کیفیت فولاد تنها به میزان آهن و عناصر آلیاژی مفید موجود در آن وابسته نیست. در ترکیب شیمیایی فولاد ممکن است عناصری حضور داشته باشند که حتی در مقادیر نسبتا کم، خواص مکانیکی، قابلیت جوشکاری، شکل پذیری و دوام محصول نهایی را تحت تاثیر قرار دهند. به این ترکیبات معمولا عناصر مضر در فولاد یا ناخالصی های نامطلوب گفته می شود.
گوگرد، فسفر، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن از مهم ترین عناصری هستند که مقدار آن ها در فرایند فولادسازی باید با دقت کنترل شود. افزایش بیش از حد هر یک از این عناصر می تواند مشکلاتی مانند افزایش تردی، ایجاد ترک، کاهش چقرمگی و افت کیفیت سطح فولاد را به دنبال داشته باشد.
البته مضر بودن یک عنصر به معنای آن نیست که حضور هر مقدار از آن غیر قابل قبول است. تاثیر عناصر مختلف به درصد آن ها، نوع و گرید فولاد، شرایط تولید و کاربرد محصول بستگی دارد. به همین دلیل، کنترل ترکیب شیمیایی یکی از مراحل مهم در تولید فولاد با کیفیت محسوب می شود.
کنترل عناصر مضر و ترکیب شیمیایی فولاد علاوه بر کیفیت محصول نهایی، می تواند بر فرایند تولید و در نتیجه قیمت فولاد آلیاژی نیز تاثیرگذار باشد.
عناصر مضر در فولاد به عناصری گفته می شود که حضور بیش از حد مجاز آن ها می تواند یک یا چند ویژگی مطلوب فولاد را کاهش دهد. برخی از این عناصر از مواد اولیه مانند سنگ آهن، کک و قراضه وارد مذاب می شوند و برخی دیگر ممکن است در مراحل ذوب، پالایش، ریخته گری و تماس مذاب با محیط وارد فولاد شوند.
این عناصر بسته به ماهیت و مقدار خود می توانند ساختار داخلی فولاد را تغییر دهند یا زمینه تشکیل ناخالصی ها، حفره ها و ترک های داخلی را فراهم کنند. در نتیجه، فولاد تولید شده ممکن است از نظر استحکام، چقرمگی، شکل پذیری، جوش پذیری یا کیفیت سطح با مشکلاتی مواجه شود.
نکته مهم این است که نمی توان یک مقدار ثابت را به عنوان حد مطلوب تمام عناصر مضر برای همه فولادها تعیین کرد. ترکیب شیمیایی مجاز باید با توجه به گرید فولاد، استاندارد تولید و کاربرد نهایی محصول مشخص شود.
در فرایند تولید فولاد، عناصر و ناخالصی های مختلفی باید کنترل شوند. در میان آن ها گوگرد، فسفر، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن اهمیت ویژه ای دارند؛ زیرا افزایش کنترل نشده آن ها می تواند کیفیت فولاد و عملکرد محصول نهایی را تحت تاثیر قرار دهد.
گوگرد
گوگرد (S) یکی از ناخالصی های شناخته شده در فولاد است که معمولا کنترل مقدار آن در فرایند فولادسازی اهمیت زیادی دارد. این عنصر می تواند از مواد اولیه و سوخت های مورد استفاده در فرایند تولید وارد مذاب شود.
یکی از مهم ترین مشکلات گوگرد، تشکیل سولفید آهن است. حضور ترکیبات نامطلوب گوگردی می تواند احتمال شکنندگی و ایجاد ترک در هنگام کار گرم را افزایش دهد؛ پدیده ای که با عنوان تردی گرم شناخته می شود.
برای کاهش اثرات منفی گوگرد، علاوه بر کاهش مقدار آن در مذاب، از عناصری مانند منگنز نیز استفاده می شود. منگنز با گوگرد ترکیب شده و سولفید منگنز تشکیل می دهد و از این طریق می تواند بخشی از اثرات نامطلوب گوگرد را کنترل کند.
البته در برخی فولادهای خاص، از مقدار کنترل شده گوگرد برای بهبود قابلیت ماشین کاری استفاده می شود. بنابراین، مانند بسیاری از عناصر موجود در فولاد، تاثیر گوگرد نیز به گرید و کاربرد محصول بستگی دارد.
فسفر
فسفر (P) یکی دیگر از عناصر مهم در ترکیب شیمیایی فولاد است. افزایش بیش از حد فسفر معمولا باعث افزایش تردی و کاهش شکل پذیری و چقرمگی فولاد می شود. تاثیر منفی این عنصر به ویژه در شرایطی که فولاد در دماهای پایین مورد استفاده قرار می گیرد، اهمیت بیشتری پیدا می کند.
فسفر همچنین می تواند در هنگام انجماد فولاد دچار جدایش شود. توزیع غیر یکنواخت این عنصر در ساختار فولاد ممکن است باعث ایجاد نواحی با خواص متفاوت و کاهش یکنواختی محصول شود.
