تاثیر تیتانیوم در فولاد

[M.A.A.H.R]

تاثیر تیتانیوم
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.

http://alirezanouri.blogfa.com/