پاسخ : کاربرد انواع مختلف فولاد
مده‌ترين صادركنندگان و واردكنندگان فولاد
با توجه به آمار ارايه شده براي سال 2001 ميلادي، ژاپن و روسيه به ترتيب با صادرات 5,29 و 6,25 ميليون تن، بزرگ ترين صادركننده فولاد جهان بودند؛ درحالي كه كشورهاي آمريكا و چين به ترتيب با واردات 8,27 و 6,25 ميليون تن، عنوان بزرگ ترين واردكنندگان فولاد در جهان را به خود اختصاص دادند. جالب تر اينكه در اين سال، چين به عنوان بزرگ ترين توليدكننده جهان با 9,150 ميليون تن و آمريكا به عنوان سومين توليدكننده جهاني فولاد با توليدي معادل 1,90 ميليون تن در سال معرفي شده بودند. اين امر بيان گر اين موضوع است كه در سال 2001، اگرچه چين و آمريكا جزو بزرگ ترين توليدكنندگان فولاد بوده اند، ولي حتي به اندازه مصرف داخلي كشورهاي خود نيز محصولات فولادي توليد نكرده بودند.
در اين بين اطلاع از وضعيت كشور ايران نيز خواندني و جالب توجه است. ايران در سال 2001 توانست 9,6 ميليون تن فولاد توليد كند كه از اين مقدار تنها 600 هزارتن آن را به كشورهاي ديگر صادر نمود؛ اين درحالي است كه ايران با واردات 7,4 ميليون تن فولاد رتبه 17 جهاني واردكنندگان فولاد را در اين سال به خود اختصاص داد. البته در حال حاضر ايران توانسته است سقف صادرات فولاد خود را به حدود 5,1 ميليون تن در سال برساند.
جايگاه فولاد ايران در خاورميانه
با توجه به آمار موجود، در سال 2002، از ميان كشورهاي خاورميانه ايران با توليد 3,7 ميليون تن و عربستان سعودي با توليد 6,3 ميليون تن فولاد خام، مهم ترين توليدكنندگان هستند و اين درحالي است كه مجموع توليد ساير كشورهاي خاورميانه درحدود 3,1 ميليون تن است.
نكته جالب ديگر در مورد كشورهاي خاورميانه، درصد توليد و مصرف جهاني فولاد در اين كشورهاست. در سال 2002، كشورهاي خاورميانه تنها موفق به توليد 2,1 درصد از فولاد جهان شده بودند و اين در حالي است كه مصرف حدود 2 درصد فولاد جهان براي اين كشورها گزارش شده است. اين امر مي تواند به عنوان يك مزيت براي صنعت فولاد ايران مطرح باشد به اين صورت كه در كشورهاي همسايه ايران، فولاد زيادي توليد نمي شود ضمن اينكه اين كشورها از بازار مصرف نسبتاً خوبي نيز برخوردار هستند. بنابراين براي محصولات فولادي كشور مي-توان يك بازار مصرف بسيار مناسب در كشورهايي مثل عراق، بحرين، افغانستان، پاكستان و حتي تركمنستان، آذربايجان و ارمنستان پيش-بيني كرد.
توليدات چدن در ايران و جهان
درسال 2002 ميلادي كشورهاي چين، ژاپن و روسيه به ترتيب با توليد 7,170 و 81 و 2,46 ميليون تن چدن بزرگ ترين توليدكنندگان اين محصول بودند. ايران در اين سال 2,2 ميليون تن چدن توليد نمود كه تمام اين مقدار در كشور مصرف شد و در اين زمينه صادرات و وارداتي صورت نگرفت.
اشتغال زايي صنعت فولاد
از ديرباز يكي از جنبه‌هاي مهم صنايع فولادي در جهان،اشتغالزايي اين صنعت بوده است به گونه‌اي كه در اين صنعت، نيروي كار زيادي به طور مستقيم و غيرمستقيم به كار گرفته مي‌شده‌اند؛ اما بررسي‌هاي صورت گرفته از كاهش 65 درصدي نيروي كار در صنعت فولاد جهان بين سال هاي 1974 تا 2000 ميلادي خبر مي دهند كه علت آن را مي‌توان جايگزيني تكنولوژي‌هاي جديد نظير ريخته‌گري مداوم و همچنين فرآيندهاي كنترل كامپيوتري در اين صنعت دانست.
البته لازم به ذكر است كه نيروي كار به كار گرفته شده در صنعت فولاد كشور، با كشورهاي پيشرفته و صنعتي بسيار متفاوت است؛ به‌طوريكه در اين كشورها براي توليد هر ميليون تن فولاد به طور مستقيم در حدود 1500 نفر نيروي كار لازم است ولي در ايران، براي توليد يك ميليون تن فولاد به نيروي كار مستقيمي در حدود 4 الي 5 هزار نفر نياز است كه در حدود 3 برابر آمار جهاني كشورهاي پيشرفته است.
کاربرد فولاد در قالب‌هاي تزريق پلاستيک
انتخاب نوع فولاد نقش مؤثري در عمر، عملکرد و هزينه قالب دارد. در اين جا به نقش فولاد در قالب سازي، تأثير عناصر آلياژي در فولاد، دسته بندي فولادها، فولادهاي اجزاي قالب و فولادهاي مورداستفاده براي محفظه قالب هاي پلاستيک (کروکويته) مي پردازيم.
