فولاد یک آلیاژی است که تشکیل شده است از ترکیب آهن و کربن، در صورتی که کربن در آن بیش از حد استاندارد باشد خواص منفی در پی خواهد داشت. به همین خاطر عمل کربن زدایی فولاد را انجام می دهند تا میزان کربن به حد متعادل و استاندارد برسد. کربن خاصیت کششی را به آلیاژ فولاد اضافه می کند. کربن زدایی فرآیندی است که با استفاده از آن کربن را از آلیاژ فولاد جدا می سازد. فولاد که در اصل یک نوع آلیاژ است و از ترکیب شدن آهن با کربن به میزان های مختلف فولاد هایی با درجه های خلوص متفاوتی درست می شود. فولاد دارای استحکام بسیار زیادی می باشد و در بسیاری از موارد از آهن عملکرد بسیار بهتری دارد. میزان کربن در فولاد همیشه باید کنترل شود چون همین درصد کربن است که با زیاد و یا کم شدن می تواند عملکرد کلی آلیاژ را تغییر دهد. استفاده بیش از حد در فولاد از کربن می باشد که مشکلات اساسی را در این آهن به وجود می آورد. برای کم کردن و از بین بردن این میزان اضافی کربن از آلیاژ فولاد از روش هایی استفاده می شود که به آن ها کربن زدایی از فولاد می گویند.
تغییر در محتوای کربن، تاثیر قابل توجه و بسزایی بر فولاد و کیفیت آن دارد. به غیر از تغییرات شیمیایی یا فیزیکی مشخص و آشکاری که در راستای تغییر محتوای کربن اتفاق می افتد، تغییر بسیار مهم و قابل توجهی در ویژگی ها و خصوصیات مکانیکی فولاد نیز رخ می دهد. محتوای کربن بر سختی، استحکام، و مقاومت در برابر ترک خوردگی و شکل پذیری فولاد، تاثیر می گذارد. کاهش محتوای کربن فولاد معمولا توسط پدیده یا فرآیندی به نام کربن زدایی ایجاد می شود. درک میزان کربن زدایی فولاد از آنجایی که در معرض انواع مختلف پردازش و ساخت قرار می گیرد، بسیار مهم است.
حال در این مقاله می خواهیم بیشتر راجع به کربن زدایی بدانیم و در مورد موضوعاتی نظیر:
1- مزایای فرآیند کربن زدایی کنترل شده
2- فرآیند جلوگیری از کربن زدایی
3- فرآیند حذف کردن کربن زدایی
4- فرآیند اندازه گیری کربن زدایی
5- فرآیند کربن زدایی عمدی
صحبت کنیم.
مطلب پیشنهادی : لوله سیاه صنعتی
کربن زدایی چیست
از آنجا که پدیده کربن زدایی باعث تغییر و کاهش محتوای کربن فولاد می شود، می توان گفت این فرآیند زمانی اتفاق می افتد که یک فولاد، فراتر از دمای تبلور خود، معمولا تا حدود 700 درجه سانتی گراد گرم شود. زمانی که فولاد تا آن دما حرارت ببیند و گرم شود و در معرض گاز هایی نظیر، هیدروژن و اکسیژن قرار بگیرد، کربن موجود در آن فولاد با مولوکول گاز یک پیوند برقرار می کند و فولاد با محتوای کربن کاهش یافته باقی می ماند. بنا به این دلیل که گاز ها تنها فقط با سطح فولاد در تماس هستند، اکثرا پدیده کربن زدایی در بیرونی ترین لایه های فولاد یا بهتر است بگوییم در لایه های خارجی آن اتفاق می افتد. کاهش کربن متاثر بر کاهش مقاومت در برابر کشش، خستگی و سختی می شود.
کربنزدایی با اکسیژن در خلا (VOD)
یک فرایند فولاد ثانویه به هر فرایندی اطلاق میشود که پس از ساخت اولیه فولاد انجام میشود. فولاد ثانویه عموما گزینه ارزانتری نسبت به فولاد اولیه است که قبلا برای پالایش فولاد ضد زنگ یعنی کاهش محتوای کربن استفاده می شد. اکنون به طور گسترده برای تولید
فولاد یو ال سی( فوق العاده کم کربن ) استفاده می شود. این فرآیند بر اساس اصل لوشاتلیه انجام میگیرد. اکسیژن دمیده شده درون حمام فولاد مذاب با کربن واکنش می دهد و باعث تولید کربن مونوکسید می شود؛ کربن مونوکسید تولیدی به سرباره فلز راه میابد و از آنجایی که شرایط خلا حفظ می شود، کربن مونوکسید به طور مداوم حذف می شود ( اصل لوشاتلیه: هرچه حذف کربن مونوکسید بیشتر شود تولید مونوکسید کربن بیشتر می شود ) این فرآیند را تا جایی ادامه می دهیم که محتوای کربن به مقدار مورد نظر ما برسد.
