مقالات تجارت آلیاژ مقالاتی از فلزات پرکاربرد
دکربوره شدن، اگر به صورت کنترل نشده و غیرمطلوب صورت بگیرد، می‌تواند مشکلات جدی در استفاده از فولاد ایجاد کند. بنابراین، این فرآیند می‌تواند برای فولاد هم مفید و هم مضر باشد.
در این مقاله، ابتدا به بررسی دکربوره(کربن زدایی فولاد) می‌پردازیم و سپس روش های کربن زدایی و کاربردهای فولادهای کربوره شده رو معرفی خواهیم کرد.
تعریف دکربوره شدن(کربن زدایی)
کربن زدایی یا دکربوره شدن (Decarbonization)، فرآیندی است که طی آن اتم‌های کربن از سطح یک قطعه فولادی حذف می‌شوند. این باعث می‌شود که سطح قطعه کربن کمتری نسبت به لایه‌های زیرین داشته باشد.
در صنعت متالورژی، کربن زدایی به کاهش محتوای کربن در فولاد اشاره دارد. هنگامی که فولاد در محیطی با اتمسفر کربن‌زدا گرم می‌شود، میکروساختار و غلظت کربن در لایه‌های سطحی آن تغییر می‌کند.
این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که کربن موجود در فلز با اکسیژن یا هیدروژن موجود در اتمسفر کوره واکنش می‌دهد. دمای لازم برای این واکنش معمولاً ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد یا بالاتر است. با حذف کربن، فاز‌های کاربیدی سخت از بین می‌روند و سطح فلز نرم و انعطاف‌پذیر می‌شود.
کربن زدایی گاهی به صورت هدفمند انجام می‌شود تا خواص خاصی در سطح فولاد ایجاد شود. اما اگر این فرآیند به صورت کنترل نشده رخ دهد، می‌تواند نامطلوب باشد و بر کاربرد فولاد در صنایع مختلف تأثیر منفی بگذارد. بنابراین، کربن زدایی می‌تواند هم مطلوب و هم نامطلوب باشد.
در مقابل، کربوراسیون (Carburization) فرآیندی است که باعث افزایش محتوای کربن در سطح فولاد می‌شود و می‌تواند به سخت شدن آن منجر شود.
ویژگی‌های دکربوره شدن چیست؟
طی فرآیند دکربوره شدن فولاد، میزان فاز فریت در سطح افزایش یافته و مقدار کاربید کاهش می‌یابد.
کربن زدایی فولاد می‌تواند به دو صورت جزئی و کامل رخ دهد. در کربن زدایی کامل، تمام محتوای کربن از سطح فولاد حذف می‌شود، در حالی که در کربن زدایی جزئی، تنها بخشی از کربن حذف شده و هنوز مقداری کربن در ناحیه مورد نظر باقی می‌ماند.
این فرآیند عمدتاً در لایه‌های سطحی فولاد اتفاق می‌افتد. بررسی‌های میکروسکوپی نشان می‌دهد که کربن زدایی تا عمق چند صدم تا چند دهم میلی‌متر در سطح فولاد رخ می‌دهد.
روش‌های کربن زدایی فولاد در صنعت
همانطور که ذکر شد، دکربوره کردن فولاد می‌تواند به صورت کنترل‌شده و به عنوان یک فرآیند ثانویه برای دستیابی به خواص مطلوب در فولاد انجام شود. کربن زدایی سطحی بر خواص سایشی فولاد تأثیر می‌گذارد.
1) کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن تحت خلأ (VOD)
فرآیند دکربوره کردن نوعی فرآیند ثانویه است که به طور ویژه برای تولید فولادهای زنگ نزن و حذف کربن بدون تأثیر بر میزان کروم انجام می‌شود. در این فرآیند، اکسیژن به داخل یک خلأ دمیده می‌شود که منجر به کاهش ترکیبات اکسیدشونده مانند کربن و فسفر در فولاد می‌گردد. در این فرآیند، اکسیژن دمیده‌شده به حمام فولاد مذاب با کربن واکنش داده و منجر به تولید کربن مونوکسید می‌شود. اصل لوشاتلیه (قانون تعادل) در این فرآیند اهمیت زیادی دارد، به طوری که کربن مونوکسید تولید شده به سرباره فلز راه پیدا می‌کند. به دلیل اعمال شرایط خلأ، CO به طور مداوم حذف می‌شود و بر اساس اصل لوشاتلیه، هر چه حذف CO بیشتر باشد، تولید آن نیز افزایش می‌یابد. واکنش تا زمانی که میزان کربن به مقدار مورد نظر برسد ادامه پیدا می‌کند.
2) کربن زدایی فولاد با استفاده از آرگون و اکسیژن (AOD)
این فرآیند نیز از جمله فرآیند‌های ثانویه فولادسازی است که برای تولید فولاد زنگ نزن و یا فولادهای آلیاژ بالا که عناصر قابل اکسید شدن مانند کروم و آلومینیوم دارند، استفاده می‌شود. ماده مذاب پس از ذوب شدن در یک کوره به مخازن AOD منتقل شده و در آنجا تحت دمش گاز اکسیژن و آرگون، دکربوره و گوگردزدایی می‌شود. در این روش، کاهش فشار جزئی CO به کمک گاز بی‌اثر انجام می‌گیرد.
