جستجو در تالارهای گفتگو

تاثير عناصر ميكرو آلياژي Ti-V-Nbدر فولاد های مدرن در سالهاي اخير افزودن عناصر ميكروآلياژي ( Microalloy elements ) به فولاد از اهميت خاصي برخوردار شده و به عنوان يك ويژگي فولادهاي مدرن در آمده است. باگسترش استفاده از فولادهاي جديد، مصرف عناصر ميكروآلياژي نيز رو به افزايش گذاشته است. واژه “ ميكرو آلياژي ” به مفهوم آن است كه اين عناصر در فولاد به حد بسيار كم و معمولا كمتر از 0.1 درصد وزني وجود دارند. برخلاف عناصر جزيي ( Trace ) كه معمولا ناخواسته و گاه مضر هستند، عناصر ميكروآلياژي به عمد با هدف بهبود خواص به فولاد اضافه مي شوند. بين عناصر آلياژي ( Alloy elements ) و عناصر ميكروآلياژي تفاوتهاي روشني وجود دارد : از لحاظ حد افزودن آنها به فولاد و نيز اثرات متالورزژيكي متفاوت. در حالي كه عناصر آلياژي عمدتا بر زمينه ( Matrix ) فولاد تاثير مي گذارند، عناصر ميكروآلياژي تقريبا همواره از طريق رسوب يك فاز ثانوي ( Second Phase Precipitation ) ريز ساختار ( Microstructure ) فولاد را تغيير مي دهند. در فولادهاي مدرن، الزاماتي كه در جوش پذيري ( weldability ) ، شكل پذيري ( Formability ) و چقرمگي شكست ( Fracture Toughness ) مطرح است نياز به حد بسيار كم آخالهاي غير فلزي ( Non – Metallic Inclusions ) اعم از اكسيدي و سولفيدي و ترجيحا شكل كروي هر نوع آخال باقيمانده را ضروري ساخته است. از همين رو مقدار اكسيژن و گوگرد بايد بسيار پايين باشد. اكسيژن زدايي با آلومينيوم نيز يك عمليات استاندارد براي حذف اكسيدها از فولاد مذاب است. آلومينيوم باقيمانده پس از انجماد فولاد - كه به عنوان آلومينا تركيب شده است. نيتريدهاي آلومينيوم را تشكيل مي دهد. اثر ريزدانه سازي و تصفيه دانه هاي Grain Refining اين رسوبات ميكروآلياژي بيش از 50 سال است كه شناخته شده است. ضمنا تاثير افزودن ساير عناصر ميكروآلياژ نظير كلسيم يا عناصر نادر زميني ( Rare Earth ) بر كنترل شكل سولفيدها نيز كاملا مطالعه شده است. مقايسه تاثير عناصر ميكرو آلياژي: اولين طبقه بندي تاثير عناصر مختلف بر اساس مشاهده موقعيت آنها در جدول تناوبي عناصر ميسر است. عناصر موجود در رديف 4 تا 6 جدول تناوبی (گروههاي IVA تا VIA ) به دليل داشتن نقطه ذوب بالا غالبا به عنوان “ فلزات ديرگداز ” Refractory Metals شناخته مي شوند. علاوه بر نقطه ذوب بالا، تمايل اين عناصر به تشكيل نيتريد و كاربيد بسيار زياد است. اين تمايل از سمت راست بالا به گوشه پايين سمت چپ جدول افزايش مي يابد و تمايل به تشكيل نيتريدها بيشتر از كاربيد است. علاوه بر آن، عناصر گروه Hf, Zr, Ti ) IVA ) تمايل زيادي به تشكيل اكسيد و سولفيد دارند. به عبارت ديگر، عناصر گروه W, Mo, Cr VIA نسبت به گروه IVA تمايل كمتري به تشكيل تركيبات غير فلزي نشان مي دهند. كاربيدهاي عناصر اين گروه داراي ساختار بلوري هگزآگونال يا ارتورومبيك