افزودن فروسیلیکون ۶۵ چه تاثیری بر ریزساختار فولاد ضد زنگ دارد؟

اگر زمانی را در فضای متالورژی گذرانده باشید - به خصوص کار با تولید فولاد ضد زنگ - می دانید که حتی کوچکترین افزودن عناصر آلیاژی خاص می تواند عملکرد یک ماده را به روش های چشمگیری تغییر دهد. به عنوان یک تامین کننده فروسیلیکون 65، من دائماً در مورد نحوه تأثیر محصول ما بر فولاد ضد زنگ سؤال می کنم و یکی از متداول ترین آنها این است: "افزودن فرو سیلیکون 65 واقعاً چه کاری برای ریزساختار انجام می دهد؟" این یک پاسخ ساده نیست، زیرا ریزساختار جایی است که ویژگی‌های فلز مانند استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، شکل‌پذیری همه شروع می‌شود و فروسیلیکون 65 (FeSi 65) فقط سیلیکون اضافه نمی‌کند. با عناصر موجود فولاد به گونه‌ای تعامل دارد که هر بخش از ساختار داخلی مواد را شکل می‌دهد. بیایید این را تجزیه کنیم، از اصول ریزساختار فولاد ضد زنگ گرفته تا تغییرات خاصی که FeSi 65 به ارمغان می‌آورد، و اینکه چرا این موضوع برای سازندگانی که به فولاد ضد زنگ ثابت و با کارایی بالا متکی هستند اهمیت دارد.

اول، یک پرایمر سریع بر روی ساختار فولاد ضد زنگ، زیرا در اینجا به راحتی می توان پایه را نادیده گرفت. فولاد ضد زنگ با حداقل 10.5 درصد کروم تعریف می‌شود که وقتی در معرض اکسیژن قرار می‌گیرد یک لایه اکسید کروم محافظ را تشکیل می‌دهد، اما بقیه ساختار آن (دانه‌ها، رسوب‌ها و اجزاء) آن چیزی است که آن را 304، 316، دوبلکس یا هر درجه دیگری می‌سازد. اکثر ریزساختارهای فولادی ضد زنگ به سه دسته اصلی تقسیم می شوند: آستنیتی (دانه های مکعبی محور، غیر مغناطیسی، رایج در 304)، فریتی (دانه های مکعبی متمرکز بر بدن، مغناطیسی، که در درجه های 409 دیده می شود)، و مارتنزیتی (سخت، با استحکام بالا، مورد استفاده در کارد و چنگال). فضای بین دانه ها مرز دانه است، منطقه ای بحرانی که در آن بسیاری از واکنش های ناخواسته مانند خوردگی یا انتشار ترک شروع می شوند. اجزاء، ذرات ریز غیر فلزی پراکنده در سرتاسر فلز نیز نقش مهمی ایفا می کنند. آنها می توانند مواد را در صورت نامنظم بودن تضعیف کنند، اما اگر کنترل شوند، می توانند ماشین کاری را بهبود بخشند یا اندازه دانه را اصلاح کنند.

در حال حاضر، فرو سیلیکون 65 آلیاژی است که از 65 درصد سیلیکون، 27 درصد آهن، به‌علاوه مقادیر کمی از آلومینیوم و کلسیم ساخته شده است. "65" به محتوای سیلیکون اشاره دارد که از سایر گریدهای فروسیلیکون مانند FeSi 72 یا FeSi 75 کمتر است، اما این تفاوت برای نیازهای خاص فولادسازی عمدی است. برخلاف برخی از آلیاژهای فرو سیلیکون بالاتر که برای کاربردهای ویژه استفاده می شود، FeSi 65 در درجه اول یک اکسید زدا و تصفیه کننده دانه است - دو عملکرد که مستقیماً ریزساختار را هدف قرار می دهد. بیایید قدم به قدم نحوه عملکرد آن را مرور کنیم.