مقایسه VOD و AOD
هر دوی این فرآیند‌ها بر اساس اصل لوشاتلیه عمل می‌کنند، با این تفاوت که در فرآیند VOD کاهش فشار جزئی گاز مونوکسید کربن به کمک خلأ و در AOD به کمک گاز بی‌اثر آرگون انجام می‌شود.
کاربرد فولاد دکربوره شده چیست؟
فولادهای دکربوره شده (Decarburized Steels) در صنایع مختلف کاربردهای خاص خود را دارند. دکربوراسیون فرآیندی است که در طی آن میزان کربن در سطح فولاد کاهش می‌یابد. این فرآیند معمولاً برای ایجاد برخی ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی خاص در سطح فولاد انجام می‌شود. کاربردهای فولادهای دکربوره شده عبارتند از:
1. صنعت الکتریکی و الکترونیکی:
فولاد دکربوره در تولید هسته‌های آهنی ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی کاربرد دارد. فولادهای دکربوره شده به دلیل داشتن هدایت مغناطیسی بهتر و کاهش تلفات مغناطیسی در این کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند.
2. صنعت خودروسازی:
تولید قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر تنش‌های حرارتی و مکانیکی دارند. فولادهای دکربوره شده در این صنعت برای کاهش شکنندگی و افزایش انعطاف‌پذیری قطعات استفاده می‌شوند.
3. صنعت ماشین‌سازی و ابزارآلات:
ساخت ابزارهایی که نیاز به دقت بالا و مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی دارند. فولادهای دکربوره شده می‌توانند در برخی از ابزارهای دقیق و قطعات ماشین‌آلات مورد استفاده قرار گیرند.
4. صنعت نفت و گاز:
تولید لوله‌ها و تجهیزات حفاری که در معرض شرایط محیطی سخت و تنش‌های مکانیکی قرار دارند. دکربوراسیون می‌تواند به بهبود خواص مکانیکی سطح این قطعات کمک کند.
5. صنعت تولید تجهیزات پزشکی:
تولید ابزارهای جراحی و تجهیزات پزشکی که نیاز به خواص مکانیکی خاصی دارند. فولادهای دکربوره شده می‌توانند در این صنعت برای ایجاد سطحی با خواص مطلوب مورد استفاده قرار گیرند.
6. صنعت هوافضا:
تولید قطعاتی که نیاز به مقاومت بالا در برابر دماهای بالا و تنش‌های مکانیکی دارند. در برخی از کاربردهای خاص در این صنعت، از فولادهای دکربوره شده استفاده می‌شود تا خواص سطحی مورد نیاز را به دست آورند. به طور کلی، فولادهای دکربوره شده در هر جایی که نیاز به خواص مکانیکی خاص و بهبود یافته در سطح قطعات باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فرآیند می‌تواند به بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی سطح فولاد کمک کند و در نتیجه کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف پیدا کند.
روش‌های جلوگیری از دکربوره شدن فولاد
لایه دکربوره ممکن است به صورت غیرعمد ایجاد شود و ترکیب شیمیایی و ساختار سطحی آن را تحت تأثیر قرار دهد. این مسأله در مواردی که حضور کربن ضروری است، استفاده از قطعه را با چالش مواجه می‌کند.
این فرآیند ممکن است به طور ناخواسته در حین نورد، آهنگری یا عملیات حرارتی فولاد رخ دهد. ماده، بسته به دما و زمان حرارت‌دهی، تنها تا عمق معینی دکربوره می‌شود.
برای جلوگیری از این فرآیند نامطلوب، راه‌هایی وجود دارد که عبارتند از:
– استفاده از اتمسفر بی‌اثر یا با فشار کاهش‌یافته
– اعمال گرمایش مقاومتی برای مدت کوتاه
– محدود کردن زمان قرار گرفتن مواد در حرارت بالا
– انجام کربوره کردن ترمیمی با استفاده از اتمسفر هیدروکربنی برای بازگرداندن کربن به سطح ماده
– استفاده ترکیبی از پودر SiC و پودر فلزی آلومینیوم روی قطعه فولادی به عنوان بازدارنده اکسیداسیون
این روش‌ها می‌توانند به حفظ خواص مطلوب فولاد و جلوگیری از مشکلات ناشی از دکربوره شدن غیرعمد کمک کنند.
اندازه‌گیری کربن زدایی فولاد
میزان کربن زدایی در فولاد را نمی‌توان با چشم بررسی کرد. تست سختی سنجی، یکی از ساده‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری آن است. سختی فولاد و مقاومت کششی آن را قبل از رسیدن به تبلور مجدد اندازه‌گیری می‌کنند. روش دیگر، بررسی بخشی از فولاد مورد نظر پس از تبلور مجدد زیر میکروسکوپ است.
نتیجه‌گیری
در این مقاله، به سؤال “دکربوره چیست” پاسخ داده و در مورد کربن زدایی فولاد به عنوان یکی از فرآیند‌های ثانویه تولید که ممکن است به طور ناخواسته نیز رخ دهد، بحث کردیم. کربن زدایی می‌تواند ضمن کاهش سختی سطح، موجب افزایش انعطاف‌پذیری آن شود. همچنین، روش‌های مختلفی برای کنترل این فرآیند وجود دارد.
