تنگستن
تنگستن كاربرد زيادي در توليد فولادهاي ابزار داشته و اخيرا در توليد فولادهاي پرآلياژي مقاوم در برابر حرارت نيز استفاده مي شوند. تنگستن بسيار سنگين بوده و وزن اتمي آن 184 و نقطه ذوب 3410 C دارد.ساختار كريستالي آن bcc است و در فولاد فريت زا و كاربيد زاي بسيار قوي است. سختي پذيري را افزايش مي دهد و كاربيدهاي مقاوم در برابر سايش ايجاد كرده و بالاخص از افت سختي در دماهاي بالا كه امري رايج در نوك ابزار است جلوگيري مي كند. در الكترودهاي جوشكاري نيز تنگستن اضافه مي شود تا سطح مقاوم در برابر سايش ايجاد نمايد
مقادیر کمی از تنگستن سختی پذیری آستنیت را شدیدا افزایش داده و از طریق تشکیل محلول جامد فریت را تا حد متوسطی افزایش می دهد.
تمایل تنگستن به ترکیب با کربن بسیار زیاد بوده و کاربید آن خیلی سخت و مقاوم به سایش است. فولادهای تنگستن دار با سختی ثانویه در برابر تمپر مقاوم بوده و از اینرو مقاومت به سایشی را ارتقا ء داده ودر دماهای بالا دارای استحکام زیادی خواهند بود.
در فولادها، تنگستن کاربیدهای کمپلکس Fe4W3C یا Fe4W2C تشکیل می دهد و در برخی مواقع ، این کاربید ها به کاربیدهای ساده WC تجزیه می شوند.انحلال کاربیدهای تنگستن در آستنیت بسیار کشکل بوده و برای رسیدن به تعادل در فولادهای تنگستن به زمان آستنیته کردن بیشتری نیاز است.این انحلال کم کاربیدها مربوط به اندازه دانه کوچک فولادهای تنگستن دار بوده که متاثر از اثر محدود کنندگی رشد دانه توسط کاربید های حل نشده است.
تنگستن همانند فریت زاهای دیگر ، دمای یوتکتوئید را افزایش داده و درصد کربن یوتکتوئید را می کاهد و در نتیجه مقدار کاربید آزاد فولاد را در همان درصد کربن مشابه افزایش می دهد . این افزایش درصد کاربید آزاد سبب افزایش مقاومت سایش فولادهای تنگستن دار می شود.
تنگستن سختی و استحکام کششی فولادهای کربنی ساده و پر کربن را افزایش می دهد ولی بندرت به تنهایی در فولادها استفاده می شوند چراکه می توان با کمک از عناصر آلیاژی ارزان دیگر برای رسیدن به خواص مورد نظر استفاده کرد.
در دماهای کوئنچ کم که اندازه دانه کم بدست می آید، فولادهای تنگستن در مقایسه با فولادهای کربنی ساده از سختی پذیری کمی با درصد کربن مشابه برخوردار خواهند بود ولی با افزایش درصد زمان و دمای آستنیته کردن بدلیل انحلال زیاد کاربید ها ، سختی پذیری آنها در مقایسه با فولادهای ساده کربنی افزایش می یابد.
در تولید فولادهای ابزار بالاخص فولادهای ابزار تند بر ، یکی از عناصر اصلی تنگستن است.تنگستن در فولادهای تند بر زمینه ای ایجاد می کند که در حین تمپر نرم نمی شود و کاربیدها بسیار سخت و مقاوم به سایش می باشند.این مقاومت به تمپر زمینه سبب شده که استحکام در دمای بالا و چقرمگی در سختی معین خوبی داشته باشد.این فاکتور مهمی است چرا که توانایی برش و تغییر شکل ابزار تندبر و قالب کار گرم بستگی به سختی و استحکام در دمای کاری سطوح دارد.تنش های داخلی که در حین کوئنچ فولادهای تنگستن دار ایجاد می شود ، در دماهای بالا آزاد می شوند. این نوع آزاد شدن تنش بدون کاهش سختی بوده فلذا قطعه می تواند تنش های کاری را تحمل کند.در بیشتر عملیات های برش کاری از فولادهای تند بر استفاده می شود.یکی از این فولادها دارای ترکیب 18%W,4%Cr,1% V,0.7% C می باشد.افزایش درصد تنگستن بیشتر از این مقدار سبب زیاد شدن مقاومت سایشی شده ولی چقرمگی را می کاهد. در درصدهای کمتر از 18% ، مقاومت سایشی کاهش یافته و حساسیت به رشد دانه در دماهای کوئنچ بالا را می افزاید.