نقش فولاد در قالب سازي
نمودار زير، نشانگر هزينه طراحي، مواد، ماشينکاري، مونتاژ، سود و سربار قالب است و نشان مي دهد که حدود 28 درصد هزينه کل قالب مربوط به مواد است و اين مقدار با توجه به شکل هندسي و پيچيدگي قطعه، تغيير خواهد کرد.
چنانچه در شکل ملاحظه مي شود بيشتر هزينه هاي توليد، توسط قالب به-صورت غير مستقيم وابسته به فولاد است که با عدم انتخاب فولاد مناسب، باعث تحميل هزينه هاي اضافي به قالب شود.
خصوصيات قطعه که براي ساخت قالب و انتخاب فولاد مربوطه مؤثر است عبارتند از:
• صافي سطح
• گرين کاري
• خورنده بودن يا ساينده بودن جنس قطعه
• دقت ابعادي
• تيراژ توليدي
• زمان ساخت
جنس قطعات پلاستيکي متنوع است و با توجه به خواص مختلف مواد و به فولادهاي متفاوت براي ساخت قالب، نياز است. در زير برخي ازانواع پلاستيک هاو خصوصيات فولادهاي مناسب براي آنها ارائه شده است.
PC(Poly Carbonate),PMMA(Polymethyl Methacrylate Acrylic) - :
معمولاً براي لنز هاي چراغ استفاده مي شوند و فولاد مورداستفاده مي-بايست خاصيت پوليش پذيري خوب و مقاوم در مقابل خش و اکسيد شدن را دارا باشد باتوجه به‌اينکه PC خاصيت جريان پذيري خوبي ندارد و ماده سختي است، فولاد مورداستفاده براي پليمر فوق بايد تنش تسليم بالا و چقرمگي خوبي داشته باشد.
- POM (Polyoxymethylene), PA(Nylon):
دماي تزريق اين مواد نسبتاً بالا است و براي بست ها و کليپ ها، استفاده مي شود. با توجه به حساسيت هاي ابعادي اين نوع قطعات، فولاد اين قالب ها مي بايست سخت و مقاوم در مقابل سايش باشد.
- PA(Naylon)+GF:
با توجه به سايندگي الياف شيشه، فولاد بايد مقاوم به سايش باشد.
-PP(Polypropylene):
اين نوع پليمر، براي قطعات سپر و گل پخش‌کن استفاده مي شود. با توجه به حجم قطعه بايد فولاد مربوطه، داراي ثبات ابعادي مناسب، مقاوم در مقابل تنش هاي فشاري و داراي قابليت ماشينکاري خوبي بوده و خواص مکانيکي آن يکنواخت باشد.
- PP(Polypropylene), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene):
براي قطعات تزييني خودرو استفاده مي شود که معمولاً سطح اينگونه قطعات چرمي کاري (گرين) هستند و فولاد قالب مي بايست خاصيت خوبي براي عمليات چرمي کاري (اسيدکاري يا گرين) داشته باشد.
- PVC (Polyvinyl Chloride):
اين پليمر به علت آزادسازي گاز کلر و ترکيب آن با آب موجود در هوا،اسيدکلريک توليد مي کند و باعث خوردگي قالب مي شود. بنابراين استفاده از فولادهاي مقاوم در مقابل خورندگي براي قالب هاي فوق پيشنهاد مي‌شود.
با عدم انتخاب فولاد صحيح، عمر قالب کوتاه مي شود و قطعه توليدي کيفيت مطلوب را نخواهدداشت که منجر به ساخت مجدد قالب و هزينه هاي اضافي مي شود.
خواص فولاد
استحکام فولاد پارامتر کلي کيفيت است که براي سنجش آن بايد معيارهاي گوناگون مکانيکي خواص وجود داشته باشد. اين معيارها در ادامه، ارائه شده است .
خصوصيات مکانيکي فولادها
- تنش تسليم (Yield Stress) : ميزان تنش کششي که در آن قططه شروع به تغيير شکل پلاستيک مي کند.
- چکشخواري(Ductility Brittleness): قابليت شکل پذيري ماده درحالت پلاستيک را بدون خطر شکست، چکشخواري مي گويند.
- خزش (creep): مدت زماني که طول مي کشد که قطعه اي، تحت تنش کششي تغيير شکل دائم، داشته باشد.
-چقرمگي(Toughness): مقدار کار لازم براي شکستن واحد حجم ماده است.
- سختي(Hardness): مقاومت در مقابل فرو رفتن مواد ديگر در سطح قطعه را سختي يا مقاومت در مقابل خراش مي گويند.
- استحکام در دماي بالا: خواص مکانيکي قطعه نبايد با افزايش دما تغيير محسوسي کند.
خصوصياتي از فولاد كه در قالب هاي پلاستيک در نظر گرفته مي شود و با توجه به انتظارات ما از هر کدام از آنها، نوع فولاد انتخاب مي-شود.
• قابليت ماشينکاري
• قابليت پوليشکاري
• عمليات حرارتي
• عمليات به‌سازي سطح
• مقاوم در برابر سايش
• مقاوم در مقابل خوردگي
• مقاوم در مقابل تنش هاي فشاري
• قابليت جوشکاري
• چقرمگي
فولادهاي قالب هاي پلاستيک
فولادهاي قالب هاي پلاستيک با توجه به چقرمگي آنها (نوع عمليات حرارتي) در گروه هاي زير به بازار عرضه مي شوند:
پيش سخت شده (Pre Hardened)
آنيل(Annealed)
پير سخت شونده(Age Hardening)
فولادهاي پيش سخت شده (Pre Hardened):
اين فولادها به‌صورت سخت کاري شده و باز پخت شده به بازار ارائه مي شوند و مستقيماً مي توان نقش قالب را روي آنها اجرا و بهره برداري کرد.
