بخشی از مقاله
چکیده:
تولید فولاد های خیلی تمیز و با کمترین ناخالصی دارای خواص مکانیکی مطلوب و مقاومت به خوردگی عالی در صنایع مختلف تولیدی می باشد ولی در حالت معمول ماشین کاری و تولید نهایی فولاد های تمیز باعث افزایش سایش ابزارهای تراشکاری خواهد شد و این به نوبه خود منجر به افزایش هزینه های کلی تولید فولاد های قالب پلاستیک که ماشینکاری خیلی زیادی دارند خواهد شد که در این پژوهش تاثیر افزایش میزان گوگرد بر روی تشکیل ناخالصی های سولفیدی در حین شکل دهی فولاد های قالب پلاستیک مورد بررسی قرار گرفته است. تشکیل این ناخالصی های غیر فلزی منجر به خوش تراشی و باعث افزایش عمر کاری ابزار تراش خواهد شد و کاهش هزینه های تولید این فولاد ها را در پی خواهد داشت.
واژه های کلیدی: ،گوگرد ، رسوب گذاری، سولفید آهن و منگنز ،فولاد قالب پلاستیک
مقدمه
پیشرفت در ساخت فولاد خیلی تمیز و با کمترین ناخالصی در سالهای اخیر خیلی مورد توجه قرار گرفته است. در سالهای اخیر تولید فولادهای تمییز و فوق تمییز در صنایع مختلف تولیدی پیشرفت چشمگیری داشته است که تولید آن ها منجر به افزایش خواص مکانیکی فولاد همچون استحکام خستگی و انرژی ضربه و همچنین مقاومت به خوردگی به میزان قابل توجهی افزایش خواهد کرد. در عین حال این فولادها ممکن است دارای مقدار کمتری اکسیژن - کمتر از - 10PPm و سولفور - کمتر از - 10PPm داشته باشند. [1]نیروی محرکه ای که باعث شده تولید فولادهای خیلی تمییز با پیشرفت قابل ملاحظه ای مواجه گردد این است که می توان این فولادها را در صنایع مهم و خاصی همچون صنعت خودرو و صنعت ساخت انواع لوله های مورد استفاده در صنایع پتروشیمی و محیط های خورنده مورد استفاده قرار داد. [1-2]
امروزه فولادهای با کمترین ناخالصی و خلوص بالا دارای خواص مکانیکی عالی و مقاومت به خوردگی خوب در صنایع مختلف تولیدی می باشند. تور و همکارانش اثرات ترکیب سختی و ترکیب شیمیایی و مقدار سولفید را بر روی استحکام کششی و قابلیت ماشین کاری فولادهای با میزان گوگرد کمتر از 0.06 را مورد بررسی قرار دادند که در حالت معمول ماشین کاری فولادهای خیلی تمییز با صرف انرژی خیلی بالایی همراه خواهد بود که باعث بالا رفتن سایش ابزارهای تراش و ماشین کاری خواهند شد که این به نوبه خود باعث بالا رفتن هزینه های تولیدی در صنایع مختلف خواهد شد که در حالت کلی تقریبا حدود %40 هزینه های کلی تولید یک محصول را رقم خواهد زد لذا جهت کاهش هزینه های تولید و بالا بردن عمر کاری ابزارهای تراش ، داشتن یک سری ناخالصی ها در داخل فولاد ضروری می باشد که افزودن یا تشکیل این ناخالصی ها در داخل فولاد منجر به افزایش قابلیت ماشین کاری و خوش تراشی فولاد می گردد .
گوگرد یکی از عناصر آلیاژی می باشد که این وظیفه مهم را در فولادهای قالب پلاستیک که نیاز به ماشین کاری خیلی زیادی دارند را بر عهده می گیرد. [3] گوگرد ممکن است با هر غلظتی در آهن مذاب حل شود. اما انحلال آن در آهن جامد محدود بوده و برابر با %0/002 در آهن × در دمای اتاق می باشد.
-2 نتایج وبحث
وقتی آهن مذاب سرد شده و منجمد می شود، انحلال گوگرد کم شده و به شکل سولفید آهن“FeS”× از محلول جدا شده و با آهن اطراف تشکیل یک یوتکتیک می دهد. این یوتکتیک به صورت جدایش یافته در مرزدانه های آهن قرار می گیرد. دمای ذوب یوتکتیک نسبتا پایین بوده حدود 988 درجه سانتیگراد می باشد.یوتکتیک FeS؛Feپیوند بین دانه ها را ضعیف کردهو باعث افت شدید خواص فولاد در دماهای تغییر فرم گرم - نورد، فرج و غیره - می شود.تردی فولاد در فرایند شکل دهی گرم به دلیل حضور سولفید آهن جدایش یافته در مرزدانه، که دمای ذوب پایینی دارد، hot × shor t ness نامیده می شود.