خواص برشکاری خوب با افزایش همزمان درصد کربن و وانادیم این نوع فولادها بدست می آید.به عنوان مثال فولاد با 1.2% C,14%W,4%Cr,4.5%V بهتر از فولاد 18-4-1 برای مته ها می باشد.
در برخی ز فولادهای تند بر می توان بجای دو قسمت تنگستن از یک قسمت مولیبدن استفاده کرد.با این حال خواص برشکاری این فولاد کاهش می یابد. فولاد 6%W,6%Mo, در مقایسه با فولاد های تنگستنی معمولی براحتی دکربوریزه می شود.فولاد جایگزین دیگر 6%W,5%Mo,4%Cr,2%V بوده که برای بهینه کردن خواص برش این فولاد ، درصد کربن را زیاد کرده اند.ترکیب این فولاد 1.2%C,6%W,4%Cr,4.5%Mo,4%V است.
نوع دیگر از فولاد ابزار تنگستن که در قالبهای گرم کار استفاده می شود، 10%W,3%Cr,0.30%V,0.30%C است.تنگستن موجود در ترکیب فولاد ، مقاومت به تمپر را افزوده و حتی در دماهای بالا تر از دمای تمپر معمول ، افت سختی قابل ملاحظه نخواهد بود.
با اضافه کردن 5% کبالت به فولاد تنگستن ، فولاد بسیار تند بر بدست می آید که باز می توان از دماهای آبکاری بالا استفاده کرد. در نتیجه کاربیدهای تنگستن زیادی حل شده و سختی پذیری بالایی حاصل می شود.
فولاد ابزار حاوی 5%W,1.3% C بسیار سختی بوده وتیزی لبه برش را حفظ می کند. این فولاد در ابزار برش ، برشکاری مواد سخت و برای قالبهای کشش استفاده می شود.
جنس فولاد اسکنه از فولاد با 1.0-2.5 % W بوده که اندازه دانه را اصلاح کرده و مقاومت سایش را بهبود می بخشد.
چگالی فولادهای کربنی با افزودن تنگستن زیاد شده و فولادهای تنگستن پایداری مغناطیسی بیشتری از خود در مقایسه با فولادهای کربنی ساده نشان می دهند.فولاد پر کربن با تنگستن 6% در شرایط سخت شده در مغناطیس های دایمی استفاده می شود.تنگستن بدلیل نگهداری آستنیت در حین کوئنچ ، باعث تشکیل ذرات مغناطیس با توزیع بحرانی می شود.نوعی از این فولاد مغناطیس تنگستن دار ترکیب 6%W,0.6%Cr,0.7%C دارد.
تنگستن در صنایع مواد سخت بصورت کاربید تنگستن استفاده می شود که یکی از اجزای اصلی در ابزارهای برش کاربیدی سینتر شده است.بدلیل تولید مشکل این کاربیدها، کاربیدهای سینتر شده بندرت در مقاطع بزرگتر از 2 اینچ مربع تولید می شوند.تیغه های کاربیدی یا بطور مکانیکی یا با لحیم کاری به فولاد ابزار کربنی متوسط یا چدنی متصل شده و ابزار برش را تشکیل می دهند.تیغه های کاربید تنگستن در ابزار های برش دستگاه تراش، مته ها و برقو ها بکار می روند.هم چنین در گشش سیم از قالبهای کاربید تنگستن بسیار سخت استفاده می شود.
اگر به ترکیب فولاد زنگ نزن 18/8 تنکستن اضافه شود به علت ماهیت کاربید زایی قوی آن ، سعی دارد از خوردگی بین دانه ای یا فاسد شدن جوش جلوگیری کند.تنگستن به فولادهای مقاوم به حرارت و نیکل-کروم اضافه می شود تا استحکام در دماهای بالا را افزایش دهد.یکی از این فولادها شامل 23%Cr,12%Ni,3% W است.
تنگستن بندرت به چدن اضافه می شود با این وجود معمولا درصدی در قراضه هایی از جنس فولادهای تند بر در ترکیب دیده می شود
مقادیر کمی از تنگستن سختی پذیری آستنیت را شدیدا افزایش داده و از طریق تشکیل محلول جامد فریت را تا حد متوسطی افزایش می دهد.
