عناصر مضر در فولاد ها

یکی از مشکلاتی که در محصولاتی فولادی و در روند تولید آنها پدیدار می شود، عناصر مضر در فولاد هستند. برای آنکه این عناصر در یک محدوده مجاز بمانند و فراتر نروند، ما نیازمند آن هستیم که عناصر مضر رد فولاد را شناسایی کنیم و تعیین کردن کیفیت آنها، تاثیرات این عناصر را در فولاد کشف کنیم. از جمله این عناصر برای فولاد ها قبیل مس، نیکل، آرسنیک، سرب، قلع، آنتیموان، مولیبدن کرم و غیره هستند. این عناصر زائد بطور نا خواسته به فولاد ها راه پیدا می کنند و برای پاک کردن آنها ما نیازمند هستیم تا چندین مرحله فرآیند‌های متالورژیکی را پشت سر بگذاریم. عناصر زائد یا حداقل برخی از آنها دارای تاثیراتی بر روی شرایط و روش عملکردی فرآیندهایی از قبیل آنیل کامل دارند و تاثیر این عناصر بر روی تمامی خواص مکانیکی محتمل است  اید تفاوت آشکاری بین عناصر زائدی که به‌دلیل وجود آنها در محلول جامد مانند MO,Cr,Ni و Cu تاثیرگذارند و عناصری مانند Sn، As و Sb که دارای تاثیراتی همانند ایجاد جدایش در فصل مشترک هستند (سطحی و مرزدانه‌ ای) قائل شویم. 

هیدروژن: 

گاز هیدروژن نیز به‌عنوان یک عنصر زائد در فولاد شناخته می‌شود و می‌تواند بسیار مضر باشد. هیدروژن قابلیت حل شدن در فولاد مذاب را دارد و در فاز آستنیت نیز تا حدی حل می‌شود. این گاز در فاز فریت تا حد زیادی غیرقابل حل است و به‌صورت هیدروژن اتمی (+H) از آن خارج می‌شود. به‌طور معمول اگر -H در ورق‌های ضخیم، چکش‌کاری سنگین، خطوط آهن و غیره محبوس شود، هیدروژن بر روی سطح توده‌های سولفید منگنز، تجمع می‌کند. هنگامی که این تجمعات گاز هیدروژن بر روی سطوح تغییر مکان می‌دهند مولکول هیدروژن (H2) می‌تواند تشکیل شود و فشار ناشی از تشکیل آن برای ایجاد ترک‌های داخلی کافی است و از این رو موجب معیوب شدن قطعات می‌شوند. در زیر به برخی از تاثیرات محتمل متالورژیکی ناشی از عناصر زائد بر روی شرایط عملکردی و خواص محصولات فولادی اشاره می‌کنیم. 

برخی از تاثیرات احتمالی عناصر زائد به شرح ذیل هستند: 

1. شرایط عملکردی از جمله: 

- وجود عناصری از قبیل : Mo,Cr,Sn می‌تواند بر روی تبلور مجدد و نیروهای نورد در فرآیند نورد گرم تاثیرگذار باشد. 

- وجود هرگونه عنصر زائد در فولاد می‌تواند بر استحاله فازی آستنیت به فرریت و نیز سختی‌پذیری آن موثر باشد. 

- وجود عناصری همانند Zn و Sn می‌تواند بر روی چکش خواری گرم در طول فرآیند شکل‌دهی گرم تاثیرگذار باشد. 

- عناصر Mo,Cr,Sn بر روی تبلور مجدد در طی فرآیند آنیلینگ موثر هستند. 

2. تاثیر بر روی سطح ظاهری محصولات نورد گرم و ورق اسیدشویی شده به دلیل وجود عناصر Cu,Ni,As,Sn. ناشی از شکنندگی حرارتی 

- ناشی از احتمال تاثیر مشترک مس و قلع در شکنندگی حرارتی فولاد 

3. شکنندگی مرزدانه‌ها به واسطه وجود عناصر Sb,Sn,As در طی فرآیند نورد تسمه 

- در طی فرآیند ناپیوسته (batch) یا آنیل هم دما (continuous Anealing)فولادهای کربن یا فولادهای سخت (C Steels) 

4. پدیده جدایش فصل مشترک رسوب زمینه به واسطه وجود Sn 

- رشد کامل Ostwald، رشد رسوبی و کنترل ترکیب 

- تاثیرات Sn بر Fe4N، Sn بر MnS و Sb بر TiC 

5. وجود هرگونه عنصر زائد در فولاد بر روی خواص مکانیکی محصول نهایی تاثیر گذار خواهد بود. 

- محصولات تخت نورد گرم و نورد سرد 

- محصولات تخت 

- محصولات طویل 

6. پوشش‌دهی با فرایند غوطه‌‌وری گرم یا فرآیند گالوانیزه کردن 

7. تاثیر بر روی قابلیت جوش‌پذیری فولادهای استحکام بالا ناشی از وجود عناصرMO,Cr,Cu,Ni 

عناصر زائد از ناخالصی‌های موجود در زغال کک، گدازنده قراضه‌ها و این قبیل مواد که وارد فولاد می‌شوند به همین دلیل قراضه آهن همواره به‌عنوان یکی از منابع اصلی عناصر زائد مطرح شده است. عناصر زائد رایج موجود در فولاد مس، نیکل، کرم و مولیبدن هستند. حدود قابل قبول برای عناصر زائد در فولاد وابستگی زیادی به کاربرد محصول دارد. امروزه اکثر فولادهایی که مورد استفاده قرار می‌گیرند از نوع فولادهای کم کربن یا کم آلیاژ و انواع فولادهای تحت عملیات کششی شدید (Extra Deep Drawing) هستند. خواص این فولادها نسبت به مقدار عناصر زائد و فرآوری ترمومکانیکی بسیار حساس است. یکی از اساسی ترین مشکل هایی که در فرآیند بازیابی فولاد وجود دارد، کنترل مراحل ناخواسته عناصر موجود یا عناصر زائد از نظر تضمین خالص بودن فولاد در کنار کارایی آن است.

از آنجایی که محصولات تخت و آرماتورها بسیار مورد اهمیت هستند، در جدول شماره یک مقادیر نمونه برخی از عناصر زائد موجود در فولاد برای خط تولید یک کوره قوس الکتریکی بر حسب درصد وزنی نشان داده شده است. اگرچه تاثیرات عناصر زائد بر روی خواص فولاد ممکن است به‌طور کلی ناچیز به نظر برسد اما برخی اوقات حتی تغییرات جزئی در برخی خواص می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی احتمال معیوب بودن قطعه با نیازهای خاص را افزایش دهد. برخی از توافقات کلی درباره تاثیرات عناصر زائد از قبیل Cu, Ni, Cr Mo, Sn و Sb در خواص فولادهای گوناگون در جدول شماره 2 داده شده است.  از جمله مکانیزم‌های تقویت فولاد شامل: تقویت محلول جامد، ریزدانه کردن، رسوب دهی، مقدار پرلیت، از بین بردن جابه‌جایی‌ها با فرآیند کار سرد و در نهایت استحاله‌های بینیتی و مارتنزیتی، هستند. اثرعناصر زائد بر روی خواص کششی فولاد به واسطه تقویت محلول جامد است. وجود عناصر زائد در غلظت کم سبب افزایش استحکام کششی و تسلیم می‌شود که این امر به این دلیل است که محلول جامد می‌تواند بخشی از غلظت محلول بگیرد.