مزاياي اين فولادها
- کوتاه شدن فرايند هاي ساخت: اين فولاد، در فرايند بهره برداري، قبلاً سخت کاري شده و نيازي به عمليات حرارتي و فرايند ماشين کاري بعد از آن را ندارد.
- عدم ايجاد ترک هاي ريز در اثر عمليات حرارتي: معمولاًٌ فولادها بعد از عمليات حرارتي در اثر شوک هاي حرارتي تابيده و در سطح آنها ترک هاي ريزي به‌وجود مي آيد. نظر به اينکه اين گونه فولادها پيش از عرضه به بازار توسط توليد کننده فولاد سختکاري شده اند و بعد از فرايندهاي ماشينکاري نيازي به‌عمليات حرارتي ندارند، ترک هاي ريز و پسماند تنش هاي حرارتي در فولاد، وجود نخواهد داشت و طول عمر آن بالاتر خواهدبود.
معايب اين فولادها
- زمان ماشين کاري اين فولادها با توجه به سختي آنها بيشتر از فولادهاي آنيل شده است.
- با توجه به اينکه سختي اينگونه فولادها به‌تدريج از سطح به عمق کم مي شود، قالب هايي که توسط اينگونه فولادها تهيه مي شوند داراي سختي يکنواخت نيستند.
- براي رزين هايي که بسيار ساينده يا داراي دماي پروسه بسيار بالا هستند، مناسب نيستند.
فولادهاي پير سخت شونده(Age Hardening)
سختي اين فولادها شبيه فولادهاي پيش سخت شده است که براي افزايش سختي آن مي توان فولاد را عمليات حرارتي کرد.
باتوجه به‌اينکه دماي گرم شدن آن به‌هنگام عمليات حرارتي حدود 500 الي 600 درجه سانتيگراد است، فولاد دچار تابيدگي يا ترک هاي سطحي نمي شود و مي توان آن را بدون فرايندهاي جانبي، استفاده کرد.
ثبات ابعادي اينگونه فولادها در طولاني مدت خوب است.
مراحل بهره برداري از فولاد
ماشينکاري نيمه نهايي يا نهايي
عمليات حرارتي
ماشينکاري نهايي چنانچه مورد نياز باشد
مراحل فرايندهاي بهره برداري اينگونه فولادها بيشتر از پيش سخت شده است.
فولادهاي آنيل
اين فولادها به‌صورت آنيل شده به بازار ارائه مي شوند.
مراحل بهره برداري از فولاد
ماشينکاري اوليه
عمليات حرارتي
ماشينکاري نهايي
مزاياي اين فولادها
باتوجه به‌اينکه بعد از ماشينکاري روي فولاد، عمليات حرارتي بر روي آن انجام مي‌شود، برخلاف فولادهاي پيش سخت شده سطح محفظه قالب داراي سختي و خصوصيات مکانيکي يکنواختي خواهدبود. به‌دليل آنيل‌بودن فولاد در هنگام ماشينکاري، زمان اين فرايند کوتاه تر مي شود.
مقاوم بودن نسبت به سايش و چقرمگي
معايب
بعد از عمليات حرارتي احتمال ايجاد ترک هاي ريز در سطح قطعه و تابيدگي آن وجود دارد که پس از آن با عمليات ماشينکاري نهايي از بين مي رود. اين موضوع باعث طولاني تر شدن فرايندهاي ساخت قالب مي-شود.
فولادهای ماریجینگ ( 18 % Ni)
یكی از نیازهای اساسی صنایع پیشرفته احتیاج به موادی با قابلیت اطمینان بالا از استحكام و تافنس شكست می باشد . در این راستا محققان زیادی فولادهای استحكام بالای مختلفی را گسترش داده اند ؛ كه در این میان تنها فولادهای ماریجینگ توانسته اند به هر دو نیاز صنایع پیشرفته پاسخ گویند . مهمترین كاربرد این فولاد ها در صنایع نظامی ، هوافضا ، اجزاء الكترومكانیكی و ... است.
این فولادها كه تعلق به خانواده آلیاژهای پایه آهن دارند . ابتدا تحت پروسه استحاله مارتنزیت قرار می گیرند و سپس به وسیله پیری یا رسوب سختی دنبال می شوند . كه كلمه Maraging از دو كلمه Martensite و Aging گرفته شده است .
فولادهای ماریجینگ دارای 18 % Ni به دو كلاس گسترده تقسیم می شوند. كه بستگی به عناصر تقویت كننده در آنالیز شیمیایی آنها دارد . فولاد ماریجینگ اورجینال در اوایل 1960 معرفی شد ، كه كبالت به عنوان عنصر تقویت كننده و استحكام بخش ( 7-12% ) در فولاد ماریجینگ 18 % Ni بكار برده می شد . در اوایل دهه 70 كار بر روی این فولادها كمرنگ شد . كه دلیل آن افزایش قیمت كبالت بود كه منجر به نوع جدیدی از فولادهای ماریجینگ شد ، این دسته تیتانیوم را به عنوان عامل اصلی تقویت كننده به همراه داشتند. درجه تقویت كبالت یا " C-type 18 Ni Maraging " به وسیله حرف " C " در شناسائی این كلاس انتخاب می شود ؛ همچنین درجه استحكام تیتانیوم یا " T-type 18 Ni Maraging " را با حرف " T " نشان می دهند.
