نقش عناصر در ریخته‌گری‌ها و ترتیب افزودن آن‌ها

در فرآیند تولید ریخته‌گری، برای تنظیم عناصر شیمیایی در محدوده مورد نیاز، باید عناصر آلیاژی را اضافه کرد. مقدار هر عنصر افزوده‌شده به ریخته‌گری، زمان افزودن و ترتیب افزودن آن‌ها بر کیفیت ریخته‌گری تأثیر می‌گذارد. ما سعی می‌کنیم چند عنصر رایج را تحلیل کنیم:

I. نقش هر عنصر و اصل افزودن آن

(۱) کربن (C)

عملکرد:

تقویت ماتریس: C عنصر اصلی تقویت‌کننده محلول جامد در فولاد است و با آهن ترکیب سیمانیت (Fe₃C) را تشکیل می‌دهد تا سختی و استحکام را افزایش دهد.

کنترل انجماد: محتوای بالای C باعث کاهش روانی فولاد مذاب و افزایش تمایل به انقباض می‌شود.

اصل افزودن: محتوا باید بر اساس عملکرد هدف تنظیم شود (به‌طور کلی در فولادهای کم‌آلیاژ در محدودهٔ ۰٫۱۵٪ تا ۰٫۳٪ کنترل می‌شود).

ریسک بیش‌ازحد: هنگامی که C > ۰٫۵٪ باشد، شکل‌پذیری به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافته و جوش‌پذیری بدتر می‌شود.

(۲) سیلیسیوم (Si)

عملکرد:

حذف‌کنندهٔ اکسیژن: واکنش ترجیحی با O داده و SiO₂ را تشکیل می‌دهد تا فولاد مذاب را پاک کند.

تقویت‌کنندهٔ محلول جامد: در فریت حل شده و استحکام را افزایش می‌دهد (برای هر افزایش ۰٫۱٪ در محتوای Si، مقاومت کششی حدود ۴ مگاپاسکال افزایش می‌یابد).

اصل افزودن: در مرحلهٔ پایانی ذوب (دورهٔ کاهش) اضافه می‌شود تا از اتلاف ناشی از اکسیداسیون جلوگیری شود (مانند آلیاژ فروسیلیسیوم).

ریسک محتوای بیش‌ازحد: محتوا در محدودهٔ ۰٫۲٪ تا ۰٫۵٪ کنترل می‌شود؛ افزایش بیش‌ازحد آن منجر به کاهش شکل‌پذیری می‌گردد.

(۳) منگنز (Mn)

عملکرد:

حذف‌کنندهٔ اکسیژن و گوگرد: MnO (حذف اکسیژن) را با O و MnS (حذف گوگرد) را با S تشکیل می‌دهد.

بهبود قابلیت سخت‌شدن: تبدیل پرلیت را به تأخیر انداخته و قابلیت سخت‌شدن مارتنزیت را بهبود می‌بخشد.

اصل افزودن: در دوره اکسیداسیون (حذف اکسیژن + حذف گوگرد) به صورت دسته‌ای اضافه شود و در دوره کاهش (در صورت سوختن) نیز اضافه گردد.

خطر محتوای بیش از حد: محتوای فسفر باید در محدوده ۰٫۸ تا ۱٫۵ درصد کنترل شود؛ زیرا افزایش بیش از این مقدار به راحتی منجر به شکنندگی پس از عملیات حرارتی می‌شود.

(۴) فسفر (P)

عملکرد:

عناصر مضر: در فریت حل جامد می‌شوند و باعث کاهش شکل‌پذیری و چقرمگی (تمایل به شکنندگی در دمای پایین) می‌گردند.

تقویت‌کنندگی از طریق محلول جامد: مقادیر ناچیزی از فسفر می‌توانند استحکام را افزایش دهند، اما مقدار آن باید به دقت کنترل شود. افزودن فسفر در تولید در کوره‌های متوسط‌فرکانس توصیه نمی‌شود.

اصل کنترل: سعی شود از مواد اولیه کم‌فسفر (مانند فولاد بازیافتی) استفاده شود و از افزودن اضافی آن در طول ذوب خودداری گردد.

خطر مقدار بیش از حد: محتوای فسفر باید کمتر از ۰٫۰۳۵ درصد باشد (برای فولادهای با کیفیت بالا این مقدار باید کمتر از ۰٫۰۲۵ درصد باشد).

(۵) گوگرد (S)

عملکرد:

عناصر مضر: با آهن ترکیب FeS را تشکیل داده و باعث شکنندگی گرم (ترک‌خوردگی در حین پردازش در دمای بالا) می‌شوند.