تمایل تنگستن به ترکیب با کربن بسیار زیاد بوده و کاربید آن خیلی سخت و مقاوم به سایش است. فولادهای تنگستن دار با سختی ثانویه در برابر تمپر مقاوم بوده و از اینرو مقاومت به سایشی را ارتقا ء داده ودر دماهای بالا دارای استحکام زیادی خواهند بود.
در فولادها، تنگستن کاربیدهای کمپلکس Fe4W3C یا Fe4W2C تشکیل می دهد و در برخی مواقع ، این کاربید ها به کاربیدهای ساده WC تجزیه می شوند.انحلال کاربیدهای تنگستن در آستنیت بسیار کشکل بوده و برای رسیدن به تعادل در فولادهای تنگستن به زمان آستنیته کردن بیشتری نیاز است.این انحلال کم کاربیدها مربوط به اندازه دانه کوچک فولادهای تنگستن دار بوده که متاثر از اثر محدود کنندگی رشد دانه توسط کاربید های حل نشده است.
تنگستن همانند فریت زاهای دیگر ، دمای یوتکتوئید را افزایش داده و درصد کربن یوتکتوئید را می کاهد و در نتیجه مقدار کاربید آزاد فولاد را در همان درصد کربن مشابه افزایش می دهد . این افزایش درصد کاربید آزاد سبب افزایش مقاومت سایش فولادهای تنگستن دار می شود.
تنگستن سختی و استحکام کششی فولادهای کربنی ساده و پر کربن را افزایش می دهد ولی بندرت به تنهایی در فولادها استفاده می شوند چراکه می توان با کمک از عناصر آلیاژی ارزان دیگر برای رسیدن به خواص مورد نظر استفاده کرد.
در دماهای کوئنچ کم که اندازه دانه کم بدست می آید، فولادهای تنگستن در مقایسه با فولادهای کربنی ساده از سختی پذیری کمی با درصد کربن مشابه برخوردار خواهند بود ولی با افزایش درصد زمان و دمای آستنیته کردن بدلیل انحلال زیاد کاربید ها ، سختی پذیری آنها در مقایسه با فولادهای ساده کربنی افزایش می یابد.
در تولید فولادهای ابزار بالاخص فولادهای ابزار تند بر ، یکی از عناصر اصلی تنگستن است.تنگستن در فولادهای تند بر زمینه ای ایجاد می کند که در حین تمپر نرم نمی شود و کاربیدها بسیار سخت و مقاوم به سایش می باشند.این مقاومت به تمپر زمینه سبب شده که استحکام در دمای بالا و چقرمگی در سختی معین خوبی داشته باشد.این فاکتور مهمی است چرا که توانایی برش و تغییر شکل ابزار تندبر و قالب کار گرم بستگی به سختی و استحکام در دمای کاری سطوح دارد.تنش های داخلی که در حین کوئنچ فولادهای تنگستن دار ایجاد می شود ، در دماهای بالا آزاد می شوند. این نوع آزاد شدن تنش بدون کاهش سختی بوده فلذا قطعه می تواند تنش های کاری را تحمل کند.در بیشتر عملیات های برش کاری از فولادهای تند بر استفاده می شود.یکی از این فولادها دارای ترکیب 18%W,4%Cr,1% V,0.7% C می باشد.افزایش درصد تنگستن بیشتر از این مقدار سبب زیاد شدن مقاومت سایشی شده ولی چقرمگی را می کاهد. در درصدهای کمتر از 18% ، مقاومت سایشی کاهش یافته و حساسیت به رشد دانه در دماهای کوئنچ بالا را می افزاید.
خواص برشکاری خوب با افزایش همزمان درصد کربن و وانادیم این نوع فولادها بدست می آید.به عنوان مثال فولاد با 1.2% C,14%W,4%Cr,4.5%V بهتر از فولاد 18-4-1 برای مته ها می باشد.
در برخی ز فولادهای تند بر می توان بجای دو قسمت تنگستن از یک قسمت مولیبدن استفاده کرد.با این حال خواص برشکاری این فولاد کاهش می یابد. فولاد 6%W,6%Mo, در مقایسه با فولاد های تنگستنی معمولی براحتی دکربوریزه می شود.فولاد جایگزین دیگر 6%W,5%Mo,4%Cr,2%V بوده که برای بهینه کردن خواص برش این فولاد ، درصد کربن را زیاد کرده اند.ترکیب این فولاد 1.2%C,6%W,4%Cr,4.5%Mo,4%V است.