این دو نوع فولاد با توجه به میزان استحكام آنها به 200 ، 250، 300، 350 درجه پیری طبقه بندی می شوند و به طور C-200 و T-200 آنها را نمایش می دهند . استحكام دهی به وسیله رسوب دهی آسان اجزاء فلزی در حین عملیات پیر سازی صورت می گیرد . كه این رسوب سختی به واسطه عناصر آلیاژی همچون Co , Mo , Ti در مارتنزیت Fe-Ni با كربن بسیار كم 0.03% یا كمتر صورت می گیرد.
فولاد های ماریجینگ در شرایط آنیل محلول سازی تهیه می شوند پس دارای چقرمگی و نرمی نسبی ( 28 - 32 RC ) هستند . پس به سهولت شكل می گیرند و ماشین می شوند . خواص كامل آنها از طریق پیرسازی مارتنزیت بدست می آید .
خصوصیات فولادهای ماریجینگ :
الف ) خواص مكانیكی عالی :
1-استحكام نهایی و استحكام تسلیم بالا
2-تافنس ، داكتیلیتی و مقاومت به ضربه بالا در مقایسه با فولاد كوئنچ و تمپر شده با استحكام مشابه
3-استحكام خستگی زیاد
4-استحكام فشاری بالا
5-سختی و مقاومت به سایش كافی برای بعضی از ابزار های كاربردی
ب) خصوصیات عملیات حرارتی :
1-دمای مورد نیاز برای كوره پایین است
2-رسوب سختی و عملیات حرارتی پیری
3-انقباض یكنواخت و قابل پیش بینی در طول عملیات حرارتی
4-حداقل اعوجاج در طول عملیات حرارتی
5-سخت شدن بدون كوئنچ كردن
6-درصد پایین كربن ، كه جلوگیری از مشكل دكربوره شدن می كند.
ج) كارپذیری عالی
1-ماشینكاری آسان
2-مقاومت بالا در برابر انتشار ترك
3-شكل پذیری آسان در حالت سرد ، گرم و داغ
4-قابلیت جوشكاری خوب به خاطر درصد پایین كربن
5-مقاومت به خوردگی خوب كه نرخ خوردگی آن در حدود نصف فولادهای كوئنچ و تمپر شده است
این فاكتورها نشان می دهد كه فولادهای ماریجینگ در كاربردهایی مثل شفت ها و اجزایی كه تحت خستگی ضربه ای همچون كلاچ ها و چكش ها بهترین استفاده را دارد.
تولید و فرآوری فولادهای ماریجینگ
روش متداول برای تولید فولادهای ماریجینگ به ترتیب زیر است :
1-ذوب و ریخته گری
2-همگن سازی
3-آهنگری و نورد گرم
4-آنیل معمولی
5-پیر سازی
در فولادهای ماریجینگ رسیدن به استحكام و تافنس بالا مستلزم كنترل دقیق ریزساختار می باشد. از طرف دیگر چون آخال های موجود در زمینه این نوع فولادها تاثیر منفی شدیدی بر روی تافنس شكست دارند. باید تركیب ، ابعاد و توزیع آخال ها كنترل گردد. در این نوع فولادها به علت زیاد بودن عناصر آلیاژی جدایش شدید این عناصر در حین انجماد وجود دارد كه این جدایش تاثیر زیادی بر روی كاهش قابلیت آهنگری ، نورد گرم و .. خواهد داشت . پس لازم است كه شرایط انجمادی مناسب به صورت كنترل شده و سریع برای فولادها مهیا گردد. برای تهیه این فولادها از روش ذوب چند مرحله ای استفاده می شود. روش استاندارد برای تهیه فولادهای ماریجینگ استفاده از روش ذوب تحت خلاء دو مرحله ای می باشد كه در آن ابتدا به روش ذوب القائی تحت خلاء آلیاژ سازی صورت گرفته و سپس شمش تهیه شده به روش ذوب مجدد قوسی تحت خلاء الیاژ سازی صورت گرفته و سپس شمش تهیه شده به روش ذوب مجدد قوسی تحت خلا تصفیه می گردد.
عملیات حرارتی همگن كردن نیز به منظور افزایش قابلیت شكل پذیری شمش ها صورت می گیرد . همگن سازی فولاد ماریجینگ در 1250 c0 به مدت 2 الی 3 ساعت انجام می گیرد و به دنبال آن فولاد تحت كار مكانیكی گرم قرار گرفته و یا اینكه سریع سرد می گردد. این فولادها تحت انواع كارهای مكانیكی از قبیل آهنگری ، نورد ، اكستروژن گرم قرار می گیرند . بعد از مراحل فوق فولادهای ماریجینگ تحت عملیات آستنیته و سپس پیری قرار می گیرند.
عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ
فولادهای ماریجنینگ فولادهای پر آلیاژ-کم کربن-آهن ونیکل باساختار مارتنزیتی هستند که دارای ترکیبی عالی از استحکام وتافنسی به مراتب بالاتر از فولادهای پر کربن کوینچ شده می باشند.
