چگونه استفاده از فروسیلیکون ۷۵ در تولید فولاد ابزار، عملکرد آن را بهبود می‌بخشد؟

اگر تا به حال دیده باشید که آهنگری به شکل اسکنه یا ماشین‌کاری که یک قطعه ابزار دقیق را آسیاب می‌کند، می‌دانید که دوام هر لبه به یک عنصر ساده کاهش می‌یابد: فرو سیلیکون. به مدت 12 سال، من یک تجارت تامین فروسیلیکون 75 را اداره می‌کنم، و مستقیماً با تولیدکنندگان فولاد ابزار کار می‌کنم تا دسته‌های مذاب آنها را تغییر دهم و شکاف‌های عملکردی کوچک اما حیاتی را برطرف کنیم - از بریدگی در مته‌ها تا سایش زودرس در تیغه‌های برش فلز. در اوایل، فکر می کردم فرو سیلیکون فقط یک اکسید کننده است، یک عصا برای خلاص شدن از شر اکسیژن در فولاد مذاب. اما در طول صدها آزمایش مشتری، من آن را مشاهده کرده‌ام که فولاد ابزار متوسط ​​را به قطعاتی تبدیل می‌کند که 3 برابر بیشتر عمر می‌کنند. امروز، من دقیقاً توضیح می دهم که چگونه فروسیلیکون 75 عملکرد فولاد ابزار را افزایش می دهد، از پالایش ساختار دانه گرفته تا مقاومت در برابر خوردگی، و اینکه چگونه انتخاب درجه مناسب از یک تامین کننده تفاوت را ایجاد می کند.

بیایید با اصول اولیه شروع کنیم: به هر حال فرو سیلیکون 75 چیست؟ این آلیاژی از 75 درصد سیلیکون و 25 درصد آهن است که قبل از ذوب شدن در کوره های قوس الکتریکی برای حذف ناخالصی هایی مانند فسفر و کربن اضافی، از کوارتز و سنگ آهن استخراج می شود. برای فولاد ابزار، این غلظت خاص غیر قابل مذاکره است. سیلیکون بالاتر (مانند گریدهای 90٪) فولاد را خیلی شکننده می کند و پایین تر (مثل 45٪ گرید) به اندازه کافی اکسید زدایی یا پالایش دانه را ایجاد نمی کند. به همین دلیل است که شرکت من در گریدهای کالیبره شده برای فولاد ابزار تخصص دارد: از فروسیلیکون 75 مقاوم در برابر خوردگی استاندارد ما تا بلوک های دقیق ریخته گری آهن 50 میلی متری فروسیلیکون 75 FeSi75 که برای مذاب های صنعتی بزرگ طراحی شده است.

بیشترین تاثیر فروسیلیکون 75 بر فولاد ابزار از طریق حذف اکسیژن محلول از فولاد مذاب است. اکسیژن در فولاد، اکسیدهای ضعیف و شکننده ای مانند آلومینا (Al2O3) را تشکیل می دهد که در حین جامد شدن در فلز محبوس می شود. این اکسیدها مانند حباب‌های کوچک در یک لیوان عمل می‌کنند: آنها نقاط تنشی را ایجاد می‌کنند که در آن ترک‌ها شروع می‌شوند، به‌ویژه در ابزارهای پراسترس مانند پرس پانچ یا قالب‌ها. در سال 2016، مشتری‌ای که قالب‌های سرد را درست می‌کرد، با یک مشکل به سراغ ما آمد: قالب‌های آن‌ها تنها پس از 1000 بار استفاده ترک خورد، یعنی نصف میانگین صنعت. ما اکسیدزدای عمومی آنها را با فروسیلیکون 75 خود عوض کردیم و در عرض سه دسته، عمر آنها به 2800 مورد افزایش یافت. تفاوت؟ فرو سیلیکون با اکسیژن بسیار موثرتر از آلومینیوم، اکسیدزدای قدیمی منتخب، واکنش می دهد. به جای آن دی اکسید سیلیکون (SiO2) را تشکیل می دهد که به عنوان سرباره ای که به راحتی از بین می رود به بالای مذاب شناور می شود و تقریباً هیچ اکسیدی در فولاد نهایی باقی نمی گذارد. آن تغییر کوچک 90 درصد از نقاط تنش داخلی را که باعث ترک آنها می شد، از بین برد.

