فروسیلیسیم چگونه بر چقرمگی فولاد تأثیر می‌گذارد؟

اگر تا به حال نگاه کرده باشید که یک آهنگر فولاد داغ را به یک نعل اسب، آچار یا تیر سازه می زند، شاهد یک مبادله مواد بوده اید که هزاران سال است در گیج بوده است: فولاد دارای استحکام است، اما استحکام بیش از حد می تواند آن را در هنگام افتادن، پیچاندن یا تحت فشار قرار دادن ناگهانی، مستعد ترک خوردن کند. برای هر کسی در تولید فولاد، این مبادله غیرقابل مذاکره است، و بسیاری از ما از این سوال که جادویی که قدرت و استحکام را متعادل می کند کجا اتفاق می افتد، نمی نشینیم. به عنوان فردی که بیش از یک دهه را در تجارت عرضه فروسیلیکون گذرانده است، می توانم به شما بگویم که این فقط یک افزودنی جزئی نیست. این یکی از تاثیرگذارترین عناصری است که نحوه رفتار فولاد تحت فشار را شکل می دهد. بیایید دقیقاً توضیح دهیم که چگونه فروسیلیکون جادوی خود را بر روی چقرمگی فولاد انجام می دهد، و اینکه چرا گرفتن نوع مناسب این آلیاژ برای هر کاربرد فولادی می تواند شکسته شود.

اول، مهم است که این موضوع را به معنای واقعی استحکام مشخص کنیم، زیرا این فقط یک کلمه رایج نیست. چقرمگی در فولاد توانایی جذب انرژی قبل از شکستگی است - به پرتو پل فکر کنید که در طول وزش باد ناگهانی نگه می‌دارد، یا شاسی خودرویی که در هنگام تصادف به اندازه کافی برای محافظت از مسافران به جای شکستن مچاله می‌شود. بر خلاف سختی (که مربوط به مقاومت در برابر خراش یا فرورفتگی است)، چقرمگی مربوط به انعطاف پذیری و انعطاف پذیری است. پایه فولاد آهن است، اما آهن خالص نرم و مستعد زنگ زدگی است، بنابراین عناصری مانند کربن را برای افزایش استحکام اضافه می کنیم. مشکل زمانی ایجاد می شود که کربن بیش از حد اضافه می شود: ذرات کاربید آهن را تشکیل می دهد که مانند خرده های ریز شیشه عمل می کند و فولاد را سخت اما شکننده می کند. اینجاست که فرو سیلیکون وارد عمل می شود.

فرو سیلیکون آلیاژی از آهن و سیلیکون است که از ذوب کوارتز (SiO2) با کک و آهن در یک کوره با دمای بالا ساخته می شود. محتوای سیلیکون چیزی است که درجات متفاوتی دارد - از 65٪ سیلیکون تا 75٪ و حتی 90٪ برای مصارف تخصصی - و هر گرید هدف متفاوتی را دنبال می کند. در بیشتر مواقع، زمانی که فولادسازان به فروسیلیکون دست می یابند، این دو جنبه دارد: اکسید زدایی فولاد مذاب و پالایش ریزساختار آن، که هر دو مستقیماً به چقرمگی مرتبط هستند.

بیایید با اکسید زدایی شروع کنیم، زیرا این اولین و حیاتی ترین مرحله ای است که فروسیلیکون بر خواص نهایی فولاد تأثیر می گذارد. هنگامی که فولاد در یک کوره ذوب می شود، با اکسیژن موجود در هوا واکنش می دهد و اکسید آهن و سایر اکسیدهای ناخواسته را تشکیل می دهد که به عنوان ناخالصی در فلز مذاب به دام می افتد. این اکسیدها به‌عنوان افزایش‌دهنده‌های کوچک تنش عمل می‌کنند - نقاط ضعفی را ایجاد می‌کنند که در آن ترک‌ها شروع می‌شوند و چقرمگی را از بین می‌برند. فرو سیلیکون یک اکسید کننده قوی است. سیلیکون تمایل بیشتری به اکسیژن نسبت به آهن دارد، بنابراین وقتی آن را به فولاد مذاب اضافه می کنیم، اکسیژن را از مخلوط خارج می کند و دی اکسید سیلیکون (SiO2) را تشکیل می دهد که به عنوان سرباره به سمت بالا شناور می شود و حذف می شود. این عمل ساده از بین بردن اکسیدهای ناخواسته بیشتر از چیزی که فکر می کنید برای استحکام کار می کند. من دیده‌ام که دسته‌های فولادی که در اواسط تولید در تست‌های چقرمگی شکست خورده‌اند، فقط با تنظیم نرخ افزودن فروسیلیکون برای اطمینان از اکسید زدایی کامل، نجات یافته‌اند. این یک گام اساسی است، اما وقتی مردم در مورد متالورژی فولاد پیشرفته صحبت می کنند اغلب نادیده گرفته می شود.