با این حال، فسفر همیشه یک عنصر کاملا نامطلوب نیست. در برخی گریدهای مشخص و با کنترل دقیق ترکیب شیمیایی، حضور آن می تواند مزایایی مانند افزایش استحکام یا بهبود برخی ویژگی های خاص را ایجاد کند. مسئله اصلی، جلوگیری از افزایش کنترل نشده فسفر است.
هیدروژن
هیدروژن (H) برخلاف گوگرد و فسفر معمولا در مقادیر بسیار کم در فولاد وجود دارد، اما همین مقدار اندک نیز می تواند مشکلات قابل توجهی ایجاد کند. هیدروژن ممکن است از رطوبت مواد اولیه، نسوزها، قراضه یا محیط فرایند وارد مذاب فولاد شود.
یکی از مهم ترین پیامدهای حضور هیدروژن، افزایش احتمال تردی هیدروژنی است. اتم های هیدروژن به دلیل اندازه کوچک می توانند در ساختار فلز نفوذ و در نواحی خاص تجمع پیدا کنند. این اتفاق در شرایط مناسب می تواند زمینه تشکیل و رشد ترک را فراهم کند.
در مقاطع ضخیم فولادی، حضور هیدروژن ممکن است با ایجاد عیوب داخلی مانند ترک ها یا ناپیوستگی های موسوم به فلیک نیز مرتبط باشد. به همین دلیل، کنترل هیدروژن به ویژه در فولادهای با استحکام بالا و محصولات حساس اهمیت زیادی دارد.
اکسیژن و نیتروژن
اکسیژن (O) می تواند در مذاب فولاد با عناصر مختلف واکنش داده و اکسیدها و آخال های غیر فلزی تشکیل دهد. باقی ماندن مقدار نامطلوب این آخال ها در فولاد می تواند پاکیزگی فولاد را کاهش داده و بر خواص مکانیکی، خستگی و کیفیت سطح محصول تاثیر بگذارد. به همین دلیل، اکسیژن زدایی یکی از مراحل مهم در بسیاری از فرایندهای فولادسازی است.
نیتروژن (N) نیز در صورت حضور کنترل نشده می تواند بر خواص فولاد اثر بگذارد. این عنصر با برخی عناصر موجود در فولاد ترکیب شده و نیترید تشکیل می دهد و در بعضی فولادها می تواند باعث افزایش استحکام و سختی همراه با کاهش شکل پذیری شود.
با این حال، نیتروژن نیز در تمام فولادها یک عنصر مضر محسوب نمی شود. در برخی فولادهای آلیاژی و زنگ نزن، مقدار کنترل شده نیتروژن عمدا برای دستیابی به خواص مورد نظر به ترکیب اضافه می شود. بنابراین، نوع فولاد تعیین می کند که چه میزان نیتروژن مطلوب یا نامطلوب باشد.
وجود عناصر مضر در فولاد می تواند مجموعه ای از خواص مکانیکی و عملکردی محصول را تحت تاثیر قرار دهد. شدت این تاثیر به نوع عنصر، مقدار آن، ریزساختار، عملیات حرارتی و شرایط کاری فولاد بستگی دارد.
یکی از مهم ترین پیامدها، کاهش چقرمگی و افزایش حساسیت به شکست است. برای مثال، مقادیر نامناسب فسفر می تواند تردی فولاد را افزایش دهد و حضور هیدروژن نیز ممکن است زمینه ایجاد ترک و شکست تاخیری را فراهم کند.
کاهش شکل پذیری اثر مهم دیگری است. افزایش برخی ناخالصی ها باعث می شود فولاد در فرایندهایی مانند نورد، خم کاری یا شکل دهی رفتار مطلوبی نداشته باشد. این موضوع می تواند علاوه بر کاهش کیفیت محصول، میزان ضایعات تولید را نیز افزایش دهد.
عناصر مضر همچنین می توانند بر جوش پذیری فولاد اثرگذار باشند. فولادی که ترکیب شیمیایی آن به درستی کنترل نشده است، ممکن است در ناحیه جوش یا منطقه متاثر از حرارت با افزایش احتمال ایجاد ترک یا افت خواص مکانیکی روبرو شود.
از سوی دیگر، آخال های غیر فلزی ناشی از حضور اکسیژن و واکنش آن با عناصر مختلف می توانند پاکیزگی فولاد را کاهش دهند. این مسئله برای قطعاتی که تحت بارهای دینامیکی و سیکلی قرار دارند اهمیت زیادی دارد، زیرا برخی آخال ها می توانند به عنوان نقاط تمرکز تنش و محل آغاز ترک خستگی عمل کنند.
بنابراین کنترل عناصر مضر فقط برای دستیابی به ترکیب شیمیایی استاندارد انجام نمی شود، بلکه مستقیما با قابلیت اطمینان و عمر مفید محصول فولادی ارتباط دارد.
برای حد مجاز عناصر مضر در فولاد نمی توان یک عدد واحد برای تمام محصولات و گریدها ارائه کرد. استانداردهای مختلف بر اساس نوع فولاد، روش تولید و کاربرد محصول، محدوده مشخصی را برای ترکیب شیمیایی تعیین می کنند.
