نقش عناصر آلیاژی در فولاد (یک)

به منظور بهبود و تقویت برخی از خواصفولادو باعث می شود که برخی از خواص ویژه را به دست آورد که عمداً عناصر اضافه شده در فرآیند ذوب به نام عناصر آلیاژی نامیده می شود.عناصر آلیاژی رایج عبارتند از: کروم، نیکل، مولیبدن، تنگستن، وانادیم، تیتانیوم، نیوبیم، زیرکونیوم، کبالت، سیلیکون، منگنز، آلومینیوم، مس، بور، خاک کمیاب و غیره.فسفر، گوگرد و نیتروژن نیز در برخی موارد به عنوان آلیاژ عمل می کنند.

(1) کروم (Cr)

کروم می تواند سختی پذیری فولاد را افزایش دهد و یک اثر سخت شدن ثانویه دارد، می تواند سختی و مقاومت در برابر سایش فولاد کربنی را بدون شکننده کردن فولاد بهبود بخشد.هنگامی که محتوای بیش از 12٪ باشد، فولاد دارای مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی در دمای بالا است و همچنین استحکام حرارتی فولاد را افزایش می دهد.کروم عنصر اصلی آلیاژی فولاد ضدزنگ فولاد ضد اسید و فولاد مقاوم در برابر حرارت است.

کروم می تواند استحکام و سختی فولاد کربنی را در حالت نورد بهبود بخشد و از کشیدگی و انقباض سطح مقطع را کاهش دهد.هنگامی که محتوای کروم از 15٪ بیشتر شود، استحکام و سختی کاهش می یابد و ازدیاد طول و انقباض مقطع افزایش می یابد.قطعات حاوی فولاد کروم به راحتی می توانند کیفیت ماشینکاری سطح بالاتری را با سنگ زنی بدست آورند.

نقش اصلی کروم در ساختار سکوریت بهبود سختی پذیری است، به طوری که فولاد پس از خاموش شدن و تمپر کردن دارای خواص مکانیکی جامع بهتری است، در فولاد کربوره نیز می تواند کاربید کروم تشکیل دهد تا مقاومت به سایش سطح مواد را بهبود بخشد. .

فولاد فنری حاوی کروم به راحتی در طی عملیات حرارتی کربن زدایی نمی شود.کروم می تواند مقاومت در برابر سایش، سختی و سختی فولاد ابزار را بهبود بخشد و از پایداری خوب برخوردار است.کروم می تواند مقاومت اکسیداسیون، مقاومت و استحکام آلیاژهای الکتروترمال را بهبود بخشد.

(2) نیکل

نیکل فریت را تقویت می کند و پرلیت را در فولاد تصفیه می کند، اثر کلی آن افزایش استحکام است، اما تأثیر قابل توجهی بر انعطاف پذیری ندارد.به طور کلی، مقدار مشخصی از نیکل می تواند استحکام فولاد را بهبود بخشد، اما به طور قابل توجهی چقرمگی فولاد کم کربن را در هنگام نورد، نرمال یا آنیل بدون عملیات حرارتی کاهش نمی دهد.طبق آمار، هر 1% افزایش در نیکل می تواند قدرت 29.4Pa را بهبود بخشد.با افزایش محتوای نیکل، بازده فولاد سریعتر از استحکام کششی افزایش می یابد، بنابراین نسبت فولاد حاوی نیکل بیشتر از فولاد کربن معمولی است.نیکل می تواند استحکام فولاد را بهبود بخشد، اما آسیب به چقرمگی، پلاستیسیته و سایر خواص فرآیندی فولاد کمتر از سایر عناصر آلیاژی است.برای فولاد کربن متوسط، پرلیت نازک تر می شود زیرا نیکل دمای انتقال پرلیت را کاهش می دهد.از آنجا که نیکل محتوای کربن را در نقطه یوتکتوئید کاهش می دهد، پرلیت بیشتری نسبت به فولاد کربنی با محتوای کربن یکسان وجود دارد، که باعث می شود فولاد فریتی پرلیت با نیکل استحکام بالاتری نسبت به فولاد کربنی با محتوای کربن یکسان داشته باشد.در مقابل، اگر استحکام فولاد یکسان باشد، می توان محتوای کربن فولاد حاوی نیکل را به طور مناسب کاهش داد تا چقرمگی و انعطاف پذیری فولاد بهبود یابد.نیکل می تواند مقاومت فولاد در برابر خستگی را بهبود بخشد و حساسیت فولاد را به بریدگی کاهش دهد.نیکل دمای انتقال شکننده فولاد دمای پایین را کاهش می دهد که برای فولاد با دمای پایین بسیار مهم است.فولاد با 3.5٪ نیکل را می توان در -100 درجه سانتیگراد و فولاد با 9٪ نیکل را می توان در -196 درجه سانتیگراد استفاده کرد.نیکل مقاومت فولاد را در برابر خزش افزایش نمی دهد، بنابراین به طور کلی به عنوان عنصر تقویت کننده فولاد استحکام گرم استفاده نمی شود.