برای جلوگیری از تشکیل سولفید آهن با دمای ذوب پایین، منگنز با مقادیر بیشتر از %0/2 به فولاد اضافه می شود. در حین انجماد فولاد، منگنز با سولفید آهن واکنش داده و باعث تبدیل FeSبهMnS بر اساس واکنش زیر میشود:
دمای ذوب سولفید منگنز نسبتا بالاست - حدود 1610 درجه سانتیگراد - بنابراین فولادهای حاوی منگنز می توانند در حالت گرم تغییر فرم یابند - بدون . - hot ×shor t nessاما متاسفانه ناخالصی های MnS دارای ویژگی های زیر می باشند: -تردی - نسبت به فولاد داکتیلیته کمتری دارند - -ممکن است گوشه های تیز داشته باشند -بین دانه های فولاد قرار گرفته اند.تمامی این فاکتورها باعث ایجاد اثرات منفی ناخالصی های سولفیدی بر خواص مکانیکی می شوند. ترک ها ممکن است در گوشه های تیز ناخالصی های ترد تشکیل شوند. ناخالصی های سولفیدی که به شکل زنجیری آرایش یافته اند می توانند باعث جوانه زنی راحت تر ترک ها در امتداد مرزدانه ها شوند.
تاثیر منفی گوگرد بر خواص فولاد در شمش های بزرگ از اهمیت بالاتری برخوردار است، زیرا بعضی از نواحی آن غنی از گوگرد می شود.ترک های گرم معمولا نتیجه ی فرایند انجماد هستند. وجود منطقه ی ترد باعث تشکیل این ترک ها می شود. این تردی به دلیل وجود فیلم مذاب نازک در ناحیه ی بین دندریتی در فضای بین کریستال هاست که معمولا ناخالصی های نوع دوم MnS می باشند.ناخالصی ها یا از مراحل قبل از ریخته گری ناشی می شوند و یا در حین انجماد رسوب می کنند. مورد اول معمولا نتیجه ی متالورژی ثانویه است و می تواند در اثر کشیده شدن سرباره و یا مواد قالب به داخل فولاد مذاب اتفاق بیافتد.
رسوب ناخالصی در حین انجماد وقتی ممکن می شود که فوق اشباع مورد نیاز برای تشکیل یک ترکیب خاص در مذاب حاصل شود. در این حالت وجود یک جوانه ی کوچک، که عمدتا از نوع اکسیدی می باشد، تشکیل ناخالصی را تسهیل می نماید.یکی از مهمترین ناخالصی ها MnS است. این ناخالصی به دلیل فرایند تشکیل، مورفولوژی های متفاوتی دارد و به چهار نوع تقسیم می شود:
-1 نوع اول با شکل کروی که به صورت تصادفی توزیع شده است
. -2نوع دوم به شکل ورق نازک - یا میله ای شکل -
-3نوع سوم به شکل زاویه دار - رسوبات هم محور تک فاز -
-4نوع چهارم ساختار یوتکتیک لایه ای - ساختار صفحه ای متبلور شده -
تشکیل نوع اول و دوم توسط یک واکنش مونوتکتیک است که MnS به صورت یک فاز مذاب تشکیل می شود. تشکیل نوع سوم و چهارم از طریق واکنش یوتکتیک است که MnS تشکیل یک فاز کریستالی می دهد. واکنش مونوتکتیک واکنشی است که یک مذاب تبدیل به یک فاز جامد و یک فاز مذاب دیگر می شود. واکنش یوتکتیک واکنشی است که فاز مذاب تبدیل به دو فاز جامد می شود. [4] اویکاوا و همکاران پیشنهاد کردند که ناخالصی های MnS اولیه - اصلی - را می توان بدین صورت دسته بندی کرد:
الف - کروی - زمانی تشکیل می شود که هم زمینه و هم فاز MnS مذاب باشند -
ب - دندریتی - توسط تبلور اولیه از یک مذاب به شدت فوق اشباع شده بوجود می آیند - ج - مورفولوژی های زاویه ای - توسط تبلور اولیه تحت فوق اشباع کم بوجود می آیند - ناخالصی های MnS ثانویه نیز بدین صورت طبقه بندی می شوند: الف - مونوتکتیک - از طریق یک واکنش مونوتکتیک شبه پایدار تشکیل می شود - ب - یوتکتیک میله ای شکل
ج - یوتکتیک بی نظم - بی شکل - این مورفولوژی های خاص تابعی از ماهیت اکسیدها و نیتریدهاییاست که به عنوان مکان های جوانه زنی برای تشکیل ناخالصی MnS عمل می کنند. نوع ناخالصی MnS به متغیرهای زیادی وابسته است. فاکتورهای اصلی عبارتند از: نرخ سرمایش، غلظت Mn و S در ذوب، قابلیت انحلال عناصر آلیاژی در MnS+Fe مذاب و فرایند اکسیژن زدایی ذوب. اکسیژن زداهای متداول Al و Si می باشند. روش دیگر برای کاهش غلظت اکسیژن گاز زدایی در خلا می باشد .“VD”محاسبات به کمک تئوری جوانه زنی همگن به همراه محاسبات segr egat i on نشان می دهد که رسوب اکسیدها در کسر جامد حدود 0/7 و رسوبMnS در کسر جامد 0/95 شروع می شود.
