بررسی اثر عناصر مختلف بر خواص فولاد های آلیاژی
در این مقاله به تاثیر اضافه شدن فلزاتی از جمله منگنز، کروم، نیکل، مولیبدن و سیلیسیم به فولاد ها و تغییر خواص آنها تحت این شرایط می پردازیم.
فولاد های منگنزدار: برای احیای فولاد و ترکیب با گوگرد به منظور تشکیل سولفیدمنگنز کروی در حدود 0.25 تا 1 درصد منگنز به تمام فولاد های تجاری افزوده می شود. منگنز هنگامي تاثير بيشتري دارد که افزایش استحکام در مقابل افزایش قیمت مدنظر قرار گیرد.
این نوع فولاد ها به سه نوع زیر تقسیم بندی می شوند:
کم آلیاژ : تا 2 درصد منگنز
میان آلیاژ : 2.1 تا 4 درصد منگنز
و پر آلیاژ : تا 20 درصد منگنز
فولاد های كم آلیاژ منگنزی دارای خواص و مشخصه ريخته گرى مشابهى با فولاد ساده كربنى بوده اما خواص مكانيكى بهتری را دارا مى باشند. کاربرد اصلى اين نوع فولاد در شرايطى است كه قطعه تحت نيروهاى تكرار شونده قرار می گيرند. مانند ابزارهاى نيوماتيكى، اجزاء ريلها، قاب واگنها، توپى چرخ خودروهاى سنگين، ناخن تراكتورها، چرخ دنده گيربكس.
فولاد ميان آلیاژ منگنزى داراى استحكام بالا و مقاومت خوب در مقابل سایش است، اما قابليت انعطا ف پذیری و چكش خوارى آن پا یین است. اين فولاد براى ساخت چرخ دنده ها، میل بادامک ها و ديگر قطعات تحت سايش مناسب است.
فولاد هاى پرآلیاژ منگنزى كه در ايران به اختصار فولاد هاى منگنزى ناميده مى شوند محتوى حدود 13 درصد منگنز است. نام ديگر اين فولاد “هادفيلد” يعنى نام ابداع كننده آن است. اين نوع فولاد به علت دارا بودن مقاومت خوب در مقابل سايش توأم با ضربه موارد مصرف زيادى را به خود اختصاص داده است. مصرف اين نوع فولاد در توليد قطعات سايشى نظير زره آسيابها، فك سنگ شكن ها، ناخنک ماشينهاى خاک برداري و قطعات مشابه است.
اكثر واحدهاى فولاد ريزى در ايران اين نوع فولاد را توليد مى نمايند. افزايش مقدار منگنز در اين نوع فولاد باعث افزايش سياليت مذاب شده اما انقباض حاصل از انجماد، تمايل به ايجاد تركهاى حرارتى و آخال اكسيدى در سطوح قطعات ريختگى را افزايش مى دهد.
فولاد های کروم دار: کروم برای بهبود سختی پذیری، استحکام و مقاوت سایشی به فولاد افزوده می شود.
اين نوع فولاد ها به انواع كم آلیاژ (1 تا 2 درصد كروم) ميان آلیاژ (3 تا5 درصد كروم) و پر آلیاژ (30 درصد كروم) تقسيم مى شوند.
فولاد هاى كروم دار كم آلیاژ مقاومت به سايش خوبى داشته و داراى استحكام بالا اما قابليت انعطاف پذیری و چكش خوارى كمى هستند. با افزودن مقادير كمى مولیبدن، واناديم و تنگستن مى توان استحكام آنها را بالا برد. انواع ميان آلیاژ داراى استحكام بيشتر در درجه حرارتهای بالا بوده و در برابر بعضى از مواد شيميایى خورنده داراى مقاومت بهترى مى باشند. فولاد هایى كه داراى كروم بالایى هستند داراى استحكام بالا در درجه حرارتهای تا 1100 درجه سانتيگراد مى باشند.
فولاد هاى كروم دار داراى سياليت كم و تمايل به ايجاد ترك هاى حرارتى و حفره هاى انقباضی بالا مى باشند. در هنگام ريخته گرى اين نوع فولاد ها بايستى درجه حرارت مذاب را قبل از بار ریزی كاملاً بالا برده و همچنين سرعت ريختن مذاب را حدود دو برابر موارد مشابه مربوط به فولاد هاى كربنى در نظر گرفت، تا از پر شدن محفظه قالب اطمينان حاصل گردد.
این فولاد ها برای قطعات مقاوم به سایش و استحکام بالا مانند فنر، یاتاقان، گلوله و غلتک به کار می رود.
فولاد های مولیبدن دار: جهت بهبود استحکام و سختی پذیری فولاد های ساده کربنی، مقدار 0.25 درصد موليبدن به آنها اضافه می شود. فولاد های آلیاژی کم کربن در صنایع خودروسازی و قطعاتی مانند چرخ دنده های محور عقب، دنده ها، پین ها و قطعات انتقال نیرو به کار می رود.
