عناصر مضر در فولاد ها

یکی از مشکلاتی که در محصولات فولادی و روند تولید آنها پدیدار می‌شود، حضور عناصر مضر در فولاد است. برای آن‌ که این عناصر در یک محدوده مجاز بمانند و فراتر نروند، ما نیازمند آن هستیم که عناصر مضر فولاد را شناسایی کنیم و تاثیر آن‌ها در فولاد را شناسایی کنیم. از جمله عناصر مضر برای فولادها مس، نیکل، آرسنیک، سرب، قلع، آنتیموان، مولیبدن کرم و غیره می‌باشند.

این عناصر زائد به طور ناخواسته به فولادها راه پیدا می‌کنند و برای حذف آن‌ها باید چندین مرحله فرآیند‌های متالورژیکی را پشت سر بگذاریم. عناصر زائد یا حداقل برخی از آن‌ها دارای تاثیراتی بر روی شرایط و روش عملکردی فرآیندهایی از قبیل آنیل کردن هستند و تاثیر این عناصر بر روی تمامی خواص مکانیکی محتمل است.

هیدروژن نمونه‌ای از عناصر زائد در فولادها

گاز هیدروژن به ‌عنوان یک عنصر زائد در فولاد شناخته می‌شود و می‌تواند بسیار مضر باشد. هیدروژن قابلیت حل شدن در فولاد مذاب را دارد و در فاز آستنیت نیز تا حدی حل می‌شود. این گاز در فاز فریت تا حد زیادی غیرقابل حل است و به‌ صورت هیدروژن اتمی (+H) از آن خارج می‌شود. به ‌طور معمول اگر (-H) در ورق‌های ضخیم، چکش‌کاری سنگین، خطوط آهن و غیره محبوس شود، هیدروژن بر روی سطح توده‌های سولفید و منگنز تجمع می‌کند.

هنگامی که این تجمعات گاز هیدروژن بر روی سطوح تغییر مکان می‌دهند، مولکول هیدروژن (H2) می‌تواند تشکیل شود و فشار ناشی از تشکیل آن برای ایجاد ترک‌های داخلی کافی است و از این رو موجب معیوب شدن قطعات می‌شوند. در زیر به برخی از تاثیرات محتمل متالورژیکی ناشی از عناصر زائد بر روی شرایط عملکردی و خواص محصولات فولادی اشاره می‌کنیم.

برخی از تاثیرات احتمالی عناصر زائد به شرح ذیل هستند

1. شرایط عملکردی از جمله:

• وجود عناصری از قبیل Sn ،Cr ،Mo می‌تواند بر روی تبلور مجدد و نیروهای نورد در فرآیند نورد گرم تاثیرگذار باشد.
• وجود هرگونه عناصر مضر در فولاد می‌تواند بر استحاله فازی آستنیت به فرریت و نیز سختی‌پذیری آن موثر باشد.
• وجود عناصری همانند Zn و Sn می‌تواند بر روی چکش خواری گرم در طول فرآیند شکل‌دهی گرم تاثیرگذار باشد.
• عناصر Sn ،Cr ،Mo بر روی بر روی تبلور مجدد در طی فرآیند آنیلینگ موثر هستند.

2. تاثیر بر روی سطح ظاهری محصولات نورد گرم و ورق اسیدشویی شده به دلیل وجود عناصر Sn ،As ،Ni ،Cu.

• ناشی از احتمال تاثیر مشترک مس و قلع در شکنندگی حرارتی فولاد.

3. شکنندگی مرزدانه‌ها به واسطه‌ی وجود عناصر As ،Sn ،Sb در طی فرآیند نورد تسمه

• در طی فرآیند ناپیوسته (batch) یا آنیل هم دما (continuous Anealing) فولادهای کربن یا فولادهای سخت (C Steels)

4. پدیده جدایش فصل مشترک رسوب زمینه به واسطه‌ی وجود Sn

• رشد کامل Ostwald، رشد رسوبی و کنترل ترکیب
• تاثیرات Sn بر Sn ،Fe4N بر MnS و Sb بر Tic

5. وجود هرگونه عناصر مضر در فولاد بر روی خواص مکانیکی محصول نهایی تاثیر گذار خواهد بود.

• محصولات تحت نورد گرم و نورد سرد
• محصولات طویل

6. پوشش‌دهی با فرآیند غوطه‌وری گرم یا فرآیند گالوانیزه کردن

7. تاثیر بر روی قابلیت جوش‌پذیری فولادهای استحکام بالا ناشی از وجود عناصر Ni ،Cu ،Cr ،Mo

نحوه ورود عناصر مضر در فولاد ها

عناصر مضر در فولاد از ناخالصی‌های موجود در زغال سنگ، گدازنده قراضه‌ها و این قبیل مواد وارد فولاد می‌شوند. به همین دلیل قراضه آهن همواره به‌عنوان یکی از منابع اصلی عناصر زائد مطرح شده‌است. عناصر زائد رایج موجود در فولاد عبارت‌اند از مس، نیکل، کرم و مولیبدن. حدود قابل قبول برای عناصر زائد در فولاد وابستگی زیادی به کاربرد محصول دارد.

امروزه اکثر فولادهایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند از نوع فولادهای کم کربن یا کم آلیاژ و انواع فولادهای تحت عملیات کششی شدید (Extra Deep Drawing) هستند. خواص این فولادها نسبت به مقدار عناصر زائد و فرآوری ترمومکانیکی بسیار حساس است. یکی از اساسی‌ترین مشکل‌هایی که در فرآیند بازیابی فولاد وجود دارد، کنترل مراحل ناخواسته عناصر موجود یا عناصر زائد از نظر تضمین خالص بودن فولاد در کنار کارایی آن است.

اگرچه تاثیرات عناصر زائد بر روی خواص فولاد ممکن است به‌طور کلی ناچیز به نظر برسد اما برخی اوقات حتی تغییرات جزئی در برخی خواص می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی احتمال معیوب بودن قطعه با نیازهای خاص را افزایش دهد.

از جمله مکانیزم‌های تقویت فولاد شامل: تقویت محلول جامد، ریزدانه کردن، رسوب‌دهی، مقدار پرلیت، از بین بردن جابه‌جایی‌ها با فرآیند کار سرد و در نهایت استحاله‌های بینیتی و مارتنزیتی هستند. اثرعناصر زائد بر روی خواص کششی فولاد به واسطه تقویت محلول جامد است. وجود عناصر زائد در غلظت کم سبب افزایش استحکام کششی و تسلیم می‌شود که این امر به این دلیل است که محلول جامد می‌تواند بخشی از غلظت محلول بگیرد.