هستند. اين ساختارها در مقايسه با ساختار مكعبي FCC عناصر گروههاي IVA و Taو Nb, V VA كه پيوستگي بهتري با ساختار مكعبي زمينه فولاد دارند و خواص مناسبتري از فولاد را بدست مي دهند، چندان مطلوب نيستند. ذرات رسوبي كه بر شدت به ريز ساختار فولاد اثر مي گذارند، در طي عمليات حرارتي يا كار گرم شكل مي گيرند. بدين جهت لازم است عناصر ميكرو آلياژي از ابتدا در محلول جامد ( Solid Solution ) وجود داشته باشند. نشانه امكان پذير بودن اين كار اختلاف اندازه اتم آن عنصر در مقايسه با اتم آهن است. در مورد عناصر كاربيدزا ونيتريدزاي قوي مثل زيركونيم و هافنيم، به دليل اختلاف زياد اندازه اتم اين عناصر در مقايسه با اتم آهن، اغلب در فولاد غير محلول هستند و لذا بر ساختار فولاد تاثيري نمي گذارند. تيتانيوم، واناديم و نايوبيم بهترين عناصر ميكروآلياژي تشكيل دهنده كاربو – نيتريد هستند. محصول انحلال: شرايط تعادلي و تشكيل تركيبات غير فلزي بوسيله محصول انحلال ( Solubility Product ) آنها تشريح مي شود : تيتانيوم تمايل شديدي به تشكيل اكسيد، سولفيد، نيتريد و كاربيد دارد. حتي نيتريد تيتانيوم با توجه به سطح معمولي مقدار نيتروژن در فولاد قبل يا در حين انجماد تشكيل مي شود. اين ذرات كه قبلا در فولاد مذاب شكل گرفته اند مي توانند به درون سرباره توزيع شوند و تاثيري بر خواص مذاب نداشته باشند. در غير اين صورت، بدليل دماي بالاي تشكيل آنها، نسبتا بزرگ خواهند بود و به عنوان آخال در نظر گرفته مي شوند كه اثر مخربي بر انعطاف پذيري فولاد خواهد داشت. بزرگ بودن اندازه ذرات، توانايي تصفيه ريز ساختار را از بين مي برد. گرچه تشكيل Tin , Tio با كاهش اكسيژن و نيتروژن آزاد - كه عناصر مضري براي چقرمگي فولاد محسوب مي شوند – اثر مثبتي بر خواص فولاد دارد. به عنوان نمونه، نيتروژن آزاد ( Nf ) دماي انتقال ضربه ( FATT ) را به صورت زير كاهش مي دهد D FATT = 700 Nf اين بدان معناست كه حدود ppm 30 نيتروژن آزاد، 380 درجه یانتیگراد دماي انتقال ضربه Impact Transition را كاهش مي دهد. كاهش مقدار اكسيژن، نيتروژن يا تيتانيوم، دماي تشكيل Tio يا Tin را كاهش داده، باعث پديد آمدن دانه هاي ريزتر رسوب مي شود. در نهايت، ذرات توزيع شده و پايدار قادر به كنترل اندازه دانه آستنيت خواهند بود و اين امر مي تواند در طي مرحله پيشگرم ( Preheating ) در فرايند نورد گرم ( Hot Rolling ) و تصفيه دانه هاي درشت منطقه متاثر از جوش ( HAZ ) در طي جوشكاري مورد استفاده قرار گيرد. پس از انجماد در دماهاي كمتر، تيتانيوم با گوگرد واكنش كرده و سولفيد يا كربو سولفيد تشكيل مي دهد. مقدار منگنز نيز تاثير بسيار شديدي به تشكيل هر نوع فاز سولفيد تيتانيوم دارد. از آنجا كه تركيب كربو – سولفيد تيتانيوم در دماهاي تغيير شكل گرم سختي بيشتري از سولفيد منگنز دارد، بطور موفقيت آميزي براي كنترل شكل سولفيد بكار مي رود. اگر تيتانيوم كافي در دسترس