فولاد هاى كروم-نيكل: اين نوع فولاد ها داراى استحكام بالا، قابليت انعطا ف پذیری و چكش خوارى خوب و مقاومت در مقابل خوردگى می باشند. همچنين استحكام بالا یی در درجه حرارتهای بالا دارند.
فولاد هاى كم آلیاژ از اين خانواده داراى 1 تا 2 درصد كروم، 1.5 تا 3 درصد نيكل، 0.2 تا 0.5 درصد كربن و در مواردى 0.3 تا 0.5 درصد موليبدن مى باشند. اين نوع فولاد ها داراى مشخصات ريخته گرى و مكانيكى عالى بوده و در ميان فولاد هاى كم آلیاژ موارد مصرف بسيارى دارند. بسيارى از قطعات صنعتى كه نياز به استحکام بالا، مقاومت در مقابل ضربه و خستگی خوب دارند مانند چرخ دنده ها و محورها از این نوع فولاد ها تهيه مى شوند.
فولاد های كروم- نيكل دار، مقاوم در مقابل خوردگى، در درجه حرارتهای بالا نيز در مقابل اکسیداسیون مقاوم بوده و استحكام خود را حفظ مى نمايند. قطعات مربوط به توربين هاى گازى و قطعات مصرفى در كوره هاى توليد سيمان از جنس فولاد هاي كروم-نيكل دار مى باشند. در صورتى كه قطعات در شرايط حساسترى مورد استفاده قرار گیرند (درجه حرارتهای بالا، نیروهای اعمالی بالاتر و وجود عوامل خورنده شيميا یی) از انواع ديگر فولاد هاى كروم-نيكل دار با درصد کروم و نیکل بالاتر (بین 15 تا 35 درصد) استفاده مى گردد.
فولاد هاى كروم-نيكل دار در مقايسه با فولاد هاى كربنى داراى سياليت كمترى هستند.
براى اطمينان از پر شدن كامل محفظه قالب بايستى ريخته گرى اين نوع فولاد ها در درجه حرارت بالا و با سرعت ريختن بيشترى نسبت به فولاد هاى كربنى انجام گيرد. از آنجايى كه اين نوع فولاد (در هنگام انجماد) داراى دانه هاى درشتى است امكان ايجاد ترك هاى حرارتى گرم در قطعات وجود دارد. براى جلوگيرى از اين مشكل بايستى از عناصر جوانه زا (در مذاب) استفاده شود تا قطعات با دانه هاى ريزى به دست آيد. از طرف ديگر استفاده از درجه حرارت مناسب ريختن مذاب و به كارگيرى راهگاه هاى فرعى (راهباره ها) متعدد در ريخته گرى قطعات ضرورى است تا از تمركز حرارت در نقاط خاصى از قطعه جلوگيري شود.
فولاد هاى سيليسيم دار: فولاد پر سيليسيم در مقابل عوامل خورنده و سايشى مقاوم مى باشند. انواع كم آلياژ آن داراى 2 درصد سيليسيم بوده و خانواده پر آلياژ آنها تا20 درصد سيليسيم دارند. فولاد هایى كه درصد سيليسيم بالایی دارند، سخت و شكننده می باشند. انواع كم آلياژ آن تمايل شديدى به ايجاد ترك هاى حرارتى در قطعات ريختگى دارند. لذا براى جلوگيرى از اين مشكل بايستى قالبها و ماهيچه هاى مصرفى داراى قابليت متلاشى شدن (پس از جامد شدن مذاب) بالا باشند همچنین قطعات باید در قالب به آهستگى و به طور يكنواخت سرد گردد. انواع ديگر فولاد هاى مس دار، تنگستن دار نيز در صنايع داراى موارد مصرف ويژه اى مى باشند.
فولاد های کم آلیاژ استحکام بالا در سال 1960 برای دستیابی به استحکام بالاتر، مقاومت شکست بیشتر، چکش خواری بهتر و جوش پذیری راحت تر نسبت به فولاد های ساده کربنی، بدون افزودن مقادیر زیاد عناصر آلیاژي گران قیمت و یا عملیات حرارتی گسترش یافت. تر کیب نوعی فولاد های کم آلیاژ استحکام بالا به این ترتیب است: 1.35 درصد منیزیم، 0.45 درصد سیلیسیم، 0.12 درصد کربن، 0.12 درصد وانادیم، 0.04 درصد فسفر و 0.02 درصد نیوبیم.
فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا در خطوط نفت و گاز، استخراج نفت در دریا، شاسی و بدنه خودرو، ریل راه آهن، بدنه قطارها و کشتی ها استفاده می شود.