این فولادها دو کاربرد بحرانی ومتمایز فولادهای کربن آبداده که استحکام بالا وتافنس وانعطاف پذیری خوب مورد نیاز است را دارا میباشد . فولادهای کربنی آبداده استحکامشان را از مکانیسمهای تغییر فاز وسخت گردانی بدست میآورند. ( مثل شکل گیری مارتنزیت و بینیت ) واین استحکام پس از رسوب گیری کاربیدها در طول مدت تمپر کردن بدست می آید. درمقایسه فولادهای ماریجینگ استحکامشان را از شکل گیری یک فولاد مارتنزیتی کم کربن انعطاف پذیرو سخت آهن ونیکل بدست می آورند که می توانند بوسیله رسوب گیری ترکیبات بین فلزی در طول مدت پیرسختی استحکام بیشتری داشته باشند. دوره ماریجینگ بر اساس پیرسختی ساختار مارتنزیتی وضع شده است.
متالورژی فیزیکی:
قبلا اشاره شد که استحکام وتافنس خوب فولادهای ماریجینگ بوسیله پیر سختی یک ساختار مارتنزیتی کم کربن بسیار انعطاف پذیربا استحکام نسبتا خوب بدست میآید.در حین پیرسازی ساختار مارتنزیتی هدف اصل روش توزیع یکنواخت رسوبات بین فلزی خوب است که صرف تقویت کردن بافت مارتنزیتی می شود. یکی دیگر از هدفهای اصلی در مدت پیر سازی فولادهای ماریجینگ کم کردن یا حذف کردن برگشت فاز نیمه پایدارمارتنزیت به آستنیت و فریت می باشد .
شکل گیری مارتنزیت :
مارتنزیت فولادهای ماریجینگ معمولا مکعب مرکز دار (bcc ) کم کربن است که این مارتنزیت شامل چگالی بالای نابجایی می باشد اما نه به صورت دوقلویی. در حین سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی آستنینت fcc بوسیله بازگشت برشی کم نفوذ تجزیه به ساختارهای متعادل به ساختار bcc تبدیل میشود.این تبدیل آستنیت به مارتنزیت ناپایدار اتفاق نمی افتد تا دمای شروع مارتنزیت (Ms) بدست آید ودمای شروع مارتنزیت باید به اندازه کافی بالا باشد بنابراین یک تبدیل کامل به مارتنزیت قبل از خنک شدن فولاد تا دمای اتاق اتفاق می افتد.
بیشتر انواع فولادهای ماریجینگ دمای شروع مارتنزیت حدود 200 تا300 درجه سانتیگراد را دارند ودر دمای اتاق به طور کامل مارتنزیت هستند . نتیجه ساختار مارتنزیت یک فولاد نسبتا قوی و فوق العاده انعطاف پذیر میباشد .
عناصر آلیاژی دمای شروع مارتنزیت را بطور قابل ملاحظه ای تغییر می دهد اما تغییر مشخصه این استحاله به مقدار زیادی بستگی به سرعت سرد شدن دارد.
اغلب عناصرآلیاژی اضافه شده در فولادهای ماریجینگ (به استثناء کبالت ) درجه حرارت شروع مارتنزیت را کاهش می دهند.
یکی از دونوع ممکن مارتنزیت که در سیستم آلیاژی آهن- نیکل ممکن است شکل بگیرد بستگی به مقدار نیکل در ماده مورد سوال میباشد.در سرعتهای سرد کردن بالا در فولادهای شامل 5 تا 10 درصد نیکل ،و بیش از 10 درصد پایین آوردن سرعت سرد کردن، لازمه شکل گیری مارتنزیت در فولادها می انجامد وشکل گیری کامل ساختار مارتنزیتی را تعیین می کند.در فولادهای شامل 25 درصد نیکل ، مارتنزیت لایه ای وبالای 25 درصد مارتنزیت دو قلویی داریم .مطالعه برروی آلیاژهای مارجنیگ آهن – 7 درصد کبالت 5 درصد مولیبدن و4/. درصد تیتانیم در ( ماریجینگ 18 درصد نیکل 250 ) شامل مقادیر متفاوت نیکل نشان می دهد که یک ساختار مارتنزیتی لایه ای با مقادیر نیکل بیش از 23 درصد بدست می آید .
اگر چه مقادیر نیکل بیش از 23 درصد شکل گیری مارتنزیت دو قلویی را نتیجه داده است . معمولا یک ساختار مارتنزیتی لایه ای در فولادهای ماریجینگ ترجیح داده می شود زیرا در مدت پیر سازی این ساختار سخت تر از یک ساختار مارتنزیتی دو قلویی میباشد.
چگونگي انجام عملیات حرارتی فولادهای ماریجینگ:
تابکاری انحلالی : تابکاری انحلالی مستلزم حرارت دادن آلیاژی به اندازه کافی،بالای درجه حرارت پایان آستنیت و نگهداری در زمان کافی تا جا گیری عناصر در محلول جامد و سرد کردن آن تا دمای اتاق .متداول ترین سیکل عملیات حرارتی برای فولادهای ماریجینگ 18 درصد نیکل 200 ،250 300 درگیر کردن آلیاژهای در دمای 815 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت و سپس سرد کردن آن بوسیله هوا.تولید برای کاربردهای فورجینگ معمولا در حالت آنیل نشده خریداری می شود زیرا حرارت دادن سیکل تابکاری حرارتی قبلی را خنثی میکند .استفاده از خلا ، کنترل گردش هوای اتمسفر ، تمام نمک خنثی یا کوره های سیال تخت برای حداقل کردن صدمات سطحی ممکن است مورد نیاز باشد .
