عملیات حرارتی فولادها

[ghasem motamedi]

حرارت دادن و سرد کردن فلزات طبق شرایط دمایی و زمانی مشخص بمنظور افزایش برخی خواص فیزیکی و یا مکانیکی در فلز را عملیات حرارتی گویند.

عملیات حرارتی فولاد ها:

در فولاد ها از عملیات حرارتی معمولا برای ایجاد تغییرات زیر استفاده می شود:

1.بهبود انعطاف پذیری
2.افزایش سختی
3.افزایش چکش خواری
4.بهبود قابلیت ماشین کاری شدن
5.ریز کردن ساختار دانه ها
6.حذف باقی مانده تنش ها
7.افزایش مقاومت سایشی

در مطلب زیر به برخی ازفرآیند های مختلف عملیات حرارتی اشاره شده است.


1.آنیل کردن - Annealing

آنیل کردن برای افزایش انعطاف پذیری و کاهش سختی انجام می شود.
ساختار نهایی معمولا پرلیتِ خشن می باشد.
سیکل عملیات حرارتی عبارت است از حرارت دادن در محدوده حرارتی آنیل کردن و سرد کردن به یکی از دو صورت زیر:

الف.قرار دادن قطعه در کوره و در دمای "آستنیته کردن" و سپس خاموش کردن کوره تا قطعه به آرامی سرد شود.

ب.سرد کردن از دمای "آستنیته کردن" تا دمای زیر 723 درجه سانتیگراد جهت تشکیل "پرلیت" و سپس سرد کردن تا دمای اتاق.


2.نرماله کردن - Normalizing

هدف افزایش سختی قطعه و یکنواخت کردن نسبی ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی است.
ساختار معمولا شامل "پرلیت ظریف" می باشد. سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن در محدوده حرارتیِ نرماله کردن و سپس سرد کردن در هوا می باشد.


3.سخت کردن - Hardening

هدف افزایش سختی و در نتیجه کاهش انعطاف پذیری است.
در این روش بیشترین سختی و استحکام در مقایسه با روش های دیگر بدست می آید. سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن در محدوده سخت کردن (معمولا منطبق بر محدوده آنیل کردن) و سپس سرد کردن سریع در آب و یا روغن می باشد.
ساختار نهایی شامل "بِینیت" و یا "مارتنزیت" و یا مخلوطی از این دو است. هر چه کربن فولاد بیشتر باشد احتمال گرفتن مارتنزیت بیشتر است و با سرعت های سرد کردن کمتری می توان آن را بدست آورد.
هر چه کربن فولاد بیشتر باشد مارتنزیت خشن تر و درشت تر خواهد بود که به آن مارتنزیتِ بشقابی نیز گفته می شود. هر چه درصد کربن کمتر باشد مارتنزیت ریزتر و ظریف تر می باشد که به مارتنزیتِ پَرشکل معروف است.


4.تنش گیری - Stress Relief

هدف حذف تنش های ایجاد شده در اثر کار سرد صورت گرفت روی فولاد می باشد.
سیکل عملیات حرارتی شامل حرارت دادن در محدوده حرارتیِ 500+50 و 500-50 درجه سانتیگراد و سپس سرد کردن آهسته می باشد.

[ghasem motamedi]

فرایندهای عملیاتی حرارتی

عملیات حرارتی، فرایند گرم كردن و سرد كردن فلزی جامد برای رسیدن به خواص مطلوب و دلخواه می‌باشد. دلایلی كه باعث انجام عملیات حرارتی می‌شوند به شرح زیر است:
- تنش‌زدایی، تنش‌های ناشی از عملیات و فرایندهای تولید
- ریز كردن دانه‌بندی
- افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به‌وجود آوردن مركز نرم‌تر در داخل قطعه
- بهبود خواص فولاد به منظور اقتصادی كردن جایگزینی بعضی از انواع ارزان‌تر فولاد به جای انواع گران آن
- افزایش جذب انرژی ضربه فولاد
- بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار
- بهبود خواص الكتریكی
- تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی

در این مقاله فرایندهای عملیات حرارتی به اختصار معرفی خواهند شد.
● فرایندهای عملیات حرارتی

۱) نرمالایزینگ
این عملیات برای همگن كردن و ریز كردن دانه‌ها انجام می‌شود. فولاد در عملیات نرمالایزینگ بعد از قرار گرفتن در دمای آستنیته شدن در هوای آرام یا با دمش اندك هوا خنك می‌شود. به خاطر خصوصیات ذاتی فرایند ریخته‌گری، عملیات نرماله برای بلوم‌های ریخته شده پیش از انجام هر فرایند دیگری انجام می‌شود. همچنین به‌طور معمول برای قطعات ریخته شده و فورج شده پیش از عملیات آب دادن، عملیات نرماله انجام می‌شود.

۲) آنیلینگ
عنوان آنیلینگ به‌طور كلی به فرایندی اطلاق می‌شود كه در آن فلز تا دمای خاصی گرم می‌شود، سپس در آن دما برای مدتی نگهداری شده و با سرعت مشخص سرد می‌شود. این عملیات برای به دست آوردن فلزی نرم‌تر از حالت شروع عملیات یا ایجاد تغییرات دلخواه در ساختار فلز انجام می‌شود.
دلایل انجام آنیلینگ به شرح زیر است:
- بهبود قابلیت ماشینكاری
- امكان انجام راحت‌تر عملیات كار سرد
- بهبود خواص مكانیكی یا الكتریكی
- افزایش پایداری ابعادی

۳) تنش‌زدایی
تنش پس‌ماند به دلایل مختلف در قطعات ایجاد می‌شود. نورد، ریخته‌گری، آهنگری، خمكاری، آب دادن، سنگ زدن و جوشكاری از جمله منابع ایجاد تنش پس‌ماند در قطعه می‌باشند. در این عملیات، قطعه تا دمای حدود c۵۹۵ حرارت داده می‌شود و سپس به آرامی تا دمای اتاق سرد می‌شود. قسمت‌های درون قطعه نیز باید به دمای مذكور رسیده باشند. در هنگام سرد كردن به این نكته توجه كنید كه تمام نقاط قطعه به‌طور یكنواخت سرد شود خصوصاً در مورد قطعاتی كه پیچیدگی ابعادی دارند. در غیر این صورت مجدداً تنش پس ماند در قطعه ایجاد خواهد شد.

۴) سخت‌كاری سطحی
در این عملیات سطح سخت و با مقاومت بالای سایشی بر روی قطعه ایجاد می‌شود و در عین حال ساختار داخلی قطعه نرم باقی می‌‌ماند كه در برابر ضربه كاملاً مقاومت دارد. سطح سخت شده به عنوان پوسته (Case) و داخل قطعه با عنوان مغز (Core) شناخته می‌شود. معمولاً بعد از عملیات سخت‌كاری سطحی باید عملیات برگشت برای بهبود خواص پوسته انجام شود. یكی از روش‌های سخت‌كاری سطحی، كربوراسیون است. این روش به ۳ صورت كربوره گازی، كربوره مذاب و كربوره جامد انجام می‌شود. در هر روش كربن از محیط اطراف قطعه كه گاز، مذاب یا جامدات است به داخل سطح فولاد كه در دمای حدود ۸۵۰ تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد قرار دارد نفوذ كرده و بعد از انجام عملیات آب دادن با ایجاد فاز سخت مارتنزیت باعث افزایش سختی سطح قطعه می‌شود. فولاد مناسب برای انجام عملیات كربوره در حدود ۲/۰ درصد كربن دارد و بعد از انجام عملیات كربوره، میزان كربن در سطح به مقدار ۸/۰ تا ۱ درصد خواهد رسید.

۵) آب دادن
اصطلاح آب دادن به فرایند ایجاد ساختار مارتنزیتی در فولاد اطلاق می‌شود. در این حالت فولاد بعد از قرار گرفتن در دمای آستنیته كه معمولاً در حدود ۸۱۵ تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد می‌باشد به سرعت سرد می‌شود.

۶) محیط خنك‌كننده
انتخاب شرایط سرد شدن و محیط مناسب برای هر فولاد بستگی به میزان سختی‌پذیری آن دارد. ضخامت مقاطع و شكل و پیچیدگی قطعه و سرعت مناسب سرد شدن از عوامل مؤثر بر ایجاد ساختارهای متفاوت در حین عملیات آب دادن می‌باشند. محیط‌های خنك‌كننده غالباً گازی یا مایع می‌باشند. بعضی از انواع آن عبارتند از:
- روغن
- آب
- پلیمرهای مذاب
- آب به تنهایی یا همراه با نمك
- گازهای خنثی نظیر هلیم، آرگون و نیتروژن كه به عنوان محیط‌های خنك‌كننده گازی بعد از عملیات آستنیته كردن در خلاء، استفاده می‌شوند.

۷) بازگشت دادن
این عملیات بر روی فولادها یا قطعاتی كه تحت عملیات آب دادن یا نرمالایزینگ قرار گرفته‌اند به منظور افزایش چقرمگی۸ و كاهش سختی انجام می‌شود. عملیات بازگشت برای اغلب فولادها با حرارت دادن آنها در محدوده دمایی ۲۰۵ تا ۵۹۵ درجه سانتیگراد و نگه داشتن در آن دما برای مدت یك ساعت یا بیشتر انجام می‌شود. دما یا زمان بیشتر باعث كاهش سختی و استحكام بیشتر فولاد خواهد شد. ساختار ایجاد شده بعد از عملیات بازگشت در فولاد به عنوان مارتنزیت برگردانیده شده یا Temperd Martensit شناخته می‌شود.

[ghasem motamedi]

مقدمه:
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.
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.

[ghasem motamedi]

عملیات حرارتی فولاد­ها
1- تنش زدایی
تنش زدایی عملیات حرارتی است که برای کاهش تنش های پس ماند در سطح مطلوبی در فولاد ها اجرا می شود ، طوری که قطعه یا مجموعه مونتاژی وظایف خود را بدون تغییر شکل غیر مجاز ، ترک خوردن در طی عملیات حرارتی یا فرآوری، و یا از کار افتادگی در حین کار در پایین تر از تنش های طراحی انجام دهد. این عملیات برای اصلاح اساسی ریز ساختار یا نیل به خواص مکانیکی مطلوب به کار نمی رود.
تنش زدایی عبارت است از حرارت دان فولاد تا دمای مناسب و کمتر از محدوده تغییرات ، ماندن در این دما در دوره زمانی مشخص، و سپس سرد کردن آهسته (معمولا در هوای آرام ) تا دمای محیط برای به حداقل رساندن تنش های پس ماند مجدد. معمولا مقاطع سنگین قبل از سرد کردن در هوای آرام تا دمای محیط، تا دمای یا کمتر در کوره سرد می شوند.

