دانلود مقاله فولاد

اصطلاح فولاد برای آلیاژهای آهن که بین ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد کربن دارند بکار می‌رود فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند.

خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا 0.2 درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود.

فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند.

فولادی که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.
ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است.

در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:
• سوزاندن ناخالصی‌های چدن
• افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند.

گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO2) در می‌آید.

چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولا دی‌اکسید سیلسیم (SiO2) است، بکار می‌برند:
منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند.

چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولا دی‌اکسید سیلسیم (SiO2) است، بکار می‌برند: (MnO + SiO2 -------> MnSiO3(l و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولا چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولا اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند: (MgO + SiO2 -------> MgSiO2(l (6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2(l کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها معمولا جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند.

این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند.

برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولا از روش کوره باز استفاده می‌کنند.

این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جای می‌گیرد.

بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند.

جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند.

در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش 300 تن بار را دارد، می‌ریزند.

جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید.

دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی‌ این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولا محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

تبدیل آهن به فولاد آلیاژی آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند.

فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند.

این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمنتیت» تشکیل می‌دهند.

این واکنش، برگشت‌پذیر و گرماگیر است: Fe3C هرگاه فولادی که دارای سمنتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن، جابجا شده، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود.

این مکانیزم در چدن‌ها که درصد کربن در آنها بیشتر است، اهمیت بیشتری دارد.

برعکس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمنتیت باقی می‌ماند.

تجزیه سمنتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.

تهیه فولاد اطلاعات اولیه محصول کوره ذوب آهن ، چدن است که معمولا دارای ناخالصی کربن و مقادیر جزئی ناخالصی‌های دیگر است که به نوع سنگ معدن و ناخالصی‌های همراه آن و همچنین به چگونگی کار کوره بلند ذوب آهن بستگی دارد.

از آنجایی که مصرف عمده آهن در صنعت بصورت فولاد است، از این رو ، باید به روش مناسب چدن را به فولاد تبدیل کرد که در این عمل ناخالصی‌های کربن و دیگر ناخالصی‌ها به مقدار ممکن کاهش ‌یابند.

روشهای تهیه فولاد روش بسمه: در این روش ناخالصی‌های موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده و آن را به فولاد تبدیل می‌کنند.

پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود 15 تن است.

نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت می‌کنند، تا ناخالصی‌های کربن و گوگرد به صورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصی‌های فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا به صورت اکسیدهای غیر فرار P4O10) و (SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و به ترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس به صورت سرباره خارج شوند.

سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصی‌های چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمی‌توان به این روش بدست آورد.

روش کوره باز (یا روش مارتن : در این روش برای جدا کردن ناخالصی‌های موجود در چدن ، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصی‌هایی مانند کربن ، گوگرد و غیره) استفاده می‌شود.

برای این منظور از کوره باز استفاده می‌شود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تن چدن مذاب است.

حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین می‌شود.

برای تکمیل عمل اکسیداسیون ، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده می‌شود.

زمان عملکرد این کوره طولانی‌تر از روش بسمه است.

از این نظر می‌توان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصی‌ها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوب‌تری به دست آورد.

روش الکتریکی : از این روش در تهیه فولادهای ویژه‌ای که برای مصارف علمی ‌و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده می‌شود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت می‌گیرد.

از ویژگی‌های این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را می‌توان نسبت به دو روش قبلی ، بالاتر برد.

این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر ، بکار می‌رود.

برای این کار مقدار محاسبه شده‌ای از زنگ آهن را به فولاد به دست آمده از روشهای دیگر ، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت می‌دهند.

در این روش ، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده‌ای) آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم اضافه می‌کنند.

انواع فولاد و کاربرد آنها از نظر محتوای کربن ، فولاد به سه نوع تقسیم می‌شود: فولاد نرم : این نوع فولاد کمتر از 2/0 درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره ، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و ...

بکار می‌رود.

فولاد متوسط : این فولاد بین 2/0تا 6/0 درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف می‌شود.

فولاد سخت : فولاد سخت بین 6/0 تا 6/1 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی ، تیر ، وسایل جراحی ، مته و ...

کاربرد انواع مختلف فولاد از فولادی که تا 0.2 درصد کربن دارد، برای ساختن سیم ، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود.

فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل ، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند.

فولادی که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن ، گوگرد ، فسفر ، سیلیسیم ، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است.