هنگامی که فولاد اکسیده می شود، فروسیلیکون ریزساختار خود را در سطح اتمی شکل می دهد و اینجاست که افزایش چقرمگی قابل اندازه گیری می شود. آهن خالص دارای ساختار کریستالی مکعبی (BCC) در مرکز بدن در دمای اتاق است که سفت است اما می تواند منحرف شود و به آن اجازه می دهد بدون شکستن خم شود - به همین دلیل است که فولاد نرم سخت است. وقتی کربن را اضافه می‌کنید، در شکاف‌های بین اتم‌های آهن به دام می‌افتد و آستنیت مکعبی (FCC) در دمای بالا تشکیل می‌دهد که با سرد شدن به کاربید آهن سخت و شکننده تبدیل می‌شود. سیلیکون حاصل از فرو سیلیکون در اینجا دو کار کلیدی انجام می دهد: اول اینکه تشکیل کاربید آهن را کند می کند و از جمع شدن آن خرده های شیشه مانند به ذرات بزرگ و مضر جلوگیری می کند. دوم، ساختار دانه فولاد را اصلاح می کند - دانه های کوچکتر به معنای مرزهای دانه بیشتر است که به عنوان مانعی برای انتشار ترک عمل می کند. یک ترک می تواند به جای شلیک مستقیم به دانه های بزرگ، از میان دانه های ریز عبور کند، بنابراین برای شکستن فولاد انرژی بسیار بیشتری لازم است. مطالعات نشان می دهد که کاهش اندازه دانه حتی به اندازه چند میکرومتر می تواند چقرمگی فولاد را تا 50 درصد یا بیشتر افزایش دهد و فروسیلیکون یکی از موثرترین راه ها برای دستیابی به این پالایش دانه است.

هر چند همه فروسیلیکون ها یکسان نیستند، و اینجاست که انتخاب درجه مناسب برای چقرمگی بیشترین اهمیت را دارد. من با مشتریان فولادی صحبت کرده‌ام که سعی کردند از فروسیلیکون ارزان‌تر و با عیار پایین‌تر برای کاهش هزینه‌ها استفاده کنند، اما در نهایت به فولادی رسیدند که برای کاربردشان بسیار شکننده بود. بیایید از گریدهای رایج و نحوه تأثیر آنها بر چقرمگی بگذریم: گرید سیلیکونی 65 درصد اغلب در چدن ها استفاده می شود، جایی که به گرافیت شدن کربن (تبدیل کاربید آهن سخت به پوسته های گرافیت نرم) کمک می کند که چدن را به اندازه کافی برای بلوک های موتور و لوله ها سخت می کند. گریدهای 72% و 75%، مانند کلوخه‌های فولادی ساخت FeSi72 فروسیلیکون فروسیلیکون و آلیاژ FeSi با کیفیت بالا 75% که ما عرضه می‌کنیم، اسباب کار برای فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی و فولادهای ضد زنگ هستند. محتوای سیلیکون بالاتر در این گریدها به معنای قدرت اکسید زدایی بیشتر و تأثیر بیشتر بر ساختار دانه است، بنابراین برای کاربردهایی که نیاز به تیرهای ساختمانی مانند چقرمگی بالا، قطعات خودرو و قطعات ماشین آلات سنگین دارند، ترجیح داده می شوند. برای مصارف تخصصی، حتی فرو سیلیکون با محتوای سیلیکون بالاتر برای چیزهایی مانند فولادهای الکتریکی وجود دارد که هم به چقرمگی و هم به خواص مغناطیسی نیاز دارند، و شما می‌توانید در صفحه فرو سیلیکون برای نیمه‌رسانا که ما نگهداری می‌کنیم، در مورد آن درجه‌های تخصصی بیشتر بیاموزید، زیرا تولید نیمه‌هادی‌ها برای اجزای فروسیلیکون فوق‌العاده خالص برای کارایی بالا متکی است.

