دور العناصر في عمليات الصب وترتيب إضافتها

في عملية إنتاج السبائك، ولضبط العناصر الكيميائية ضمن النطاق المطلوب، نحتاج إلى إضافة عناصر سبائكية. وإن كمية كل عنصر تُضاف إلى السبيكة، ووقت الإضافته وترتيب إضافته، يؤثران على جودة السبيكة. وسنحاول تحليل عدة عناصر شائعة الاستخدام:

أولاً. دور كل عنصر ومبدأ إضافته

(١) الكربون (C)

الوظيفة:

تعزيز المصفوفة: الكربون (C) هو العنصر الأساسي لتعزيز الحل الصلب في الفولاذ، ويشكل كربيد الحديد (Fe₃C) مع الحديد لتحسين الصلادة والمتانة.

التحكم في التصلّب: يؤدي ارتفاع محتوى الكربون إلى تقليل سيولة الفولاذ المنصهر وزيادة ميله إلى الانكماش.

مبدأ الإضافـة: يجب ضبط المحتوى وفقًا للأداء المستهدف (ويُضبط عمومًا بين ٠,١٥٪ و٠,٣٪ في الفولاذ منخفض السبائك).

المخاطر الناتجة عن الزِّيادة المفرطة: عند تجاوز محتوى الكربون ٠,٥٪، تنخفض المقاومة للصدمات بشكل ملحوظ وتتدهور قابلية اللحام.

(٢) السيليكون (Si)

الوظيفة:

عامل إزالة الأكسجين: يتفاعل تفضيليًّا مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) لتنقية الفولاذ المنصهر.

تعزيز الحل الصلب: يذوب في الفريت لزيادة المتانة (وتزداد مقاومة الشد بمقدار ٤ ميجا باسكال تقريبًا لكل زيادة نسبتها ٠,١٪ في محتوى السيليكون).

مبدأ الإضافـة: تُضاف المادة في المرحلة المتأخرة من عملية الصهر (أي في فترة الاختزال) لتفادي فقدانها بسبب الأكسدة (مثل سبيكة فerro-silicon).

مخاطر ارتفاع المحتوى المفرط: يُضبط المحتوى عادةً بين ٠,٢٪ و٠,٥٪، أما ارتفاعه أكثر من ذلك فيؤدي إلى انخفاض المقاومة للصدمات.

(٣) المنغنيز (Mn)

الوظيفة:

الإزالة التامة للأكسجين وإزالة الكبريت: تكوين أكسيد المنغنيز (MnO) مع الأكسجين (لإزالة الأكسجين)، وتكوين كبريتيد المنغنيز (MnS) مع الكبريت (لإزالة الكبريت).

تحسين القابلية للتج-hardening: تأخير تحول البيرلايت وتحسين قابلية التصلّب المارتنسيتي.

مبدأ الإضافات: تُضاف على دفعات خلال فترة الأكسدة (لإزالة الأكسجين + إزالة الكبريت)، وتُضاف خلال فترة الاختزال (إذا احترقت).

مخاطر ارتفاع المحتوى بشكل مفرط: يُتحكم في المحتوى بين ٠,٨٪ و١,٥٪؛ إذ يؤدي ارتفاعه أكثر من ذلك بسهولة إلى هشاشة بعد التسخين.

(٤) الفوسفور (P)

الوظيفة:

عناصر ضارة: تذوب صلبًا في الفريت، وتقلل المطيلية والمتانة (الميل إلى الهشاشة الباردة).

التقوية بالذوبان الصلب: يمكن لكميات أثرية من الفوسفور أن تحسّن المتانة، لكن يجب التحكم بدقة شديدة في كميته. ولا يُوصى بإضافته أثناء الإنتاج في الأفران ذات التردد المتوسط.

مبدأ التحكم: يُفضَّل اختيار مواد خام منخفضة الفوسفور (مثل الخردة الفولاذية)، وتجنب الإضافات الإضافية له أثناء الصهر.

خطر وجود كمية زائدة: يجب أن تكون النسبة أقل من ٠٫٠٣٥٪ (وتتطلب الفولاذ عالي الجودة نسبة أقل من ٠٫٠٢٥٪).

(٥) الكبريت (S)

الوظيفة:

عناصر ضارة: تتفاعل مع الحديد لتكوين كبريد الحديد (FeS)، ما يؤدي إلى هشاشة حرارية (تشقق أثناء المعالجة عند درجات الحرارة العالية).