در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود: سوزاندن ناخالصی‌های چدن افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن منگنز ، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده ، به صورت سرباره خارج می‌شوند.

بالای این ظرف ، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند.

در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن ، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند.

اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف ، رو می‌آید.

دمای توده مذاب ، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی ، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده ، تمامی‌ این فرایند ، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولا محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.

تبدیل آهن به فولاد آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم ، کروم ، تیتانیم ، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل می‌کنند.

فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن ، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند.

در دمای زیاد ، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل می‌دهند.

این واکنش ، برگشت‌پذیر و گرماگیر است: Fe3C هرگاه فولادی که دارای سمانتیت است، به کندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن ، جابجا شده ، کربن به صورت پولکهای گرافیت جدا می‌شود و به فلز ، رنگ خاکستری می‌دهد.

برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقی می‌ماند.

تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازه‌ای کند است که عملا انجام نمی‌گیرد.

فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سخت‌تر و خیلی شکننده‌تر است.

در هر یک از این دو نوع فولاد ، مقدار کربن را می‌توان در محدوده نسبتا وسیعی تنظیم کرد.

همچنین ، می‌توان مقدار کل کربن را در قسمتهای مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد.

مثلا بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد و لیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت می‌دهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود.

منبع : اینترنت در روش برینل یک ساچمه از کاربید تنگستن یا فولاد (پرکربن یا سمانته آب داده شده) به قطر (D) روی جسم با نیروی (P) به مدت ثابتی (10 ثانیه برای آلیاژهای آهنی و 30 تا 60ثانیه برای آلیاژهای غیر آهنی) توسط ماشین مربوطه، فشار ایجاد می کند.

از تقسیم نیروی وارد بر سطح ایجاد شده (سطح عرقچین کروی) عدد سختی در این روش بدست می آید(شکل 25-2).

سختی برنیل را به اختصار با BHN نمایش میدهند.

مقدار این سختی از رابطه‌ی زیر بدست می آید: که در آن عبارت است از نیروی وارد به ساچمه (بار) و A سطح عرقچین کروی ایجاد شده روی فلز یا آلیاژ موردآزمایش است.

از طرفی سطح عرقچین کروی با توجه به شکل اخیر چنین است: در این روابط t عبارت از عمق فرورفتگی (نفوذ ساچمه در فلز یا آلیاژ) و d قطر دایره‌ی اثر است.

به این ترتیب می توان سختی برینل را از رابطه‌ی زیر محاسبه و تعیین کرد.

ضخامت نمونه‌ی مورد آزمایش باید حداقل 10 برابر عمق فرورفتگی ساچمه در فلز نمونه باشد یعنی: حداکثر عدد سختی برینل برای اندازه گیری سختی فلزات آهنی، فلزات غیر آهنی و آلیاژهای آن ها Mpa 4500 (تقریباً kgf/mm 450 ) است.

تجربه نشان داده است که بین عدد سختی برینل و تنش کششی ماکزیمم u رابطه‌ی تقریبی زیر برقرار است(این رابطه برای فولادهای پرکربن، فولادهای سمانته و همچنین فلزات غیر آهنی صدق نمیکند): BHN×k=u که در آن Kضریبی است که به جنس آلیاژ مربوط می شود.

مثلاً برای فولاد نورد شده36/0=K و برای فولاد ریختگی K بین 3/0 تا 4/0 متغیر است.

باید دانست که رابطه‌ی اخیر برای اجسامی که تقلیل سطح نسبی آنها زیادتر است بیش تر صدق میکند.

در عمل برای تعیین عدد سختی بعضی از فلزات و آلیاژها می توان از روابط بهتری که ذیلاً آمده است استفاده کرد.

فولاد با سختی 125 تا 175 برینل BHN 343/0= u فولاد با سختی بیش تر از 175 برینل BHN 362/0= u آلومینیوم ریختگی BHN 26/0= u مس ، برنج، برنز: آنیل شده BHN 55/0= u کار سرد شده BHN 40/0= u دور آلومین:‌ آنیل شده BHN 36/0= u سخت شده و پیر سختی BHN 35/0= u در این دستگاه ابتدا نمونه را روی سندان می گذاریم.

سپس گیره‌ی متحرک (چرخشی) را آنقدر می گردانیم تا سندان بالا بیاید و نمونه‌ی روی آن با ساچمه تماس پیدا کند.