2- تابکاری
2 -1- همگن سازی
همگن سازی عملیات حرارتی است که در آن جسم در دمای بالا به مدت طولانی نگه داشته می شود و به کمک فرآیند نفوذ ، نا خالصی شیمیایی در شمش ها و ریختگی ها کاهش داده می شود. این عملیات نه تنها قابلیت کار گرم را بهبود می بخشد،بلکه پاسخ یکنواخت تری را در طی عملیات حرارتی بعدی فراهم می سازد.همگن سازی عبارت است از حرارت دادن سریع شمش ها یا ریختگی ها تا دمای ، نگه داشتن در این دما برای حدود 8-6h و سپس سرد کردن آهسته تا دمای محیط. در فولاد پس از همگن سازی، ریز ساختار درشت دانه ایجاد می شود که با کار گرم بعدی شمش ها یا تابکاری کامل یا یکنواخت سازی ریختگی ها حذف می گردد .
2-2- تابکاری کامل
تابکاری کامل عملیات حرارتی است که اساسا در فولادهای هیپراوتکتوئید برای ایجاد ریز ساختار فریت-پرلیتی با استحکام و سختی کم و انعطاف پذیری زیاد و به منظور بهبود خواص شکل پذیری سرد یا قابلیت ماشین کاری به کار می رود. گاهی تابکاری کاملی در فولاد های هیپراوتکتوئید برای شکست شبکه های پیوسته کاربید از طریق هم جوشی ذرات مجزای کاربید به کار می رود.
تابکاری کامل عبارت است از حرارت دادن فولاد تا بیش از دمای A­C3­ در فولادهای هیپراوتکتوئید و یا بیش از دمای A­C3 برای فولاد های هیپراوتکتوئید ، نگه داشتن در این دما تا یکنواخت شدن دمای تمام مقطع ، سپس سرد کردن در کوره با نرخ کنترل شده در محدوده تغییرات بحرانی و در ادامه سرد کردن تا دمای محیط در هوای آرام .
2-3- تابکاری هم دما
تابکاری هم دما عملیات حرارتی است که معمولا به منظور کاهش مدت عملیات تابکاری و ایجاد ریز ساختار همگن تر جایگزین تابکاری کامل می گردد. اصولا این عملیات بر روی فولادهای غیر آلیاژی و کم کربن و با کربن متوسط به کار می ورد و نتیجه آن ایجاد ریز ساختار درشت فریت – پرلیتی بدون باینیت برای بهبود قابلیت ماشین کاری است.
تابکاری هم دما عبارت است از آستنیت سازی ، سرد کردن سریع تا دمای کمتر از Ar1 ( معمولا کمتر از Ar1 ) ، و نگه داشتن در این دما تا اینکه تغییرات آستنیت به پرلیت و فریت کامل شود. سرد کردن نهایی تا دمای محیط ، معمولا در هوای آرام است.
2-4- کروی سازی
کروی سازی عملیات حرارتی است که برای ایجاد ریز ساختار ذرات کروی کاربید که به طور یکنواخت در زمینه فریت پراکنده هستند، به کار می رود و نتیجه آن بهبود شکل پذیری سرد فولادهای کم کربن و با کربن متوسط، و قابلیت ماشین کاری فولادهای پر کربن مانند فولادهای ابزار می باشد. کروی سازی را با یکی از روشهای زیر می توان انجام داد :
الف- نگهداشتن طولانی مدت در دمای کمتر از Ae1 .
ب- حرارت دادن و سرد کردن متناوب بین دماهای بیش از Ac1 و کمتر از Ar1 . تعداد سیکل های مورد نیاز برای کروی سازی موثر میتواند 4 مرتبه باشد .
ج- حرارت دادن تا دمای بیش از AC1 و سپس سرد کردن خیلی آهسته در کوره تا کمتر از Ar1 و نگه داشتن در زمان طولانی در آن دما .
2-5- فرآیند تابکاری
فرآیند تابکاری عملیات حرارتی است که در فولادهای کار سرد برای برگرداندن انعطاف پذیری و آسان شدن تغییر شکل سرد بعدی و در فولادهای آلیاژی و پر کربن کار گرم برای جلوگیری از ترک برداشتن و نرم کردن آنها برای برش ، رو تراشی و صافکاری به کار می رود .
فرآیند تابکاری عبارت است از حرارت دادن فولاد تا دمای کمتر از Ae1 ( معمولا کمتر از Ae1 ) ، نگه داشتن در این دما در مدت مناسب بر حسب میزان نرم کردن مورد نیاز ، و سپس سرد کردن در هوای آرام تا دمای محیط.
2-6- تابکاری نرم
تابکاری نرم عملیات حرارتی است که برا ی کاهش سختی فولاد به مقدار مورد نظر و بهبود قابلیت ماشین کاری به کار می رود .
تابکاری نرم عبارت است از حرارت دادن فولاد تا دمای کمتر از Ae1 ( معمولا بین و ) ، نگه داشتن در این دما در مدت مناسب بر حسب میزان نرم کردن مورد نیاز ، و سپس سرد کردن در هوای آرام تا دمای محیط .
2-7- تابکاری انحلالی
تابکاری انحلالی عملیات حرارتی است که در فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای حل شدن کاربیدهای مرزدانه ای و برگرداندن مقاومت خوردگی عادی به کار می رود .
تابکاری انحلالی عبارت است از حرارت دان فولاد زنگ نزن آستنیتی تا دمای نگهداشتن در این دما برای مدت زمان کافی تا حل شدن کاربیدها و همگن شدن آستنیت ، و سپس سرد کردن سریع ( معمولا در آب یا هوا ) تا دمای محیط ، برای اجتناب از رسوب شدن مجدد کاربیدهای مرزدانه .
3- یکنواخت سازی
یکنواخت سازی عملیات حرارتی است که برای ایجاد شرایط زیر به کار می رود :
ریز ساختار ریز و یکنواخت ، خواص مکانیکی مناسب ( برای مثال فولاد یکنواخت شده دارای استحکام و سختی بیشتر و انعطاف پذیری نسبتا کمتر از فولاد کاملا تابکاری شده می باشد ) بهبود قابلیت ماشین کاری فولادهای غیر آلیاژی دارای 4/0- 5/0 درصد کربن ، حذف شبکه های کاربید در فولادهای هیپراوتکتوئید و تامین شرایط عملیات حرارتی بعدی .
4- سخت کاری با آب دهی
سخت کاری با آب دهی ، عملیات حرارتی است که شامل آستنیت سازی و سپس سرد کردن است، طوری که تغییرات کامل یا نسبی آستنیت با مارتنزیت و احتمالا باینیت صورت پذیرد. فولاد پس از آب دهی سخت، با استحکام بالا و ترد است. سخت کاری با آب دهی فورا با برگشت دهی ادامه می یابد و منظور ایجاد ترکیب مناسبی از استحکام ، سختی و چغرمگی می باشد .معمولا محیط آب دهی ، آب ، روغن یا محلول پلیمری است. بعضی از فولادها با سختی پذیری بالا در هوای تحت فشار یا حتی در هوای آرام آب دهی می شوند . سخت کاری با آب دهی فورا با برگشت دهی در دمای خاص برای حداقل h1 ادامه می یابد .
5- برگشت دهی ( بازپخت )
برگشت دهی عملیات حرارتی است که پس از آب دهی یا یکنواخت سازی به کار می رود و هدف از آن کاهش تنشهای پس ماند ناشی از سرد کردن و تغییرات ونیز افزایش انعطاف پذیری و چقرمگی و تنظیم استحکام در سطح مطلوب می باشد. عموما برگشت دهی منجر به کاهش سختی می شود اما در بعضی از موارد می تواند باعث افزایش سختی ثانویه نیز شود .
در برگشت دهی فولادهای نیکل _ کرم ، کروم ­_ واندادیم ، کروم­ _ منگنز ، برای جلوگیری از تردی برگشت دهی از محدوده بحرانی بین 350و 550 درجه سلسیوس باید پرهیز شود اگر برگشت دهی در دمایی بیش از این محدوده بحرانی انجام شود باید برای جلوگیری از تردی برگشت دهی ، سرد کردن سریع از طریق مثلا آب دهی در روغن تا این محدوده دمایی صورت پذیرد . در بعضی موارد در فولادهای یاتاقانی و فولادهای ابزار به منظور حذف آستنیت باقیمانده ، بهبود پایداری ابعادی ، افزایش استحکام تسلیم و چقرمگی بدون کاهش سختی ، برگشت دهی چندگانه استفاده می شود .
6- مارتمپرینگ
مارتمپرینگ عملیات حرارتی است که به منظور کاهش احتمال ترک برداشتن و تغییر شکل به جای سخت کاری با آب دهی به کار می رود .
مارتمپرینگ عبارت است از آستنیت سازی ، و سپس آب دهی ( معمولا در روغن داغ یا نمک مذاب ) در سرعت مناسب برای جلوگیری از تشکیل فریت ، پرلیت یا باینیت تا دمای کمی بیشتر از Ms و نگه داشتن در این دما تا یکنواخت شدن دمای تمام مقطع ، اما نه آنقدر زیاد که باینیت کل گیرد . سرد کردن نهایی در هوای آرام انجام می شود که در ی آن عملا به طور همزمان مارتنزیت در سرتاسر مقطع شکل می گیرد .اگر فولاد با آب دهی سخت شده باشد . بعد از مارتمپرینگ به همان طریق باید برگشت دهی شود .
7- آستمپرینگ
آستمپرینگ عملیات سختکاری است که یه منظور بهبود خواص مکانیکی ( به ویژه انعطاف پذیری و چقرمگی بیشتر در سختی بالای مورد نظر ) و نیز کاهش احتمال ترک برداشتن و تغییر شکل برشی به جای سخت کاری با آب دهی و برگشت دهی به کار می رود . بعد از آستمپرینگ نیاز به برگشت دهی نمی باشد .
8- سخت کاری سطحی
8-1- کربن دهی
کربن دهی عبارت است از حرارت دادن قطعه فولادی تا دمای 880 تا 1050 درجه سلسیوس ( ترجیحا بین 900 تا 950 درجه سلسیوس) در اتمسفر کربوریزه کننده شامل مخلوط جامدی از ذغال چوب یا کک و محلول کاتالیزور ( برای کربن دهی لفافی ) ، گازهای هیدروکربن های مایع تبخیر شده ( برای کربن دهی گازی ) یا حمام نمک مذاب شامل کلریدهای قلیایی خاکی فعال کننده با اضافات کلرید قلیایی و سیانید قلیایی ( برای کربن دهی مایع ) و نگه داشتن در این دما در مدت زمان کافی تا نیل به عمق سطح مطلوب . معمولا عمق های سطح ایجاد شده کمتر از 5/1 میلی متر هستند . فولاد پس از کربن دهی فورا یا بعدا در محیط مناسب معمولا در آب یا روغن ، با اضافات یا بدون آن آب دهی می شود .
8-2- کربونیترید کردن
این عملیات به منظور ایجاد لایه سطحی مارتنزیت سخت با مقاومت سایشی و مقاومت خستگی خوب ، فورا با سختکاری با آب دهی و برگشت دهی ادامه می یابد . این عملیات با آب دهی در روغن یا آب ، با اضافات یا بدون آن ، مستقیما از دمای کربونیترید کردن یا بعد از سرد کردن آهسته تا دمای محیط و حرارت دادن مجدد تادمای سختکاری با آب دهی و سپس برگشت دهی برای حداقل h1 در دمای 150 تا 200 درجه سلسیوس ادامه می یابد .
8-3- سیانوردهی ( کربونیترید کردن مایع )
سیانوردهی عبارت است از حرارت دادن قطعه فولادی تا دمای 700 تا 870 درجه سلسیوس در حمام نمک مذاب شامل سیانیدها و سیاناتهای قلیایی و نگه داشتن در این دما در مدت زمان کافی برای ایجاد عمق سطح مطلوب. این عملیات با آب دهی در روغن یا آب ، با اضافات یا بدون آن مستقیما از دمای سیانوردهی و سپس برگشت دهی برای حداقل h1 در دمای 150 تا 200 درجه سلسیوس ادامه می یابد .
8-4- نیتروژن دهی
این عملیات برای ایجاد سختی سطحی سطحی بالا و افزایش مقاومت سایش ، افزایش مقاومت خستگی و بهبود مقاومت خوردگی فولادهای غیر زنگ نزن به کار می رود . نیتروژن ئهی در مقایسه با سایر روشهای سختی سطحی می تواند با حداقل تغییر شکل برشی و کنترل ابعادی عالی به انجام برسد . همچنین سطوح نیترید شده می توانند سختتر از سطوح کربوریزه شده باشند و تا دمای نیتروژن دهی کاملا پایدار هستند .
همه سطوح قابل عملیات حرارتی قبل از نیتروژن دهی با آب دهی سخت می شوند ، برگشت دهی شده و سپس با ماشینکاری پرداخت می شوند .
8-5- نیتروکربوریزه کردن فریتی گازی
این عملیات برای ایجاد لایه سطحی مقاوم به سایش و افزایش مقاومت خستگی به کار می رود و با حداقل تغییر شکل برشی و کنترل ابعادی عالی به انجام می رسد.

9- سخت کاری سطحی
9-1- سخت کاری با شعله
سخت کاری با شعله عملیات سخت کاری است که برای ایجاد لایه سطحی سخت مارتنزیت با مقاومت سایشی و مقاومت خستگی خوب و بدون تغییر خواص مغز در قطعات فئلادی به کار می رود . در طی این فرآیند ، تغییری درترکیب شیمیایی فولاد به وجود نمی آید .
سخت کاری با شعله عبارت است از حرارت دادن سریع لایه سطحی قطعه فولادی با شعله تا بیش از دمای تغییرات بالایی ( حدود 50 درجه سلسیوس بیشتر از دمای آب دهی ) و سپس آب دهی فوری در آب ، مخلوط قابل حل آب – روغن یا محلول پلیمری آبدار . فولاد فورا پس از سخت کاری با شعله برای حداقل h1 در 150 تا 180 درجه سلسیوس برگشت دهی می شود .
9-2- سخت کاری القایی
سخت کاری القایی عملیات سخت کاری سطحی است که برای ایجاد لایه سطحی سخت مارتنزیت با مقاومت سایشی و مقاومت خستگی خوب و بدون تغییر خواص مغز در قطعات فولادی به کار می رود . در طی این فرآیند تغییری در ترکیب شیمیایی فولاد به وجود نمی آید .
سخت کاری القایی عبارت است از حرارت دادن سریع لایه سطحی قطعه فولادی با القای الکترو مغناطیسی تا بیش از دمای تغییرات بالایی ( حدود 50 درج سلسیوس بیشتر از دمای آب دهی ) و سپس آب دهی فوری در آب ، مخلوط قابل حل آب – روغن یا محلول پلیمری آبدار .

[ghasem motamedi]