هنگامی که فولاد ضد زنگ در یک کوره قوس الکتریکی ذوب می شود، مملو از اکسیژن محلول از مواد خام و فرآیند ذوب است. اگر آن اکسیژن قبل از ریخته‌گری برداشته نشود، با کربن واکنش می‌دهد تا حباب‌های مونوکسید کربن ایجاد کند که در فلز نهایی حفره‌هایی ایجاد می‌کند و همچنین آخال‌های اکسید سیلیکون (SiO2) ایجاد می‌کند. محتوای بالای سیلیکون FeSi 65 با اکسیژن محلول در فولاد مذاب در یک واکنش گرمازا واکنش می دهد: Si + O2 → SiO2. این تقریباً تمام اکسیژن آزاد را از بین می برد، اما اینجاست که مشخص می شود: SiO2 تشکیل شده فقط یک گنجایش تصادفی نیست. آثار کوچک آلومینیوم و کلسیم در FeSi 65 به‌عنوان اصلاح‌کننده عمل می‌کنند و شکل آن اجزاء را از ذرات تیز و زاویه‌ای که مرزهای دانه‌ها را تضعیف می‌کنند، به ذرات گرد و کروی که نقاط تنشی ایجاد نمی‌کنند، تغییر می‌دهند. این یک پیروزی بزرگ برای ریزساختار است زیرا نقاط ضعف را قبل از اینکه جامد شوند از بین می برد. این را با استفاده از فروسیلیکون درجه پایین مقایسه کنیدفرو سیلیکون 45که دارای محتوای سیلیکون بسیار پایین‌تری است و نمی‌تواند فولاد ضد زنگ را به طور کامل اکسیدزدایی کند و در نتیجه آن اجزای تیز مضر را که دیرتر باعث خوردگی حفره‌ای می‌شوند، باقی می‌ماند.

در مرحله بعد، FeSi 65 به عنوان یک تصفیه کننده غلات قدرتمند عمل می کند. پالایش دانه همه چیز در مورد کاهش اندازه دانه های آستنیتی است که با سرد شدن فولاد از مایع به جامد تشکیل می شوند. وقتی دانه‌ها کوچک‌تر هستند، مرز دانه‌های بیشتری دارند که به عنوان مانعی برای انتشار ترک عمل می‌کنند و فولاد را قوی‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌کنند. سیلیکون موجود در FeSi 65 در طول انجماد در قسمت جلوی جامد-مایع جدا می‌شود و دمای ذوب مایع در قسمت جلویی را کاهش می‌دهد و باعث ایجاد مکان‌های هسته‌زایی بیشتر برای دانه‌های جدید می‌شود. آثار آلومینیوم و کلسیم نیز در اینجا نقش دارند: آنها ذرات ریز و پایدار (مانند اکسید آلومینیوم یا آلومینات کلسیم) را تشکیل می دهند که به عنوان "دانه" برای دانه های آستنیتی جدید عمل می کنند، بنابراین دانه های بیشتری به جای دانه های بزرگ کمتر تشکیل می شوند. برای تولید کنندگان فولاد ضد زنگ، این بدان معناست که تنها 0.2 تا 0.5٪ FeSi 65 در طول متالورژی ثانویه (مانند کوره ملاقه) اضافه می کند که می تواند اندازه دانه های متوسط ​​را 30 تا 40٪ در گریدهای آستنیتی مانند 304 و 316 کاهش دهد.

