تأثير العناصر المشتركة على الفولاذ المصبوب

تعد إضافة C إلى عملية صب الفولاذ طريقة شائعة في عملية الصب. عندما يكون محتوى C أقل من 2%، فإننا نطلق عليه الفولاذ المصبوب؛ وعندما يكون أعلى من 2%، فإننا نطلق عليه الفولاذ C. ومع ذلك، لا يتمتع C نفسه بالقوة والصلابة. ومع ذلك، نظرًا لأن Fe(3)C، وهو كربيد الحديد في المحلول الصلب، فإن C هو العنصر الأساسي المتحكم في القوة والصلابة.

الدور القيادي لـ C:

في سبك الفولاذ المقاوم للصدأ، كلما زاد محتوى C، فإنه يزيد من قوة الفولاذ وصلابته وقابليته للتصلب. ومع ذلك، فإنه يقلل من اللدونة والمتانة والخصائص المغناطيسية والكهربائية. يشكل مزيج من C وبعض عناصر السبائك في الفولاذ كربيدات مختلفة، والتي لها تأثيرات مختلفة على خواص الفولاذ.
محتوى C في بعض نطاقات صب الفولاذ: فولاذ C 0.03 ~ 1.04%، فولاذ الأدوات عالي السرعة 0.75 ~ 1.60%، فولاذ أدوات العمل الساخن 0.22 ~ 0.70%، فولاذ أدوات العمل على البارد 0.45 ~ 2.85%.

نرى المنغنيز في الفولاذ المصهور في عملية إزالة الأكسدة والتحلية، ولكن عند هذه النقطة، يبقى في الفولاذ بكميات أقل من 1%. عندما تزيد كمية المنغنيز في الصلب عن 1%، يكون المنغنيز عنصرًا مضافًا عمدًا في السبائك.

الدور الرئيسي لـ Mn:

لتحسين قوة الشد والصلابة والصلابة والمتانة العالية وخصائص المعالجة لصب الفولاذ. في الفولاذ الذي يحتوي على S، يقلل المنغنيز من التقصف الساخن والبارد الناجم عن S. الفولاذ الذي يحتوي على نسبة عالية من المنغنيز لديه مقاومة عالية للتآكل بعد العمل الشاق أو الصدمات. ولكن هناك ميل لتعزيز نمو حبيبات الفولاذ وزيادة النوع الثاني من هشاشة التقسية. يُستخدم عنصر المنغنيز في الفولاذ الهيكلي وفولاذ التسليح والفولاذ الزنبركي.
المنغنيز في بعض الصلب المصبوب في نطاق المحتوى: فولاذ C 0.25 ~ 0.65%، فولاذ Mn 1.6 ~ 1.9%، فولاذ الأدوات الباردة 0.30 ~ 2.50%، فولاذ Cr - Ni غير القابل للصدأ الأصيل 2.00 ~ 15.5%.

Si هو عنصر مكون من الفريت. فهو يرفع درجة حرارة A(1) وA(3). ونظرًا لأن Si له تأثير غرافيتي، فإنه يتم دمجه بشكل عام مع Mn في الفولاذ كمثبت للكربيدات. وهو عنصر شائع الاستخدام لإزالة الأكسدة.

الدور الرئيسي لـ Si

في صفائح الفولاذ الكهربائية، يزيد Si من النفاذية والمقاومة ويسمح بفقدان التباطؤ الضحل. يجعل Si بعض أنواع الفولاذ المقاوم للحرارة العالية مقاومًا للأكسدة. ويحسّن صب الفولاذ من الصلابة والقوة وصلابة الصدمات من خلال الجمع بين سيكل الحديد والمنغنيز. خاصة بعد التبريد والتلطيف ، يمكن أن يحسن حد الخضوع وحد المرونة للصلب. يزداد محتوى Si العالي في صب الفولاذ وخصائصه المغناطيسية ومقاومته بشكل كبير. ومع ذلك، يميل Si إلى تعزيز الجرافيت، وعندما يحتوي الفولاذ على مستويات عالية من C، يكون التأثير أكبر.
يتراوح محتوى Si في الفولاذ العادي من 0.17 إلى 0.37%.