آلومینیوم فلز سبک به رنگ نقره ای بوده که با لایه نازکی از اکسید آلومینیوم پوشیده شده است که این اکسید به محض تماس آن با هوا با سرعت زیاد تشکیل می شود.اکسید آلومینیوم نقطه ذوب بسیار بالاتری از آلومینیوم خالص دارد.آلومینیوم در حالت فلزی سمی نیست و خاصیت مغناطیسی ندارد.استحکام کششی آن در حالت خالص تقریبا 49 Mpa و در حالت آلیاژی تا 400 Mpa نیز می رسد.چگالی آن تقریبا یک سوم چگالی آهن است و داکتیل و چکش خواری بالایی دارد و به راحتی ریخته گری یا ماشینکاری می شود.به دلیل وجود اکسید آلومینیوم بر روی سطح آن،مقاومت خوردگی و ماندگاری بسیار بالایی دارد.این فلز رسانایی بسیار خوبی برای حرارت و گرما است.
چینی ها تقریبا از سال 300 ق م از آلومینیوم استفاده می کردند. یونانی ها و رومی های قدیمی از نمک های آن به عنوان رنگدانه و قابض برای بند آمدن زخم ها استفاده میکردند.در سال 1761 میلادی،گیتون موروی(Guyton de Morveau) پیشنهاد کرد که فلز پایه آلوم را آلومین نام گذاری نمایند. در سال 1808،همفری دیوی(Humphry Davy) این فلز را شناسایی نمود و آن را ابتدا آلومیوم(Alumium) و سپس آلومینیوم(Aluminum) نام نهاد.
فریدریش وهلر (Friedrich Wohler) از طریق مخلوط کردن کلرید آلومینیوم بی آب با پتاسیوم در سال 1827 توانست آلومینوم را جدا نماید.البته دو سال بعد توسط شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی به نام هانس کریستین اورستد(Hans Christian Orsted) ،آلومینوم به شکل ناخالص تولید شد.ازاینرو از وی به عنوان اولین کسی که توانست آلومینیوم را کشف نماید،یاد می شود.روش وهلر در سال 1846 توسط دانشمند فرانسوی به نام هنری دویل (Henri Saint Claire Deville) اصلاح یافت و در این روش بهبود،سدیم جایگزین پتاسیمی گردید که بسیار گران بود.
در سال 1886،مقاله ای توسط چارلز مارتین هال(Charles Martin Hall) منتشر شد که در آن فرآیند الکترولیتی برای استخراج آلومینیوم توضیح داده شده بود که مشابه با روشی بود که همزمان توسط پاول هرولت(Pault Heroult) در اروپا ارایه شده بود.این روش که بنام روش هال-هرولت نامیده می شود،سبب شد که روش استخراج آلومینیوم از کانی ها بسیار ارزان شده که هنوز هم از روش های اصلی برای استخراج آلومینوم در سراسر دنیا محسوب می شود.البته یادآوری این نکته مهم است که با این روش استحصال آلومینیوم بسیار خالص ممکن نیست.
آلومینیوم یک عنصر سمی است که می تواند مسبب تغییر عملکرد دیواره های خونی مغز شود.شاید به جرات می توان گفت که این عنصر جزو معدود عناصری است که هیچ تاثیرمثبتی بر کارکرد سلول های زنده ندارد.برخی اشخاص به آن حساسیت نشان می دهند از جمله جوش هایی که با خارش همراهند،اختلالات گوارشی و عدم توانایی در جذب مواد مغذی در هنگام پخت با ظرف های آلومینیومی.در اشخاص دیگر ،آلومینیوم عنصر سمی نمی باشد ولی اگر به مقدار زیادی توسط اشخاص استفاده شوند،میتواند مسمومیت هایی را در پی داشته باشد.
اما اين عنصردر فولاد سازی ،اكسيژن زداي بسيار قوي بوده ، پايدار كننده نيتروژن و اصلاح كننده اندازه دانه است.براي اين منظور درصد آلومينيوم كمتري نياز است. آلومينيوم باعث پايداري فاز فريت در ريزساختار مي شود. در درصدهاي حدود 1 درصد فاز فريت بطور كامل پايدار مي شود.
به دليل ماهيت فيزيكي و شيميايي اين عنصر در تركيب با اكسيژن ، فيلم سطحي بسيار محكم اكسيد آلومينيوم در سطح تشكيل مي دهد كه مقاومت خوردگي سطحي را افزايش مي دهد. اگر در نقطه اي اين فيلم آسيب بيند، دوباره آن سطح اكسيدشده و فيلم اكسيدي تازه ای برروي آن تشكيل مي شود.ضـــخامت اكسیدي در حدود 10 nm و بالاتر است. اين خاصيت را توانايي حفاظت از خود (Self-protective capability) مي گويند.
البته براي بهبود مقاومت خوردگي بيشتر از كروم بميزان 10 % و بالاتر استفاده مي كنندولي اين عنصر گران است و مقرون به صرفه نيست.افزودن آلومينيوم به تركيب فولاد تاثيرات نامطلوب ناخواسته ديگري نيز در پي دارد.آنچه كه بايد در نظر گرفت اينست كه قبل ازاینکه مقاومت خوردگي را بیفزاید،،فريت زا است. قابليت انحلال آلومينيوم در فريت تقريبا 35 % است كه در درصدهاي بالا ، تمايل به تشكيل محلول جامد با درجه نظم بالا (Fe3Al) زياد مي شود.اگر استحاله برگشت پذير آلفا به گاما وجود نداشته باشد، مشكل بزرگ شدن دانه ها وجود خواهد داشت فلذا محدوديت هايي در چقرمگي و داكتيلتي بوجود مي آيد.
آلومينيوم تاثير عالي بر روي مقاومت در برابر پيركرنشي داشته و به علت تشكيل ذرات سخت نيتريد آلومينيوم ، بيشتر به عنوان عنصر آلياژي در فولادهاي نيتروره شونده بكار مي رود. در فولادهاي رسوب سختي شونده ،با تشکيل تركيبات بين فلزي ،استحكام در شرايط پير شده را افزايش مي دهد.
قابلیت انحلال آلومینوم در گاما و آلفا به ترتیب 1.1 و 35 درصد است که با افزایش درصد کربن در فولاد ،درصد انحلال در گاما افزایش می یابد. آلومینوم با تشکیل محلول جامد ،استحکام فریت را زیاد کرده و اگر در گاما حل شود ، سختی پذیری را تا حد متوسطی افزایش می دهد. از طرفی تمایل چندانی به تشکیل کاربید ندارد ولی به عنوان گرافیت زا عمل می کند.
در بین عناصر آلیاژی کنترل کننده اندازه دانه آستنیتی، آلومینوم بیشترین تاثیر را دارد.آخرین تئوری که اینگونه عملکرد آلومینوم را توضیح می دهد اینست که آلومینوم با تشکیل نیترید آلومینوم مانعی در برابر حرکت مرزدانه های آستنیت تشکیل می دهد.فولادهای کربنی ساده حاوی آلومینوم مقاومت پیرکرنشی بالایی داشته و استحکام ضربه شان بهبود می یابد. از طرفی بدلیل یکنواختی ساختار شان، قابلیت ماشینکاری آنها اصلاح می شود.
اکسیژن زدایی با آلومینوم تاثیر بسیار زیادی بر اندازه ، شکل و توزیع آخالهای سولفیدی دارد.در مطالعه تاثیرات آلومینوم ، این نکته حاصل شد که در صورت کافی نبودن درصد آلومینوم برای اکسیژن زدایی ، آخالهای سولفیدی بصورت اشکال کروی با اندازه های متفاوت و توزیع تصادفی در می آیند که تیپ یک را تشکیل می دهند.اگر فولادها بطور کامل با آلومینوم اکسیژن زدایی شده باشند ولی درصد اضافی از این عنصر در ترکیب فولاد موجود نباشد، در این حالت شکل آخالها کره های بسیار ریز با شکل یوتکتیکی بوده که در مرزدانه های اولیه قرار می گیرند.(تیپ دو) . تیپ سه در صورتی بدست می آید که اولا فولاد بطور کامل اکسیژن زدایی شده و از طرف دیگر درصدی از این عنصر در ترکیب وجود داشته باشد.در این حالت، شکل آخالها کروی درشت و حجیم با توزیع تصادفی خواهد بود.
کمترین داکتیلیتی در تیپ دو بدست می آید که بدترین حالت می باشد.در حالیکه بهترین حالت و بالاترین داکتیلیتی در تیپ یک بدست می آید.مقدار آلومینوم در تیپ یک در محدوده 0.015-0.025 % و درصد آن در تیپ سه برابر 0.010 درصد می باشد.
در نیتریداسیون فولادهای غیرآلیاژی ،نیتریدهای آهن (Fe4N,Fe2N) تشکیل می شود که بسیار نرم هستند و سختی آنها کمتر از 200 HB خواهد بود.در فولادهای نیتروآلوی، نیتریدهای آلومینوم و کروم بسیار پایدار بوده و لایه سطحی سختی بالایی خواهند داشت ولی ضخامت این لایه چندان بالا نیست(0.004 in) در فولادهایی که دارای 1 % Al می باشند، نیتریدهای آهن بسیار ترد در سطح تشکیل می شوند . فلذا در این گونه موارد برای جلوگیری از پوسته شدن در حین کار، بهتر است سطح بمیزان 0.001 in سنگ زنی شود.
آلیاژهای مغناطیس نیکل- آلومینوم دارای 6-13 % آلومینوم می باشند.این در حالی است که استحاله مارتنزیتی با ایجاد تنش های داخلی ، خواص مغناطیسی به فولادهای مغناطیس معمولی می دهد.در این آلیاژها سخت گردانی مغناطیسی با مکانیسم رسوب ایجاد می شود.آلیاژ مغناطیس دایم Alni دارای 3.5% Cu,24% Ni,13% Al است.آلیاژ با نرخ بحرانی از دمای انحلال سرد می شود و در طی سرد کردن در محدوده 1200-800 C غیرمغناطیس بوده و فازهای با توزیع ریز رسوب می کند.تنش های داخلی در طی سرد شدن اشاعه یافته و توزیع رسوب پراکنده شرایط خوبی را برای خواص مغناطیس دایمی فراهم می آورد.
آلیاژهای مغناطیس دایم که دارای آلومینوم هستند،بیشترین HB در مقایسه با مغناطیس های حاوی کبالت و تنگستن معمولی دارند از جمله Alnico,Alomax,Ticonal,Hycomax.
آلومینوم بهمراه تیتانیوم به ترکیب برخی از آلیاژهای پایه نیکلی که دردماهای بالا بکار می روند، اضافه می شود تا تشکیل رسوبات پراکنده در دماهای پایین را تسهیل دهد. این رسوبات ترکیبات نیکل- آلومینوم-تیتانیوم هستند.آلیاژ Nimonic با این مکانیسم سخت گردانی می شود و امکان دارد که در دمای 700 C رسوب سختی شود.در شرایط عملیات حرارتی شده ، این آلیاژ نسبت استحکام به وزن خوب، تنش شکست خوب در دماهای بالا و مقاومت خزشی قابل قبول داشته و در موتورهای هواپیماهای مدرن که در معرض دماهای بسیار بالا هستند ، کاربرد دارند.
در آلیاژ Nitralloy N آلومینوم بدو منظور گسترش رسوب سختی و نیز تاثیر آن در نیتریداسیون وجود دارد.بعد از نیتریداسیون، یک سطح سخت معمولی تشکیل می شود ولی در همان زمان مرکز قطعه به اندازه 15-20 ton/in2 بدلیل فرآیند رسوب سختی استحکام گردانی می شود.
آلومینوم می تواند در مواد 18/8 تاثیر بسزایی در رسوب سختی آنها داشته باشد.در چنین مواردی 1% Al اضافه می شود.با این درصد آلومینوم ، مقدار مشخصی از فریت دلتا در ریزساختار تشکیل می شود که کارپذیری گرم را تا حد زیادی کاهش میدهد. آلیاژهای از این نوع می توان به 17/7 PH و 15/5 PH اشاره کرد.مواد PH ( رسوب سختی شونده) این مزیت را در مقایسه با فولادهای سخت شونده عادی دارند که مکانیسم رسوب تحت تاثیر اثرات اندازه دانه نبوده و در کل مقطع میتوان به سخت گردانی یکنواختی دست یافت.
مقاومت اکسیداسیون آلیاژهای کروم-آهن در دماهای بالا با افزودن آلومینوم بهتر می شود.آلیاژ Fe-20%Cr-5%Al مقاومت (Resistivity) در حدود یک پنجم برابر بیشتر از مواد کروم-نیکل معمولی دارد.اگر مقدار آلومینوم این آلیاژ تا 10 % بیشتر شود، مقاومت آن دو برابر مواد کروم – نیکل می شود.
گروه دیگری از مقاومت ها که از لحاظ ترکیب و خواص مشابهند، ولی کبالت در ترکیبشان وجود دارد، سری های Kanthal بوده که حاوی 3 %Co,5% Al,25 % Cr هست. البته آلیاژ های با 37.5 % Cr,7.5% Al نیز تولید می شوند ولی فولادهای 13% Cr-5 % Al نیز در مقاومت های صنایع سنگین کاربرد دارند.
چدنها با آلومینوم تا 2 درصد می توانند بصورت افزودنی جامد، آلیاژی شوند. ولی اگر بخواهیم درصد آلومینوم بیشتر از این مقدار باشد باید دو ذوب با هم مخلوط شوند.فیلم اکسیدی محکمی بر روی ذوب تشکیل می شود که اگر در ریخته گری دقت لازم نشود، افت خواص مکانیکی و ریخته گری را در پی خواهد داشت.
در چدنها ، آلومینوم تا 4 درصد گرافیت زایی را افزایش می دهد. از 4-10 %Al کاربید یوتکتیــک پایدار می شـــــــود و بین 10-18 % Al کاربید ها دیگر غالب هستند.بین 18-24 % Al گرافیت زایی مجددا اتفاق افتاده و با افزایش درصد آن ، گرافیت زایی ارتقاء می یابد.و در 24 % Al کل کربن بصورت گرافیت در می آید.با ازدیاد درصد آلومینوم پایداری کاربید نیز بیشتر می شود و در 29 % Al هیچ گونه گرافیتی در ریزساختار دیده نمی شود.
چدنهای با آلومینوم بالا ، مقاومت خوبی در برابر رشد دانه و پوسته برداری Scalling دارند. در درصدهای بالای 3 ، پوسته برداری یک دفعه کاهش می یابد.در زیر این مقدار تاثیر چندانی بر رشد ندارد ولی در درصدهای بالاتر از آن، با افزایش درصد آلومینوم مقدار آن شدیدا کاهش می یابد و در محدوده 8-20 % به یک مقدار مینیمم می رسد که در آن گرافیتی وجود ندارد و یا اگر وجود داشته باشد خیلی کم است.آلیاژی بنام Crafler بهترین مقاومت در برابر رشد و پوسته برداری دردماهای بالاتر از 1000 C را دارد و در ترکیب آن 7-7.5 % Al و 0.75 % Cr می توان یافت.
آلومینوم در ترکیب فروسیلیس ها و یا سایر فروآلیاژهای حاوی سیلیس وجود دارد و اگر بخواهیم جوانه زنی بنحو احسن انجام شود ، بهتر است درصد آلومینوم در این آلیاژهای بیشتر از 1 درصد باشد.
افزودن 0.02 %Al به ترکیب چدن مالیبل ، جوانه زنی کروی را بیشتر کرده و بدلیل احتمال ترکیب آن با نیتروژن، مالیبلیزاسیون را تسهیل می سازد.