نوع دیگر از فولاد ابزار تنگستن که در قالبهای گرم کار استفاده می شود، 10%W,3%Cr,0.30%V,0.30%C است.تنگستن موجود در ترکیب فولاد ، مقاومت به تمپر را افزوده و حتی در دماهای بالا تر از دمای تمپر معمول ، افت سختی قابل ملاحظه نخواهد بود.
با اضافه کردن 5% کبالت به فولاد تنگستن ، فولاد بسیار تند بر بدست می آید که باز می توان از دماهای آبکاری بالا استفاده کرد. در نتیجه کاربیدهای تنگستن زیادی حل شده و سختی پذیری بالایی حاصل می شود.
فولاد ابزار حاوی 5%W,1.3% C بسیار سختی بوده وتیزی لبه برش را حفظ می کند. این فولاد در ابزار برش ، برشکاری مواد سخت و برای قالبهای کشش استفاده می شود.
جنس فولاد اسکنه از فولاد با 1.0-2.5 % W بوده که اندازه دانه را اصلاح کرده و مقاومت سایش را بهبود می بخشد.
چگالی فولادهای کربنی با افزودن تنگستن زیاد شده و فولادهای تنگستن پایداری مغناطیسی بیشتری از خود در مقایسه با فولادهای کربنی ساده نشان می دهند.فولاد پر کربن با تنگستن 6% در شرایط سخت شده در مغناطیس های دایمی استفاده می شود.تنگستن بدلیل نگهداری آستنیت در حین کوئنچ ، باعث تشکیل ذرات مغناطیس با توزیع بحرانی می شود.نوعی از این فولاد مغناطیس تنگستن دار ترکیب 6%W,0.6%Cr,0.7%C دارد.
تنگستن در صنایع مواد سخت بصورت کاربید تنگستن استفاده می شود که یکی از اجزای اصلی در ابزارهای برش کاربیدی سینتر شده است.بدلیل تولید مشکل این کاربیدها، کاربیدهای سینتر شده بندرت در مقاطع بزرگتر از 2 اینچ مربع تولید می شوند.تیغه های کاربیدی یا بطور مکانیکی یا با لحیم کاری به فولاد ابزار کربنی متوسط یا چدنی متصل شده و ابزار برش را تشکیل می دهند.تیغه های کاربید تنگستن در ابزار های برش دستگاه تراش، مته ها و برقو ها بکار می روند.هم چنین در گشش سیم از قالبهای کاربید تنگستن بسیار سخت استفاده می شود.
اگر به ترکیب فولاد زنگ نزن 18/8 تنکستن اضافه شود به علت ماهیت کاربید زایی قوی آن ، سعی دارد از خوردگی بین دانه ای یا فاسد شدن جوش جلوگیری کند.تنگستن به فولادهای مقاوم به حرارت و نیکل-کروم اضافه می شود تا استحکام در دماهای بالا را افزایش دهد.یکی از این فولادها شامل 23%Cr,12%Ni,3% W است.
تنگستن بندرت به چدن اضافه می شود با این وجود معمولا درصدی در قراضه هایی از جنس فولادهای تند بر در ترکیب دیده می شود
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
گوگرد
گوگرد ماده بی بو و بدون مزه است که در طبیعت بیشتر به صورت ماده جامد زرد رنگ است که البته کانی های سولفیدی و سولفاتی نیز به وفور دیده می شوند.
گوگرد یکی از عناصر اصلی در ساختمان سلول زنده است.گوگرد یک منبع غذایی شیمیایی برای برخی از ارگان ها می تواند باشد:بعضی از باکتری ها از سولفید هیدروژن بجای آب به عنوان الکترون ده در فرآیندهای شبیه فوتوسنتز استفاده می کنند.گوگرد غیرآلی بخشی از کلاسترهای آهن-گوگرد را تشکیل می دهد و گوگرد یک لیگاند(Ligand) اتصالی در محل CuA در اکسیدایز سیتوکروم سی می باشد که این آخری ماده اصلی در استفاده از اکسیژن درتمام زندگی هوازی می باشد.