عامل دیگری که اغلب نادیده گرفته می شود اندازه ذرات است. فرو سیلیکون در همه چیز از پودر ریز گرفته تا توده های بزرگ موجود است و اندازه مناسب بستگی به نحوه افزودن آن به فولاد دارد. اگر آن را در ملاقه به فولاد مذاب اضافه می کنید، ذرات کوچکتر سریعتر حل می شوند و به طور یکنواخت توزیع می شوند، که منجر به اکسید زدایی یکنواخت و پالایش دانه می شود، که به معنای چقرمگی ثابت در هر دسته است. اگر در حین ذوب آن را به کوره اضافه می‌کنید، توده‌های بزرگ‌تر بهتر در دمای بالا مقاومت می‌کنند، بنابراین قبل از اینکه بتوانند کار خود را انجام دهند، نسوزند. به همین دلیل است که ما پیشنهاد می کنیم اندازه ذرات فروسیلیس صنعتی را می توان پردازش کرد تا مطابق با هر فرآیندی که یک فولادساز نیاز دارد، مطابقت داشته باشد - چه به پودر ریز برای تصفیه ملاقه یا توده های بزرگ برای شارژ کوره نیاز داشته باشید، داشتن اندازه مناسب تضمین می کند که هر اونس فروسیلیکون به چقرمگی فولاد کمک می کند.

همچنین یک تصور اشتباه رایج وجود دارد که افزودن بیش از حد فرو سیلیکون می تواند فولاد را شکننده کند و این تا حدی درست است، مانند هر آلیاژ، تعادل کلیدی است. سیلیکون فولاد را قوی‌تر می‌کند، اما فراتر از یک نقطه خاص (معمولاً حدود 3 تا 5 درصد سیلیکون برای اکثر فولادهای کربنی)، شروع به سفت و شکننده‌کردن فولاد می‌کند، زیرا ساختار دانه‌های BCC را بیش از حد مختل می‌کند و باعث تشکیل فازهای کاربید سیلیکون سخت و شکننده می‌شود. به همین دلیل است که متالوژیست های باتجربه فولاد با تامین کنندگانی مانند ما کار می کنند تا دقیقاً بر اساس درجه فولاد، استحکام مورد نظر و چقرمگی مورد نیاز، میزان فروسیلیکون را محاسبه کنند. به عنوان مثال، فولاد با مقاومت بالا که در پل‌های مقاوم در برابر زلزله استفاده می‌شود، برای تحمل تنش‌های مکرر نیاز به چقرمگی بالایی دارد، بنابراین افزودنی فروسیلیکون برای متعادل کردن استحکام بدون شکنندگی کالیبره می‌شود، در حالی که فولاد ابزار به حداکثر سختی نیاز دارد، بنابراین فروسیلیکون کمتری استفاده می‌شود و عناصر دیگر برای افزایش مقاومت در برابر سایش اضافه می‌شوند.

من یک مثال واقعی را به اشتراک می‌گذارم که چند سال پیش از یک مشتری به من چسبیده بود. یک تولیدکننده فولاد سازه در غرب میانه با ترک خوردن تیرهای پل خود در طول آزمایش بار مشکل داشت - چقرمگی آنها 15٪ کمتر از استاندارد لازم بود. آنها از فروسیلیکون 65 درصدی با عیار پایین برای کاهش هزینه‌ها استفاده می‌کردند، و وقتی فرآیند آن‌ها را تجزیه و تحلیل کردیم، متوجه دو مسئله شدیم: اول، محتوای پایین سیلیکون به معنای اکسیدزدایی ناقص بود، و اخلاط اکسیدی باقی می‌ماند که باعث ایجاد ترک می‌شد، و دوم، آنها فرو سیلیکون را به عنوان پودر ریز اضافه می‌کردند که در واقع فقط نصف مقدار فولاد مورد نیازشان را از کوره خارج می‌کردند. ما پیشنهاد کردیم که به FeSi 65/72/75 آلیاژی فرو سیلیکون دی اکسید کننده، به ویژه درجه 72% برای اکسید زدایی بهتر، و تنظیم اندازه ذرات به توده های بزرگتر که در کوره نمی سوزند تغییر دهید. در عرض دو ماه، تست‌های چقرمگی آنها مطابق و از استانداردهای لازم فراتر رفت و در نهایت 10 برابر بیشتر از قبل فروسیلیکون از ما سفارش دادند، زیرا کیفیت ثابت به ضایعات کمتر و فولاد با عملکرد بالاتر تبدیل شد.