کربنزدایی با استفاده از آرگون و اکسیژن (AOD)
این فرآیند نیز جزو فرآیند های فولاد ثانویه هست، در این فرآیند شکافته شدن با سرعت مافوق صوت با مخلوطی از اکسیژن و یک گاز بی اثر ( نیتروژن یا آرگون ) انجام می شود. در اینجا نیز اکسیژن با محتوا کربن واکنش داده و به سرباره راه می یابد، در این فرآیند هر چه به مقدار مدنظر کربن نزدیک تر می شویم میزان دمش اکسیژن کاهش می یابد و میزان دمش گاز بی اثر افزایش می یابد و در انتها برای همگن شدن کامل حمام و واکنش موثر سرباره-فلز، آرگون دمیده می شود.
تفاوت ها و شباهت ها
در فرآیند کربن زدایی با اکسیژن در خلا فشار جزئی کربن مونوکسید به کمک خلاء کاهش داده می شود ولی در فرآیند کربن زدایی با استفاده از آرگون و اکسیژن این عمل به کمک گاز بی اثر انجام می گیرد اما در نهایت هر دو روش پالایش بر اساس اصل لوشاتلیه انجام می گیرند.
فرآیند کربن زدایی با آرگون و اکسیژن سریع و ارزان است، امروزه این فرآیند در کارخانه های فولاد سازی در تولید فولاد های زنگ نزن بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. در حقیت، فرآیند کربن زدایی با اکسیژن در خلاء به ویژه برای تولید مخلوط فولاد ضد زنگ که سهم کمتری دارد مناسب است.
فولاد برق
فولاد الکتریکی یکی از موادی است که در تولید آن از فرایند کربن زدایی استفاده میشود. برای جلوگیری از واکنش گازهای اتمسفر با خود فلز، فولاد الکتریکی در فضایی از نیتروژن، هیدروژن و بخار آب بازپخت می شود، در این فرایند برای جلوگیری از اکسیداسیون آهن از مقادیر ویژهای از هیدروژن و بخار آب استفاده میشود تا تنها ماده واکنش دهنده کربن باشد که به مونوکسید کربن تبدیل می شود.
فولاد ضد زنگ
فولاد ضد زنگ حاوی مواد افزودنی است که قابلیت اکسیده شدن بالایی دارند، مانند کروم و مولیبدن، کربنزدایی چنین فولادهایی فقط در واکنش با هیدروژن خشک قابل انجام است. هیدروژن خشک، برخلاف هیدروژن مرطوب که به گونهای تولید میشود که دارای مقداری آب باشد، هیچ محتوای آبی ندارد؛ عاملی که باعث میشود نتوان از هیدروژن مرطوب در فرایند کربنزدایی فولادهای ضدزنگ استفاده کرد محتوای آبی موجود در آن است.
یک نکته ایی که باید به آن اشاره کنم این است که:
در برخی مواقع نیاز است که سطح فلز ها تا حد امکان بسیار تمیز باشد. در این موارد، معمولا فرآیند اسید شویی و روغن کاری به انتهای مراحل فرآیند تولید فلز افزوده می شود.
مزایای فرآیند کربن زدایی کنترل شده
با وجود اینکه کربن زدایی فولاد امری نامطلوب به نظر میآید اما اگر به صورت کنترل شده و تحت نظارت مهندسی به هدف کاهش میزان کربن صورت گیرد باعث ایجاد خواص جدیدی در آلیاژ فولادی میشود. همانطور که قبلاً گفته شد میزان کربن در فولاد، رابطه مستقیمی با سختی و مقاومت کششی فولاد دارد. هر چقدر که میزان کربن در محتوای فولاد بیشتر باشد، سختی آن بیشتر بوده و در این صورت برای جوشکاری و یا چکشخواری مناسب نخواهد بود. بنابراین باید فولادی با کربن کم تولید شود تا برای چکشخواری، جوشکاری، شکلپذیری و غیره مناسب باشد.
روشهای متعددی برای تولید فولاد کمکربن وجود دارد که هرکدام برای نوع خاصی از فولاد صورت میگیرد. به عنوان مثال فرآیند کربنزدایی کنترل شده برای ورقهای فولادی که نسبت سطح به ضخامت آن بیشتر است مورد استفاده قرار میگیرد. روش دیگر نیز تولید فولاد کم کربن به هنگام ذوب آهن است. به این صورت است که به جای عنصر کربن، عناصر دیگری مثل نیکل و منیزیم برای تقویت فولاد استفاده میکنند. نتیجه این کار فولادی با کربن کم و مقاومت بالاست که کاربردهای زیادی هم دارد.