اثرزمان و درجه حرارت تابکاری بر خواص پیرسازی: اطلاعات نشان میدهد که بیشترین استحکام در دمای تابکاری انحلالی 800 تا815 درجه بوجود می آید. استحکام وانعطاف پذیری پایین تر با درجه حرارت تابکاری از 760 تا 800 درجه ناشی از انحلال ناقل عناصر سخت کننده میباشد و کاهش استحکام مربوط به درجه حرارت تابکاری انحلالی بالای 815 درجه ناشی از درشتی ساختار دانه ها میباشد. سرعت سرد شدن بعد از تابکاری انحلالی از اهمیت کمتری برخورداراست چون اثر کمتری بر خواص زیر ساختاری ومکانیکی دارد.
اصلاح دانه ها بوسیله سیکل حرارتی : سیکل حرارتی فولادهای ماریجینگ بین درجه حرارت پایان مارتنزیت و دمای بسیار بالاتر از دمای تابکاری انحلال می تواند برای اصلاح ساختار دانه هایی که درشت هستند استفاده شود.این عمل استحاله برشی کم نفوذ ، مارتنزیت به آستنیت واز آستنیت به مارتنزیت نیروی محرکه برای تبلور مجدد در حین سیکلهای حرارتی تامین میکند.
پیر سختی:
نوعی پیر سختی بعد از تابکاری انحلالی معمولا شامل حرارت دادن آلیاژ تا رنج دمایی 455 تا 510 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن در این دما به مدت 3 الی 12 ساعت وخنک کردن آن در معرض هوا تا دمای اتاق می باشد. استفاده از فولادهای ماریجینگ در کاربردهای مانند ابزارآلات دایکست لازم است استفاده از یک حرارت پیر سازی تقریبا 530 درجه سانتیگراد که ساختار متعادلی را فراهم می کند و از نظر حرارتی تثبیت شده است. هنگامی که زمان پیر سازی افزایش پیدا میکند تا جائیکه به نقطه ای می رسیم که سختی واستحکام شروع به کاهش میکند به علت شکل گیری بازگشت آستنیت که معمولا از ذرات ریز باندهای آستنیت دور دانه ای قبلی شروع میشود.
کار سرد وپیر سازی :
استحکام تسلیم واستحکام نهایی کششی فولادهای ماریجینگ می توانند بوسیله کار سرد قبل از پیر سازی تا 15 درصد افزایش پیدا کنند . بوسیله کار سرد قبل از تابکاری انحلالی ماده بالای 50 درصد کاهش قبل از پیر سازی ،نتیجه رسیده است .این سازگاری کمی با انعطاف پذیری وچغرمگی است .از کاهش سرما بیش از 50 درصد باید خوداری شود زیرا ممکن است که پوسته پوسته شدن تولیدات بوجود آید.
نیتریده کردن :
سختی سطح را می تواند بوسیله نیتریده کردن فولادهای ماریجینگ در آمونیاک بدست آید . سطح سختی معادل 65 تا70 راکول سی به عمق 15/0 میلیمتر بعد از نیتریده کردن به مدت 24 الی 48 ساعت در دمای 455 درجه سانتیگراد میتواند بدست آید. نیترده کردن در این دما می تواند همزمان با پیرسختی اتفاق بیافتد . حمام نمک نیتریده کردن برای 90 دقیقه در دمای 540 درجه سانتیگراد بخوبی می تواند این عمل را شکل بدهد اگر چه برای پرهیز از فوق پیر سازی شدن بیش از حد این عمل باید بخوبی کنترل شود. استحکام خستگی ومقاومت به سایش فولادهای ماریجینگ بوسیله نیتریده کردن بهبود پیدا می کنند.
پخت :
عملیاتی است برای حذف هیدروژن که در دمای پایین بین150 تا 200 درجه سانتیگراد قرارمیگیرد. تردی هیدروژن ممکن است در فولادهای ماریجینگ اتفاق بیافتد وقتی که در معرض کارهای الکترومکانیکی مثل آبکاری قرار میگیرد. حذف هیدروژن کار مشکلی است باید در یک سیکل عملیات حرارتی (پخت) بین 3تا 10 ساعت قرار بگیرد.
سند بلاست موثرترین روش برای حذف اکسید ناشی عملیات حرارتی است . فولادهای ماریجینگ را میتوان بوسیله مواد شیمیائی تمیز کننده مثل اسید شوئی در محلول اسید سولفوریک یا محلول اسید كلريدريك و اسيدنيتريك واسید هیدروفلوریک . اگر چه باید مراقب بود که بیش از حد اسید شوئی نشود
عملیات حرارتی كه روی این نوع فولادها انجام می گیرد عبارت است از عملیات محلول سازی در دمای بالاتر از 1000 C0 و نگهداری در این دما به مدت یك ساعت به منظور اینكه كاربیدهای آلیاژی كاملا حل شوند و ساختار 100% آستنیته تشكیل گردد.