باشد، تشكيل كاربيد تيتانيوم در منطقه پاييني آستينت يا بعد از تحول ( Transformation ) آستنيت به فريت اتفاق مي افتد. به علاوه، تشكيل سولفيد تيتانيوم در فريت نيز ممكن است. از آنجا كه نيتريد تيتانيوم در دماهاي بالا تشكيل مي گردد و عملا در آستنيت حل نمي شود، اثر چنين تركيب پايداري در كنترل اندازه دانه – در دماهايي كه قبلا بحث شد – نمود پيدا مي كند. به عبارت ديگر، نيتريد و كاربيد واناديم تقريبا كاملا در آستنيت حل مي شوند و لذا اثري روي كنترل اندازه دانه آستنيت ندارند. تركيبات واناديم تنها در طي يا بعد از تحول آستنيت به فريت رسوب خواهند كرد. رسوبات در دماهاي كم شكل مي گيرند و بسيار ريز هستند و بنابر اين به افزايش استحكام توسط سختي رسوبي ( Precipitation Hardening ) مي انجامند. محصول انحلال براي كاربيد تيتانيوم و نيتريد و كاربيد نايوبيم بين اين محدوده ها قرار مي گيرند. اين تركيبات مي تواند در منطقه بالايي آستنيت حل شوند و در دماهاي كمتر مجددا رسوب كنند. اگر يك فولاد نرماله شده با كربني حدود 0.15 درصد و دماي نرماله 900 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود، مي توان گفت تقريبا تمام نايوبيم به شكل ذرات Nbc وجود دارند. براي Tic نيز – با كمي انحلال بيشتر در آستنيت نسبت به Nbc – شرايط به همين گونه است. ايزوترم 1200 درجه سانتیگراد تصديق مي كند كه يك فولاد با كربن حدود 0.08 درصد - كه معمولا به عنوان فولادهاي كم كربن استحكام بالا HSLA بكار مي رود – نايوبيم را تا حداکثر0.8درصد يا تيتانيوم را تا حداكثر 0.11 درصد در خود حل مي كند. اين مقدار عنصر ميكرو آلياژي در محلول جامد در آستنيت، اساس عمليات ترمومكانيكي است كه در آن تبلور مجدد آستنيت در طي نورد كند مي شود و به تعويق مي افتد ( Retardation ) . ايزوترم انحلال VN نشان مي دهد كه مقدار واناديم ميكروآلياژي كاملا در محلول جامد – حتي در مناطق پايين آستنيت - حل مي شود، بخصوص زماني كه تمايل بيشتر آلومينيوم به نيتروژن نيز مورد توجه قرار گيرد. تاثير كند سازي عناصر ميكرو آلياژي: شرايط انحلال – همانگونه كه توسط محصولات انحلال توضيح داده شد – تقريبا در طي عمليات حرارتي نظير پيشگرم كردن قبل از فرآيندهاي شكل دادن گرم بدست مي آيد. عناصر ميكرو آلياژي در محلول جامد در فولاد، تمامي فرآيندهايي را كه توسط نفوذ (Diffusion ) كنترل مي شوند كند مي سازند. اين تاثير با بزرگتر شدن اختلاف اندازه اتم هر عنصر نسبت به اتم آهن قويتر مي شود. نايوبيم مؤثرترين عنصر ميكروآلياژي در اين زمينه است. فرآيند كند سازي از راههاي زير به تصفيه دانه در طي نور، ترمومكانيكي كمك مي كند : 1 – جلوگيري از رشد دانه هاي ثانوي در طي گذشت زمان 2 – كند سازي شروع تبلور مجدد Recrystalization ، به عنوان مرحله ابتدايي كندسازي كامل توسط رسوبهاي كاربيد نايوبيم. در طي فرآيند نورد گرم، هيچگاه شرايط تعادلي حاصل نمي شود و