الدور الرئيسي لـ Cr:

تحتوي مصبوبات الفولاذ المقاوم للصدأ على كمية كافية من C عندما يحسن Cr صلابة الفولاذ. وبوجه عام، يكون الفولاذ منخفض الكروم الذي يحتوي على 1% C شديد الصلابة. يمكن أن يؤدي إضافة Cr إلى الفولاذ منخفض C إلى تحسين القوة ولكن يقلل من الليونة. يُحسِّن الكروم من قوة الفولاذ في درجات الحرارة العالية وصلابته؛ في الفولاذ عالي C ومقاومة التآكل.

عند إضافته بكميات كبيرة، تصل إلى 251 تيرابايت 11 تيرابايت، يحسن الكروم من مقاومة التآكل بسبب تكوين طبقة أكسيد واقية على سطح الفولاذ. وبالاقتران مع عناصر مثل النيكل، يحسّن مقاومة الأكسدة والقوة الحرارية للصلب ويحسّن مقاومة التآكل بشكل أكبر. يعزز Cr نمو الحبيبات مما يؤدي إلى زيادة هشاشة الفولاذ. يستخدم عنصر Cr على نطاق واسع في الفولاذ الهيكلي والأدوات والمحمل والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للحرارة.

W هو عنصر صلب مكون للكربيد. وهو يكوِّن الكربيدات الصلبة والمستقرة للغاية W(2)C وW(2)C، وWC، والكربيد المعقد Fe(4)W(2)C. تذوب هذه الكربيدات ببطء شديد وفقط في درجات حرارة عالية جدًا. يُعد W مكونًا مهمًا في فولاذ الأدوات، وخاصة فولاذ الأدوات عالي السرعة. في هذا الفولاذ، يزيد W من الصلابة بشكل كبير بعد التصلب الثانوي. وباعتباره عنصرًا مكونًا للفريت، يخفض W درجة حرارة A(4) ويرفع درجة حرارة A(3).

الدور القيادي لـ W:

يثبط W نمو الحبيبات وبالتالي يكون له تأثير تنقية الحبيبات. يقلل W من إزالة الكربنة أثناء العمل على الساخن والمعالجة الحرارية. ويزيد من الصلابة في درجات الحرارة العالية للفولاذ المروي والمُخفَّف. في بعض السبائك ذات درجة الحرارة العالية، يزيد W من قوة الزحف. يتم تسخين سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ التي تحتوي على W إلى 600 ~ 700 ℃ كربيد لا يزال لا يترسب، وبالتالي تجنب تليين الفولاذ. إنه أحد العناصر الأكثر استخدامًا في فولاذ الأدوات عالي السرعة وسبائك الفولاذ. ومع ذلك، فهو غير مناسب لمقاومة أكسدة الفولاذ المصبوب.
W في بعض نطاق محتوى الفولاذ: فولاذ W-Cr 1.75%، فولاذ الأدوات عالي السرعة 1.15 ~ 21.0%، فولاذ أدوات العمل الساخن 0 ~ 19.0%، فولاذ أدوات العمل على البارد 0 ~ 2.0%، فولاذ مقاوم للصدمات 0 ~ 3.0%.

يُعد Mo عنصرًا قويًا مكونًا للكربيد. وهو يشكل الكربيد الصلب والمستقر Mo(2)C، وكذلك الكربيدات المعقدة الأخرى مثل Fe(4)Mo(2)C و Fe(21)MoC(6).

الدور القيادي لـ Mo:

يمكن لكمية صغيرة أن تقلل بشكل فعال من معدل التحول وتحسين قوة الفولاذ المصبوب في درجات الحرارة العالية ومقاومة الزحف. ويمكنه أيضًا تعزيز مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ للتآكل، خاصةً في محاليل حمض الهيدروكلوريك. ويؤدي W دورًا مماثلًا في فولاذ الأدوات عالي السرعة، وغالبًا ما يكون المونيوم بدلًا من W. وهذا يقلل من تراكم الكربيد في الفولاذ الذي يحتوي على W ويحسن الخواص الميكانيكية. يُعد Mo أحد المكونات الأساسية في فولاذ Mo، الذي يتمتع بقوة شد عالية وليونة جيدة. في فولاذ Cr، يُضاف المنيوم لتحسين قابلية التشغيل الآلي والخصائص الميكانيكية. في فولاذ Ni-Mo، يزيد المنيوم من صلابة سطح الفولاذ المصبوب.
مو في بعض نطاق محتوى الفولاذ: فولاذ Mo 0.15 ~ 0.60%، فولاذ الأدوات عالي السرعة 0 ~ 10.0%، فولاذ أدوات العمل الساخن 0 ~ 5.5%، فولاذ أدوات العمل على البارد 0 ~ 1.8%، فولاذ أصيل من الكروم - نيكل فولاذ غير قابل للصدأ 0.~ 4.0%، فولاذ مارتينسيت كروم 0 ~ 1.25%، فولاذ حديد الكروم 0 ~ 1.25%.

V هو عنصر صلب مكون للكربيد. ويشكل كربيد VC. يوجد V في الفولاذ المصبوب في صورة كربيدات ونتريدات دقيقة الحبيبات ومنتشرة. لا تتحلل عند متوسط درجات حرارة المعالجة الحرارية ويمكن أن تمنع نمو الحبوب. تتسبب الكمية الكافية من الكربون والخامس القابل للذوبان في درجات الحرارة المرتفعة في أهم تأثير تصلب ثانوي يمكن ملاحظته.

الدور القيادي لـ V:

V هو عنصر أساسي لتكرير الحبيبات. فهو يثبط نمو الأوستينيت، وقليل من 0.1% V سيمنع نمو الحبيبات بشكل فعال أثناء التصلب. ومع ذلك، يبدأ نمو الحبيبات على الفور عند تسخين الفولاذ المصبوب إلى درجة حرارة حيث يمنع نمو الحبيبات انحلال جزيئات الكربيد والنتريد.
الحديد، نسبة محتوى الكربون أكبر من 5.7 يمكن أن يمنع أو يقلل من الوسائط على التآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ المقاوم للصدأ. ويحسن بشكل كبير من مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ المصبوب لدرجات الحرارة العالية والضغط العالي والقدرة على التآكل الهيدروجيني. يمكن صقل الحبوب وإبطاء معدل نقل عناصر السبائك، ولكن مقاومة أكسدة الفولاذ المصبوب في درجات الحرارة العالية ليست جيدة.
V في بعض الفولاذ ونطاق محتوى السبائك: فولاذ الكروم - V 0.10 ~ 0.20%، فولاذ الأدوات عالي السرعة 0.90 ~ 5.25%، فولاذ الأدوات الساخنة 0 ~ 2.20%، فولاذ الأدوات الباردة 0 ~ 5.15%

Co هو عنصر مكون للكربيدات. لديه ميل أقوى قليلاً لتكوين الكربيدات من الحديد. وهو يحسن خصائص الفولاذ في درجات الحرارة العالية ومقاومته للأكسدة والتآكل. ويُعد Co مكونًا أساسيًا في بعض أنواع الفولاذ فائق الصلابة وعالي السرعة وبعض السبائك المغناطيسية الدائمة والسبائك عالية الحرارة.

الدور القيادي لشركة Co:

يزيد الكربون من القوة والمتانة بشكل كبير من خلال تعزيز عملية التصلب بالترسيب. يذوب الكربون في الفريت أو الأوستينيت ويمنع التليين أثناء ارتفاع درجة الحرارة.
نطاق محتوى Co في بعض أنواع الفولاذ والسبائك: 0 ~ 13.0% للفولاذ عالي السرعة، 0 ~ 4.5% لفولاذ أدوات العمل الساخن

Ti هو عنصر صلب مكون للكربيد. في حالة المحلول الصلب، يكون تأثير تقوية المحلول الموثوق به قويًا للغاية ولكنه يقلل في الوقت نفسه من صلابة المحلول الصلب.