به علت وجود عناصر آلیاژی منحنی TTT برای این فولاد به سمت راست حركت می كند. پس با سرد كردن این فولاد در هوا نیز ساختاری مارتنزیتی داریم كه مارتنزیت بدست آمده نرم بوده و قابلیت كار مكانیكی دارد. ساختار مارتنزیتی ایجاد شده را در 480-500 درجه تمپر می كنند. این تمپر كردن منجر به یك رسوب سختی قوی می گردد. رسوبات بین فلزی به واسطه مارتنزیت كه فوق اشباع از عناصر آلیاژی است صورت می گیرد . ساختار فولادهای ماریجینگ تجاری با حداكثر سختی می تواند شامل رسوبات كوهرنت از فاز نیمه پایدار Ni3Mo و Ni3Ti باشد. ذرات میان مرحله ای اینتر متالیك در فولاد ماریجینگ به شدت پراكنده هستند كه ناشی از رسوب آنها در نابجایی ها است . ساختار فولادهای ماریجینگ دارای دانسیته بالایی از نابجایی ها است . كه در چیدمان مجدد لتیس مارتنزیت ظاهر می شوند . در مارتنزیت دوقلویی نشده ، چگالی دیسلوكیشن ها 1011 - 1012 cm-2 است كه مشابه فلزات شدیدا كار سخت شده است.
این طور فرض می شود كه رسوب فازهای میان مرحله ای در هنگام تمپر كردن فولادهای ماریجینگ مقدم تر از جدایش اتم های اجزاء آلیاژی در دیسلوكیشن ها است . این اتمسفر شكل گرفته در دیسلوكیشن ها به عنوان مراكزی برای تمركز لایه های بعدی مارتنزیت كه با عناصر آلیاژی اشباع شده اند بكار می رود. در فولادهای ماریجینگ ساختار دیسلوكیشن ها كه در ضمن استحاله مارتنزیت شكل می گیرد . بسیار پایدار است . و در طی گرمادهی بعدی و در دمای بهینه تمپرینگ عملا بدون تغییر می ماند .
دانسیته بالای دیسلوكیشن ها در طی تمپرینگ ممكن است به علت فضای محسوس و پین شدن انها بوسیله تفرق رسوبات باشد . نگه داری زیاد در یك دمای تمپر بالا ( بیشتر یا 550 C0 ) می تواند رسوبات را درشت و فضای میان ذره ای را افزایش دهد . كه بر خلاف آن از دانسیته دیسلوكیشن ها كاسته می شود . با زمان نگه داری بالا رسوبات سمی كوهرنت اینتر متالیك با رسوبات درشت اینكوهرنت از فازهای پایداری چون Fe2Mo یا Fe2Ni جایگزین می شوند. در دمای افزایش یافته تمپرینگ ؛ فولادهای ماریجینگ ممكن است متحمل استحاله معكوس مارتنزیت شوند . به طور كلی می توان گفت كه خصوصیات استحكامی این نوع از فولاد ها بعد از یك نرمی به سوی ماكزیمم افزایش پیدا می كند . سختی موثر به علت شكل گیری جدایش در دیسلوكیشن ها و شكل گیری رسوبات كوهرنت از فازهای میانی همچون Ni3Ti و Ni3Mo است . دلیل نرم شدن را نیز می توان گفت كه به علت جایگزینی رسوبات پراكنده كه فضای میان ذره ای زیادی دارند و استحاله معكوس مارتنزیت است.
استفاده از کامپوزیت‌ها به جای فولاد
استفاده از مصالح جدید و به خصوص کامپوزیت‌ها به جای فولاد در دهة اخیر در دنیا به شدت مورد علاقه بوده است. کامپوزیت‌ها از یک مادة چسباننده (اکثراً اپوکسی) و مقدار مناسبی الیاف تشکیل یافته است. این الیاف ممکن است از نوع کربن، شیشه، آرامید و ... باشند، که کامپوزیت حاصله به ترتیب، به نام AFRP, GFRP, CFRP خوانده میشود. مهمترین حسن کامپوزیت‌ها، مقاومت بسیار عالی آنها در مقابل خوردگی است. به همین دلیل کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن‌آرمه به جای میلگردهای فولادی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است لازم به ذکر است که خوردگی میلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان یک مسئلة بسیار جدی تلقی می‌گردد. تاکنون بسیاری از سازه‌های بتن‌آرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، کلرورها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب جدی گردیده‌اند، چنانچه فولاد به کار رفته در بتن تحت تنش‌های بالاتر در شرایط بارهای سرویس قرار گیرند، این مسئله به مراتب بحرانی‌تر خواهد بود. یک سازة بتن‌آرمة معمولی که به میلگردهای فولادی مسلح است، چنانچه در زمان طولانی در مجاورت عوامل خورنده نظیر نمک‌ها، اسیدها و کلرورها قرار میگیرد، قسمتی از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادی که در داخل بتن زنگ می‌زند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوستة بتن می‌گردد.
تاکنون تکنیک‌هایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن‌آرمه توسعه داده شده و به کار رفته است که در این ارتباط میتوان به پوشش میلگردها توسط اپوکسی، تزریق پلیمر به سطح بتن و یا حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود هر یک از این روش‌ها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینه‌ها موفق بوده‌اند. به همین جهت به منظور حذف کامل خوردگی میلگردها، توجه محققین و متخصصین بتن‌آرمه به حذف کامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. در همین راستا کامپوزیت‌های FRP )پلاستیک‌های مسلح به الیاف) از آنجا که به شدت در محیط‌های نمکی و قلیایی در مقابل خوردگی مقاوم هستند، موضوع تحقیقات گستردهای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.