بنابر اين مقدار كمي عناصر ميكروآلياژ در محلول جامد در دماهاي نهايي نورد – نسبت به آنكه از محاسبات محصول انحلال انتظار مي رود – بدست مي آيد. فرآيند ديگري كه توسط نفوذ كنترل مي شود و لذا عناصر ميكروآلياژي با كند سازي در آن تاثير مي گذارند تحول آسثبت به فريت است. اثر مثبت يا منفي كند سازي روي خواص مكانيكي به تركيب شيميايي فولاد بستگي دارد. افزايش سختي پذيري ( Hardenability ) ناشي از استحكام و چقرمگي بالاتر در فولاد است و ريز ساختار با بينيت كم كربن را به دليل تصفيه بعدي دانه هاي بينيت سوزني نشان مي دهد. به عبارت ديگر، وقتي بجاي ساختار فريتي – پرليتي، يك ساختار با مقدار زيادي بينيت دانه اي غني از كربن شكل مي گيرد، افزايش سختي پذيري اثر منفي روي چقرمگي مي گذارد. اين وضعيت پيچيده توسط اين حقيقت كه رسوبات كاربو – نيتريد اثر مثبت در پيشرفت تحول دارد پيچيده تر مي شود. ذرات NbC در 900 درجه سانتیگراد دماي پيشگرم، تشكيل فريت را به دليل تصفيه دانه آستنيت سرعت مي بخشند در دماي آستينيته 1250درجه سانتیگراد مقادير بيشتر از0.06 درصد نابوبيم حل خواهد شد و تشكيل فريت را به تعويق خواهند انداخت. دماي متوسط 1200 درجه سانتیگراد بخوبي نقش نايوبيم حل شده را – تا 0.03 درصد Nb - در مقابل اثر افزايش مقدار رسوبات باقيمانده با مقادير بيشتر نايوبيم را نشان مي دهد. كربو نيتريدها : تمامي نيتريدها و كاربيدهاي تيتانيوم، واناديم و نايوبيم ساختار fcc دارند و كاملا در يكديگر حل مي شوند. بنابر اين كربو نيتريدهاي آنها ممكن است به شكل پيچيده اي ظاهر شوند. در فولادهاي ميكرو آلياژ، كه تركيبات اغلب در مرحله جامد فولاد تشكيل مي شود، چگالي اهميت كمتري دارد. اما در موادي كه مقدار عناصر آلياژي بيشتر مي شود، مثلا نظير فولادهاي ابزار يا چدنهاي مقاوم در برابر سايش، كاربيدهاي اوليه به صورت همگن تنها وقتي توزيع مي شوند كه وزن مخصوص نزديك وزن مخصوص فولاد مذاب باشد. در اين حالت خاص، افزودن تركيب نايوبيم و واناديم، تشكيل كمپلكس كاربيد ( Nb + V ) را با وزن مخصوص حدود g/Cm3 7 تسريع مي كند. پارامتر شبكه اين رسوبات اثر مستقيم بر امكان افزايش استحكام توسط سختي رسوبي دارد. اثر ديگر كربو – نيتريدها يعني تصفيه اندازه دانه و در نتيجه بهبود همزمان استحكام و چقرمگي نيز قبلا بحث شد. جوانه زني (Nucleation ) رسوبات بسته به فوق اشباع دارد كه با كاهش دما افزايش مي يابد. جوانه زني بر سرعت نفوذ عناصر واكنش نيز مؤثر است و با كاهش دما كاهش مي يابد. بنابر اين نمودار زمان – دما – جوانه زني در يك دماي مشخص و با زمان كمتر معمولا از قانون سهمي تبعيت مي كند. در اين زمينه، جوانه زني در مرزهاي دانه قبل از جوانه زني در نابجاييها ( Dislocations ) و مخصوصا قبل از جوانه زني غير همگن در خود زمينه اتفاق مي افتد. سرعت واكنش رسوب گذاري تابع مراحل معمولي فرآيند يعني جوانه زني، رسوب گذاري و كامل شدن