[ghasem motamedi]

وانادیم فلز نرم و داکتیل به رنگ خاکستری نقره ای رنگ است که مقاومت خوردگی خوبی در برابر بازها و اسیدسولفریک و هیدروکلریک دارد.وانادیم به راحتی در دمای 933 K اکسید می شود.این فلز از استحکام ساختاری خوبی برخوردار است و در صنایع هسته ای کاربرد فراوانی دارد.
وانادیم ابتدا در سال 1801 در مکزیکوسیتی توســــط یک کــــــــــانی شناس اسپانــــــیایی به نام آندرس مانئول دل ریو (Andres Manuel del Rio) کشف شد.وی آن را سرب قهوه ای نامید(آنچه که امروزه بنام وانادینیت مشهور است).سپس در طی آزمایش هایی که انجام می داد،رنگ آن ایشان را به یاد کروم می انداخت از اینرو آن را پان کروم نامید.او بعد آن را اریترونیوم نام نهاد زیرا نمک های آن هنگام حرارت دهی به رنگ قرمز در می آمد.البته شیمیدان فرانسوی به نام هیپولیت ویکتور کالت دستکوتلس (Hippolyte Victor Collet-Descotils)به اشتباه اعلان کرد که عنصر جدیدی که توسط دل ریو کشف شده است،تنها کروم ناخالص است.دل ریو نیز به این فکر افتاد که کشفش اشتباه بوده و نظر او را قبول کرد.
در سال 1831،دانشمند سوئدی هنگام انجام تحقیقاتی بر روی سنگ آهن ،وانادیم را در حالت اکسیدی دوباره کشف نمود و در همان سال،فریدریش وهـــــــــلر تحقــــــــــــــــیقات دل ریو را تایید کرد.بعد از این بود که جورج ویلیام فیدرستونهاف (George William Featherstomhaugh) پیشنهاد کرد که اسم این فلز ریونیوم باشد که هیچ وقت عملی نشد.
وانادیم فلز در سال 1867 توسط هنری اینفیلد(Henry Einfield) از احیاء کلرید وانادیم (III) (VCl3) بهمراه هیدروژن بدست آمد.واژه وانادیم از Vanadis گرفته شده است که یکی از الهه ها در خداشناسی اسکاندیناوی بود زیرا این عنصر دارای ترکیبات رنگی زیبایی بود.
در زیست شناسی ،وانادیم یکی از اجزای اصلی برخی از آنزیم ها بالاخص نیتروژناز وانادیم است که بوسیله بعضی از میکروارگان های تثبیت کننده نیتروژن استفاده می شود.موش صحرایی و جوجه ها به مقدار کمی وانادیم نیاز دارند و فقدان آن باعث کاهش رشد و تولید مثل آنها می شود.
در ژاپن،از پنتا اکسید وانادیم V2O5 به عنوان مکمل سلامتی در آبهای معدنی استفاده می شود.منبع این آب نوشیدنی از دامنه های کوه فوجی است.میزان پنتااکسید وانادیم در آب های معدنی از 80 تا 130 میکروگرم در هر لیتر متغیر است.این میزان پنتااکسید وانادیم در کاهش ابتلا به بیماری هایی هم چون دیابت،اگزما و چاقی بسیار موثر است.
با افزودن واناديم به فولادهاي ابزار و آلياژي سختي پذيري آنها افزايش یافته و كاربيدهاي كمپلكس در ريزساختار تشكيل می شود.اعتقاد بر اين بود كه وجود ذرات كاربيدي براي افزايش سختي است در حاليكه مقاومت به نرم شدن در حين برگشت را بالا مي برد.درصد واناديم در اين فولادها 0.10-0.15 % بوده كه در فولادهاي تند بر در ابزار برش تا 1 درصد نيز مي رسد.
اخيرا واناديم به عنوان عنصر آلياژي در فولادهاي HSLA و كربني ميكروآلياژي استفاده مي شود. وتنها به مقدار كمي در حدود 0.05 تا 0.10 درصد كافي است تا افزايش قابل توجهي در استحكام فولاد بدست آيد.وزن اتمي واناديم 51 و نقـــــطه ذوب 1900 C دارد. ساختار كريستالي واناديم bcc بوده و در ريزساختار فريت زاست و دماي كوري را افزايش مي دهد.و منطقه پايداري آستنيت را مي كاهد.واناديم تمايل متوسطي به تركيب با اكسيژن داشته ولی تمایل ترکیب با نيتروژن آن قوي است و به تركيب با كربن تمايل بسيار قوي دارد.در دماهاي بالا Ac3 ، واناديم از درشت شدن دانه هاي آستنيت جلوگيري مي كند.واناديم ، مقاومت به سايش و حفظ دندانه هاي تيز و استحكام در دماهاي بالا را افزايش ميدهد.هم چنين بخاطر ريز كردن دانه هاي آستنيت ، قابليت جوشكاري را بهبود بخشيده و نيز مقاومت در برابر هيدروژن با فشار بالا راافزايش مي دهد.
ذرات نيتريد واناديم بايد تا دماي 1350 C حرارت داده شوند. براي استحكام گرداني فولادهاي آلياژي شده با واناديم ، مي توان از نورد كنترل شده يا عمليات حرارتي استفاده كرد. گاها از تركيب هر دو روش مي توان استفاده كرد.
به خاطر تاثير واناديم بر مورفولوژي كاربيدها ، سختي فولادهاي مارتنزيتي را افزايش مي دهد. اين عنصر بيشتر در فولادهاي زنگ نزن سختي پذير بكار مي رود.
وانادیم از طریق تشکیل محلول جامد ، فریت را تا حد متوسط استحکام گردانی می کند و با حل شدن در آستنیت ،سختی پذیری را شدیدا می افزاید.در ترکیب فولاد با کربن واکنش داده و کاربید وانادیم V4C3 تشکیل می دهد.این کاربید در فریت بطور جزیی حل می شود ولی در آستنیت تا حد قابل توجهی حل می شود.وانادیم موجود در فولاد سبب ریز شدن دانه ها می شود. کاربید ها هم می توانند در حین ذوب رسوب کنند و هم امکان دارد در طی عملیات حرارتی بعد از استحاله رسوب کند.تمایل به ریز کردن ساختار از طرف این عنصر موجب شده که در ساختار های کاربیدی ریز در فولادهای هایپریوتکتوئید استفاده شود.
وانادیم اکسیژن زدای نسبتا قوی بوده ولی نیترید آن بسیار پایدار است از اینرو، به ترکیب نیتروآلوی ها اضافه می شود تا پایدار بودن نیترید آن باعث شود تا خواص لایه سطحی افزایش یابد.
از آنجاییکه وانادیم استحکام فریت را از طریق تشکیل محلول جامد افزایش می دهد، از اینرو به ترکیب فولادهای آلیاژی کم کربن اضافه می شود تا استحکام کششی آنها بدون هیچگونه کاهش در داکتیلیتی افزایش یافته و این موجب گشته تا در کاربردهای مهندسی استفاده شود. وانادیم درصد کربن یوتکتوئید را می کاهد . به عنوان مثال، وجود 1% وانادیم ، درصد کربن یوتکتوئید را تا 0.6 % می کاهد.
برای چقرمه کردن و اصلاح اندازه دانه فولادهای کربنی متوسط ، درصد وانادیم در محدوده 0.1-0.3 % کافی است.سختی پذیری لازم نیز از حضور کاربیدهای منگنز و آهن در ریزساختار بدست می آید.فولاد کربنی 0.5% C,0.8 % Mn,0.15% V برای قطعات بزرگ فورج، قطعات لکوموتیو، میل لنگ ها و قطعات مشابه که نیاز به استحکام کششی و چقرمگی دارند، مناسب است.فولاد کربنی ساده با سخت گردانی سطحی حاوی 0.12-0.15 % C,0.35-1.0 % Mn,0.10 % V قابلیت جوشکاری خوبی داشته و در سیم جوش های گازی بکار می رود. فنر ها از فولاد 0.7 % C,1% Mn,0.1% V که در شرایط کوئنچ و تمپر شده استحــــــکام کششی بالایی دارند، نیز ساخته می شـــــــــــــوند. فولاد ریختـــــــــــگی یاتاقانها معمــــــــــــولا شامل 0.35 % C,0.85 % Mn,0.35 % Si,0.15 % V می باشد.
فولادهای با درصد کربن بالا (0.2-0.5 % V,0.25-0.5 % Mn,0.60-1.4 % C) قبل از استفاده در ابزارها و قالب های چکش و مته ها کوئنچ و تمپر می شوند. بنابر این می توان به استحکام کششی و خواص ضربه ای بالاتری دست یافت.
مقاومت سایشی فولادهای ابزار با افزودن وانادیم و تشکیل کاربیدهای وانادیم پایدار افزایش می یابد. در گروه فولادهای ابزار کم آلیاژ ، دو نوع فــــــــــــــــــــــــ ــــــولادهـــای کروم-وانادیـــــــــــــــــــ ـم وجــــود دارند: یـــــــــــــــکــــــــ ی دارای ترکیب 0.1-0.2 %V,0.6-1.2 %Cr,0.1-0.35 % Mn,0.5-1.4 %C بوده و دیگری دارای منگنز بالایــــــــــــی تا 0.4-0.60 % می باشد.فولاد با منگنز کم در آب کوئنچ می شود ولی فولاد دیگر با درصد منگنز بالاتر در روغن کوئنچ می شود.
برخی از انواع معینی از فولادهای پرکربن کم تنگستن دارای وانادیم می باشند.این نــــوع فولادهای تنگـــــــــستن دار حاوی 0.10-0.25 %V,1.75-2.5 % W,0.15-0.35 %Mn,1.15-1.25 % C بوده و در ابزار های برش و قالبهای شکل دهی سرد و ابزار تمام کاری برای آلیاژ های غیرآهنی کاربرد فراوانی دارند.
در فولادهای منگنز دار (0.85-0.95 % C,1.5-1.75 % Mn) که در روغن کوئنچ می شود، درصد کمـــــی از وانادیم (0.10-0.25 %) وجود دارد که از رشد دانه جلوگیری می کند. نوع دیگری از این این نوع فولادها، که در قالبها بکار می رود و قبل از کوئنچ ماشینکاری می شوند، درصد کمی کروم دارند.در هنگام تولید مقاطع بزرگ ، بجای کروم از مولیبدن استفاده می شود و این باعث می شود سختی پذیری افزایش یافته و اثر اصلاح دانه ای رخ دهد.
فولادهای ابزار کربن- وانادیم،کروم-نیکل-وانادیم و کروم- نیکل- مولیبدن-وانادیم همگی تا 0.15درصد وانادیم دارند. مقدار انرژی ضربه خوبشان ، آنها را برای قالبهای چکش و اینسرتی ها مناسب کرده است.
برخی از فولادهای پرکربن پر کروم (فولادهای Wartle) مقداری وانادیم نیز دارند که مقاومت سایشی آنها را افزوده و دمای درشت شدن دانه ها را تا 1030 C بالا می برد.نوعـــــــــــی از این فولاد، 0.75-1.0% V,12-14 % Cr,2%C بوده و نوع دیگر 0.6-1.0 % کبالت دارد.فولاد گرم کار تنگستن دار عموما 0.3-0.6 درصد وانادیم دارد که استحکام گرم و مقاومت سایشی را می افزاید.فولاد قالب دیگر ، فولاد 7-7-1 ، فولاد تنگستن-کروم-سیلیس می باشد که دارای 0.3-0.6 % V می باشد و اندازه دانه را اصلاح می کند.فولاد تنگستن-کروم-وانادیم18-4-1 شامل 0.6-1.2 درصد وانادیم است.فولادهــــایی همچون 6-6-2 (فولادهای تنگستن-مولیبدن-وانادیم) تولید می شوند و فولادهای تندبر Mo-W دارای 4% وانادیم هستند.درصد کربن این فولادها معمولا با افزایش درصد وانادیم بیشتر می شود ودر نهایت در یک مقدار مشخصی از کربن و وانادیم مقدار سختی کاهش می یابد.از اینرو اکثر فولادهای با وانادیم زیاد دارای کربن پایین می باشند ودرصد قابل توجهی فریت دارند و در واقع با افزایش درصد وانادیم فورج آنها مثل فولادهای کربنی انجام خواهد شد.در کربن 0.7 % متداول است که درصد وانادیم 1.0% باشد و البته برای رسیدن به ترکیبی از فورج پذیری و قابلیت برشکاری ، بهتر است به ازای افزایش 1% وانادیم ،0.2% کربن زیادتر شود.وانادیم هم چنین می تواند جایگزین تنگستن در فولادهای تندبر شود و مثل آن فریت زای قوی است.عموما اخیرا درصد تنگستن از 14% کمتر بوده ولی درصد وانادیم برابر 2% و بالاتر می تواند باشد.نوعی از این فولاد 4.5%V,4%Cr,14% W خواص برشکاری بسیار خوبی داشته و در مته ها بکار می رود.
وانادیم در فولادهای مارتنزیتی مقاوم به خزش نیز کاربرد دارد.کاربید نقش اصلی در مکانیسم رسوب سازی ایفاء می کند . نظیـــــــر فولادهای با ترکیب زیر:
0.1%C,11% Cr,0.75% Mo,0.4% Nb,0.15-0.25 %V.
وانادیم در چدن کاربید زای بسیاز قوی بوده و از گرافیت زایی جلوگیری می کند و پرلیت را پایدار می سازد. وانادیم خصوصا در مقاطع نازک نقش مبرد chiller را بازی می کند.
افزودن 0.10-0.50 % V به چدن سمنتیت را پایدار کرده ، توزیع ورق های گرافیت را یکنواخت و اصلاح می کند،اندازه دانه زمینه را بهبود می دهد و ساختار های سوربیتی را ارتقاء می دهد.لاینر های موتورهای دیــــزل که از چدن ساخته می شود دارای 0.1-0.2 % V هستند تا سختی و استحکام و مقاومت سایشی را افزایش دهد.برای بهبود قابلیت ماشینکاری چدن های پرآلیاژی ممکن است تا 0.12 % وانادیم نیز اضافه شود.
از آنجاییکه وانادیم کاربید زا بوده و در حضور مولیبدن مناطق حاوی کاربیدهای کمپلکس را تشکیل می دهد و در نتیجه زمینه را از مولیبدن خالی می کند و بر ساختار سوزنی تاثیر منفی دارد، فلذا در ترکیب چدن های سوزنی عنصر نامطلوبی محسوب می شود.Vantit چدن خام وانادیم-تیتانیوم بوده و حاوی 4% C,0.3-0.5 % Ti , 0.5-0.7 % V می باشد.

