرفل على الساخن، يُرجى مراجعة المحتوى ذي الصلة بالفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم.

تبلغ أقصى ذوبان للكربون في الفريت حوالي 0.025% (عند 723 درجة مئوية/1333 درجة فهرنهايت). وتقل ذائبية الكربون في الفريت عند درجة حرارة الغرفة عن 0.008%. يوضح مخطط توازن الحديد والكربون (الشكل 1) ثلاثة تفاعلات، ويشير إلى أن السمنتيت (Fe3C) يتشكل عند نسبة كربون 6.67%. عند درجة حرارة 1492 درجة مئوية (2718 درجة فهرنهايت)، يخضع فيريت دلتا، الذي يحتوي على نسبة كربون تتجاوز 0.10%، لتفاعل بيريتكتيكي مع المعدن السائل لتكوين الأوستينيت. أما الحديد الذي يحتوي على نسبة كربون تتجاوز 2.0%، فيخضع لتفاعل يوتكتيكي عند درجة حرارة 1130 درجة مئوية (2066 درجة فهرنهايت)، مكونًا الليديبوريت - وهو بنية من قضبان السمنتيت الموزعة في الأوستينيت. عند 723 درجة مئوية (1333 درجة فهرنهايت)، يتحلل الأوستينيت من خلال تفاعل البيريتكتويد لتكوين بيرليت مركب صفائحي.

يُخفّض الكربون درجة حرارة التحول التآصلي γ→α من 910 درجات مئوية (1670 درجة فهرنهايت) للحديد النقي إلى درجة حرارة اليوتكتويد (0.80% كربون). عند درجة حرارة أقل من 723 درجة مئوية/1333 درجة فهرنهايت، يكون للكربون تأثير كبير على حركية (معدل) تكوين البرليت، ويتفاعل مع الحديد لتكوين طورين غير متوازنين هما الباينيت والمارتنسيت. يتشكل البرليت في نطاق درجات الحرارة العالية من حوالي 550 درجة مئوية (1020 درجة فهرنهايت) إلى درجة حرارة اليوتكتويد، ويتحسن تركيبه تدريجيًا مع انخفاض درجة حرارة التحول. بين حوالي 220 درجة مئوية (425 درجة فهرنهايت) والحد الأدنى لنطاق تكوين البرليت، يتحول الأوستينيت إلى الباينيت. للباينيت نوعان رئيسيان:

الباينيت العلوي: يتشكل في درجات حرارة أعلى، وله بنية تشبه الإبرة، وتتجه جزيئات السمنتيت على طول حدود مناطق الفريت.

الباينيت السفلي: إبرية الشكل أيضًا، لكنها أدق، مع جسيمات كربيد موزعة جانبيًا داخل مناطق الفريت. هذا التوجه يمنحها صلابة أعلى. يعتمد الحد الحراري بين الباينيت العلوي والسفلي بشكل رئيسي على تركيبه (وخاصةً محتوى الكربون). تتحدد معدلات نمو كلا النوعين من الباينيت بشكل رئيسي بانتشار الكربون في الحديد.

يُعد تحويل الأوستينيت إلى مارتنسيت بواسطة آلية قصّ عديم الانتشار، عند درجة حرارة أقل من حوالي 220 درجة مئوية (425 درجة فهرنهايت)، أهم تحول طوري في المعالجة الحرارية التجارية. مع اقتراب التركيب من درجة حرارة اليوتكتويد، تنخفض درجة حرارة مارتنسيت الابتدائية (Ms). إذا تطلبت القطعة سطحًا صلبًا مقاومًا للتآكل ونواة أكثر متانة، فيمكن استخدام الكربنة: يُنشر الكربون على سطح الفولاذ منخفض الكربون (عادةً لا يزيد عمقه عن بضعة أجزاء من ألف من البوصة). تبلغ درجة حرارة الكربنة حوالي 925 درجة مئوية (1700 درجة فهرنهايت)، ويجب أن يحافظ تركيب الفولاذ على الحبيبات الدقيقة عند هذه الدرجة. يلزم إجراء المعالجة الحرارية التقليدية بعد الكربنة.

يُمثل الفولاذ الكربوني حاليًا أكبر حصة في مبيعات الفولاذ، ومن الواضح أن نطاق تطبيقاته الواسع يفوق حصره. يُستخدم الفولاذ الكربوني في الصب والتشكيل، والأنابيب والصفائح والألواح، وقضبان الأسلاك، والقضبان الحديدية، والمقاطع الإنشائية. وبالطبع، يُعد الفولاذ الكربوني أرخص سبائك الحديد، ويفضله المصممون ما لم تستلزم متطلبات الأداء الخاصة استخدام أنواع أعلى تكلفة من الفولاذ السبائكي.

يمكن تصنيف الفولاذ الكربوني بطرق مختلفة، ويُعدّ التصنيف حسب التركيب الأسلوب الأكثر بديهية، وعادةً ما يتبع معايير صادرة عن مؤسسات مثل جمعية مهندسي السيارات (SAE) والمعهد الأمريكي للحديد والصلب (AISI). وتحدد الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) والجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) بشكل رئيسي مؤشرات أداء الفولاذ، مع إضافة التركيب فقط كمعلومات إضافية. وتُحدد العديد من المعايير نفس درجة الفولاذ من خلال مواصفاتها الخاصة، ويمكن للمستخدمين إضافة متطلبات محددة بناءً على معايير عامة وفقًا لاحتياجاتهم. ويميل بعض كبار المستخدمين (مثل مصنعي السيارات وآلات البناء) إلى صياغة معاييرهم الخاصة التي تكون أكثر صرامة من المعايير الوطنية.

درجات الفولاذ ذات المحتوى الكربوني المختلف لها تطبيقات متنوعة: عادةً ما يكون للفولاذ الرقيق أقل محتوى كربوني (أقل من 0.10%)، والفولاذ منخفض الكربون للغاية (بمحتوى كربون أقل من 0.02%) يشمل الفولاذ الرقيق عالي القابلية للتشكيل؛ والفولاذ منخفض الكربون (بمحتوى كربون يتراوح بين 0.05% و0.20%) يشمل الفولاذ الشريطي المدرفل على الساخن والصفائح السميكة والأنابيب؛ والفولاذ متوسط ​​الكربون (بمحتوى كربون يتراوح بين 0.25% و0.55%) يُستخدم بشكل رئيسي في التشكيل؛ والفولاذ عالي الكربون (بمحتوى كربون يزيد عن 0.6%) يشمل الفولاذ المستخدم في القضبان، إلخ. في تطبيقات صناعية محددة، على سبيل المثال، عند اختيار مواد أزواج الاحتكاك لمضخات استخراج النفط، غالبًا ما يتم تعزيز الفولاذ الكربوني (مثل الفولاذ رقم 45) في مقاومة التآكل من خلال الطلاء بالكروم أو المعالجة بالليزر، بينما تؤثر تقنية التحكم في مقياس الأكسيد على الفولاذ منخفض الكربون المدرفل على الساخن (مثل SPHC، 510L) بشكل مباشر على جودة السطح.

تتمتع شركة فيجور بخبرة تزيد عن 18 عامًا في مجال الصب والتشكيل. إذا كانت لديكم أي أسئلة أو استفسارات حول تطوير المنتجات أو تحسين سلسلة التوريد، فلا تترددوا في التواصل معنا على info@castings-forging.com