مقدمه ای بر متالورژی آلیاژهای آهنی_بخش۱
فولاد چیست؟
واژه ی آلیاژهای آهنی (ferrous alloys) برای بیان دامنه وسیعی از آلیاژهایی به کار می رود که عنصر اصلی تشکیل دهنده آنها آهن است یا به عبارت دیگر پایه آهنی (iron‐based) هستند.
این آلیاژها به سه گروه اصلی تقسیم می شوند:
(wrought iron) آهن کارشده
(cast iron) چدن
(steel) فولاد
آهن کارشده که دیگر به صورت تجاری تولید نمی شود، آهن تقریبا” خالصی است که شامل ناخالصی های غیر فلزی به صورت سرباره است. امروزه آهن کارشده در حقیقت از فولاد کم کربن تولید می شود. کیفیت این نوع آلیاژ توسط درصد کربن و منگنز پایین مشخص می گردد. (کربن کمتر از ۰۸/۰ درصد و منگنز کمتر از ۰۶/۰ درصد)
چدن آلیاژی از آهن و کربن است که عموما تا۳ ۵ درصد کربن و تا۱ ۳ درصد سیلیسیم دارد.
فولاد را در گذشته به صورت آلیاژی از آهن و کربن توصیف می کردند اما امروزه با وجود برخی از مهم ترین انواع فولاد نظیر فولادهای(Interstitial‐ Free(IF و فولادهای زنگ نزن فریتی نوع ۴۰۹ که در آنها کربن یک ناخالصی است که مقدار آن در حد چند جزء در میلیون است، دیگر نمی توان از توصیف آلیاژ آهن و کربن برای فولاد استفاده کرد. طبق تعریف، فولاد باید شامل حداقل ۵۰ % آهن و یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر باشد. این عناصر معمولا شامل کربن، منگنز، سیلیسیم، نیکل ، کرم ، وانادیم، مولیبدن، تیتانیوم، نیوبیم و آلومینیوم هستند.
رایج ترین نوع فولاد، فولاد کربنی ساده (plain carbon steel) است که معرف فولادی شامل آهن و کربن به همراه مقادیر اندکی منگنز، سیلیسیم یا آلومینیوم است. یکی دیگر از انواع مهم فولادها، فولاد آلیاژی است که علاوه بر عناصر ذکر شده در بالا، مقادیر قابل توجهی از عناصری نظیر کرم، نیکل و مولیبدن آن را از فولاد کربنی ساده متمایز می کند. بخش خاصی از فولادهای آلیاژی، فولادهای زنگ نزن (stainless steel) هستند که حداقل ۵/۱۱ درصد کرم دارند. فولادهای ابزار (tool steels) فولادهایی هستند که برای ساخت ابزار مورد نیاز جهت برش، شکل دهی و سایر فرآیندهای مورد نیاز برای تبدیل مواد فلزی و غیر فلزی به اشکال مورد نظر به کار می روند.
ذکر این نکته لازم است که برخی فولاد ها به شکل فولاد ریختگی (steel castings) مورد استفاده قرار می گیرند اما روی بیشتر قطعات فولادی کار مکانیکی انجام می گردد تا به شکل نهایی برسند و بدین جهت به محصولات کارشده یا کارپذیر (wrought products) موسوم هستند.
تولید آهن و فولاد
آهن یکی از فراوانترین عناصر پوسته زمین است جایی که به عنوان اصلی ترین جزء تشکیل دهنده کانی هایی شامل اکسیدها، سولفیدها، سیلیکاتها و کربنات ها شناخته می شود. کانیهایی که از لحاظ تجاری پایدار نامیده می شوند عمدتا اکسید و کربنات هستند که آهن فلزی از این کانی ها به سهولت توسط روش احیاء بدست می آید.
قسمت اعظم آهن تولید شده مستقیما برای تولید فولاد و چدن استفاده می شود.
عملیات تولید اولیه نوعا شامل احیاء سنگ معدن آهن در کوره بلند به منظور تولید آهن خام مایع (liquid pig iron) است. آهن خام حدود ۴ % کربن دارد. آهن خام سپس در کوره های فولاد سازی تحت عملیاتی قرار می گیرد که در حین آن و با اکسیداسیون ترجیحی (preferential oxidation) کربن و ناخالصی های غیر فلزی جدا می شوند. کوره اکسیژنی بازی فناوری است که در حال حاضر بیشترین کاربرد را برای این منظور دارد. برخی فولاد ها نیز توسط ذوب مجدد قراضه ها به تنهایی یا ترکیبی از قراضه و سنگ معدن (کلوخه های پیش عملیات شده ) در کوره های قوس الکتریکی بدست می آیند.
تمام فولادها به حالت مذاب تولید می شوند و پیش از انجام فرآیندهای بیشتر باید جامد گردند. در روشهای صنعتی انجماد به دو روش مختلف انجام می گیرد. در روش اول فولاد مذاب داخل قالب های مستطیل شکل ریخته می شود تا بصورت شمش (ingot) جامد گردد. این شمش ها توسط فرآیندهای دیگری نظیر نورد گرم به محصولات نیمه نهایی (semi finished) دیگری به نام های شمشه (bloom) و شمشال (billet) یا تختال (slab) بر اساس ابعادشان تبدیل می شوند.
در روش دوم که رایج تر است، شمشه، شمشال یا تختال مستقیما از آهن مذاب و توسط روش ریخته گری مداوم (continuous casting) تولید می شوند. در این فرآیند فولاد مذاب در قسمت بالای قالبی که انتهای آن باز است و توسط جریان آب خنک می شود، ریخته می شود به طوری که فولاد جامد به طور پیوسته از انتهای قالب خارج می گردد. فولاد نیمه نهایی به محصولات کارشده (wrought) نهایی نظیر میله (bar )، ورق (sheet ،) نوار (strip)، صفحه (plate)، مقاطع ساختمانی، سیم، ریل و لوله توسط روش هایی مانند نورد سرد و گرم، کشش، آهنگری (forging) و اکستروژن تبدیل می شوند. برای رسیدن به خواص مطلوب برای کاربردهای خاص مهندسی، بیشتر محصولات نهایی به ترکیبی از عملیات حرارتی و عملیات شکل دهی نیازمندند.
نویسنده: آقای مهندس کامران خداپرستی