الدور القيادي لـ Ti:

في الفولاذ متوسط الكروم، يسحب Ti الكربون من المحلول الصلب ويقلل من صلابة المارتينسيت وقابلية التصلب. في الفولاذ عالي الكروم، يمنع Ti تكوين الأوستينيت. في الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ، يسحب Ti الكربون من المحلول الصلب في درجات الحرارة العالية، وبالتالي يمنع كربيدات الكروم من التشكّل عند حدود الحبوب. في السبائك الأوستنيتي عالية الحرارة، يعزز Ti تصلب الترسيب. في أنواع الفولاذ الرسوبي منخفض السبائك منخفضة القوة، يحسّن Ti صلابة الفولاذ. يمكن لـ Ti تنقية الحبيبات وتثبيت الكربون، مما يفيد قابلية لحام الفولاذ المصنوع من الحديد الزهر.
يتراوح محتوى Ti في الفولاذ منخفض السبائك عالي القوة من 0 ~ 0.10%

للرصاص قابلية ذوبان محدودة في الفولاذ المنصهر. وبما أن كثافته أفضل بكثير من الفولاذ، فإنه يغرق في الفولاذ المنصهر وينفصل عن الفولاذ. وهو موجود في الفولاذ على شكل شوائب. هذه الشوائب لينة وتعمل كمواد تشحيم بينية. يمكن لمحتواه الذي يبلغ حوالي 0.20% ووجود جزيئات صغيرة جدًا أن يحسن من قابلية تشغيل الفولاذ آليًا دون التأثير بشكل كبير على الخصائص الأخرى.

لا يشكل النيكل كربيدات. يؤدي وجود النيكل في فولاذ الحديد الزهر إلى زعزعة استقرار كربيدات الحديد، وبالتالي يعزز الجرافيت. يعمل النيكل على تقوية الفريت عن طريق تطوير محاليل صلبة بديلة بسيطة. كعنصر مكون للأوستنيت، يعمل النيكل على استقرار الأوستينيت عن طريق رفع درجة حرارة A(4) وخفض درجة حرارة A(3). إذا كان الحديد النقي يحتوي على أكثر من 25% Ni، فإن السبيكة الناتجة تكون أوستينيت نقي حتى لو تم تبريدها ببطء إلى درجة حرارة الغرفة.

الدور القيادي لـ ني:

في سبائك الفولاذ التي تحتوي على ما يصل إلى 5% Ni، يُحسِّن النيكل من القوة والصلابة. يتيح النيكل تكوين الأوستينيت بمحتوى عالٍ من الكروم، مما يعطي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ من الكروم والنيكل الأوستنيتي. يستخدم على نطاق واسع، خاصة في الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للحرارة. يزيد الفولاذ عالي النيكل الذي يحتوي على كميات صغيرة من الكربون بشكل كبير من التباطؤ الحراري للتحول غير المتجانس البلوري المتساوي الخواص. ويؤدي ذلك إلى الاحتفاظ بالمارتينسيت في الفولاذ المارتنسيتي القديم عند تسخينه إلى 600 درجة مئوية. يقلل النيكل من معامل التمدد الحراري، وفي سبائك النيكل العالية يزيد من النفاذية. عندما يكون محتوى النيكل في الفولاذ المصبوب مرتفعًا، يمكن أن يؤدي الجمع بينه وبين الكروم إلى تحسين مقاومة الفولاذ للتآكل والحرارة بشكل كبير.

يزيد Nb من القوة عن طريق تصلب الترسيب وزيادة صقل حبيبات الفريت.

الدور الرئيسي لـ Nb:

يمكن للكميات الصغيرة من Nb (حوالي 0.02%) أن تزيد بشكل فعال من قوة الشد والخضوع للفولاذ الكربوني. ويُعد Nb مكونًا أساسيًا في بعض أنواع الفولاذ منخفض السبائك عالي القوة.
عندما يتجاوز المحتوى 8 أضعاف محتوى الكربون، يمكنه إصلاح كل الكربون في الفولاذ المصبوب تقريبًا. يمنع الفولاذ الأوتوماتيكي التآكل بين الخلايا الحبيبية للفولاذ المصبوب عن طريق أكسدة الوسائط. نظرًا لتثبيت الكربون في الفولاذ وتأثير تصلب الترسيب، يمكنه تحسين خصائص درجات الحرارة العالية للفولاذ عالي القوة، مثل قوة الزحف.