برای مثال، مقدار مجاز گوگرد و فسفر در یک فولاد ساختمانی معمولی ممکن است با فولاد مورد استفاده برای تولید مخازن تحت فشار، خطوط لوله، قطعات خودرو یا تجهیزات حساس صنعتی متفاوت باشد. در فولادهای با کیفیت بالا و کاربردهای حساس معمولا کنترل ناخالصی ها سختگیرانه تر است.
به طور کلی، در بسیاری از فولادهای کربنی و کم آلیاژ تجاری، مقادیر گوگرد و فسفر در حد چند صدم درصد کنترل می شوند. اما ارائه یک عدد مشخص بدون تعیین گرید و استاندارد می تواند گمراه کننده باشد. برای مثال، محدودیت ترکیب شیمیایی در استانداردهای ASTM، EN، DIN یا JIS بر اساس گرید محصول تعیین می شود.
در مورد گازهایی مانند هیدروژن و اکسیژن نیز کنترل می تواند در مقیاس ppm انجام شود، به ویژه زمانی که تولید فولاد پاک یا فولاد مخصوص کاربردهای حساس مد نظر باشد.
بنابراین هنگام خرید یا ارزیابی فولاد، بهترین روش این است که آنالیز شیمیایی محصول با الزامات استاندارد همان گرید مقایسه شود و صرفا به یک محدوده عمومی برای عناصر مضر اکتفا نشود.
کنترل عناصر مضر از انتخاب مواد اولیه آغاز می شود و تا مراحل پالایش مذاب، ریخته گری و کنترل کیفیت ادامه دارد. تولیدکنندگان با توجه به نوع فولاد از مجموعه ای از روش های متالورژیکی برای کاهش ناخالصی ها استفاده می کنند.
یکی از روش های مهم، گوگرد زدایی است. با کنترل ترکیب سرباره و استفاده از شرایط مناسب پالایش می توان مقدار گوگرد موجود در مذاب را کاهش داد. انتخاب مواد اولیه کم گوگرد نیز نقش مهمی در دستیابی به ترکیب شیمیایی مطلوب دارد.
برای کاهش فسفر از فرایند فسفر زدایی استفاده می شود. کنترل ترکیب و بازیسیته سرباره، دما و پتانسیل اکسیژن از عوامل مهم در حذف فسفر از مذاب هستند.
گاز زدایی تحت خلاء نیز یکی از روش های موثر برای تولید فولادهای با کیفیت بالا است. این فرایند به ویژه برای کاهش هیدروژن محلول اهمیت دارد و در تولید فولادهایی که نسبت به هیدروژن حساس هستند کاربرد گسترده ای دارد.
در کنار آن، اکسیژن زدایی با استفاده از عناصری مانند آلومینیوم، سیلیسیم و منگنز انجام می شود. این عناصر با اکسیژن واکنش می دهند و ترکیباتی ایجاد می کنند که با مدیریت صحیح فرایند می توان بخش قابل توجهی از آن ها را از مذاب جدا کرد.
کنترل تماس مذاب با هوا، استفاده از مواد اولیه و فروآلیاژهای مناسب، مدیریت سرباره، هم زدن مذاب و کنترل دقیق فرایند ریخته گری نیز در کاهش ورود مجدد گازها و ناخالصی ها موثر است.
در نهایت، آنالیز شیمیایی و کنترل کیفیت مشخص می کند که ترکیب فولاد در محدوده مورد نظر قرار دارد یا خیر. در محصولات حساس ممکن است علاوه بر آنالیز شیمیایی، بررسی آخال های غیر فلزی و آزمون های مکانیکی و غیر مخرب نیز انجام شود.
کنترل عناصر مضر در فولاد در واقع یک فرایند چند مرحله ای است. هرچه کاربرد محصول حساس تر باشد، کنترل مواد اولیه، پالایش مذاب و ارزیابی محصول نهایی اهمیت بیشتری پیدا می کند.
سوالات متداول
گوگرد، فسفر، هیدروژن، اکسیژن و در بسیاری از گریدها نیتروژن از مهم ترین عناصری هستند که مقدار آن ها باید کنترل شود. میزان اثر هر عنصر به نوع و گرید فولاد بستگی دارد.
مقدار بالای گوگرد می تواند احتمال تردی گرم را افزایش دهد و خواص مکانیکی و قابلیت شکل دهی فولاد را تحت تاثیر قرار دهد. به همین دلیل مقدار گوگرد در بسیاری از فولادها محدود می شود.
افزایش بیش از حد فسفر معمولا می تواند باعث افزایش تردی و کاهش چقرمگی و شکل پذیری فولاد شود. البته مقدار کنترل شده آن در برخی گریدهای خاص می تواند اثرات مفیدی نیز داشته باشد.
هیدروژن می تواند در ساختار فولاد نفوذ کند و در شرایط مناسب باعث افزایش حساسیت به ترک و تردی هیدروژنی شود. این موضوع در فولادهای پر استحکام و قطعات حساس اهمیت بیشتری دارد.