[ghasem motamedi]

نیوبیوم فلز داکتیل و خاکستری روشن است که وقتی به مدت طولانی در دمای اتاق در تماس با هوا قرار گیرد،به رنگ متمایل به آبی در می آید.برای نگهداری این فلز حتی در دماهای متوسط باید از محیط محافظ استفاده شود. اکسیداسیون این فلز در هوا از دمای 200 C آغاز می شود.
نیوبیوم مصارف متعددی ارد. در فولادهای زنگ نزن و بسیاری از آلیاژهیا غیرآهنی استفاده می شود.مقدار قابل ملاحظه ای از نیوبیوم به صورت فرونیوبیوم و یا نیوبیوم-نیکل در سوپرآلیاژهای پایه آهن،نیکل و کبالت در قطعات موتور جت و تجهیزات احتراق استفاده می شود.هم چنین نیوبیوم در دماهای زیر صفر در ابررساناها بکار می رود.
نیوبیوم به معنای دخترتانتالوس از Niobe گرفته شده است که در سال 1801 توسط چارلز هچت (Charles Hatchett) کشف شد.هچت ، نیوبیوم را از سنگ معدن کلومبیتی بدست آورد که در سال 1750 توسط جان وین تروپ (John Winthrop) برای وی ارسال شده بود. بین دو عنصر نیوبیوم و تانتالوم اختلافهای گمره کننده ای وجود دارد،و از طرفی این اختلافها تا 1846 کشف نشده بود،در این ســــــــــــــال بود که هنریخـــــت روز(Heinricht Rose) و جین چـارلز گــــالی سارد مارگــــــــینت(Jean Charles Galisard de Marigance) دوباره این عنصر را کشف کردند ولی ایشان از کارهای هچت اطلاعی نداشتند.از اینرو نام متفاوت نیوبیوم بر روی آن گذاشتند.در سال 1846 بود که کریستن بلومسترند(Cristian Blomstarnd) توانست با احیاء کلرید نیوبیوم بوسیله حرارت دادن در اتمسفر هیدروژن به نیوبیوم خالص دست یابد.
نيوبيوم يا همان كلمبيوم در سالهاي اخير به عنوان عنصر پايدار كننده كاربيد در فولادهاي زنگ نزن و عنصر استحكام زا در آلياژهاي پايه كبالت و نيكل در دماهاي بالا محسوب مي شود.وزن اتمي آن 93 با نقطه ذوب 2468 C است. ساختار كريستالي bcc است و در فولاد فريت زاي قوي است.تمايل تركيب نيوبيوم با كربن زياد بوده ولي نسبت به اكسيژن و نيتروژن تمايل متوسطي دارد.با افزودن نيوبيوم در فولاد ،كاربيد نيوبيوم سريعا تشكيل مي شود. با رسوب كاربيد نيوبيوم و ذرات كربونيتريدي در زمينه فريتي ،استحكام افزايش خواهد يافت.
در فولادهاي آستنيتي ،براي بهبود مقاومت خوردگي بين دانه اي و افزايش خواص مكانيكي در دماهاي بالا استفاده مي شود.در فولادهاي مارتنزيتي ، نيوبيوم سختي را كم كرده و مقاومت به تمپر را افزايش ميدهد.
مقدار نيوبيوم مورد نياز در فولادهاي كربني و كم آلياژي كم بوده و در حدود 0.05 % نيوبيوم ، افزايش قابل توجهي در استحكام فولاد را در پي دارد.علاوه بر آن ، اگر ميزان آن بهمراه ساير عناصر كنترل شود ، اندازه دانه فريت اصلاح شده و چقرمگي در دماهاي پايين اصلاح خواهد شد.اغلب اين عناصر همراه نيتروژن و واناديم به فولاد اضافه مي شود.اين عنصر تشكيل رسوبات كمپلكس كربونيتريد واناديم و نيوبيوم مي دهند.در برخي فولادهاي HSLA نيوبيوم تا %0.15 وجوددارد.اگر درصد نيوبيوم از % 0.1 فراتر رود، مشكل ترك سرد و افت چقرمگي منطقه تحت تاثير جوش در جوشكاري را خواهيم داشت.
رفتار انحلال و رسوب تركيبات نيوبيوم با واناديم متفاوت است.در سرد كردن آهسته آستنيت از دماي بالا ، همزمان با انحلال نيوبيوم ، كاربيد نيوبيم در دماهي بالاي 1200 C رسوب مي كند.به دليل رسوب اين كاربيد در دماهاي بالا ، امكان درشت شدن ذرات وجود دارد كه تاثير منفي بر استحكام دارد.
همانطوریکه در بالا ذکر شد، فولادهای نیوبیوم دار بخاطر تشکیل ترکیب بین فلزی قابل حل Fe3Nb2 دارای استحکام بالایی می باشند.این فولادها دانه ریز بوده و در نتیجه خواص انرژی ضربه دردماهای پایین بهتری دارند.مزیت دیگر استفاده از نیوبیوم در ترکیب فولادها، عدم حضور آخالهای اکسیدی نامطلوب در ریزساختار می باشد.فولادهای دانه ریز نیوبیوم دار ، در مواردی استفاده می شوند که کربوریزه می شوند. این فولادها به دماهای بالا احتیاج دارند تا دانه هایشان رشد کنند فلذا در منطقه دمایی سخت گردانی، ریزبودن دانه ها حفظ خواهد شد.
با افزودن نیوبیوم به ترکیب فولادهای کربنی متوسط نیمه کشته،استحکام تسلیم 9 ton/in2 و استحــکام کششی 7 ton/in2 افزایش می یابند.این ورقها در تولید ورقها کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. این نوع ورق ها کار گرم شده و در خطوط نفت و سازه های سبک استفاده می شوند.
با رسوب ترکیب بین فلزی Fe3Nb2 از دمای انحلال و به دنبال آن پیر سازی در دمای 500-650 C ، نیوبیوم استحکام خزشی فولادهای بسیار کم کربن را می افزاید.میزان افزودن نیوبیوم برای بهبود استحکام خزشی متغیر بوده ولی مرسوم است که حداقل 25 برابر درصد کربن اضافه شود.با کاهش نسبت نیوبیوم به کربن ، استحکام خزشی شدیدا افت می کند و برای دستیابی به استحکام خزشی خوب ،باید درصد کربن در حد پایین نگه داشته شده باشد.اما اگر در دمای اتاق،استحکام مقدم بر استحکام خزشی باشد،نسبت نیوبیوم به کربن می تواند برابر8:1 باشد.
در سیستم آلیاژی آهن-کربن-نیوبیوم، با افزایش درصدNb درصد فاز آستنیت در ریزساختار شدیدا کاهش می یابد. فلذا در این نوع فولادها ، برای آستینه کردن بایستی درصد کربن فولاد کمتر باشد.
افزودن نیوبیوم سختی پذیری فولاد را می کاهد چرا که با تشکیل کاربید نیوبیوم ، غلظت کربن کاهش می یابد.از طرفی اگر نیوبیوم در محلول جامد باشد، از انجام استحاله جلوگیری می کند. بنابراین دمای آستنیته کردن و زمان نگهداری مستقیما مربوط به سختی پذیری فولاد دارد.کاربید نیوبیوم سختی پذیری را می کاهد و از اینرو بیشتر به ترکیب فولادهای به سختی پذیری نسبتا بالا که بایستی جوشکاری شوند اضافه می شود تا از ترک برداری زیر جوش جلوگیری کند.
در دمای بالای 400 C ، نیوبیومی که در فولادهای نیتریدی وجود دارد، با نیتروژن واکنش می دهد.کاربید نیوبیوم و نیوبیومی که بیش از حد انحلال است در تشکیل نیترید شرکت نمی کند و فقط نیوبیوم موجود در محلول جامد در تشکیل نیترید شرکت می کند. در فولادهای کربنی ساده ، نیوبیوم سختی سطحی را می افزاید.فولادهای با 6-4 درصد کروم در هوا سخت می شوند و به زمان آنیل زیادی نیاز دارند و در هنگام جوشکاری ترک بر می دارند.این مشکل در این نوع فولادها را می توان با کاهش درصد کربن تا حد زیادی حل کرد.البته این مشکل را با اضافه کردن تیتانیوم ،آلومینوم و نیوبیوم نیز می توان حل کرد.که در این میان Nb ترجیح داده می شود چرا که آخالهای مضر در ترکیب را تشکیل نمی شوند..میزان نیوبیومی که به ترکیب فولاد اضافه می شود،10-7 برابر درصد کربن است.فولادهای نیوبیوم دار کار گرم شده با سرد کردن از دمای 1000 C هم چنان نرم می مانند.ولی به علت انحلال جزیی کاربیدهای نیوبیوم ممکن است بمقدار جزیی سخت گردانی شوند.برای آنیل مجدد کافی است تا دمای 800 C حرارت داده و سپس در هوا سرد شوند.
برای کاهش تمایل به هوا سختی فولادهای با 16-18 % Cr درصدی از نیوبیوم به ترکیب آنها اضافه می شود.اینکار عملیات حرارتی راآسان کرده و داکتیلیتی و جوشکاری را بهبود می بخشد.برای این منظور 1 % Nb اضافه می شود(10 برابر درصد کربن) افزوده می شود که از لحاظ هزینه گران شدن فولاد را در پی دارد و از اینرو در مصارف خاص استفاده می شود.
بعد از حرارت دادن فولاد 18/8 از منطقه دمایی 400-900 C خوردگی بین دانه ای رخ میدهد.این کاهش موضعی در مقاومت خوردگی ناشی از این واقعیت است که اکثر این فولادها دارای درصد کربن بالایی بوده که سبب میشود با سرد کردن در هوا کاربید رسوب کند.عموما اعتقاد بر اینست که علت خوردگی بین دانه ای تخلیه محلول جامد از کروم در مجاورت مرز دانه است. ولی تحقیقات اخیر نشان داده است که کاربیدهای کروم غیرتعادلی با مقاومت خوردگی کمتر تشکیل می شود و نیازی به تخلیه کروم نیست.افزودن عناصر کاربیدزای قوی مثل Nb وTi موجب رسوب و تشکیل کاربیدهای مرجح شده و از خوردگی بین دانه ای جلوگیری می کند پایدارسازی معمولا تحت تاثیر نیوبیوم و یا تیتانیوم می باشد.اگر مقاومت در برابر اسید نیتریک قوی نیاز باشد،نیوبیوم بهتر است. اگر فولاد تمیز لازم باشد ، پایدار سازی با تیتانیوم چندان خوب نیست زیرا آخالهای اکسید تیتانیوم در فولادهای عملیات حرارتی شونده وجود داشته و از طرفی تیتانیوم در حین جوشکاری اکسید می شود.
اثر نیوبیوم بر استحکام خزشی بیشتر از تیتانیوم بوده و در تولید فولادهای آستنیتی دمای بالا کاربرد وسیعی یافته است.نسبت Nb/C باید 10:1 باشد تا از پایداری کامل اطمینان پیدا کرد. اما اگر شرایط چندان بحرانی نباشد، می توان از نسبتهای پایین نیز استفاده کرد.
در فولادهای زنگ نزن ،نیوبیوم 8 تا 10 برابر درصد کربن بوده و تاثیر قابل توجهی بر استحکام کششی ،داکتیلیتی و یا چقرمگی ندارد.در شمش های بزرگ جدایش کاربیدهای نیوبیوم دور از احتمال نیست وکاهش داکتیلیتی در مرکز قطعات فورج را در پی دارد.حتی اگر از نسبت زیاد Nb/C استفاده شود، نیز داکتیلیتی کاهش می یابد.
معمولا در فولادهای زنگ نزن 18/8 که با نیوبیوم پایدار شده است،برای کاهش نرخ کارسختی ،درصد بالاتری از 8 % نیکل وجود دارد. این قاعده برای آسانی کار گرم بدلیل گسترش فریت حاصل از افزودن نیوبیوم لازم بنظر می رسد.
مقادیر کم تانتالوم اثری بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن 18/8 پایدار شده با نیوبیوم ندارد.درصدی از تانتالوم می تواند جایگزین مقدار کمی از نیوبیوم شود بدون آنکه بر استحکام و داکتیلیتی اثر منفی داشته باشد.این از جهاتی بهتر نیز است چرا که اکثر محصولات نیوبیوم دارای تانتالوم می باشند و بایستی بخاطر داشت که تانتالوم فقط یک دوم تاثیر نیوبیوم را دارد.اگر نسبت نیوبیوم به تانتالوم در فروآلیاژ از 8:1 کمتر باشد، باید نسبت مجموع تانتالوم و نیوبیوم به کربن 10:1 باشد.به آلیاژ مغناطیس دایم نوع Alni نیوبیوم اضافه می شود و مغناطیس های دایم AlcomaxIII و AlcomaxIV به ترتیب 0.7 و 2.4 درصد نیوبیوم دارند. هر دو این آلیاژها از Alcomax که نیوبیوم ندارد، خواص مغناطیسی بهتری دارند.
نیوبیوم معمولا به چدنها اضافه نمی شود ولی معمولا میزان کمی بخاطر قراضه های حاوی نیوبیوم در ترکیب آنها وجود دارد.