النحاس عنصر مكون للأوستينيت. ونظراً لأن النحاس يميل إلى الجرافيتية، فإنه يضاف فقط إلى الفولاذ الطري وبكميات لا تزيد عن 1.51 تيرابايت 11 تيرابايت.
ويتمثل الدور الرئيسي للنحاس في تحسين مقاومة التآكل وزيادة قوة الشد في السبيكة عن طريق تصلب الترسيب. يمكن للنحاس أن يزيد قليلاً من قوة الخضوع في أنواع الفولاذ التي لا يحدث فيها تصلب بالترسيب. ومع ذلك، تنخفض مرونة وصلابة سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ. يزيد الفولاذ الكربوني من الصلابة ويقلل من الليونة. عندما يتجاوز محتوى النحاس 0.4%-0.5%، فإنه يجعل سطح الأجزاء الفولاذية سهل التشقق أثناء العمل على الساخن.

يتميز Al بقدرة تكوين كربيد أقل من الحديد. يعزِّز Al الجرافيت في صب الفولاذ المقاوم للصدأ.

الدور القيادي لـ آل:

الأل والنيتروجين أو النيتروجين أو O لإنتاج تشتت دقيق فعال لمنع نمو الحبيبات. يولد طبقة تصلب سطحية فعالة من خلال انتشار النيتروجين في درجات الحرارة المنخفضة (النيترة). ويجعل الألومنيوم الفولاذ مقاومًا للتآكل من خلال تطوير طبقة صلبة من أكسيد الألومنيوم على سطح الفولاذ المصبوب. يعمل الأل على صقل حبيبات الفولاذ المصبوب غير القابل للصدأ، وبالتالي زيادة قوة وصلابة الفولاذ.
يتراوح محتوى الألومنيوم في بعض أنواع الفولاذ والسبائك من 0.01 إلى 0.03% في الفولاذ العادي، ومن 0 إلى 0.30% في الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي، ومن 0 إلى 1.5% في الفولاذ المقاوم للصدأ المتصلب بالترسيب.

B مادة صلبة شديدة الصلابة تنصهر عند 2300 درجة مئوية.

الدور القيادي لـ ب:

يمكن أن تؤدي إضافة كميات ضئيلة من B (0.0005 إلى 0.005%) في الفولاذ المصبوب منزوع الأكسدة بالكامل إلى تحسين صلابة الفولاذ بشكل كبير. ويرجع ذلك إلى انخفاض معدل انتقال الطور أثناء التبريد، ولكن عندما يزداد محتوى الكربون، تقل الصلابة. ولذلك، فإن إضافة B إلى الفولاذ منخفض أو متوسط الكربون بمحتوى كربون أقل من 0.6% له تأثير كبير. إذا أضفت كمية صغيرة من B، قلل من كمية عناصر السبائك الأخرى الأكثر تكلفة بمقدار النصف، مع الاستمرار في صب الفولاذ للحفاظ على معدل التحول نفسه. يُحسِّن B من ليونة الفولاذ المصبوب الفولاذ المقاوم للصدأ وخصائصه الميكانيكية.

S هو العنصر الأكثر ضررًا على الصلب المصبوب. وله التأثير الأكثر ضررًا على الصلب من خلال تشكيل كبريتيد FeS الهش. يوجد الكبريتيد في الفولاذ بكميات منخفضة تصل إلى 0.01% ويمكنه أيضًا إثارة ترسيب الكبريتيد على طول حدود الحبيبات.

الدور الرئيسي لـ S:

عند إضافة كمية كافية من المنجنيز إلى الفولاذ المصبوب، يشكل S MnS، وهو بلاستيك في درجات حرارة التشغيل الساخنة. يمكن أن تزيد S من الشوائب غير المعدنية في الفولاذ بحيث تنخفض قوة الفولاذ وتقلل بشكل كبير من خصائص لحام الفولاذ. في العمل على الساخن، من السهل إنتاج الفولاذ الهش (الهش الساخن)، ولكن يمكن أن يؤدي ارتفاع محتوى S قليلاً إلى تحسين قابلية تشغيل الفولاذ منخفض الكربون.
محتوى S في الفولاذ العادي هو ≤ 0.045%.