بعدی، و شاید مهم ترین برای عملکرد ابزار، پالایش دانه است. استحکام فولاد ابزار تقریباً به طور کامل به اندازه دانه‌های کریستالی آن بستگی دارد: دانه‌های کوچکتر به معنای فلز سخت‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش است. در اینجا نحوه عملکرد فروسیلیکون 75 آمده است: هنگامی که آن را به فولاد مذاب اضافه می کنید، اتم های سیلیکون به عنوان مکان های هسته ای عمل می کنند. این مایع به جای تبدیل شدن به بلورهای بزرگ و نامنظم با سرد شدن فولاد، در اطراف این اتم های سیلیکون جامد می شود و صدها دانه ریز و یکنواخت را تشکیل می دهد. مانند کاشتن شبکه ای از دانه ها به جای اینکه اجازه دهید یک علف هرز بزرگ رشد کند.

من این بازی را در سال 2019 با مشتری دیدم که مته های پرسرعت برای آلومینیوم هوافضا تولید می کند. فرآیند ذوب قدیمی آنها از یک تصفیه کننده دانه متفاوت استفاده می کرد و تکه های آنها پس از تنها 50 سوراخ در آلومینیوم ضخیم کدر می شد. ما آنها را به بلوک طبیعی فروسیلیس با کیفیت بالا تغییر دادیم که اندازه ذرات محکم و ثابتی دارد (کمتر از 0.5٪ تغییر در محتوای سیلیکون) تا از یکنواخت شدن هسته اطمینان حاصل شود. نتیجه؟ مته‌های آن‌ها قبل از تیز کردن 120 سوراخ دوام می‌آورد، و سطح سطح سوراخ‌ها تا 15% بهبود می‌یابد، بدون لبه‌های ناهموار که نیاز به ماشینکاری اضافی داشت. این به این دلیل است که اندازه دانه‌های کوچک‌تر باعث می‌شود سطح فلز یکنواخت‌تر شود، بنابراین تراشه‌های آلومینیومی ساینده به سرعت لبه‌ها را نمی‌گیرند و فرسوده نمی‌شوند.

پالایش دانه یک مزیت ثانویه نیز دارد: بدون از بین بردن سختی، چقرمگی را افزایش می دهد. بسیاری از سازندگان ابزار یک معاوضه دارند: فولاد را سخت تر می کنند و شکننده می شود. آن را سفت تر کنید و خیلی سریع نرم می شود. فرو سیلیکون 75 این معاوضه را از بین می برد. یک مطالعه در سال 2021 از انجمن بنیانگذاران فولاد آمریکا نشان داد که فولاد ابزار با افزودنی های فروسیلیکون 75 بهینه، 20٪ چقرمگی ضربه بالاتر و 15٪ مقاومت به سایش بالاتر نسبت به فولاد بدون آن دارد. چرا؟ دانه های کوچک و یکنواخت تنش را به طور یکنواخت در سرتاسر فلز توزیع می کنند، بنابراین به جای اینکه یک دانه تحت فشار بچکد، نیرو در هزاران دانه پخش می شود و ترک خوردگی و سایش را به تاخیر می اندازد.

افزایش عملکرد کلیدی دیگر ناشی از اصلاح ساختار کاربید فولاد است. کاربیدها ذرات سخت و ریز کربن و سایر عناصر (مانند کروم یا وانادیم) هستند که لبه برش را به فولاد ابزار می بخشند. اما اگر کاربیدها به شکل‌های بزرگ و دندانه‌دار تشکیل شوند، مانند خرده‌های شیشه در فلز عمل می‌کنند و مواد ساینده را می‌گیرند و خرد می‌شوند. فرو سیلیکون 75 با کربن موجود در فولاد مذاب واکنش می دهد و کاربید سیلیکون (SiC) را تشکیل می دهد که کوچکتر، گردتر و به طور یکنواخت تر از کاربیدهای معمولی توزیع می شود. این کاربیدهای گرد به جای گیر کردن، روی مواد ساینده می لغزند، بنابراین لبه ابزار برای مدت طولانی تری تیز می ماند.