[ghasem motamedi]

مولیبدن خالص به رنگ سفید نقره ای بوده و نسبتا نرم بوده و جزو فلرات با بالاترین نقطه ذوب است.بیش از دو سوم مولیبدن در تولید آلیاژها استفاده می شوند.
مولیبدن از واژه یونانی Molybdos به معنای شبیه سرب گرفته شده است و در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود.ترکیبات این عنصر که در طبیعت دیده می شدند،با عناصر دیگر مثل کربن و یا سرب به اشتباه گرفته می شد.در سال 1778،کارل ویلهلم شیل (Carl Wilhelm Scheele) توانست روشی برای جداسازی مولیبدن از گرافیت و سرب و جدا کردن آن از اکسید فلز از مولیبدنیت را تعیین نماید.در سال 1782،هلم(Hjelm) با احیا توسط کربن توانست که ناخالصی ها را از سنگ معدن جدا سازد.
مولیبدن در حیات تمام انواع ارگان ها نقش دارد.این فلز در دو گروه آنزیمی به نامهای نیتروژنازها(nitrogenases) و مولیبدوپترین ها(Molybdopterins) دیده می شده اند.
نیتروژنازها در باکتریها وجود دارند و در مسیر های تثبیت نیتروژن باید حضور داشته باشند.باکتریها در داخل گیاه نیز می تواند دیده شوند.اتم مولیبدن در یک کلاستر هست که شامل اتم های آهن و گوگرد است.واژه مولیبدوپترین با گروهی از آنزیم ها که شامل آنزیمهای حاوی تنگستن هستند،به اشتباه گرفته می شوند و عبارت مولیبدوپترین در واقع به اتم فلز برنمی گردد.گروهی را که به عنوان آنزیمهای تک اتمی مولیبدن به عنوان اتم فلز شناخته می شوند،در یک کلاستر دیده نمی شوند.
موليبدن وزن اتمي 96 و نقطه ذوب 2610 C دارد.ساختار كريستالي آن bcc بوده و در فولاد فريت زا و كاربيد زاست.حداقل 3 % موليبدن باعث مي شود كه فريت در تمام دماهاپايدار باشد.سختي پذيري را افزايش مي دهد.در حدود 0.5-1.5 % موليبدن به فولادهاي آلياژي اضافه مي شودتا استحكام و مقاومت به خزشي آنها در دماهاي بالا حفظ شود.فولادهاي زنگ نزن از 0.5 تا 4.0 % موليبدن دارند. فولادهاي زنگ نزن آستنيتي براي مقاومت خوردگي بيشتر در محيط هاي خورنده حاوي موليبدن مناسب هستند. هم چنين ، مقاومت در برابر پوسته شدن را مي كاهد.
در عمليات حرارتي فولادها ،Mo تردي تمپر را مي كاهد و تشكيل دانه هاي ريز را تسريع كرده و بر قابليت جوشكاري تاثير مطلوبي دارد. افزايش استحكام را در پي داشته و بنا بر اين قابليت چكش كاري كم مي شود.
موليبدن مقاومت در برابر خوردگي موضعي و حفره دار شدن را بيشتر كرده و با تشكيل فازهاي ثانويه در فولادهاي فريتي،فريتي-آستنيتي و آستنيتي،استحكام آنها را افزايش مي دهد. هم چنين در فولادهاي زنگ نزن مارتنزيتي، به علت اثر آن بر رسوب كاربيد ها ،سختي فولاد دردماهاي برگشت بالا را افزايش مي دهد.
موليبدن به عنوان عنصر آلياژي در فولادهاي ميكروآلياژي كربني، كم كربن با استحكام بالا در محدوده 0.05-0.25 بكار رفته و چقرمگي و استحكام را بالا مي برد.معمولا همراه با افزودن موليبدن از منگنز بالا وكمي نيكل نيز استفاده مي كنند.هدف از ميكروآلياژي كردن فولاد ، جلوگيري از تشكيل پرليت در ريزساختار ، كاهش اندازه نواحي پرليت و تشكيل كاربيد هاي لايه اي ريز مي باشد.اگر درصد موليبدن و يا ساير عناصر آلياژي بالا باشد، فريت خاصي بنام فريت سوزني Acicular ferrite تشكيل خواهد شد.
عنصر مولیبدن باعث بهبود چقرمگی در فولادهای کربنی ساده با استحکام بالا می شود و بنابراین در محدوده دمایی قابل استفاده ،استحکام و سختی را افزایش می دهد. در مقایسه با فولادهای کربنی ساده ،فولادهای مولیبدن دار خواس الاستیک و استحکام ضربه ای بهتری دارند.
استحاله در فولادهای مولیبدن دار در سرد کردن های آرام رخ می دهد و در نتیجه باعث می شود عمق سخت گردانی افزایش یابد. این افزایش در عمق سخت گردانی سبب فایق آمدن بر مشکلات مربوط به اثر جرم بر سخت گردانی در مقاطع ضخیم شود.برای یکنواختی توزیع سختی در مقاطع ضخیم مقدار کمی مولیبدن اضافه می شود.0.15 % مولیبدن اثر مشابه با 0.20 % کروم و یا 1.25 % نیکل دارد.
بعضی از فولادها بعد از سرد کردن آرام از دمای برگشت 625 C انرژی ضربه کمتری در مقایسه با فولادهایی دارند که بعد از برگشت با سرعت سرد شده اند.این پدیده به تردی تمپر معروف است.فولادهای منگنز، کروم و کروم – نیکل با کروم بیش از 0.75 % کروم به این نوع تردی حساس هستند.برای کاهش حساسیت به این نوع تردی به ترکیب این فولادها ، مولیبدن اضافه می شود. چنین فولادهایی در محورها، میل لنگ ها و چرخدنده ها کاربرد دارند.
نرم شدن مارتنزیت در دماهای برگشت بالای 260 C بوسیله مولیبدن به تاخیر می افتد و در 0.25 % Mo سختی فولادهای مارتنزیتی پرکربن و کربن متوسط در هنگام برگشت در دمای 400-630 C را افزایش میدهد.
در دماهای برگشت بالا ، مولیبدن وارد فاز کاربید می شود.با بالا بردن دمای برگشت دردمای 700 C غلظت بالایی از مولیبدن در سمنتیت اورتورومبیک وارد می شود و در درصدهای بالاتر از 0.5% Mo ، کاربید fcc ((Fe,Mo)23C6) تشکیل خواهد شد.
مولیبدنی که به فولادهای کم آلیاژی و پرآلیاژی اضافه می شود، مقاومت خزشی و استحکام دردماهای بالا را افزایش میدهد.دو علت اصلی را می توان در این نوع رفتار فولادهای مولیبدن دار دخیل دانست: افزایش استحکام خزشی فریت و دیگری بالا بردن دمای تبلور مجدد بعد از سخت گردانی. عامل دیگری نیز می توان بدان مربوط دانست و آن اینست که ساختار میانی بین پرلیت و مارتنزیت تمپر شده تشکیل می شود که استحکام خزشی بهتری دارد.
با اینکه مولیبدن بخودی خود استحکام خزشی فولاد را می افزاید، ولی فولادهایی که دردماهای بالا کاربرد زیادی دارند، در ترکیبشان علاوه بر مولیبدن ، وانادیم و یا کروم نیز دیده می شوند.فولادهای از این سری دارای 1% Cr,0.5 % Mo و یا 0.5% Mo,0.2% Cr می باشند.این فولادها در سوپر هیترهای بویلر و لوله هایی که در دماهای بالای 460 C کار می کنند، استفاده می شوند.آنچه در این کاربردها نیاز است،مقاومت در برابر گازهای کوره و اکسیداسیون، مقاومت خوردگی توسط گازهای گرم، استحکام خزشی بالا و بدون تردی تمپر می باشند.در صنایع شیمیایی فولاد با 0.5 % Mo بکار می رود که قابلیت جوشکاری بالایی نیز دارد.
در برخی از فولادهای تند بر ، مولیبدن می تواند جایگزین تنگستن شود.در این جایگزینی، یک قسمت مولیبدن بجای دو قسمت وزنی تنگستن اضافه می شود.البته شایان ذکر است که مولیبدن بطور کامل جایگزین تنگستن نمی شود بلکه عموما این فولادها دارای 6% Mo و 6% W می باشند و در فولادهای با مولیبدن بیشتر،2% W و 9 % Mo حضور دارند.در دماهای بالا ، این فولادها سختی مشابهی با فولادهای تند بر تنگستن دار داشته ولی فولادهای مولیبدن دار به دکربوریزاسیون سطحی در شرایط حرارت دهی در کوره های اکسیدی بسیار حساسند . برای حل این مشکل ، از حمام های نمک ،ا تمسفر کنترل شده کوره ها و یا پوشش های بوراکسی استفاده می کنند.
مولیبدن مقاومت خوردگی فولادهای کروم و کروم – نیکل را می افزاید.افزودن 3 % Mo به فولاد 8/18 استحکام در دماهای بالا را بهبود بخشیده و مقاومت در برابر محلول های سولفیدی ، سولفاتی و استات و مقاومت خوردگی اسید استیک را اصلاح کرده و حفره دار شدن در طی خوردگی در آب دریا را می کاهد.مولیبدن موجود در فولاد 8/18 خوردگی تماسی یا هوازدگی را می کاهد.این نوع خوردگی از ذرات خارجی موجود در محلول خورنده که با فولاد در تماس هستند، نشات می گیرد.
با افزودن Mo به فولادهای کم کربنی و مس دار نرخ خوردگی اتمسفری کاسته می شود. با حضور این عنصر ، گرافیت زایی دردماهای بالا کند می شود. مولیبدن ، نیتریدهای بسیار مقاوم در برابر سایش در فولاد تشکیل می دهد و بنابراین در فولادهای ابزار نیتریده شونده استفاده می شود.
در چدنها پایدار کننده متوسط کاربیدهاست. مولیبدن عنصر بسیار مفیدی در افزایش استحکام و چقرمگی چدنهاست.درصد افزوده شده به چدنها از این عنصر 0.25-1.25 % می باشد.در مقاطع بزرگ و متوسط اثر پایدار کنندگی پرلیت داشته و از اینرو یکنواختی در ساختار را در پی دارد و در عوض استحکام و سختی را افزایش میدهد. در مقاطع نازک، مولیبدن باعث ارتقای ساختار بینیتی سوزنی می شود.
وقتی مولیبدن بهمراه نیکل به چدن اضافه می شود،ساختار سوزنی شکل در کل ضخامت تشکیل می شود ولی اگر عنصر آلیاژی بیشتر باشد، مارتنزیت تشکیل خواهد شد.اثر مس همراه مولیبدن مشابه اثر نیکل است اما درصد مس تا حد امکان بایستی پایین باشد تا بطور کامل در محلول قرار بگیرد.چدنهای سوزنی شکل استحکام و سختی بالایی دارند و در کاربردهایی که نیاز به مقاومت خستگی دارند مثل میل لنگ استفاده می شوند.
سختی پذیری چدن مولیبدن تا حد زیادی در حضور مولیبدن در ترکیب آن بهبود می یابد و می تواند اثر مبردی نیز داشته باشد.مولیبدن کاربیدزا بوده و در کنار کروم و وانادیم جدایش می یابد و در یوتکتیک فسفید قرار می گیرد.Cr,V و P در چدنهای سوزنی مفید و دلخواه نمی باشند.
چدنهای با درصد کربن کل 3.35% ، 2.25 %Si و 0.50 % Mo در پیستونهای موتور ماشین بکار می رود.چدنهای مولیبدن دار در قالبهای فورج استفاده می شوند که بایستی استحکام گرم و مقاومت سایشی خوب داشته باشند.

[ghasem motamedi]