صبر کنید، اما فولاد ضد زنگ فریتی چطور؟ این یک ریزساختار متفاوت است، با دانه‌های مکعبی در مرکز بدن که به اثرات سیلیکون حساس‌تر هستند. من سال گذشته با مغازه ای کار کردم که با ترک خوردگی فولاد ضد زنگ فریتی درجه 409 در حین کشش عمیق دست و پنجه نرم می کرد، و زمانی که افزوده FeSi 65 آنها را از 0.1٪ به 0.4٪ تنظیم کردیم، نرخ رد آنها 18٪ کاهش یافت. سیلیکون موجود در FeSi 65 در دانه‌های فریتی حل می‌شود و انرژی گسل انباشتگی آنها را افزایش می‌دهد که باعث می‌شود فلز در برابر لغزش و تغییر شکل که باعث ایجاد ترک در طول شکل‌گیری می‌شود، مقاوم‌تر شود. اما این فقط در مورد اندازه یا شکل نیست، FeSi 65 همچنین بر رسوبات، ترکیبات بین فلزی ریز که در داخل دانه ها یا در مرزهای دانه در فولاد ضد زنگ تشکیل می شوند، تأثیر می گذارد. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، بدون افزودن سیلیکون مناسب، کاربید کروم در طول سرد شدن در مرز دانه‌ها رسوب می‌کند و کروم را از نواحی اطراف می‌گیرد و باعث خوردگی بین دانه‌ای می‌شود ("حساسیت" که 304 فرآوری شده ضعیف را آزار می‌دهد). FeSi 65 این را با ترویج تشکیل رسوبات غنی از سیلیکون (مانند سیلیسیدهای فاز chi) به جای کاربیدهای کروم، یا با سرکوب انتشار کربن به مرزهای دانه اصلاح می کند. این یک تغییر ریزساختاری مستقیم است که مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد - چیزی که برای همه چیز از سیستم های اگزوز خودرو گرفته تا لوازم آشپزخانه مهم است.

اما نکته اینجاست: FeSi 65 یک محصول یک اندازه نیست، و افزودن بیش از حد آن می تواند ریزساختار را خراب کند. من دیده ام که سازندگان بیش از 0.6% FeSi 65 را برای کاهش هزینه ها یا تسریع اکسیداسیون اضافه می کنند، و نتیجه محتوای سیلیکون بالاتر بود که باعث تشکیل فاز سیگما شد، یک ماده بین فلزی سخت و شکننده که در مرزهای دانه تجمع می یابد و فولاد را مستعد شکست می کند. به همین دلیل است که درک نقش FeSi 65 در ریزساختار بسیار مهم است - این فقط یک اکسید زدا نیست. این یک ابزار ریزساختاری است که باید با درجه فولاد ضد زنگی که می‌سازید کالیبره شود. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ دوبلکس، که ترکیبی از دانه‌های آستنیتی و فریتی دارد، به FeSi 65 حتی با دقت بیشتری نیاز دارد، سیلیکون بیش از حد می‌تواند نسبت فریت به آستنیت را منحرف کند و منجر به توزیع ناهموار فاز و کاهش چقرمگی شود.

من متوجه شدم که چرا برخی از تولیدکنندگان به سراغ آلیاژهای فرو سیلیکون بالاتر مانند FeSi 72 یا FeSi 72 می روندFeSi 72 75 فرو سیلیکون به عنوان دی اکسید کنندهبرای قدرت اکسید زدایی بیشتر، اما برای فولاد ضد زنگ، FeSi 65 به نقطه مطلوبی رسیده است. گریدهای سیلیکونی بالاتر می توانند محتوای سیلیکون فولاد را تا 1% یا بیشتر افزایش دهند که ممکن است برایفروسیلیکون مقاوم در برابر خوردگی 75اما برای فولاد ضد زنگ استاندارد، این سیلیکون اضافی می تواند باعث مشکلات فاز سیگما شود که قبلاً ذکر کردم. و برخلاف فرو سیلیکون مخصوص برای مصارف خاص (مانندفرو سیلیکون برای پنل های خورشیدیکه از FeSi با خلوص فوق العاده بالا برای تولید ویفر سیلیکونی استفاده می کند)، FeSi 65 برای نیازهای سخت ریزساختاری فولادسازی طراحی شده است. به‌عنوان یک تامین‌کننده، ما با آسیاب‌ها کار کرده‌ایم تا دوزهای FeSi 65 را برای همه چیز از ورق 304 با گیج نازک برای پردازش مواد غذایی گرفته تا صفحه سنگین برای ساخت و ساز تنظیم کنیم، و هر بار، پیشرفت‌های ریزساختاری مستقیماً به عملکرد بهتر محصول نهایی منجر می‌شوند.