ضریب انبساط خطی آلیاژهای Fe-Ni با محتوای نیکل بالا به طور قابل توجهی با افزایش یا کاهش محتوای نیکل تغییر می کند.با استفاده از این خاصیت می توان آلیاژهای دقیق و مواد دو فلزی با ضریب انبساط خطی بسیار کم یا معین طراحی و تولید کرد.

علاوه بر این، نیکل اضافه شده به فولاد نه تنها مقاوم در برابر اسید است، بلکه مقاوم در برابر قلیایی، مقاوم در برابر خوردگی در برابر جو و نمک است، نیکل یکی از عناصر مهم در فولاد مقاوم در برابر اسید ضد زنگ است.

(3) مولیبدن (Mo)

مولیبدن موجود در فولاد می تواند سختی و استحکام حرارتی را بهبود بخشد، از شکنندگی تلطیف جلوگیری کند، ماندگاری و اجبار و مقاومت در برابر خوردگی را در برخی از محیط ها افزایش دهد.

در فولاد سکوریت شده، مولیبدن می تواند باعث شود که قطعات با مقاطع بزرگتر به طور عمیق خاموش شوند، از بین بروند، مقاومت در برابر آتش یا پایداری فولاد را بهبود بخشند، به طوری که قطعات می توانند در دماهای بالاتر گرم شوند، به طوری که تنش پسماند را به طور موثرتری از بین ببرند (یا کاهش دهند). ، انعطاف پذیری را بهبود بخشد.

علاوه بر اثرات فوق در فولاد کربوریزه، مولیبدن همچنین می تواند تمایل کاربیدها به تشکیل شبکه پیوسته روی مرز دانه در لایه کربور کننده را کاهش دهد، آستنیت باقیمانده در لایه کربوریزه را کاهش دهد و مقاومت سایشی سطح را نسبتاً افزایش دهد. لایه.

در قالب آهنگری، مولیبدن همچنین می تواند فولاد سختی نسبتاً پایدار را حفظ کند، تغییر شکل را افزایش دهد.مقاومت در برابر ترک خوردگی و سایش.

در فولاد مقاوم به اسید ضد زنگ، مولیبدن می تواند مقاومت به خوردگی اسیدهای آلی (مانند اسید فرمیک، اسید استیک، اسید اگزالیک و غیره)، پراکسید هیدروژن، اسید سولفوریک، سولفیت، سولفات، رنگ های اسیدی، پودر سفید کننده و غیره را بیشتر بهبود بخشد. به ویژه، افزودن مولیبدن از تمایل به خوردگی نقطه ای ناشی از حضور یون های کلرید جلوگیری می کند.

فولاد سرعت بالا W12Cr4V4Mo حاوی حدود 1٪ مولیبدن دارای مقاومت در برابر سایش، سختی تمپر شده و سختی قرمز است.

(4) تنگستن (W)

علاوه بر تشکیل کاربید در فولاد، تنگستن تا حدی در آهن حل می شود تا محلول جامد تشکیل شود.عمل آن شبیه به مولیبدن است، با توجه به محاسبه کسر جرمی، اثر کلی به اندازه مولیبدن قابل توجه نیست.نمونه اصلی تنگستن در فولاد، افزایش پایداری تمپر، سختی قرمز، مقاومت حرارتی و مقاومت در برابر سایش به دلیل تشکیل کاربیدها است.بنابراین، عمدتا در فولاد ابزار، مانند فولاد با سرعت بالا، قالب فورج داغ استفاده می شودفولادو غیره

تنگستن کاربیدهای نسوز را در فولاد فنری با کیفیت بالا تشکیل می دهد.هنگام تمپر کردن در دمای بالاتر، فرآیند انباشته شدن کاربیدها را می توان کاهش داد و استحکام در دمای بالا را می توان حفظ کرد.تنگستن همچنین حساسیت فولاد به گرمای بیش از حد را کاهش می دهد، سختی پذیری را افزایش می دهد و سختی را افزایش می دهد.پس از نورد گرم، فولاد فنری 65SiMnWA پس از خنک شدن با هوا دارای سختی بالایی است.فولاد فنر با مقطع 50 میلی متر مربع را می توان در روغن فرو کرد و می توان از آن به عنوان یک فنر مهم برای تحمل بارهای زیاد، مقاومت در برابر حرارت (بیش از 350 درجه سانتیگراد) و ضربه استفاده کرد.فولاد فنری مقاوم در برابر حرارت 30W4Cr2VA، با سختی پذیری زیاد، خاموش کردن 1050 ~ 1100 ℃، استحکام کششی 550 ~ 650 ℃ 1470 ~ 1666 Pa.این عمدتا در ساخت فنرها در شرایط دمای بالا (نه بیش از 500 درجه سانتیگراد) استفاده می شود.