در نباتات و حیوانات،سیستئن (cysteine) آمینو اسید و متونین(Methionine) شامل گوگرد می باشند.هوموسیستئن و تاورین(Taurine) از انواع اسیدهای گوگرد داری هستند که ساختار مشابهی داشته ولی به وسیله DNA کد گذاری نمی شوند و بخشی از ساختار اولیه پروتئین محسوب نمی شوند.
پیوندهای دی سولفیدی (S-S) که بین اجزای سیستئن در زنجیرهای پپتید تشکیل می شوند،در ساختار پروتئین بسیار مهم هستند.این پیوندهای کووالانت قوی بین زنجیرهای پپتید باعث می شوند که پروتئین ها از چقرمگی و جهندگی بالایی برخوردار باشد.به عنوان مثال،استحکام بالای پرها و مو به دلیل مقدار بالای اتصال S-S و هم چنین مقدار زیاد سیستئن و گوگرد است.
گوگرد از زمانهای قدیم مورد استفاده بوده و در کتب عهد قدیم به کرات بدان اشاره شده است.احتمالا گوگرد از کلمه عربی sufra به معنی زرد گرفته شده است که ناشی از رنگ درخشانی است که در طبیعت از خود نشان می دهد،با این وجود نام سانسکریت گوگرد بنام sulvari است که به معنای دشمن مس می باشد.
ترجمه های انگلیسی از کتب عهد قدیم،از گوگرد بنام Brimstone یادکرده است که نشـات گرفته از خطابه آتش و گوگرد (Fire and brimstone) بوده که در آن مستمعان به حالت لعن جاوید و ازلی باقی می ماندند بطوریکه منتظر بی اعتقادی و عدم پشیمانی بودند.در این بخش از کتب عهد قدیم،Hell به بوی گوگرد اشاره می کند،که در بالا گفته شد گوگرد بی بو است.بوی گوگرد معمولا مشابه بوی سولفید هیدروژنی است که از تخم مرغ گندیده به دماغ می رسد.سوختن گوگرد دی اکسید گوگرد تولید می نماید که بویی شبیه سوختن کبریت دارد.
هومر در قرن هشتم قبل از میلاد و نیز 424 م ق از گوگرد عامل جلوگیری از طاعون نام می برد و بوئیتا (Boeotia) دیواره های شهر را با به آتش کشیدن مخلوطی از زغال سنگ،گوگرد و قیرخراب نمود.در قرن دوازدهم،چینی ها تفنگی را اختراع کردند که نیروی پرتابی آن از مخلوط نیتزات پتاسیم (KNO3) ،کربن و گوگرد تامین می شد.در اواخر سال 1770 میلادی ، آنتوین لاوزیه (Antoine Lavoisier) موفق شد که گوگرد را به عنوان یک عنصر به جامعه علمی معرفی نماید.در 1867 میلادی،گوگرد در رسوبات زیرزمینی در لویزیانا و تگزاس کشف شد.
گوگرد عنصری معمولا در نواحی آتش فشانی یافت می شود.هم چنین رسوبات گوگرد عنصری در خلیج مکزیک،اروپای شرقی و آسیای غربی وجوددارد.اعتقاد بر این است که گوگرد موجوددر این رسوبات از واکنش باکتریایی بی هوازی بر روی کانی های سولفاتی بالاخص سنگ گچ بدست آمده است.
سلنیم عنصر شیمیایی بوده که در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود و معمولا در مقادیر زیادش سمی بوده ولی مقدار کم آن در در برخی از آنزیم ها بسیار موثر است.
سلنــــــــــیم از واژه یونانی selene به معنی ماه گرفته شده است و در سال 1817 توسط جـــــــــونز یاکــــــوب برزیلیوس (Jons Jakob Berzelius) کشف شد.رشد استفاده از سلنیم به لحاظ تاریخی حالت یکنواخت و متناسب با کاربردهای جدید بوده که می توان به ترکیبات کائوچو،عناصر آلیاژی در فولاد و یکسوکننده های سلنیم اشاره نمود.در سال 1970،سلنیم در یکسوکننده ها جایگزین سیلیس شدند ولی کاربرد اصلی آن در هادی های حساس به نور در صفحات ساده کپی است.در طی سال 1980، استفاده از سلنیم به عنوان هادی حساس به نور در این صفحات نیز رو به کاهش رفت.در حال حاضر،استفاده گسترده از سلنیم در صنایع شیشه سازی و رنگ دانه ها می باشد.