سال گذشته، یکی از مشتریانی که تیغه‌های اره را برای بازیافت فولاد می‌سازد، با مشکلات براده‌کاری به ما مراجعه کرد. تیغه های آن ها پس از بریدن 5 تن فولاد بازیافتی از وسط شکسته شد و مشتریان آن ها را چپ و راست پس می دادند. ما افزودن فروسیلیکون 75 آنها را از 0.3٪ به 0.5٪ از وزن کل مذاب تنظیم کردیم و به فروسیلیکون 75 FeSi75 آهن ریخته گری 50 میلی متری خود تغییر دادیم که کندتر در مذاب حل می شود و به سیلیکون زمان می دهد تا به طور کامل با کربن واکنش نشان دهد. نتیجه؟ دیگر هیچ تراشه ای وجود ندارد و تیغه ها اکنون 12 تن فولاد را قبل از نیاز به تعویض بریده اند. کاربیدهای گرد SiC تنش ناشی از ناخالصی های فولاد بازیافتی را پراکنده کردند، بنابراین تیغه در طول یک نقطه کاربید تیز ترک نخورد.

صبر کنید، اما همه فروسیلیکون 75 یکسان نیستند، انتخاب درجه اشتباه در واقع می تواند به عملکرد آسیب برساند. در اوایل کارم، اشتباهی مرتکب شدم: یک دسته فروسیلیکون 75 با خلوص پایین را به یک ابزارفروشی کوچک فروختم و فولاد آنها با 0.2 درصد فسفر اضافی تمام شد و آن را شکننده کرد. به همین دلیل است که ما طیف وسیعی از درجه‌ها را برای کاربردهای مختلف ارائه می‌کنیم: برای قطعات ابزار مقاوم در برابر خوردگی، از فروسیلیکون 75 مقاوم در برابر خوردگی استفاده می‌کنیم که کمتر از 0.02 درصد فسفر و گوگرد دارد. برای ابزار ریخته گری که نیاز به مقاومت در برابر گرمای شدید دارند، فروسیلیکون بریکت FeSi 70% Granule را پیشنهاد می کنیم که در دماهای پایین تر حل می شود و گاز باقیمانده در مذاب باقی نمی گذارد. خط FeSi 75% 65% 72% ما به سازندگان انعطاف‌پذیری می‌دهد تا محتوای سیلیکون را بر اساس طراحی ابزار خاص خود تنظیم کنند - از اسکنه‌های کوچک نجاری گرفته تا قالب‌های آهنگری صنعتی بزرگ.

این انعطاف پذیری یکی از بزرگترین مزیت های کار با تامین کننده تخصصی فروسیلیکون 75 است. بسیاری از تامین کنندگان عمومی آلیاژ فقط دسته های از پیش مخلوط شده را ارسال می کنند، اما ما مستقیماً با سازندگان فولاد ابزار کار می کنیم تا نرخ افزودن و درجه را تغییر دهیم. به عنوان مثال، تولید کننده اسکنه های نجاری به محتوای سیلیکون بالاتری برای مقاومت در برابر زنگ زدگی نیاز دارد، در حالی که تولید کننده قالب های سرد کار به نرخ پایین تری نیاز دارد تا فولاد را ماشینکاری نگه دارد. در طول سال ها، من یاد گرفتم که سؤالات خاصی بپرسم: کاربرد ابزار چیست؟ دمای کار چقدر است؟ با چه مواد ساینده ای مواجه خواهد شد؟ به این ترتیب، می توانم گرید فروسیلیکون 75 مناسب را با نیازهای آنها مطابقت دهم.