در این هنگام الکتروموتور را بکار می اندازیم تا وزنه آزاد شده و نیروی لازم توسط وزنه، به تدریج ساچمه را روی نمونه فشار دهد.

زمان اعمال این فشار در جدول 2-2 برای قطرهای مختلف ساچمه (و سایر عوامل) درج شده است.

پس از آن که فشار لازم ایجاد شد و دایره‌ی اثر روی نمونه بوجود‌ آمد، جهت حرکت الکتروموتور را عوض می کنیم تا نیروی وزنه قطع شود.

اکنون می توانیم گیره‌ی متحرک را بطور ورانه بگردانیم و سندان را پایین بیاوریم.

نمونه که دایره‌ی اثر روی آن ایجاد شده است، برای اندازه گیری و تعیین قطر d توسط میکروسکوپ میکرومتر آماده است.

معمولاً دستگاههای آزمایش سختی برینل جداولی بصورت ضمیمه (پلاک) دارند.

به کمک این جدول‌ها و اندازه قطر دایره‌ی اثر به سهولت و به سرعت عدد سختی برینل معلوم می شود(بدون استفاده از فرمول و محاسبه).

عملیات حرارتی بازپخت: (anealing) این عملیات را برای از بین بردن اثر سخت‌کاری اصلاح ساختار داخلی افزایش قابلیت ماشین‌کاری افزایش قابلیت شکل‌پذیری حذف تنش‌های داخلی همگن کردن ساختار داخلی که عبارت است از گرم کردن قطعه تا درجه حرارتی معین نگهداری در این درجه حرارت (همانند سخت‌کاری) و سپس سرد کردن آرام (سرد کردن در داخل کوره).

بازپخت حین عملیات شکل دادن: در موقع شکل دادن فلزات از جمله فولاد سخت می‌شوند و برای انجام بهتر عملیات شکل دادن این بازپخت انجام می‌شود عبارت است از حرارت دادن قطعه تا درجه حرارتی نزدیک AC1 حدود 700 درجه و سپس سرد کردن آرام).

بازپخت کروی کردن سمنت: این بازپخت برای افزایش قابلیت ماشین‌کاری انجام می‌شود و عبارت است از حرارت دادن قطعه تا نزدیک AC1 حدود 700، نگهداری به مدت طولانی در این درجه حرارت و سپس سرد کردن آرام.

در اثر این عملیات سمنت ساختار داخلی از شکل لایه‌ای به صورت کروی درامده و در نتیجه قابلیت ماشی‌کاری یا براده‌برداری افزایش می‌یابد.

بازپخت ایزوترم با منقطع: معمولا در فولادهای آلیاژی کم کردن زمان بازپخت از این روش استفاده می‌شود.

در این عملیات ابتدا قطعه را مانند بازپخت کامل حرارت داده و سپس از نگه‌داری ابتدا تا 600 درجه سانتی‌گراد آن را سرد می‌کنیم (به وسیله انتقال به کوره دیگر و یا در هوا) در 600 مدتی نگه داشته تا تتغییرات ساختاری انجام شود سپس آن را از کوره در آورده و در هوا تا دمای محیط سرد می‌کنیم مزیت این نوع بازپخت این است که زمان عملیات کاهش می‌یابد.

بازپخت ناقص: این نوع بازپخت نیز برای افزایش قابلیت ماشین‌کاری سردی قطعات انجام می‌شود و عبارت است از حرارت دادن قطعه تا درجه حرارتی بین AC1 و AC3 .نگهداری در این درجه حرارت و سپس سرد کردن آرام.

بازپخت همگن کردن ساختار داخلی: این بازپخت برای همگن کردن ساختار داخلی قطعات تولید شده از روش ریخته‌گری انجام می‌شود.

به این ترتیب که قطعه فولادی را به میزان 150 تا 250 درجه بالای AC3 و یا ACM حرارت دادن و پس از نگه‌داری آن را به آرامی سرد می‌کنیم.

علت بالا بودن درجه حرارت در این عملیات این است که فقط در این درجه حرارت‌های بالا عملیات نفوذ اتمها یا (دیفوزیون).

انجام می‌شود.

عملیات حرارتی نرمال کردن Normalizing: این عملیات برای طبیعی کردن و اصلاح ساختار داخلی برای قطعات فولادی انجام می‌شود و علارت است: 1- حرارت دادن قطعه تا درجه حرارتی به میزان 50 تا 60 درجه سانتی‌گراد بالای AC3 یا ACM نگهداری در این درجه حرارت و سپس سرد کردن در هوا.