ذرات رسوب است. افزايش استحكام به مقدار رسوبات و نيز اندازه دانه ذرات بستگي دارد. ذرات بسيار مؤثري براي فرآيند سختي رسوبي تقريبا 2-1 نانومتر قطر دارند. تاثير چنين ذرات ريزي پيوستگي Coherent با زمينه فولاد است. اين ذرات معمولا در طي و يا بعد از تحول آستنيت به فريت در فاز فريت تشكيل مي شوند. در دماي بالاتر و سرعت خنك كاري كمتر، كربو – نيتريدها تمايل به رشد و ناپيوسته شدن از زمينه فولاد دارند. مكانيزم متالورژيكي سختي رسوبي از تغيير شكل پلاستيك – توسط برش ذرات – به حلقه نابجايي – بدون ذرات – تغيير مي كند. چنين ذرات فوق پير شده ( overaged ) به دليل طبيعت ناپيوسته آنها و هم اندازه بزرگتر ذره، اثر كمتري در افزايش استحكام دارند. دسته بندي عناصر ميكروآلياژي به پارامتر شبكه كربو نيتريدهاي آنان بستگي دارد. بنابر اين اثر پراكندگي استحكام دهي در مورد نايوبيم با نصف مقدار – در مقايسه با واناديم – اتفاق مي افتد. گرچه اثر برجسته نايوبيم توسط تمايل آن به تشكيل ذرات در آستنيت محدود مي شود و اين تمايل با تغيير شكل همزمان تشديد مي شود. بنابر اين اثر مهم استحكام دهي رسوبي توسط Nbc تنها مي تواند در فولادهاي كم كربن يا بعد از دماهاي بالاي كار گرم مورد استفاده باشد. به عبارت ديگر، مقادير زياد تركيبات واناديم حل شده در آستنيت، براي سختي رسوبي وسيع در فريت در دسترس هستند. در فولادي كه تركيبي از عناصر ميكروآلياژ Nb, V, Ti در آن وجود دارد، محدوده وسيعي از تركيبات با تنوع در ابعاد و تركيب شيميايي مي تواند مشاهده شود، بنابر اين ذرات نيز در طي فرآيندهاي فولاد تغيير مي كند. اينك يك موقعيت فرضي تشريح مي شود : در شرايط ريختگي، ذرات TiN ، 3-1 ميكرون قطر دارند و جز در منطقه اطراف قالب (Rim) كه اغلب از لحاظ Nb و V غني تر است به سختي در طي پيشگرم حل مي شوند. معمولا ساير ذرات، حتي با بزرگي دندريت تا 500 نانومتر كه ترجيحا در فاز آستنيت يا مرز دانه هاي آستنيت يافت مي شود، به اين دليل كه در طي پيشگرم براي نورد گرم مجددا حل مي شوند در محصول نهايي مشاهده نمي شوند. بعد از نورد گرم،ذرات CN وNb تا قطر حدود 20 نانومتر در كنار TiN مشاهده مي شود. اين ذرات عمدتا هنگامي كه كرنش (Strain ) ، ذرات را به نابجاييها مي راند تشكيل مي شوند. لذا كربو نيتريدهاي ريز كمتر از 3 نانومتر فراوان هستند و در طي يا بعد از تحول آستنيت به فريت پديد مي آيند. با در نظر گرفتن نسبت كربن به نيتروژن فولاد، كه بر نسبت كربن به نيتروژن تركيبات اثر مي گذارد، بر پيچيدگي تركيبات مختلف افزوده مي شود. به عنوان مثال، در يكي از فولادها مقدار تيتانيوم براي تثبيت نيتروژن كافي است. واضح است كه افزودن اين حد كم از ‍Ti، سبب تشكيل نيتريد تيتانيوم مي شود و تشكيل تقريبا تمامي كاربيد نايوبيم خالص را بجاي كربو نيتريد نايوبيم – معمولا براي فولادهاي بدون تيتانيوم – تشديد مي كند. از آنجا كه NbC حلاليت