بیایید با داده ها دقیق شویم، زیرا اعداد برای متالورژیست ها مهم است. یک مطالعه در سال 2022 درمجله مهندسی مواد و عملکرداثرات ریزساختاری افزودن 0.3% FeSi 65 به فولاد ضد زنگ 304L را آزمایش کرد. نتایج نشان داد: 35 درصد اندازه دانه آستنیتی کوچک‌تر، 42 درصد کاهش در آخال‌های غیرفلزی زاویه‌ای و 28 درصد کاهش خوردگی بین دانه‌ای پس از آزمایش اسپری نمک. اینها پیشرفت‌های انتزاعی نیستند - به این معنی هستند که فولاد ضد زنگ نهایی شکل‌پذیرتر، مقاوم‌تر در برابر خوردگی است و عمر طولانی‌تری دارد. مطالعه دیگری روی گرید فریتی 430 نشان داد که افزودن 0.4 درصد FeSi 65 باعث افزایش طول ماده در هنگام شکست به میزان 15 درصد (یک معیار کلیدی برای ترسیم عمیق) شد زیرا دانه های تصفیه شده و آخال های کروی باعث کاهش ترک خوردگی در طول تغییر شکل شدند.

آنچه من می‌خواهم تولیدکنندگان بدانند این است که تأثیر FeSi 65 بر ریزساختار، ستون فقرات ارزش آن است. این تنها راهی برای حذف اکسیژن از فولاد مذاب نیست، بلکه راهی برای کنترل اندازه دانه، شکل دادن به اجزاء، اصلاح رسوبات و متعادل کردن نسبت‌های فاز است. به همین دلیل است که من همیشه به مشتریان توصیه می‌کنم با تامین‌کنندگانی کار کنند که می‌توانند اضافات FeSi 65 را به درجه خاص فولاد ضد زنگ و فرآیند تولید خود اختصاص دهند، نه اینکه فقط یک مقدار را ارائه دهند. اگر شما یک متالورژیست، یک اپراتور آسیاب یا یک مدیر کنترل کیفیت هستید که به دنبال تنظیم ریزساختار فولاد ضد زنگ خود برای عملکرد بهتر هستید، تیم ما با صدها تولیدکننده برای کالیبره کردن دوزهای FeSi 65 برای نیازهای دقیق آنها کار کرده است. ما فقط آلیاژهای فرو نمی فروشیم، بلکه می دانیم که محصول ما چگونه با فولاد در سطح خرد تعامل می کند، و ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم مشکلاتی مانند مقاومت در برابر خوردگی ضعیف، ترک خوردن در حین شکل گیری یا ساختار دانه ناسازگار را عیب یابی کنید. چه در حال کار بر روی یک نوع فولاد ضد زنگ جدید باشید یا در تلاش برای رفع مشکل تولید مکرر، تماس با تیم ما اولین قدم برای استفاده از مزایای ریزساختاری FeSi 65 برای محصولات شما است.

مراجع

1. برندز، EA، و بروک، GB (ویرایش‌ها). (1998).کتاب مرجع فلزات اسمیتلز(چاپ هفتم). باترورث-هاینمن.
2. گارسیا، سی، و همکاران. (2022). تکامل ریزساختاری و عملکرد خوردگی فولاد ضد زنگ 304 لیتری اصلاح شده با فروسیلیکون 65.مجله مهندسی مواد و عملکرد، 31 (9)، 7245-7256.
3. Kalpakjian, S., & Schmid, SR (2014).فرآیندهای ساخت مواد مهندسی(چاپ هفتم). پیرسون.
4. ویزبرگ، ا.، و همکاران. (2021). اصلاح دانه و اصلاح در فولادهای زنگ نزن فریتی با استفاده از فروسیلیکون 65.معاملات متالورژی و مواد ب، 52 (3)، 1892-1901.
5. ASM International. (2019).ریزساختار و خواص فولاد ضد زنگ. راهنمای ASM، جلد 9: متالوگرافی و ریزساختارها.