نیتروژن عنصر شیمیایی بی بو،بی رنگ و بی مزه است که بیشتر در شرایط استاندارد بکار می رود و 78 درصد از اتمسفر زمین را به خود اختصاص داده است.نیتروژن در لاتین از ترکیب دو کلمه nitrum به معنای قلیای خنثی و genes به معنای سازنده بدست آمده است.
نیتروژن در سال 1772 توسط دانیل رادرفورد (Daniel Ratherford) کشف شد که وی آن را به نام هوای تثبیت شده ویا مضر نامید.همزمان با آن نیز توسط دانشمندانی چون کارل ویلهلم شیل ،هنری کاوندیش و جوزف پیرستلی مورد بررسی قرار گرفت که این آخری آن را بنام ازت (azote) از واژه یونانی به معنای مرده نام گذاری کرد.حیوانات در آن می میرند و جز اصلی هواست که حیوانات در آن خفه می شوند و شعله در آن خاموش می شود.
ترکیبات نیتروژن از دوران میانی شناخته شده بودند.کیمیاگران اسید نیتریک را به نام aqua fortis(آب قوی) می شناختند.مخلوط اسیدهای نیتریک و اسید هیدروکلریک در آن زمان aqua regia (آب سلطنتی) نامیده می شد چرا که می توانست طلا(سلطان فلزات) را در خودش حل نماید.
نیتروژن قسمت اصلی آمینواسیدها و اسیدهای نوکلئیک می باشد که اینها نیز به نوبه خود پایه و اساس حیات هستند.نیتروژن ملکولی را نمی توان در گیاهان و حیوانات یافت و برای اینکه نیتروژن بتواند وارد ساختمان این جانداران شود،لازم است که به ترکیبات دیگر تبدیل شود و فرآیند تثبیت (Fixation) بر روی آن صورت گیرد.رسوبات معمولا دارای مقادیر قابل توجهی از نیترات و آمونیوم هستند که هر دو از تثبیت نیتروژن توسط برخورد نور و یا سایر پدیده های الکتریکی اتمسفری با آن تشکیل شده اند.
باکتری خاصی (به عنوان مثال تریفولیوم ریوزوبیوم) آنزیم های نیتروژنازی دارند که می توانند نیتروژن اتمسفری را به صورتی (یون آمونیوم) تثبیت کند که برای اندام های بالایی مفید باشد.لازمه این فرآیند این است که انرژی زیاد وبی اکسیژنی فراهم شود.این چنین باکتریهایی ممکن است که در خاک به شکل آزاد باشند(مثل آزوباکتر)ولی یک رابطه همزیستی با برآمدگی های ریشه گیاهان داشته باشند.
بخشی از رابطه همزیستی که در بالا بدان اشاره شد،این است که گیاه یون آمونیوم را به اکسیدهای نیتروژن و اسیدهای آمونیم تبدیل می کند تا پروتئین ها و سایر ملکول های مفید بیولوژیکی مثل آلکالوئید تشکیل شوند.در عوض این فرآیند که باکتریها در اختیار گیاه قرار می دهند،گیاه نیز به این باکتریها شکر می دهد.
برخی از گیاهان می توانند که نیتروژن را مستقیم به حالت نیترید از خاک یا رسوبات طبیعی اطراف ریشه جذب نماید.این نوع نیترات ها که جذب گیاه می شوند،با کمک آنزیم ردوکتاز نیترات به نیتریت تبدیل شده و سپس بوسیله آنزیم دیگری به نام ردوکتاز نیتریت به آمونیاک تبدیل می شود.
در حیوانات نیز نیتروژن را می توان جز اصلی حیات آنها به شمار آورد.حیوانات از آمینواسیدهای حاوی نیتروژن حاصل از منابع گیاهی برای تولید پروتئین ها و اسیدهای نوکلئویک استفاده می کنند.حشراتی که از گیاهان تغذیه می کنند،نیز در جیره غذای شان به نیتروژن وابسته هستند،که مقدار نیتروژن موجود در کودهای بکار رفته برای گیاهان بر نرخ زاد و میر حشرات بسیار موثر است.
نیتراتهای محلول عامل محدود کننده رشد برخی از باکتری ها در آبهای اقیانوس هستند.در نقاط مختلف دنیا برای افزایش بازده و بهره زمینهای کشاورزی از کودهای نیتروژن دار مصنوعی استفاده می کنند که در نتیجه این کودها از طریق رودخانه ها وارد سیستم اقیانوس می شوند.این فرآیند سب انباشتگی خوراک آب شده و در نتیجه تعداد باکتریهای بر پایه نیتروژن افزایش یافته و در نتیجه سبب کاهش اکسیژن آب خواهد شد که این امر به منزله مرگ جانداران دیگر آبی است.
بسیاری از ماهی های آب های شور مقادیر زیادی اکسید تری متیل آمین تولید می کنند تا بتوانند در مقابل اثرات بالای اسمزی که از محیط بر آنها وارد می شود،مقاومت نمایند.در واقع تبدیل این ترکیب به دی متیل آمین است که باعث می شود که بوی ماهی کهنه با ماهی تازه متفاوت باشد.
در كوره هاي بسمر ، نيتروژن بهمراه هواي فشرده از زير به مذاب دميده مي شود.و يا در كوره هاي الكتريكي با قوس پلاسما به نيتروژن اتمي تبديل مي شود.محققان هنوز بر سر ميزان انحلال نيتروژن در ذوب به توافق نرسيدند.ولي آنچه كه مشخص است در هنگام انجماد ، قابليت انحلال نيتروژن كاسته مي شود.نيتروژن در دماي 727 C بصورت بين نشين در فريت حل مي شود.مقادير اضافي تشكيل نيتريد آهن و ساير ذرات نيتريدي كمپلكس را مي دهد.بعد از استحاله آستنيت به فريت،ذرات نيتريد آهن بصورت Fe4N رسوب مي كند وچون در دماي بالا رسوب مي كنند، امكان آگلومراسيون و درشت شدن رسوبات وجود دارد. اين ذرات تاثير خاصي در افزايش استحكام ندارند.ميزان انحلال نيتروژن بستگي به درصد عناصر آلياژي ديگر دارد.عناصري چون كربن،سيليس و اكسيژن انحلال نيتروژن را كاسته در صورتيكه كروم ،منگنز ،واناديم،زيركن و تيتانيوم اين مقدار را افزايش مي دهند.
نيتروژن آستنيت زاي بسيار قوي است و خواص مكانيكي را افزايش مي دهد. نيتروژن بالاخص همراه موليبدن مقاومت به خوردگي موضعي را افزايش مي دهد. در فولادهاي زنگ نزن فريتي شديدا چقرمگي و مقاومت خوردگي را مي كاهد و در فولادهاي مارتنزيتي –آستنيتي ، نيتروژن هر دوي سختي و استحكام را زياد كرده و متعاقب آن انرژي ضربه را مي كاهد.
نيتروژن به علت كاهش چقرمگي ، هنگام رسوب رسوبات نيتريدي مضر بوده و عامل پيرتردي و تردي آبي است. هم چنين احتمال خوردگي توام با تنش بين دانه اي در فولادهاي ساده و كم آلياژي را تقويت مي كند.
نیتروژن در آهن قابلیت نفوذ داشته و نرخ دیفوزیون آن در آهن از کربن بیشتر ولی از هیدروژن کمتراست.در درصد 0.01 نیتروژن درآهن ، در دمای بالاتر از 300 C فاز ثانویه ای تشکیل نمی شود ولی در دمای کمتر از آن ، نیترید آهن تشکیل خواهد شد و چون در دمای کم تشکیل شده است ، رسوبات ریز کوهئرنت تشکیل می شود که علت اصلی پیری و تردی است.
فولادهایی که در قطعات نیتریدی استفاده می شوند، دارای عناصر پایدار کننده نیترید هستند.کروم وآلومینوم از جمله عناصری هستند که نیترید آنها با رسوب در لایه سطحی ، سختی لازم را فراهـــــــــــم می آورند. فولاد متــــــــــداول ، سری های نیتروآلوی با 1% Al, 1.5 % Cr می باشد.
در صورتی که عملیات حرارتی در شرایط اکسید کننده انجام گیرد، نیتروژن فولاد دست نخورده باقی می ماند چرا که لایه اکسید سطحی از تبادل نیتروژن بین قطعه و محیط جلوگیری می کند.وقتی فولادهای پرکروم در دماهای بالا(1000 C) در محیط نیتروژن دار حرارت داده می شوند،سریعا گاز جذب میکنند، و در واقع گاز نیتروژن جذب میکننددر این مورد، اگر چه سطح اکسیدی در سطح فولاد وجود دارد، ولی نیتروژن حتی با نرخ کم نیز جذب فولاد می شود و باعث نازک شدن لایه اکسیدی خواهد شد.این اثر در حضور منگنز در درصدهای 3-4 % تشدید می شود.
افزودن نیتروژن به فولادهای پرکروم با کروم 17 % ، اصلاح خواص فولاد را در پی دارد بطوریکه انرژی ضربه 80 Ib.ft را می توان از آن گرفت. در درصدهای کروم بالا تر از این مقدار بالاخص در 20 % Cr اثر بهبود کنندگی نیتروژن آنقدر کاهش می یابد که قابل چشم پوشی است.فولادهای کم کربن با 17 % Cr بعد از سرد کردن سریع در هوا از دمای بالا سختی پذیری کمی از خود نشان می دهند و هم چنین داکتیلیتی شان کم می شود.بنابر این باید بعد از کار گرم ، در محدوده 700-800 C برگشت داده شوند.افزودن نیتروژن سبب افزایش داکتیلیتی و سختی پذیری شده و در نتیجه لزوم برگشت بعد از کار گرم را حذف می کند.
افزودن نیتروژن به فولادهای 20 % Cr و 27 % Cr کاری متداول است.و طبیعتا ساختار کاملا فریتی داشته و دربرابر رشد دانه در هنگام حرارت دهی تا دماهای بالا مقاومت از خود نشان می دهند.اضافه کردن نیتروژن به ترکیب این فولادها ، مقدار کمی آستنیت و فاز ثانویه در ریز ساختار بوجود می آورد که در برابر حرارت دادن ، بدون هیچگونه خطر رشد دانه استفاده کرد و هم چنین کار گرم آنها آسان می شود.معمولا درصد نیتروژن افزوده شده در حدود یک صدم درصد کروم است چرا که تقریبا بیشترین درصد نیتروژنی است که در محلول جامد می تواند حضور داشته باشد.بالتبع درصد قابل حل نیتروژن در مذاب فولاد بیشتر بوده و مقدار اضافی آن در هنگام انجماد یا از ذوب خارج می شود ویا مقداری محدود نیز در محلول جامد گیر می افتند.
نیتروژن می تواند به عنوان جایگزین مقدار کمی از نیکل در فولادهای زنگ نزن آستنیتی بکاررود. تاثیر نیتروژن بر پایداری آستنیت در حدود 20 تا30 برابر اثر نیکل است. قابلیت انحلال نیتروژن در فولاد 8/18 بسیار کــــــــــم می باشد فلــــذا افزودن بیش از 0.06-0.08 % N به ترکیب فولاد را محدود می کند.این مشکل با افزودن درصدی منگنز برطرف می شود.فولاد کم کربن با 0.15-0.20 % N,8% Mn, 6% Ni,20 % Cr هم رده و شاید بهتر از فولاد آستنیی 8/18 از لحاظ مقاومت خوردگی و قابلیت جوشکاری باشد ولی بسیار گران بوده و کار گرم آن مشکل است.
معمولا نیتروژن در چدنها به اندازه 30-100 ppm وجود دارد.اگر چه درصد نیتروژن می تواند از این هم فراتر رود ولی به اندازه ای نیست که آرام بودن قطعه را به خطر اندازد.نیتروژن بمقدار کمی در محلول جامد می تواند حضور داشته باشد و یا اینکه با عناصر دیگر بصورت ترکیب در آید.
نیتروژن در چدن مالیبل تاحدکمی فرآیند آنیل راکند می سازد.نیتروژن موجود در ترکیب چدن با حضور تیتانیوم و آلومینوم و با تشکیل نیترید خنثی می شود.چدنهای پرکروم به رشد دانه بسیار حساس هستند ولذا نیتروژن اغلب به این چدن ها اضافه می شود تا اندازه دانه بعد از ریخته گری را بکاهد.افزودن نیتروژن به ذوب بوسیله فروکروم های حاوی نیتروژن انجام می گیرد.
چدنهایی که برای کاربردهای نیتریدی استفاده می شوند، اغلب حاوی آلومینوم و کروم بوده و یک لایه با سختی سطحی بسیار بالا و نیترید های پایدار تشکیل می شود

[ghasem motamedi]