لازم به ذکر است که اگر چه مزیت اصلی میلگردهای از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت‌های FRP نظیر مقاومت کششی بسیار زیاد (تا ۷ برابر فولاد)، مدول الاستیسیتة قابل قبول، وزن کم ، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن، مجموعه‌ای از خواص مطلوب را تشکیل میدهد که به جذابیت کاربرد FRP در بتن‌آرمه افزوده‌اند. اگر چه بعضی از مشکلات نظیر مشکلات مربوط به خم کردن آنها و نیز رفتار کاملاً خطی آنها تا نقطة شکست، مشکلاتی از نظر کاربرد آنها فراهم نموده‌اند که امروزه موضوع تحقیقات گستردهای به عنوان یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن‌آرمه، به خصوص در سازه‌های ساحلی و دریایی گردیده‌اند.
با توجه به آنچه که ذکر شد ، بسیار به جاست که در ارتباط با کاربرد کامپوزیت‌های FRP در بتن سازه‌های ساحلی و دریایی مناطق جنوبی ایران و به خصوص منطقة خلیج‌فارس، تحقیقات گستردهای صورت پذیرد. در همین راستا مناسب است که تحقیقات مناسبی بر انواع کامپوزیت‌های FRP(AFRP, CFRP, GFRP) و میزان مناسب بودن آنها برای سازه‌های دریایی که در منطقة خلیج‌فارس احداث شده است، صورت پذیرد. این تحقیقات شامل پژوهش‌های گستردة تئوریک بر رفتار سازه‌های بتن‌آرمة متداول در مناطق دریایی (به شرط آنکه با کامپوزیت‌های FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همین ارتباط لازم است کارهای تجربی مناسبی نیز بر رفتار خمشی، کششی و فشاری قطعات بتن‌آرمة مسلح به کامپوزیت‌های FRP صورت پذیرد.
لازم به ذکر است که چنین تحقیقاتی در ۱۰ سال اخیر در دنیا صورت گرفته که نتیجة این تحقیقات منجمله آئین‌نامة ACI-۴۴۰ است که در چند سال اخیر انتشار یافته است. با این وجود کامپوزیت‌های FRP در ایران کماکان ناشناخته باقی مانده است و به خصوص کاربرد آنها در بتن‌آرمه در سازه‌های ساحلی و دریایی کاملاً دور از چشم متخصصین و مهندسین ایرانی بوده است. تحقیقاتی که در این ارتباط صورت خواهد گرفت، میتواند منجر به تهیة دستورالعمل و یا حتی آئین‌نامه‌ای جهت کاربرد FRP در بتن‌آرمه به عنوان یک جسم مقاوم در مقابل خوردگی در سازه‌های بندری و دریایی ایران گردد. این حرکت میتواند فرهنگ کاربرد این مادة جدید در بتن‌آرمة ایران را بنیان گذارد و از طرفی منجر به صرفه‌جویی میلیاردها ریال سرمایه‌ای شود که متأسفانه همه ساله در سازه‌های بتن‌آرمة احداث شده در مناطق جنوبی ایران (به خصوص در مناطق بندری و دریایی)، به جهت خوردگی میلگردها و تخریب و انهدام سازة بتنی، به‌هدر می‌رود.
مآخذ :
http://www.worldsteel.org
http://www.uneptie.org/
http://www.rahyarbamin.com
http://www.netiran.com/
http://www.key-to-steel.com/
http://www.bamehrgan.com/
http://www.sanatekhodro.com/
http://steel-institute.ir/
http://www.infosanat.com
http://metallurg.mihanblog.com
آفتاب
دانشنامهٔ رشد
مراجع:
گلعذار، محمدعلی - عملیات حرارتی فولادها - انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان- ۱۳۸۳
• M. S. Andrade, O. A. Gomes, J. M. C. Vilela, A. T. L. Serrano and J. M. D. de Moraes, Formability Evaluation of Two Austenitic Stainless Steels, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Science & Engineering, 24, 47-50 2004.
• A. Westgren and G. Phragmen, X-ray studies on the crystal structure of steel, Journal of Iron Institute, 105, 241-262, 1922.
• H. K. D. H. Bhadeshia, Bainite in Steels, 2nd Edition, Institute of Materials, Woodhead Pub Ltd, 2001, ISBN 1861251122
• Zenji NISHIYAMA, Atsuo KORE'EDA and Ken'ichi SHIMIZU, Morphology of the Pearlite Examined by the Direct Observation Method of Electron Microscopy, Journal of Electron Microscopy, 7, 41-47, 1959.
• V. B. Spiridonov, Yu. A. Skakov and V. N. Iordanskii, Microstructure of martensite in chromium-nickel steel, Metal Science and Heat Treatment, 6, 630-632, 1964. doi:10.1007/BF00648705
• . The family of steels for plastic moulding- LUCCHINI SIDERMER -MECCANICA- June 2005
• . Tool steels for the plastics industry-Edelstahlwerke Buderus AG-2007
• . Plastic mould steels-FLETCHER EASYSTEEL-2007
• . Steels for plastic moulding-EDELSTAHL WITTEN- KREFELD GMBH-2007
• . Plastic mould steels- BOHLER-11.2003
• . Plastic mould steels- ESCHMANN STAHL-2007
• . Table of plastic steels properties- ASSAB-2008
/خ
پاسخ : کاربرد انواع مختلف فولاد
