فولادها – بخش اول

فولادها

بخش اول

ریخته گری فولادها و تاریخچه آن

در فولاد ریزی دو روش عمده ریخته گری داریم:

• روش شمش ریزی: که ریخته گری جهت تولید آلیاژ انجام می شود.
• شکل ریزی: که ریخته گری جهت تولید قطعه انجام می شود.

 

تاریخچه فولاد سازی

فولاد نوعی آهن است که بیشتر ناخالصی های آن جدا شده است . آهن عنصری ،فلزی مستحکم، سخت ،سنگین و به رنگ خاکستری است. این ماده در شهاب سنگ ها یافت می گردد. همچنین آهن در ترکیب با بسیاری از کانی ها در پوسته زمین پیدا می شود. آهن به آسانی زنگ می زند و می توان آن را مغناطیسی ساخت وبه شدت جذب آهنربا نمود. از این ماده جهت ساختن بسیاری از سازه ها استفاده می گردد. فولاد (آهن ذوب شده) با گرمای شدید و آمیختن آن با کربن (آلیاژ) درست می شود . از فولاد برای ساختن ماشین آلات ، اتو مبیل ، ابزار آلات و دیگر مصنوعات استفاده می گردد.

تاریخ ذوب آهن و آهن کاری به درازای خود تاریخ است . باستان شناسان در مصر ابزارهایی آهنی یافتند که تاریخ ساخت آنها به ۳۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح بر می گردد، و زیور آلات آهنی حتی پیش از این تاریخ نیز به کار می رفت . اسلحه های آهنین ساخته شده به وسیله تیمار گرمایی برای یونانیان در ۱۰۰۰ سال پیش از میلاد امری شناخته شده بود.

 

آهن ورزیده (چکش خوار)

وسایل آهنی اولیه و آنهایی که تا سده ی چهاردهم ساخته می شد تحت عنوان آهن ورزیده رده بندی می گردد. آنها را با گرما دادن توده های سنگ معدن آهن و زغال چوب در کوره ی آهنگری یا کوره های آهن دارای تهویه مصنوعی تولید می کردند. تحت این تیمار ، سنگ معدن احیا و اسفنجی از آهن فلز و لجنی (سر باره ای ) حاوی نا خالصی های فلزی و خاکستر چوب تبدیل می شد . این اسفنج آهنی را از کوره بیرون می آورند در حالی که هنوز گداخته و ملتهب بود و آن را با پتک های سنگین می کوبیدند تا سرباره و جوش از آن خارج شود و به آهن جامد تبدیل شود.

آهنی که تحت این شرایط تولید می شد حاوی ۳ درصد ذرات سرباره و ۱/۰ درصد دیگر ناخالصی ها بود . گاه این تکنیک آهن سازی بر حسب تصادف به جای آهن چکش خوار فولاد واقعی به دست می داد. آهنگران آموخته اند که با گرما دادن آهن چکش خوار و ذغال چوب در بوته های سفالین به مدت چندین روز فولاد به دست آورنده طی این فرایند آهن کربن کافی جذب می کرد تا به فولاد واقعی تبدیل گردد.

 

آهن لخته (خام یا شمش)

پس از سده چهار دهم اندازه کوره هایی که برای ذوب آهن به کار می رفت افزایش یافت ، و از کشش اضافی برای بافشار وارد کردن گازهای حاصل از احتراق به درون (بار) کوره حاوی آمیزه ی مواد خام استفاده می شد .در این کوره های وسیع تر ،سنگ آهن در بخش بالایی کوره نخست به آهن فلزی تبدیل می شد و سپس به علت گازهایی که با فشار وارد آن می شد با کربن بیشتری آمیخته می گردید. ابزارهای اولیه آهنی که تا سده ی چهاردهم ساخته می شد تحت نام آهن چکش خوار دسته بندی می گردد. فراورده های این کوره ها آهن لخته بود ، آلیاژی که در دمای پایین تری نسبت به آهن چکش خوار ذوب می شود. آهن لخته (چدن خام) (بدان علت به این اسم نامگذاری شده که معمولا آن را در شمش های کوتاه وپهن که تحت عنوان قالب فلزی یا بلوک نامیده می شود می ساختند) وسپس تصفیه ی بیشتری روی آن انجام می شد تا به فولاد تبدیل شود.