تنگستن عنصر اصلی فولاد ابزار آلیاژی است زیرا افزودن آن می تواند مقاومت سایشی و ماشینکاری فولاد را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

(5) وانادیوم (V)

وانادیم میل ترکیبی قوی با کربن، آمونیاک و اکسیژن دارد و با آنها ترکیبات پایداری تشکیل می دهد.وانادیوم عمدتاً به شکل کاربید در فولاد وجود دارد.عملکرد اصلی آن پالایش ساختار و دانه فولاد، بهبود استحکام و چقرمگی فولاد است.هنگامی که در محلول جامد در دمای بالا حل می شود، سختی پذیری را افزایش می دهد.در مقابل، اگر به صورت کاربید باشد، سختی پذیری را کاهش دهید.وانادیوم باعث افزایش پایداری حرارت فولاد سخت شده و ایجاد اثر سخت شدن ثانویه می شود.محتوای وانادیوم در فولاد، به جز فولاد ابزار پرسرعت، معمولاً بیش از 0.5٪ نیست.

در آلیاژ کم کربن معمولیفولادوانادیم می تواند دانه را تصفیه کند، استحکام و نسبت عملکرد را پس از نرمال شدن افزایش دهد و عملکرد جوش فولاد را در دمای پایین بهبود بخشد.

وانادیوم در فولاد سازه آلیاژی به دلیل شرایط عملیات حرارتی عمومی باعث کاهش سختی می شود، بنابراین اغلب در فولاد ساختاری و منگنز، کروم، مولیبدن، تنگستن و سایر عناصر استفاده می شود.وانادیوم در فولاد سکوریت عمدتاً برای بهبود استحکام و نسبت عملکرد فولاد، پالایش دانه، حساسیت به گرمای بیش از حد است.در فولاد carburized می تواند دانه را تصفیه کند، فولاد را می توان به طور مستقیم پس از carburizing، بدون خاموش کردن ثانویه خاموش کرد.

در فولاد فنری و فولاد بلبرینگ، وانادیم می تواند استحکام و نسبت تسلیم، به ویژه حد متناسب و حد الاستیک را بهبود بخشد و حساسیت کربن زدایی را در طول عملیات حرارتی کاهش دهد، در نتیجه کیفیت سطح را بهبود بخشد.5 فولاد یاتاقان کروم حاوی وانادیوم، پراکندگی کربنات بالا، عملکرد خوب.

وانادیوم موجود در فولاد ابزار، دانه ها را تصفیه می کند، حساسیت به گرمای بیش از حد را کاهش می دهد، پایداری تلطیف و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد و در نتیجه عمر ابزار را افزایش می دهد.

(6) تیتانیوم (Ti)

تیتانیوم میل ترکیبی قوی با نیتروژن، اکسیژن و کربن دارد و میل ترکیبی قوی تری با گوگرد نسبت به آهن دارد.بنابراین یک عامل اکسید زدا خوب و یک عنصر موثر برای تثبیت نیتروژن و کربن است.اگرچه تیتانیوم یک عنصر تشکیل دهنده کاربید قوی است، اما برای تشکیل ترکیبات پیچیده با عناصر دیگر ترکیب نمی شود.نیروی اتصال کاربید تیتانیوم قوی، پایدار است، تجزیه آسان نیست، در فولاد فقط حرارت دادن به بیش از 1000 ℃ می تواند به آرامی در محلول جامد حل شود.ذرات کاربید تیتانیوم اثر جلوگیری از رشد دانه را قبل از انحلال دارند.از آنجایی که میل ترکیبی بین تیتانیوم و کربن بسیار بیشتر از کروم و کربن است، معمولاً از تیتانیوم در فولاد ضد زنگ برای تثبیت کربن به منظور حذف رقت کروم در مرز دانه استفاده می شود تا خوردگی بین دانه ای فولاد از بین برود یا کاهش یابد. .

تیتانیوم نیز یکی از عناصر تشکیل دهنده فریت قوی است که دمای A1 و A3 فولاد را به شدت افزایش می دهد.تیتانیوم می تواند انعطاف پذیری و چقرمگی را در فولاد کم آلیاژ معمولی بهبود بخشد.همانطور که تیتانیوم نیتروژن و گوگرد را تثبیت می کند و کاربید تیتانیوم را تشکیل می دهد، استحکام فولاد افزایش می یابد.پس از نرمال کردن پالایش دانه، رسوب کاربید می تواند به طور قابل توجهی انعطاف پذیری و چقرمگی ضربه فولاد را بهبود بخشد.فولاد ساختاری آلیاژی حاوی تیتانیوم دارای خواص مکانیکی و خواص فرآیندی خوبی است، اما نقطه ضعف اصلی آن این است که سختی پذیری کمی ضعیف است.