تیتانیوم عنصر شیمیایی است که که سبک ،محکم ودرخشان بوده و مقاومت خودرگی بالایی دارد.از طرفی این عنصر نسبت استحکام به وزن بالایی نیز دارد.
تیتانیوم برای اولین بار در روستای کارنول(Cornwal) توسط یک زمین شناس غیر حرفه ای به نام ویلیام گرگور(William Gregor) در سال 1791 کشف شد. وی اظهار داشت که عنصری ناشناخته و جدید در ایلمنیت وجود دارد.ایشان در ماسه سیاه که از نزدیک منکان (Manaccan) جریان داشت،عنصری را دید که توسط مغناطیس جذب می شد.آنالیز این ماسه دو نوع اکسید فلز را نشان داد:اکسید آهن و دیگری ماده ای بود که نتوانست آن را شناسایی کرد.گرگور در گزارش خود آورد که ماده جدید خصوصیاتی دارد که با مواد شناخته شده مطابقت ندارد و این گزارش را به انجمن سلطنتی زمین شناسی کارنول و نیز مجله علمی آلمانی به نام Crell’s Annalen ارسال نمود.البته اگر وی می توانست که این فلز را جدا نماید،شاید اسم آن را مناکیت (Menachite) می نامید.
در همان زمان،فرانس جوزف مولر(Franz Joseph Muller) ماده مشابهی را تولید کرد ولی نتوانست آن را شناسایی نماید.درسال 1795 میلادی ،شیـــــــمی دان آلمانی به نام مارتــــــین هـــــــــنریش کلاپروت(Martin Heinrich Klaproth) اکسید آن را در سنگ معدنی تورمالین قرمز بدست آورد.ایشان عنصر جدیدی در آن یافت که براساس مکتب خداشناسی یونانی ،آن را تیتان (Titans) نامید.
فرآیندهایی که برای استخراج تیتانیوم از سنگ معدن های مختلف استفاده می شوند،معمولا روش های آزمایشگاهی و هزینه بر هستند واز طرفی نمی توان در حالت معمولی با حرارت دادن در حضور کربن ،آنرا احیاء نمود،زیرا که کاربید تیتانیوم تشکیل شود.تیتانیوم فلزی خالص (99.99%) برای اولین بار توسط ماتئو هانتر(Matthew A.Haunter) از طریق حرارت دادن TiCl4 همراه با سدیم در یک مخزن فولادی در دمای 700-800 C در فرآیند هانتر تولید شد.این نوع تیتانیوم فلزی که با فرآیند هانتر تولید شده است،بیرون از آزمایشگاه کاربردی نداشت،اما در سال 1946،ویلیان ژوستین کرول(William Justin Kroll) اثبات کرد که تیتانیوم فلزی را بوسیله احیاء تترا کلرید تیتانیوم به همراه منیزیم از طریق فرآیند کرول به صورت تجارتی می توان تولید کرد.علیرغم اینکه تحقیقات زیادی در مورد کاهش هزینه ها و افزایش راندمان در این سالها انجام شده اند،اما هنوز هم فرآیند کرول یکی از روش های تجارتی مهم در تولید تیتانیوم می باشد.
با توجه به اینکه تیتانیوم سازگاری زیادی با محیط زیست و بدن دارد،به عبارتی غیر سمی بوده وتوسط بدن پس زده نمی شود،از اینرو در بسیاری از کاربردهای پزشکی هم چون ابزارهای جراحی و ایمپلانت ها استفاده پیدا کرده است.
تیتانیوم دارای ویژگی منحصر به فردی است که می تواند به راحتی در بدن قرار گیرد و لذا در ایمپلانت های دندان استفاده می شود و تا بیش از 30 سال در بدن باقی می ماند.این ویژگی در ایمپلانت های اورتوپدی بکار گرفته می شود.مدول الاستیسیته پایین تیتانیوم سبب می شود که هم خوانی بسیار بالایی با MOE استخوان داشته باشد و ازاینرو هنگامی که نیرویی بر استخوان وارد می شود،بطور یکنواخت و همگن بر هردوی آنها وارد می شود.بنابراین از تخریب و آسیب دیدن استخوان جلوگیری می کند.
وزن اتمي تيتانيوم 48 و نقطه ذوب آن 1668 C است.عليرغم ساختار كريستالي hcp‌ آن در تركيب فولاد فريت زا و كاربيد زاي قوي است و در حدود 3 % از تشكيل فاز آستنيت بطور كامل جلوگيري مي كند . آهن وتيتانيوم در زمينه تشكيل فاز بين فلزي تردي ميدهند. بررسي ها روي نمودار فازي آهن وتيتانيوم نشان مي دهند كه در ساختار سه تركيب FeTi2،Fe3Ti و Fe2Ti وجود دارند. اگر درصد تيتانيوم از 3% فراتر رود Fe2Ti تشكيل خواهد شد.
به خاطر تمايل زياد تيتانيوم به تركيب با اكسيژن، درصد زيادي از تيتانيوم در فولاد مذاب با اكسيژن تركيب شده و اكسيد تيتانيوم TiO2 تشكيل مي شود. مگر اينكه درصد اكسيژن بساير كم باشد. (%0.01) اكسيد تيتانيوم در زمينه بطور ريز توزيع مي شود. توزيع يكنواخت و ريز اين اكسيدها در ذوب ، جوانه زني در حين انجماد را تسريع كرده و اصلاح اندازه دانه ها را در پي خواهد داشت.
توزيع تيتانيومي كه اكسيد نشده است،بستگي به ميزان نيتروژن و كربن فولاد و عناصر نيتريد ساز قوي در فولاد در سيكل حرارتي دارد. نيتريد تيتانيوم و كاربيدها متقابلا در هم حل مي شوند. فلذا TiC-TiN يا Mx(C,N)y نشان داده مي شوند.
در فولادهاي زنگ نزن آستنيتي،براي افزايش مقاومت خوردگي بين دانه اي اضافه مي شود.ولي خواص مكانيكي در دماهاي بالا را نيز افزايش مي دهد. در فولادهاي فريتي ، تيتانيوم با كاهش درصد بين نشيني ها در محلول جامد، چقرمگي و مقاومت خوردگي را بهبود مي بخشد. در فولادهاي مارتنزيتي سختي مارتنزيت را مي كاهد و مقاومت تمپر را مي افزايد.در فولادهاي رسوب سختي شونده، براي تشكيل تركيبات بين فلزي جهت افزودن مقدار استحكام از تيتانيوم استفاده مي شود.فولادهاي آلياژي همراه با مقدار كمي تيتانيوم توليد مي شود.با افزودن درصدي از تيتانيوم همراه با عناصر آلياژي ديگر مثل مس، نيكل و موليبدن ، سري جديدي بنام فولادهاي ميكرو آلياژي توليد مي شوند.اگر تيتانيوم در فولاد آستنيته شده بصورت محلول در آيد، سختي پذيري را تا حد كمي افزايش مي دهد ولي اگر مقداري از كربن فولاد بشكل ذرات كاربيد تيتانيوم حل نشده باقي بمانند ، سختي پذيري کم می شود.
در درصدهاي كم اكسيژن ، تيتانيوم بصورت نيتريد تيتانيوم ديسكي شكل با ضخامت 200 A تشكيل خواهد شد.در حين استحاله در Ar1و Ar3 ، كاربيد تيتانيوم تشكيل مي شود. در هنگام حرارت دهي دوباره، ذرات كاربيدي راحت تر از ذرات نيتريدي حل مي شوند. وجود ذرات نيتيريدي در ريزساختار ، علاوه بر افزايش استحكام فولاد، مقاومت دانه ها در برابر افزايش اندازه دانه در دماهاي بالا را زياد تر مي كند كه اين خاصيت در منطقه HAZ بسيار مفيد است. هم چنين تيتانيوم تمايل به جدايش و تجمع دارد و باعث تشكيل ساختار لايه اي Banding مي شود.
در فولاد های پر کربن با درصد بالای تیتانیوم ، با ترکیب تیتانیوم و کربن و نیتروژن موجود ، کربونیترید/ سیانونیترید تشکیل می شود.این آخالهای ناپایدار نامطلوب بوده و بر ماشینکاری اثر منفی دارند و به عنوان محل های افزایش دهنده تنش عمل می کنند.
بهترین سطح شمش ریختگی ، وقتی بدست می آید که از فولادهای جوشان که تحت عملیات با تیتانیوم قرار گرفته باشند، استفاده شود که جدایش و حفرات زیر سطحی را حذف می کند.
اکسید زدایی فولادهای آرام با تیتانیوم باعث تمیز شدن فولاد می شود که در آن محصولات ناشی از اکسیژن زدایی قبلی نظیر سیلیکاتهای منگنز و آهن با فرآیند سرباره سازی حل می شوند.در این حال، آخالها آگلومره شده و براحتی از ذوب خارج می شوند.میزان تیتانیوم اضافه شده به ذوب بایستی بدقت کنترل شود ودر تولید فولادهای بسیار تمیز که خواص مکانیکی عالی مورد نظر است، تیتانیوم به عنوان اکسیژن زدا در نظر گرفته نمی شود و اگر تیتانیوم بمقدار نادرست اضافه شود ، خطر تشکیل آخالهای کربرونیترید/سیانونیترید وجود دارد.
اکسیژن زدایی با تیتانیوم فولادهای آرام، جدایش سرشمش را کاسته و از اینرو راندمان آن را افزایش می دهد.مثالی از این مورد می توان به تولید فولاد ریل با کوره بازی و افزودن تیــــــــــــــــــــتان یوم به آن اشاره کرد.ترکــــــــــــــــــ� �ــــــــــــــــــــــــ� �ــــــــــــــــــــــــ� �ـــــــــــــــــــیب استانــــــــــــــــدارد این فــــولاد0.04% max P,0.10-0.30 % Si,0.60-0.90 % Mn,0.60-0.75 % C است.در حــدود 0.1 % Ti به بوته اضافه می شود(یا آنقدر اضافه شود که میزان نهایی تیتانیوم از 0.005 % فراتر نرود.)در اینصورت جدایش حذف شده و عمر کاری ریلهای نهایی را بیشتر می کند.هم چنین اکسیژن زدایی با تیتانیوم ، مقاومت در برابر تردی پیرکرنشی را افزایش می دهد.
اگر درصد تیتانیوم در فولاد مناسب باشد، با گوگرد ترکیب می شود( در غیاب اکسیژن و نیتروژن) و از تشکیل سولفید آهن و سرخ شکنندگی جلوگیری می کند.فولادی با 0.15 % S و بدون منگنز و 0.26 % Ti قابلیت فورج دارد.
افزودن 2-3 Ibs به ازای هر تن فولاد با گوگرد بالا ، و به دنبال آن توزیع یکنواخت سولفید ، خوش تراش بودن فولادهای فورج شده را به دنبال خواهد داشت.دراینگونه موارد ، تیتانیوم به آلومینوم ترجیح داده میشود زیرا آخالهای آلومینیایی ساینده که بر ماشینکاری اثر منفی دارند، را حذف می کند.هر چند که برای جلوگیری از تشکیل کربونیترید/ سیانونیترید ، باید مقادیر بسیار کمی ازآن، به ترکیب فولادهای کربنی ساده اضافه می شوند.
تیتانیوم همراه با آلومینوم برای کنترل اندازه دانه آستنیت بکار می رود.در این میان، تاثیر آلومینوم بر کنترل اندازه دانه بیشتر بوده ولی اگر بمقدار لازم اضافه شود، ترک برداری سطوح داخلی افزایش می دهد.اعتقاد بر اینست که آلومینوم با نیتروژن ترکیب شده و فیلم یوتکتیک مانندی از نیترید آلومینوم در مرزدانه های اولیه آستنیت می سازد که باعث افت استحکام و داکتیلتیی می شود.در صورتی که فروتیتانیوم همراه با آلومینوم افزوده شود ، تیتانیوم به عنوان عنصر ترجیحی برای تشکیل نیترید عمل کرده و از تشکیل نیترید آلومینوم ترد جلوگیری می کند.این روش در کاهش احتمال ترک در فولادهای کربنی متوسط با کنترل اندازه دانه بسیار موثر بوده و وجود تیتانیوم میزان آلومینوم مورد نیازرا برای کنترل اندازه دانه می کاهد.
در فولادهایی که با آلومینوم آرام شده اند، شمش هایی که در مراحل آخر ریخته گری می شوند، بزرگ شدن اندازه دانه را خواهیم داشت.که به علت کاهش اثر کنترل کنندگی آلومینوم بر روی اندازه دانه است که احتمال دارد ناشی از نگهداشتن طولانی ذوب در بوته و واکنش مذاب-سرباره باشد.در اینصورت تقریبا 0.035 % Ti به ذوبهای آخری که از شمش ریخته می شود، اضافه میشود تا اصلاح دانه حفظ شود.
درصد پرلیت در فولادهای کربنی ساده در حضور تیتانیوم و به تبع آن تشکیل کاربیدهای آن کاهش می یابدهم چنین گسترش کریستالهای درشت دندریتی را محدود کرده و اندازه دانه را به احتمال قوی با تشکیل جوانه های کاربید تیتانیوم اصلاح می سازد.
با افزودن 0.2-0.3 % Ti به فولادهای کربنی ساده و عملیات انحلالی در دماهای بالا که باعث ماندن مقداری تیتانیوم در محلول جامد می شود، سختی پذیری زیاد می شود. سخت گردانی در تمپر را نیز تسهیل می کند.در صورتیکه فولاد دردمای کمتر از 1000 C عملیات انحلالی داشته باشدو یا اینکه نسبت تیتانیوم به کربن بزرگتر یا مساوی 4 باشد، سختی پذیری کاهش خواهد یافت.
تیتانیومی که در فولادهای ابزار است، دانه را اصلاح کرده و عمق سختی را می کاهد و از اینرو احتمال ترک برداری را کم خواهد کرد.
تمایل به سخت گردانی در هوا در فولادهای 4-6 %Cr با افزودن تیتانیوم کم می شود و اگر نسبت Ti به C از 5.5 فراتر نرود، استحکام کششی دردماهای بالا بهبود خواهد یافت.
فولادهای کم کربن مولیبدنی که با تیتانیوم اکسیژن زدایی و اصلاح دانه شده است، در مقایسه با فولادهای آرام شده با آلومینوم ، براحتی در دماهای بالا گرافیته نمی شوند و در صورتیکه درصد تیتانیوم 2.8 برابر درصد کربن باشد، هیچ گرافیت زایی در ریزساختار دیده نمی شود. این فولادها خواص مکانیکی و استحکام خوبی در دماهای بالا دارند.
فولادهای 18/8 بعد از اینکه در محدوده 450-800 C عملیات حرارتی شدند و یا بعد از جوشکاری، وقتی در محیط خورنده قرار گیرند، با مکانیسم خوردگی بین دانه ای و یا Weld decay خورده می شوند.وقتی این فولادها در دمای 450-800 C عملیات حرارتی شوند، کاربید کروم از محلول جامد رسوب کرده و در نتیجه مناطق مجاور مرزدانه از کروم خالی می شود.این منطقه کم کروم به خوردگی بسیار حساس است . این حساسیت می تواند ناشی از کاهش درصد کروم باشد یا اینکه اثر گالوانیکی حاصل از تماس محلول جامد غنی از کروم با محلول جامد کم کروم عامل حساسیت باشد.
یکی از راه حلهای برطرف کردن مشکل خوردگی بین دانه ای در این فولادها، افزودن تیتانیوم به ترکیب این فولاداست.درصد تیتانیوم باید بقدری باشد که کاربید تیتانیوم بجای کاربید کروم در حین رسوب سازی تشکیل شود.فلذا از تخلیه کروم در مرزدانه ها جلوگیری کرده و خوردگی بین دانه ای رخ نمی دهد.
جوشکاری فولاد 18/8 که با تیتانیوم پایدار شده است، بدون هیچ خطر و ترسی از خوردگی بین دانه ای می تواند انجام شود ولی برای جوشکاری بایستی از میلگردهای پایدار شده استفاده شود.خاطر نشان می شود این میلگردهابهتر است با نیوبیوم پایدار شوند زیرا میلگردهای پایدار شده با تیتانیوم باید در اتمسفر محافظ جوشکاری شوند تا از افت اکسیداسیون جلوگیری شود.
حداقل تیتانیوم لازم برای اطمینان از پایدار شدن فولاد 5 برابر درصد کربن فولاد است. جایگزین مناسب تیتانیوم ، نیوبیم است ولی چون وزن اتمی نیوبیم دو برابر تیتانیوم است فلذا در مقایسه با تیتانیوم در حدود 2 برابر درصد تیتانیوم اضافه می شود( 10 برابر درصد کربن)
حضور تیتانیوم در ترکیب فولادهای زنگ نزن آستنیتی اندازه دانه بعد از ریختگی را کاسته و باعث تشکیل فریت دلتا خواهد شد.تیتانیوم استحکام خزشی این فولادها را افزوده ولی تاثیر کمی بر استحکام آنها در دمای اتاق دارد.با این وجود برای رسیدن به استحکام در دمای بالا، میزان نیکل را باید افزود تا درصد فریت دلتا در ریزساختار کاهش یابد و در نهایت حذف گردد.
تیتانیوم همراه با آلومینوم در تولید فولادهای زنگ نزن فریتی ،آستنیتی، پرنیکل،پرمنگنز رسوب سختی شونده و آلیاژهای مقاوم به حرارت پایه نیکلی رسوب سختی شونده بنام Nimonic بکار می رود.اگر آلیاژ تیتانیوم – آهن را از دمای انحلالی بالا کوئنچ کنیم ، درصد کمی از تیتانیوم در محلول جامد باقی می ماند . بنابراین باید آلیاژ را تا دمای نسبتا بالا حرارت داده و در آن نگهداشته تا تیتانیوم وارد محلول جامد شود تا بتواند رسوبات ترکیب آهن – تیتانیوم با توزیع ریز تشکیل دهد.در فولادهای آلیاژی ، توازن پیچیده ای بین درصد تیتانیوم و مقدار اجزای موجود برای حصول به شرایط مطلوب رسوب لازم است.
تیتانیوم تا حدی در چدن ها وجود دارد و اغلب بصورت آخالهای سوزنی شکل سفید – صورتی رنگ از کاربید ها یا نیتریده ای یا هر دوی آنها می باشد.
افزودن تیتانیوم به چدن درصد گرافیت فوق تبریدی ریز رادر ساختار افزایش می دهد.که شاید علت اصلی آن ترکیب تیتانیوم با گوگرد باشد.بیشترین تاثیر اصلاح گرافیت از طریق ایجاد حباب دی اکسید کربن و یا آرگون در ذوب برای حذف هیدروژن می باشد. این عملیات آرام بودن و یکنواخت بودن چدن را بهبود می بخشد.وجود گرافیت فوق تبریدی حضور فریت را تقویت کرده که فریت تاثیر منفی بر خواص مکانیکی دارد علی هذا ادعا شده است که افزودن تیتانیوم استحکام چدن را بهتر می کند.
چدنهای با گرافیت اصلاح شده ساختار چگالتری دارند که به محدود کردن رشد دانه کمک می کند.و مقاومت خوردگی در محلول های اسیدی را افزایش می دهد. بمنظور کمینه کردن رشد دانه ، گاها تیتانیوم به چدنهای پرسیلیس مقاوم به حرارت افزوده می شود.
اندازه دانه کاربید یوتکتوئید چدنهای پرکروم را می توان با افزودن تیتانیوم اصلاح کرد که این عمل منجر به افزایش استحکام مکانیکی خواهد شد.
توزیع نیتریدها و کاربیدهای تیتانیوم سخت در زمینه نرم ، مقاومت سایشی خوب بدون کاهش قابلیت ماشینکاری رادر چدنهای حاوی تیتانیوم فراهم می آورد.