 

دم و کوره های الکتریکی

امروزه برای ذوب آهن از کوره های دم دار استفاده می شود که در واقع نوع بهبود یافته کوره هایی است که آهنگران قدیم برای تهیه ی آهن به کار می بردند. فرایند تصفیه آهن گداخته به کمک جریان هوا به وسیله مخترعی انگلیسی به نام سر هنری بسمر تکمیل گردید که کوره بسمر یا کونورتور (کوره مخصوص تولید فولاد) را در سال ۱۸۵۵ اختراع کرد.

چگونه فولادها را می سازیم:

کارخانه های فولاد از چهار واحد اولیه ی یکپارچه درست شده است شامل:

• احیای مستقیم
• کوره ی قوس الکترونیکی
• ریخته گری پیوسته (متوالی)
• کارخانه نورد

هر یک از واحد ها واحد بعدی را تغذیه می کند. کارخانه احیای مستقیم با استفاده از ساچمه های سنگ معدن آهن جامد تولید می کنند. اولی گاز طبیعی را به هیدروژن و مونوکسید کربن تبدیل می کند . این گازها اکسیژن را از سنگ معدن گرم شده در کوره می زدایند و سنگ آهن را به آهن فلزی تبدیل می کنند.

گاز / آب خنک کننده در بخش پایین کوره جریان می یابد و آهن را سرد می کند. طی این فرایند چیزی تولید می شود که آهن مستقیما احیا شده نام دارد (DRI) واین ماده به درون کوره قوس الکتریکی تغذیه می گردد.

 

کوره قوس الکتریکی (EAF)

EAF برای ساختن فولاد گداخته از DRI به کار می رود.کوره، همراه با سقف آن به یک سو چرخانده می شود، و با قراضه بارگیری می شود. قوس جریان الکتریکی توانمندی بین الکترودها و بار کوره به جهش در می آید. این عمل گرمای شدیدی پدید می آورد که بار را ذوب وباعث پیشرفت آن دسته از واکنش های شیمیایی می شود که به تولید فولاد می انجامد.

در پایان فرایند تصفیه ،کارگران جریان برق کوره الکتریکی را قطع می کنند . سپس کوره را کج می کنند ،کوره ای که بر روی اهرم های نوسان کننده ای نصب شده ، تا سرباره بیرون ریزد. پس از بیرون ریختن سرباره ،کوره ی الکتریکی به سوی دیگر خم می شود . فولاد مایع از دهانه بارگیری خارج می شود ودر پاتیل یا کفچه گرد آوری می گردد.

 

ریخته گری پیوسته  (CC)

فولاد گداخته ی تولید شده در کوره الکتریکی به درون واحد قالب گیری (ریخته گری) وارد می گردد،که آهن گداخته(گدازه)را به شکل شمش در می آورد. فولاد از درون قالبی با شکل ویژه جاری می شود آب سرد به سرعت فولاد را سرد می کند ،و باعثمی شود که به هنگام عبور از میان غلتک های مخصوص سخت شود.

فولاد گداخته تولید شده در کوره ی الکتریکی به درون واحد ریخته گری پیوسته سرازیر می شود که فولاد گداخته را به شمش تبدیل می نماید.

 

دستگاه نورد فولادها

این واحد دیگری است که فولاد گداخته را شکل می دهد . تولید مفتول های فولادی در دستگاه نوردی انجام می گیرد. دستگاه نورد غلتک هایی دارد که طوری شیار یافته اند که بتوانند شمش داغ را به اشکال مقطع گرد، بیضوی، مربع یا شش گوشه در آورند.