در فولاد ضد زنگ با کروم بالا معمولاً باید حدود 5 برابر محتوای کربن تیتانیوم اضافه شود، نه تنها می تواند مقاومت در برابر خوردگی (عمدتاً مقاومت در برابر خوردگی بین دانه ای) و چقرمگی فولاد را بهبود بخشد.همچنین می تواند از تمایل رشد دانه فولاد در دمای بالا جلوگیری کرده و عملکرد جوش فولاد را بهبود بخشد.

(7) نیوبیم/کلتان (Nb/Cb)

نیوبیوم اغلب با کلتان و تانتالیوم همزیستی می کند و نقش آنها در فولاد مشابه است.نیوبیم و تانتالیوم تا حدی در محلول جامد حل می شوند تا محلول جامد تقویت شود.هنگامی که فولاد در آستنیت حل می شود، توانایی خاموش شدن فولاد را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید.اما به صورت ذرات کاربید و اکسید باعث پالایش دانه و کاهش سختی پذیری فولاد می شود.این می تواند پایداری فولاد را افزایش دهد و اثر سخت شدن ثانویه را دارد.ردیابی نیوبیم می تواند استحکام فولاد را بدون تأثیر بر انعطاف پذیری یا چقرمگی بهبود بخشد.به دلیل اثر پالایش دانه، چقرمگی ضربه فولاد را می توان بهبود بخشید و دمای انتقال شکنندگی را کاهش داد.هنگامی که محتوای آن بیش از 8 برابر کربن باشد، تقریباً تمام کربن موجود در فولاد را می توان ثابت کرد، به طوری که فولاد مقاومت هیدروژنی خوبی دارد.می توان از خوردگی بین دانه ای فولاد آستنیتی توسط محیط اکسید کننده جلوگیری کرد.با توجه به تثبیت کربن و سخت شدن بارندگی، می توان خواص دمای بالا فولادهای استحکام گرم مانند مقاومت خزشی را بهبود بخشید.

نیوبیم می تواند استحکام تسلیم و چقرمگی ضربه را بهبود بخشد و دمای انتقال شکنندگی را در فولاد کم آلیاژ معمولی مورد استفاده در ساخت و ساز کاهش دهد.افزایش سختی پذیری در فولادهای ساختاری آلیاژی کربنات و تمپر.بهبود چقرمگی و عملکرد دمای پایین فولاد.این می تواند سختی هوای فولاد ضد زنگ مارتنزیتی کم کربن مقاوم در برابر حرارت را کاهش دهد، از سخت شدن و شکنندگی معتدل جلوگیری کند و استحکام خزش را بهبود بخشد.

(8) زیرکونیوم (Zr)

زیرکونیوم یک عنصر تشکیل دهنده کاربید قوی است، نقش آن در فولاد شبیه نیوبیم، تانتالم، وانادیم است.افزودن مقدار کمی زیرکونیوم اثر گاز زدایی، تصفیه و پالایش دانه را دارد که برای عملکرد دمای پایین فولاد و بهبود عملکرد مهر زنی مفید است.اغلب در ساخت فولاد با استحکام فوق العاده بالا و سوپر آلیاژ مبتنی بر نیکل برای موتورهای گازی و ساختار موشک بالستیک استفاده می شود.

(9) کبالت

کبالت بیشتر در فولادها و آلیاژهای خاص استفاده می شود.فولاد پرسرعت حاوی کبالت دارای سختی دمای بالا است و مولیبدن را می توان همزمان به فولاد پیر مارتنزیتی اضافه کرد تا سختی فوق العاده بالا و خواص مکانیکی جامع خوب به دست آید.علاوه بر این، کبالت یک عنصر آلیاژی مهم در فولادهای استحکام گرم و مواد مغناطیسی است.

کبالت سختی پذیری فولاد را کاهش می دهد، بنابراین افزودن فولاد کربن به تنهایی خواص مکانیکی کلی فولاد را کاهش می دهد.کبالت می تواند فریت را تقویت کند و هنگامی که به فولاد کربنی اضافه شود، می تواند سختی، نقطه تسلیم و استحکام کششی فولاد را در حالت آنیل شده یا نرمال شده بهبود بخشد و تأثیر نامطلوبی بر ازدیاد طول و انقباض بخش دارد.چقرمگی ضربه با افزایش محتوای کبالت کاهش می یابد.کبالت به دلیل مقاومت در برابر اکسیداسیون در فولادها و آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت استفاده می شود.توربین های گازی آلیاژی مبتنی بر کبالت نقش منحصر به فرد خود را نشان می دهند.