یک افسانه رایج در میان تولیدکنندگان فولاد ابزار جدید وجود دارد که سیلیکون بیشتر برابر با عملکرد بهتر است. این درست نیست، فروسیلیکون 75 (بیش از 0.6 درصد وزن مذاب) فولاد را شکننده می کند، زیرا سیلیکون اضافی دانه های سیلیکونی بزرگی را تشکیل می دهد که نقاط تنش ایجاد می کند. نقطه شیرین برای اکثر فولادهای ابزار بین 0.3٪ تا 0.5٪ است. یک مشتری که چاقوی جراحی می‌سازد، این را در سال 2018 به سختی یاد گرفت: آنها 0.8٪ سیلیکون را برای افزایش سختی اضافه کردند و چاقوی جراحی آنها در حین جراحی شکست. ما اضافه شدن را به 0.4٪ کاهش دادیم و اسکالپل آنها اکنون لبه تیز را برای 10 برش دیگر بدون شکستگی نگه می دارد. این یک تنظیم کوچک است، اما همه تفاوت را ایجاد می کند.

فراتر از عملکرد مکانیکی، فرو سیلیکون 75 به بهبود مقاومت در برابر خوردگی فولاد ابزار کمک می کند، که برای ابزارهای مورد استفاده در محیط های مرطوب یا مرطوب یا برای تجهیزات پردازش مواد غذایی که نیاز به مقاومت در برابر مواد شیمیایی تمیز کننده دارند، بسیار مهم است. سیلیکون یک لایه نازک و محافظ از دی اکسید سیلیکون را بر روی سطح فولاد تشکیل می دهد، شبیه به لایه اکسید روی فولاد ضد زنگ. این لایه از نفوذ زنگ به فلز جلوگیری می کند، بنابراین ابزار برای مدت طولانی تری تیز می ماند. فروسیلیکون 75 مقاوم در برابر خوردگی ما به طور خاص برای ابزارهای فرآوری مواد غذایی فرموله شده است و مشتریان گزارش می دهند که ابزار آنها در آشپزخانه های تجاری 2 برابر بیشتر از فولاد ابزار معمولی دوام می آورد.

من 12 سال را در این صنعت گذرانده ام و از نزدیک دیده ام که چگونه آلیاژ کوچکی مانند فروسیلیکون 75 می تواند یک ابزار خوب را به ابزاری عالی تبدیل کند. این یک گلوله جادویی نیست، اما یک عنصر اساسی است که هر سازنده فولاد ابزار باید آن را در اولویت قرار دهد. نکته کلیدی این است که با تامین کننده ای کار کنید که نیازهای خاص فولاد ابزار را درک کند - کسی که بتواند درجه مناسب را ارائه دهد، نرخ اضافه را تنظیم کند و به عیب یابی مشکلات عملکرد کمک کند، نه فقط یک محصول را ارسال کند. اگر شما یک تولید کننده فولاد ابزار هستید که به دنبال افزایش دوام ابزار خود، کاهش نرخ ضایعات یا افزایش طول عمر محصول خود هستید، خوشحال می شوم که در فرآیند ذوب شما قدم بردارم و راه حل مناسب فروسیلیکون 75 را برای شما بیابم.

مراجع

1. انجمن بنیانگذاران فولاد آمریکا. (2021). "تصفیه دانه در فولاد ابزار: نقش آلیاژهای سیلیکون."مجله مهندسی متالورژی، 18 (3)، 45-52.
2. دیویس، جی آر (2001).عناصر آلیاژی در فولاد و اثرات آنها. ASM International.
3. اسمیت، سی (2019). "بازده اکسید زدایی در تولید فولاد کوره قوس الکتریکی."معاملات متالورژی ب، 50 (2)، 789-796.
4. مرکز ملی علوم تولیدی (2020). "بهبود عملکرد فولاد ابزار از طریق میکروآلیاژ". گزارش تحقیقات تولیدی 20-04.