 

خواص مکانیکی فولادها

• استحکام مناسب که بین ۴۰۰تا ۲۰۰۰ مگاپاسکال می باشد
• قابلیت شکل پذیری بالا
• مقاومت خستگی مناسب
• مقاومت در درجه حرارت پایین مقاومت در درجه حرارت بالا
• قابلیت جوشکاری

 

دسته بندی فولادها

فولادها معمولا به سه دسته فولادهای ساده کربنی، فولاد های پر آلیاژ و فولاد های کم آلیاژ تقسیم بندی می شوند.

انواع فولادهای ساده کربنی

• فولادهای کم کربن
• فولادهای کربن متوسط
• فولادهای پر کربن

فولادهای کم کربن: که در این فولاد ها مقدار کربن کمتر از ۰.۲% می باشد لذا قابلیت شکل پذیری و فرم دهی بالا دارد که در صنعت بیشتر در مواردی به کار می رود که استحکام پایین همراه با قابلیت انعطاف بالا در نظر باشد.

فولادهای کربن متوسط: که در این فولاد ها مقدار کربن بین ۰.۲تا ۰.۵% می باشد که در مقایسه با فولاد کربنی استحکام و سختی بالاتری دارند ولی انعطاف پذیری پایین تری دارند که عموما در صنایع راهسازی و ماشین سازی از این گروه استفاده می شود فولاد های پرکربن : که در این فولاد ها مقدار کربن پس از ۰.۵% می باشد که افزایش درصد باعث افزایش سختی و کاهش انعطاف پذیری می شود در مواردی استفاده می شود که نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا باشد

فولادهای کم آلیاژی: در این فولاد ها میزان عناصر آلیاژی کمتر از ۸% می باشد . وجود عناصر آلیاژی باعث افزایش خواص مکانیکی فولاد می شود وجود عناصر آلیاژی باعث جلوگیری از تغییر فرم – تابیدگی و ترک خوردن آلیاژ در حین عملیات حرارتی می شود که عمدتا در ساخت قطعات و قالبهای خاص صنعتی ساخته می شود

فولادهای پرآلیاژی: میزان عناصر آلیاژی در این نوع فولادها بیش از ۸% می باشد و در مواردی مصرف می شود که خواص خالی را در نظر داشته باشیم به عنوان مثال مقاومت به خوردگی بالا و مقاومت به سایش بالا و با توجه به اینکه قیمت عناصر بالا می باشد و همچنین تکنولوژی اضافه کردن این عناصر نیز بالاتر می باشد لذا فولاد های آلیاژی از نظر قیمت بالاتر می باشد.

 

انواع کوره های ذوب  فولادها

کوره هایی که در ذوب فولاد استفاده می شود شامل کوره های زیمنس مارتین کوره های القایی و قوس کوره های کوپل و کنوتر دوپله کردن کوپل و کنورترمی باشد.

مراحل دوبله کردن کوپل و کنورتر:

1. تهیه مذاب در کوره کوپل
2. انتقال به پاتیل با جداره بازی و گوگرد زدائی
3. تخلیه مذاب در کنورتر به روش اکسیژن و هوا که با دمش هوا کربن سوخته می شود و واکنش های زیررا به وجود می­آورد

Fe+O=FeO

Si+FeO=SiO+Fe+Q

Mn+FeO=MnO+Fe+q

C+FeO=CO+Fe+Q

که کربن لحظه به لحظه می سوزد و مذاب به مذاب فولادتبدیل می شود وجوشش کربن صورت می گیرد لحظه ای که درصد کربن به ۰.۵% در مذاب می رسد فرآیند جوشش کربن به حدی می رسد که فرآیند حرارت را در مذاب نداریم که برای افزایش راندمان به جای هوا اکسیژن تزریق می کنند در روش های جدید برای کنترل بیشتر مذاب مذاب به کورههای القایی منتقل می شود و ترکیب شیمیایی آن کنترل می شود

عملیات کیفی در تهیه قطعات فولادی : شامل اکسیژن زدایی سرباره گیری ریخته گری قطعات تمیزکاری و جوشکاری می باشد .