فرآیند جلوگیری از کربن زدایی
کربن زدایی امکان دارد مضر باشد منتها خیلی ساده و به راحتی می توان آن را کنترل و یا حتی حذف کرد. یکی از راه هایی که میتواند از کربن زدایی جلوگیری کند این است که مانع رسیدن فولاد به دمای تبلور دوباره آن شویم. این امر از توانایی عبور کربن از سطح فولاد به گاز های محیطی جلوگیری می کند. اما از آنجا که در بعضی از مواقع فولاد باید تا همان دمای 700 درجه سانتی گراد << تبلور دوباره >> گرم شود، راه دیگری برای جلوگیری از این گدیده وجود دارد و آن این است که محیط اطراف فولاد را با گاز هایی که با کربن واکنش نشان نمی دهند، محاصره کنیم.
گاز های محبوبی که بیشتر برای این روش استفاده می شود، شامل آرگون و نیتروژن است. البته تحقیقات و مطالعالت بیشتری باید انجام شود تا مشخص شود کدام گاز برای یک کاربرد خاص استفاده می شود و تاثیر بهتری می گزارد.
یک روش جلوگیری از کربنزدایی در یک ماده فولادی شامل استفاده از مخلوطی از پودر اس آی سی و پودر فلزی آلومنیوم روی ماده فولادی علاوه بر اعمال یک بازدارنده اکسیداسیون روی آن و حرارت دادن به آن میباشد به گونهای که هر مترمربع از سطح فولاد با 30 تا 500 گرم اس آی سی پوشش داده شود. روش حاضر به ویژه برای جلوگیری از کاهش استحکام مواد فولادی به دلیل کربنزدایی سطحی مورداستفاده قرار میگیرد.
نکته ی قابل توجه ای که باید به آن اشاره کنم:
برای اینکه از سختیه سطح اطمینان حاصل کنیم، در فرآیندی که به سختی پوسته شناخته می شود، سختی سطح برخی از فلزات دست خوش تغییراتی می شود.
مطلب پیشنهادی : لوله فلکسیبل با روکش PVC
فرآیند حذف کربن زدایی
حتی اگر زمانی فرا برسد که ما نتوانیم از پدیده کربن زدایی جلو گیری کنیم، می توان با به کار گیری چندین روش متعدد آن را حذف کرد. یکی از راه های حذف کربن زدایی، حذف کامل موادی است که کربن زدایی شده اند. این کار را می توان از طریق آسیاب، فرزکاری، سنگ زنی و یا انواع دیگری از فرآیند و فعالیت های ماشین کاری انجام داد. یکی دیگر از روش های محبوب برای رهایی از پدیده کربن زدایی این است که، کربن از دست رفته را به بستر فولاد باز گردانیم. بهتر است این کار را از طریق حرارت دادن به همان فولاد کربن زدایی شده تا همان دمای تبلور دوباره و بعد از آن محاصره کردن با هیدرو کربن ها، انجام داد. در هنگام انجام این عملیات باید اطمینان حاصل کرد که مقدار کافی و مناسبی از کربن به سطح فولاد باز گردد.
فرآیند اندازه گیری کربن زدایی
کربن زدایی را نمی توان تنها فقط با ابزار های بصری بررسی کرد. برای مشخص کردن میزان این پدیده که فولاد متحمل شده است، باید از ابزار های مناسبی استفاده کرد. یکی از روش های سریع اندازه گیری میزان کربن زدایی، اندازه گیری سختی فولاد است. در صورت امکان بهتر است که این عمل قبل و بعد از عملیات حرارتی انجام شودتا بتوانیم سختی فولاد را در قبل و بعد از حرارت مقایسه کنیم. از این طریق به میزان کربن زدایی میتوانیم پی ببریم. برش یک نمونه و صیقل دادن آن و بعد مشاهده ی برش زیر میکروسکوپ، روشی دیگر برای نشان دادن دقیق میزان کربن زدایی است. این فرآیند عمق کربن زدایی را به ما نشان می دهد.
فرآیند کربن زدایی عمدی
در حالی که کربن زدایی به طور نا خواسته می تواند برای فولاد مضر باشد، ولی در بعضی مواقع، کربن زدایی که دارای هدف باشد می تواند فواید بسیاری نیز داشته باشد. از آنجایی که کربن زدایی، بر محتوای کربن فولاد اثر می گذارد و باعث کم شدن سختی سطح آن می شود، این فرآیند می تواند باعث بهتر شدن قابلیت ماشین کاری فلز و همچنین بهبود شکل پذیری سطح آن شود. همچنین باید تحقیقات و مطالعات کافی برای اطمینان خاطر از این که کربن زدایی عمدی مناسب است انجام شود.
جمع بندی
فرآیند کربن زدایی موردی است که باید حین ساخت و تولید فولاد به آن توجه ویژه و خاصی شود. تا آنجا که امکان دارد می بایست از انجام عملیات تبلور مجدد روی فولاد اجتناب و پرهیز شود چرا که یکی از دلایل کربن زدایی است. در صورتی که هیچ راه دیگری جز انجام عملیات تبلور مجدد نبود حتما باید از رسیدن گازهای هیدروژن و اکسیژن به سطح فولاد جلوگیری شود تا از هزینه های بعدی که ممکن است به دنبال داشته باشد جلو گیری شود.