S هو العنصر الأكثر ضررًا على الصلب المصبوب. S له التأثير الأكثر ضررًا على الفولاذ من خلال تشكيل كبريتيد الحديد الهش FeS. يوجد الكبريتيد في الفولاذ بكميات منخفضة تصل إلى 0.01% ويمكنه أيضًا إثارة ترسيب الكبريتيد على طول حدود الحبيبات.

الدور الرئيسي لـ S:

عند إضافة كمية كافية من المنجنيز إلى الفولاذ المصبوب، يشكل S MnS، وهو بلاستيك في درجات حرارة التشغيل الساخنة. يمكن أن تزيد S من الشوائب غير المعدنية في الفولاذ بحيث تنخفض قوة الفولاذ وتقلل بشكل كبير من خصائص لحام الفولاذ. في العمل على الساخن، من السهل إنتاج الفولاذ الهش (الهش الساخن)، ولكن يمكن أن يؤدي ارتفاع محتوى S قليلاً إلى تحسين قابلية تشغيل الفولاذ منخفض الكربون.
محتوى S في الفولاذ العادي هو ≤ 0.045%.

يمكن أن يشكل N في الفولاذ كلاً من النيتريدات والذوبان في الفواصل البينية بعد التصلب. وفي كلتا الحالتين، يعمل N على تقطيع الفولاذ ويجعله غير مناسب للعمل على البارد. ولذلك، يجب أن يكون محتوى N منخفضًا حتى 0.002% لإنتاج فولاذ لين ذو مرونة عالية. يقلل تقليل محتوى N أيضًا من تقادم التبريد. في الفولاذ المدرفل على الساخن أو الفولاذ المطروق، يصنع الفوسفور ما يسمى "المناطق الشاذة"، والتي تصبح نقاط ضعف في الفولاذ.

يمكن أن ينتشر الهيدروجين في الفولاذ في درجة حرارة الغرفة. يكون هذا الانتشار أكثر فعالية أثناء ارتفاع درجة الحرارة البطيء. يؤدي محتوى الهيدروجين الأكبر من حوالي 0.0005% إلى انخفاض ليونة الفولاذ. يمكن أن يؤدي محتوى الهيدروجين الذي يزيد عن 0.0005% إلى تمزق داخلي للصلب. يحدث هذا بشكل عام أثناء تبريد المعدن بعد الدرفلة أو التشكيل.
إنه يجعل الفولاذ عرضة للعيوب غير المسموح بها مثل البقع البيضاء، والتي يمكن أن تؤدي إلى التقصف الهيدروجيني، كما أنها عامل أساسي يؤدي إلى التشقق البارد (التشقق المتأخر) في المنطقة المتأثرة بالحرارة في اللحام.

أثناء عملية النفخ لصناعة الصلب، يتم نفخ كمية كبيرة من O في حوض الصهر. وبنهاية عملية النفخ، يحتوي الفولاذ على فائض من الأكسيد O. وإذا لم يتم إزالة الأكسدة منه، سيؤثر ذلك على عملية الصب اللاحقة. وفي عملية تصلب الصلب، يكون O في شكل ترسيب أكسيد بكميات كبيرة. وينتج الفولاذ المصبوب غير القابل للصدأ أيضًا شوائب أكسيد غير معدنية، مما يقلل من مرونة الفولاذ وصلابته في الصدمات، مما يجعل الفولاذ هشًا.

نظرًا لأن المحتوى لا يتجاوز 0.20%، فإن الخواص الميكانيكية العامة للفولاذ المقاوم للصدأ المصبوب ليست كبيرة ولكنها تزيد من حساسية هشاشة التقسية.

وقد أدت كمية صغيرة من الزر إلى إزالة الغموض عن دور الحبوب وتنقيتها وصقلها. تعد صلابة الفولاذ في درجات الحرارة المنخفضة مفيدة. ويمكنه أيضًا القضاء على ظاهرة الشيخوخة وتحسين خصائص ختم الفولاذ.