نتایج حاصل از آنالیز ساختار موید این ایده است که اکسیدها به عنوان مکان های جوانه زنی MnS عمل می کنند.مورفولوژی ناخالصی های غیر فلزی کروی شکل: ناخالصی های کروی به دلیل تاثیر کمترشان بر خواص مکانیکی مطلوب ترند. شکل کروی ناخالصی ها در نتیجه ی تشکیل آن ها در حالت مذاب و مقدار آلومینیوم کم می باشد. این ناخالصی ها در فضای بین بازوهای دندریتی ، آلومینات های آهن و سیلیکات ها شکل می گیرند.
پلاکت شکل: فولادهایی که با آلومینیوم اکسیژن زدایی شده اند حاوی سولفیدهای منگنز و اکسی-سولفیدهایی هستند که به شکل فیلم های نازک - پلاکت هایی - در امتداد مرزدانه های فولاد قرار دارند. این ناخالصی ها نتیجه ی یک استحاله ی یوتکتیک - ؟ - در حین انجماد می باشند. ناخالصی های پلاکت شکل بسیار نامطلوب اند. این نوع ناخالصی ها به طور قابل توجهی مرزدانه ها را ضعیف می کنند و باعث ناسازگاری در خواص مکانیکی فولاد به خصوص در حالت گرم می شوند.“
دندریتی: مقادیر اضافی از اکسیژن زدای قوی - آلومینیوم - منجر به تشکیل ناخالصی های اکسیدی و سولفیدی دندریتی شکل می شود - جدا شده و تجمع یافته - . این ناخالصی ها دمای ذوبی بالاتر از فولاد دارند. لبه های تیز و گوشه های ناخالصی های دندریتی شکل ممکن است باعث تمرکز موضعی تنش داخلی شود که به طور قابل توجهی داکتیلیتی، تافنس و استحکام خستگی قطعه فولادی را کاهش می دهد. [5] چندوجهی: مورفولوژی ناخالصی های دندریتی شکل - پس ازاکسیژن زدایی قوی با آلومینیوم - ممکن است با افزودن مقادیر کمی از عناصر نادر خاکی ×La - ، - Ce یا عناصر قلیایی خاکی ×Mg - ، - Ca بهبود یابد. به دلیل شکل کروی تر آن ها، ناخالصی های چندوجهی نسبت به ناخالصی های دندریتی شکل تاثیر کمتری بر خواص فولاد دارند.
در این مقاله رفتار رسوب MnS بر ذرات اکسیدی در فولادی با %1 Mn براساس مقدار گوگرد مورد بررسی قرار گرفته است. وقتی مقدار گوگرد کمتر از× ppmًًٌ است، تعداد زیادی از MnS فقط بر انواع خاصی از اکسیدها رسوب می کند. در این حالت استفاده از اکسیدی که ظرفیت بالایی برای گوگرد دارد و دمای ذوی آن پایین است باعث ایجاد توزیع یکتواختی از ذرات ریز MnS می شود. از طرف دیگر وقتی مقدار گوگرد بالای × ppmًًٌ است، تقریبا تمام اکسیدها به عنوان مکان های جوانه زنی عمل می کنند. در این حالت برای توزیع ذرات MnS بهتر است از اکسیدی استفاده شود که تمایل دارد به صورت ریز در فولاد توزیع شود. - متالورژی اکسیدها: ذرات اکسیدی در فولاد به عنوان مکان های جوانه زنی برای رسوبات مورد استفاده قرار می گیرند، توسط کنترل اندازه، توزیع و ماهیت اکسیدها - .
بنابراین اگر با استفاده از ذرات اکسیدی رسوبات را کنترل کنیم، بسیاری از خواص فولاد را می توان بهبود بخشید.بر این اساس نویسندگان این مقاله رفتار رسوب MnS بر ذرات اکسیدی بررسی کرده اند.مشخص شد که در فولاد Mn %1 با مقادیر گوگرد کم × - ppmًِ - سیلیکات منگنز که دمای ذوب پایین و ظرفیت گوگرد بالایی دارد، بیشترین نسبت رسوب را به خود اختصاص می دهد - نسبت رسوب برابر نسبت تعداد اکسیدهایی که MnS روی آن ها رسوب کرده به تعداد کل اکسیدها می باشد - . براین اساس نویسندگان نتیجه گرفتند که مکانیزم تشکیل MnS روی ذرات اکسیدی بدین صورت است:
در فولاد مذاب گوگرد بین اکسید کمپلکس منگنز و فولاد مذاب توزیع می شود. با کاهش دما و پس از انجماد فولاد، مقدار کمی MnS روی سطح اکسید متبلور شده و به عنوان جوانه ای برای رسوب MnS عمل می کند. پس از آن MnS توسط نفوذ Mn و S در فولاد رشد می کند.