این مثال نقطه‌ای را نشان می‌دهد که من سعی می‌کنم بر روی هر مشتری تأثیر بگذارم: فرو سیلیکون فقط یک افزودنی کالا نیست. این یک آلیاژ دقیق است که مستقیماً بر حیاتی ترین خواص یک ماده، از اکسید زدایی گرفته تا ساختار دانه تا چقرمگی نهایی، تأثیر می گذارد. برای فولادسازان، به ویژه آنهایی که در صنایع تحت نظارت مانند ساخت و ساز، خودروسازی و هوافضا فعالیت می کنند، انتخاب یک تامین کننده قابل اعتماد فروسیلیکون فقط به معنای بدست آوردن قیمت خوب نیست، بلکه به معنای دستیابی به یک محصول ثابت است که خواص دقیقی را ارائه می دهد که فولاد آنها برای انجام آن نیاز دارد.

اگر شما یک فولادساز هستید که به دنبال بهبود چقرمگی محصولات خود هستید، چه در حال تولید فولاد ساختاری، قطعات خودرو یا آلیاژهای خاص هستید، درجه و اندازه فروسیلیکون مناسب می تواند تفاوت را ایجاد کند. ما طیف کاملی از محصولات فروسیلیکون را برای کاربردهای مختلف ارائه می‌کنیم، از گریدهای رایج FeSi 65/72/75 که برای اکسید زدایی و پالایش دانه‌ها استفاده می‌شوند تا گزینه‌های تخصصی مانند آنهایی که برای تولید نیمه‌رساناها استفاده می‌شوند. می‌توانید خطوط تولید ما را بررسی کنید، از جمله توده‌های فولادی ساخت FeSi72 فروسیلیکن فروسیلیکون، آلیاژ FeSi فروسیلیکون ۷۵ درصد با کیفیت بالا، و اندازه ذرات فروسیلیکون صنعتی را می‌توان برای یافتن مناسب برای فرآیند خود پردازش کرد.

هر کاربرد فولادی دارای الزامات چقرمگی منحصر به فردی است و یافتن تعادل مناسب از استحکام و انعطاف پذیری با افزودنی های مناسب شروع می شود. چه در حال عیب‌یابی شکنندگی در دسته‌های موجود یا بهینه‌سازی یک نوع فولاد جدید باشید، ارتباط با تامین‌کننده‌ای که علم مربوط به ویژگی‌های فروسیلیکون و فولاد را درک می‌کند اولین قدم برای درست کردن آن است. ما اینجا هستیم تا با شما همکاری کنیم تا درجه، اندازه و مقدار فروسیلیکون مناسب را با نیازهای شما مطابقت دهیم تا بتوانید هر بار فولادی قوی، سخت و ثابت تولید کنید.

اگر آماده بحث در مورد اینکه چگونه فروسیلیکون می تواند چقرمگی فولاد شما را بهبود بخشد، با تیم ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای خاص خود صحبت کنید. ما برای یافتن راه حل مناسب برای فرآیند تولید و نیازهای مواد با شما همکاری خواهیم کرد.

مراجع:

• اثر افزودنی های فروآلیاژ بر ریزساختار و چقرمگی فولاد، مجله تحقیقات بین المللی آهن و فولاد، 2021
• گزارش فنی انجمن آهن و فولاد، شیوه های اکسیداسیون در فولادسازی مدرن، 2019
• پالایش دانه در فولادهای کربنی: نقش سیلیکون و آلیاژهای فروسیلیکون، معاملات متالورژی و مواد B، 2018