کنترل درج: نیاز به ترکیب با منگنز برای تولید MnS دارد (کاهش آسیب‌پذیری).

اصل کنترل: حذف گوگرد با افزودن منگنز (نسبت توصیه‌شده منگنز به گوگرد ۲:۱ تا ۳:۱ است).

خطر افزودن بیش از حد: مقدار آن باید کمتر از ۰٫۰۳۵٪ باشد (برای فولادهای ویژه کمتر از ۰٫۰۲٪).

(۶) کروم (Cr)

عملکرد:

بهبود قابلیت سخت‌شوندگی: تأخیر در تجزیه آستنیت و افزایش سختی مارتنزیت.

مقاومت در برابر خوردگی: تشکیل لایه اکسیدی متراکم Cr₂O₃ (مانند فولاد ضدزنگ).

ریزدانه‌سازی: مهار رشد دانه‌های آستنیت.

اصل افزودن: افزودن در دوره ذوب (نیازمند نقطه ذوب بالا و حل‌شدن در دمای بالا). معمولاً مقدار آن ۰٫۵ تا ۲٫۰ درصد است (بر اساس نیازهای مقاومت در برابر خوردگی یا سایش تنظیم می‌شود). مقاومت در برابر سایش).

(۷) مولیبدن (Mo)

عملکرد:

ریزدانه‌سازی دانه‌ها: مهار ریزش دانه‌های آستنیت و بهبود شکل‌پذیری.

پایداری در دمای بالا: بهبود سختی قرمز و مقاومت در برابر خزش.

تقویت محلول جامد: افزایش استحکام ماتریس.

اصول افزودن: در دوره ذوب اضافه شود (مشابه کروم) تا از تبخیر در دمای بالا جلوگیری شود. مقدار معمولاً ۰٫۱ تا ۰٫۳ درصد است (برای فولادهای با مولیبدن بالا بیشتر).

ⅱ. تعامل بین عناصر

(۱) اثر هم‌افزایی کربن و سیلیسیم/منگنز

تعادل واکنش‌دهنده‌های حذف اکسیژن: سیلیسیم ابتدا واکنش داده و اکسیژن را حذف می‌کند، منگنز در حذف گوگرد کمک می‌کند، اما سیلیسیم اضافی اثر حذف گوگرد توسط منگنز را مهار می‌کند.

اثر بر تبدیل فازی: هنگامی که محتوای کربن بالا باشد، منگنز ممکن است تبدیل پرلیت را به تأخیر اندازد و منجر به افزایش آستنیت باقی‌مانده شود.

(۲) اثر مکمل کروم و مولیبدن

افزایش قابلیت سخت‌شوندگی: کروم و مولیبدن به‌طور مشترک قابلیت سخت‌شوندگی را بهبود می‌بخشند و برای فولادهای پرمقاومت (مانند فولادهای HSLA) مناسب هستند.

همکاری مقاومت در برابر خوردگی: کروم (Cr) فیلم پاسیوی‌سازی ایجاد می‌کند و مولیبدن (Mo) مقاومت در برابر خوردگی نقطه‌ای را افزایش می‌دهد (مانند ترکیب Cr-Mo در فولاد ضدزنگ).

(۳) آسیب هم‌افزایی فسفر (P) و گوگرد (S)

شکنندگی در دمای پایین: فسفر (P) شکنندگی سرد را تشدید می‌کند و گوگرد (S) باعث شکنندگی گرم می‌شود. این خطر باید از طریق کنترل منگنز (Mn) و فرآیند کاهش یابد.

iII. سازگان‌پذیری فرآیند ذوب در کوره متوسط‌فرکانس

(۱) بهینه‌سازی ترتیب افزودن عناصر

دوره ذوب: عناصر با نقطه ذوب بالا مانند کروم (Cr) و مولیبدن (Mo) را اضافه کنید تا حل‌شدن کامل آن‌ها تضمین شود.

دوره اکسیداسیون: منگنز (Mn) را به صورت دسته‌بندی‌شده اضافه کنید (برای حذف اکسیژن و گوگردزدایی). برای محصولات با الزامات بالا می‌توان از فناوری دمش اکسیژن استفاده کرد، اما مقدار دمش اکسیژن باید کنترل شود تا از اکسیداسیون بیش از حد جلوگیری شود.

دوره کاهش: سیلیسیم (Si) را اضافه کنید (حذف نهایی اکسیژن) و در صورت لزوم منگنز (Mn) را تکمیل نمایید (در صورت اکسید شدن).