التحكم في الشوائب: يجب دمجه مع المنغنيز لتكوين كبريد المنغنيز (MnS) لتقليل الضرر.

مبدأ التحكم: إزالة الكبريت بإضافة المنغنيز (ويُوصى بأن تكون نسبة المنغنيز إلى الكبريت ٢:١ إلى ٣:١).

خطر وجود كمية زائدة: يجب أن تكون النسبة أقل من ٠٫٠٣٥٪ (أما الفولاذ الخاص فتكون أقل من ٠٫٠٢٪).

(٦) الكروم (Cr)

الوظيفة:

تحسين القابلية للتصليد: تأخير تحلل الأوستنيت وزيادة صلادة المارتنسيت.

مقاومة التآكل: يشكّل طبقة رقيقة كثيفة من أكسيد الكروم (Cr₂O₃) (كما في الفولاذ المقاوم للصدأ).

تنعيم الحبيبات: يثبّط نمو حبيبات الأوستنيت.

مبدأ الإضافـة: تُضاف أثناء فترة الانصهار (يتطلب ارتفاع نقطة الانصهار ارتفاع درجة الحرارة للذوبان). ومقدار المحتوى عادةً ما يكون بين ٠٫٥٪ و٢٫٠٪ (يُعدَّل وفقًا لمتطلبات مقاومة التآكل أو مقاومة التآكل) المقاومة).

(٧) الموليبدينوم (Mo)

الوظيفة:

تنعيم الحبيبات: يثبِّط تكبير حبيبات الأوستنيت ويحسِّن المطيلية.

الاستقرار عند درجات الحرارة العالية: يحسِّن الصلادة الحمراء ومقاومة الزحف.

التقوية بالذوبان الصلب: يعزِّز قوة المصفوفة.

مبدأ الإضافـة: تُضاف أثناء فترة الانصهار (على غرار الكروم Cr) لتفادي التطاير عند درجات الحرارة العالية. ومقدار المحتوى عادةً ما يكون بين ٠٫١٪ و٠٫٣٪ (ويكون أعلى في الفولاذ عالي الموليبدينوم).

ثانيًا: التفاعل بين العناصر

(١) التأثير التآزري بين الكربون C والسيليكون Si/المنغنيز Mn

توازن إزالة الأكسجين: يقوم السيليكون بإزالة الأكسجين أولًا، بينما يساعد المنغنيز في إزالة الكبريت، لكن وجود كمية زائدة من السيليكون يثبِّط تأثير المنغنيز في إزالة الكبريت.

تأثير التحول الطوري: عندما يكون محتوى الكربون (C) مرتفعًا، قد يؤخر المنغنيز (Mn) تحول البيرلايت، مما يؤدي إلى زيادة في الأوستنيت المتبقي.

(2) التأثير التكميلي للكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo)

تراكُب قابلية التصلّد: يحسّن الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo) معًا قابلية التصلّد، وهي مناسبة للصلب عالي القوة (مثل الصلب عالي القوة منخفض السبائك HSLA).

التناغم في مقاومة التآكل: يوفّر الكروم (Cr) غشاءً واقيًّا تمرّنيًّا، بينما يعزّز الموليبدينوم (Mo) مقاومة التآكل النقري (مثل تركيبة Cr-Mo في الفولاذ المقاوم للصدأ).

(3) الضرر التناسقي للفوسفور (P) والكبريت (S)

هشاشة درجات الحرارة المنخفضة: يفاقم الفوسفور (P) الهشاشة الباردة، بينما يتسبب الكبريت (S) في الهشاشة الساخنة. ويجب خفض هذه المخاطر عبر التحكم في محتوى المنغنيز (Mn) وفي ظروف العمليات التصنيعية.

ثالثًا: مدى ملاءمة عملية الصهر في فرن التردد المتوسط

(1) تحسين تسلسل الإضافات

فترة الصهر: تُضاف العناصر عالية نقطة الانصهار مثل الكروم (Cr) والموليبدينوم (Mo) لضمان انصهارها الكامل.

فترة الأكسدة: إضافة المنغنيز على دفعات (إزالة الأكسجين + إزالة الكبريت). ويمكن للمنتجات ذات المتطلبات العالية استخدام تقنية نفخ الأكسجين، لكن يجب التحكم في كمية الأكسجين المنفوخة لتجنب الأكسدة المفرطة.

فترة الاختزال: إضافة السيليكون (لإزالة الأكسجين نهائيًا) وإضافات إضافية من المنغنيز (إذا احترق).