جهت اکسیژن زدایی در مراحل اولیه از فروسیلیس – سیلیکم منگنز و فرومنگنز استفاده می شود در صورتی که بخواهیم میزان اکسیژن به زیر ۰.۱% برسد از Al و Ti در آخرین مرحله استفاده می شود.

تمیزکاری: معمولا از طریق شات بلاست و سند بلاست انجام می شود

جوشکاری :  که بر خلاف چدن در قطعات فولادی به علت قابلیت جوشکاری بالا انجام می شود که شامل پر کردن اثرات انقباضی گازی و نیامد در کردن در طی فرآیند ریخته گری می باشد مراحل جوشکاری : انتخاب نوع الکترود و اندازه الکترود عملیات پیش گرم کردن قطعات قبل از جوشکاری عملیات تنش زدایی بعد از جوشکاری تمیز کاری.

تست های غیر مخرب: نظیر ماوراء بنفش التراستیگ ایکسرید

 

تاثیر عناصر جزئی بر فولادها ساده کربنی

منگنز: جزء عناصر موجود در فولاد های ساده کربنی مقدار آن ۰.۶تا ۰.۸۵ درصد که پیش از این مقدار به عنوان عنصر آلیاژی در فولاد ها می باشد باعث افزایش سختی استحکام و مقاومت به ضربه فولاد می شود می تواند به عنوان اکسیژن زدا درفولاد ها استفاده شود .

 Si  سیلیس:  به عنوان اکسیژن زدا استفاده می شود مانع از پایداری سمنتیت می شود مقدار آن ۰.۰۶% می باشد و بیشتر از این مقدار به عنوان عنصر آلیاژی می شود.

Niو Cu: تا حدود ۰.۵ باعث افزایش سختی پذیری و خواص مکانیکی می شود که پایدار کننده ی آستینیت می باشد بیشتر از این مقدار به عنوان عنصر آلیاژی محسوب می شود.

سایر عناصر آلیاژی نظیر کرم مولیبدن وانادیم و تنگستن تا حدود ۰.۰۵% در فولاد های ساده کربنی وجود دارد که باعث افزایش خواص مکانیکی می شود

 Al&TI: به عنوان اکسیژن زدا در مراحل تولید استفاده می شود. ازت : مقدار آن بین ۰.۰۰۵ تا ۰.۱۲ درصد می باشد تا این مقادیر باعث افزایش خواص مکانیکی می شود بیش از این مقدار به علت تشکیل مک و حفره گازی در قطعات تولیدی باعث کاهش خواص مکانیکی می شود.

گوگرد: از عناصر مضر در فولاد می باشد به علت تشکیل فاز FeS تا سولفید آهن که فازی با نقطه ذوب پایین و ترد می باشد و در مراحل انتهایی انجماد در مرز دانه رسوب می کند باعث کاهش شدید خواص مکانیکی می شود همچنین به هنگام عملیات حرارتی به علت ذوب موضعی در مرز دانه باعث ایجاد ترک موسوم به ترک سرخ می شود وجود منگنز تشکیل فاز MnS یا سولفید منگنز را می دهد این فاز نرم بوده و تاثیر سوءکمتری نسبت به FeS دارد MnS در داخل دانه پخش می شود.

فسفر: تمایل به جدایش بیشتری دارد لذا در محل هایی که آخرین انجماد را دارند جمع می شوند تشکیل فاز فسفید آهن یا Fe₃P را می دهد این فاز تشکیل یوتکتیک سه تایی می دهد که نقطه ذوب پایین دارد که در مرز دانه ها رسوب کرده و باعث شکست دانه ها می شود میزان فسفر و گوگرد کمتر از ۰.۰۵ درصد می باشد.

ادامه این مقاله را در اینجا بخوانید.