بالاتري از Nb و CN نشان مي دهد مي توان به دماي كمتر پيشگرم براي بدست آوردن مقدار مورد نظر نايوبيم در محلول تكيه كرد. متقابلا با نگهداري دماي پيشگري، مقادير بيشتري نايوبيم مي تواند حل شود و بطور موفقيت آميزي براي كند كردن تبلور مجدد در دماهاي بالاتر نورد مورد استفاده قرار گيرد. اين امر “ فرآيند دماي بالا ” High Tempreture Process ناميده مي شود. هم حلاليت بالاتر و هم افزايش دماي فرآيند اين امكان را فراهم مي سازد كه در دماي پايين نورد، مقادير بيشتري نايوبيم در محلول جامد وجود داشته باشد كه در نتيجه مي تواند براي استحكام دهي بعدي توسط سختي رسوبي ور فريت استفاده شود. خلاصه و نتيجه گيري : Nb, V, Ti به عنوان عناصر ميكروآلياژي بسيار مؤثر در فولاد شناخته مي شوند و بر ريز ساختار فولاد هم از طريق كندسازي فرآيندها و هم تشكيل كاربيدها و نيتريدها اثر مي گذارند. از آنجا كه محصول انحلال و خواص فيزيكي هر يك از عناصر و تركيبات مختلف است، مشخصه هاي مختلفي وجود خواهد داشت كه مزاياي خاصي را براي هر يك از اين عناصر به دنبال دارد : تيتانيوم : Ti نيتريد تشكيل مي دهد كه در دماهاي بالاتر پايدار است. نيتريدهاي تيتانيوم، در مرحله پيشگرم قبل از كار گرم و نيز در فرآيند جوشكاري – بخصوص در منطقه متاثر از جوش ( HAZ ) نزديك به مرز ذوب – كنترل اندازه دانه آستنيت را فراهم مي آورند. حذف نيتروژن آزاد به دليل تشكيل TiN براي چقرمگي مثبت است و بطور غير مستقيم نايوبيم را مؤثرتر مي سازد. لذا اثر تيتانيوم روي كنترل شكل سولفيد عمدتا هنگامي استفاده مي شود كه توليد فولاد با گوگرد پايين استاندارد نيست. واناديم : V تقريبا هيچ رسوب آستنيتي تشكيل نمي دهد و به وفور براي سختي رسوبي در طي و يا بعد از تحول آستنيتبه فريت مورد استفاده است. حتي اگر بازده مخصوص تركيبات واناديم كاملا كم باشد جزء حجمي زياد رسوبات ريز – بخصوص در فولادهايي با كربن نسبتا زياد – اين نقيصه را جبران مي كند. نايوبيم: Nb مؤثرترين عنصر ميكروآلياژي براي تصفيه دانه توسط كنترل اندازه دانه در طي فرآيند پيشگرم جهت عمليات حرارتي نظير نرماله، سريع سرد كردن ( Quench ) يا كربن دهي ( Carburizing ) به شمار مي رود. هم چنين در كند سازي تبلور مجدد در طي آستنيته كردن از طريق نورد ترمومكانيكي ناشي از تصفيه دانه بسيار شاخص است. ساير اثرات برجسته نايوبيم نظير كاهش دماي تحول آستنيت به فريت توسط اثر كندسازي و يا پتانسيل مؤثر سختي رسوبي، به دليل حلاليت محدود نايوبيم در آستنيت تنها تا حد مشخصي مي تواند مورد استفاده باشد. بنابر اين راه حل بهينه براي دستيابي به خواص مطلوب در فولادها، استفاده تركيبي از عناصر ميكروآلياژي است. Reference : Characteristic Features of Ti.Vand Nb as Microalloy additions to Steel, Niobium Information,No.17,1998. اين مقاله در نشريه صنعت خودرو شماره ۵۲، ارديبهشت ماه ۱۳۸۱ به چاپ رسيده است.