در سال 1996،تحقیقات ادامه دار نشان داد که رابطه مستقیمی بین مکمل های سلنیم و جلوگیری از حمله قلبی وجود دارد.در اواخر سال 1990،استفاده از سلنیم به عنوان یک نوع افزودنی به لوله های برنجی برای برآورده ساختن استانداردهای زیست محیطی بدون سرب از اهمیت قابل توجهی برخوردار شد.
با وجود اینکه مقادیر زیاد سلنیم سمی است،ولی یکی از ریزمغذی های اصلی در حالت های مختلف حیات است.سلنیم یکی از اجزای اصلی آمینو اسیدهای کمیاب سلنوسیستئن (selenocysteine) و سلنومتوئین(selenomethionine) است.در انسانها،سلنیم ماده ریزمغذی است که به عنوان کوفاکتور برای احیای آنزیم های آنتی اکسیدان مثل پروکسیدازهای گلوتاتئیون (Glutathione peroxidases) یا ردوکتازتیرودوکسین(Thioredoxin reductase) عمل می کند.هم چنین سلنیم در عملکرد غده تیروئید به عنوان یک کوفاکتور برای هورمون تیروئید نقش اصلی ایفاء می کند.
همانطوریکه در بالا بدان اشاره شد،مقدار زیاد سلنیم سمی است. مقدار بیش از حد بالایی پذیرش مجاز بیشتر از 400 میکروگرم در هر روز می تواند موجب سلنوسیس (Selenosis) شود.علایم این بیماری شامل بوی سیر در دم بیمار،اختلالات معده ای،ریزش مو،پوسته پوسته شدن ناخن ها،خستگی، کج خلقی و حملات عصبی می باشد.مقدار خیلی زیادی آن می تواند منجر به تسمع جگر و ورم ریوی و در نهایت مرگ می شود.
آنچه که در مورد سلنیم جالب است که بدان اشاره شود، رابطه آن با گسترش بیماری HIV است.تحقیقات زمین شناسی در مناطقی که بیماری ایدز در آن گسترش یافته است، و مقایسه آن با مناطقی که بیماری ایدز در آنها دیده نشده است،نشان دهنده این مطلب مهم است که در خاک مناطقی که ایدز در آنجا شیوع یافته است،حاوی مقادیر کمتری از عنصر سلنیم است.به عنوان مثال،درصد شیوع بیماری ایدز در مناطق پایین تر از آفریقای شمالی که سلنیم کمتری در خاک آن اندازه گیری شده است،بالا است در حالیکه در سنگال این درصد خیلی پایین تر است .خاک سنگال درصد بالاتری از عنصر سلنیم را دارد.
اما در فولاد گوگرد وسلنيم رفتار مشابهي در دارند.گوگرد در تركيب هر فولادي وجود دارد ولي سلنيم بطور عمدي به فولاد افزوده مي شود.وزن اتمي گوگرد32 با نقطه ذوب 119 C ، وزن اتمي سلنيم 79 با دماي ذوب 217 C است.هر دو قابليت يكساني در فولاد دارند و به علت كم بودن نقطه جوش ، در مذاب پايداري زيادي ندارند.
مشكل اصلي فولادسازان مربوط به پديده ترك برداري گرم يا سرخ شكنندگي است. فلذا سعي مي كنند تا حد امكان در صد گوگرد را كمتر كنند. گوگرد با آهن تركيب شده و تشكيل FeS ميدهد كه داراي نقطه ذوب كمتري است.FeS با آهن يوتكتيكي تشكيل مي دهد كه از نقطه ذوب پايينتري تا 988 C برخوردار است.اين تركيب در دماهاي بالا بصورت مذاب در آمده ودرمرزدانه ها تجمع مي كندفلذا باعث ترك برداري گرم يا سرخ شكنندگي Hot cracking يا Hot Shortness مي شود.شكل آخالهاي سولفيد آهن در شمش ها كروي بوده و در مقاطع كار شده كشيده ودراز است.اين سبب مي شود خواص قطعه آنيزوتروپ شود.همانطوريكه قبلا اشاره شد،Mn تمايل زيادي به تركيب با گوگرد و تشكيل سولفيد منگنز دارد.بنابر اين، از اين خاصيت براي حذف گوگرد استفاده مي شود.با اين حال درصد بسيار کمی FeSتشكيل مي شود كه قابليت انحلال در MnS را دارد.با اين وجود تاثيري بر روي دماي ذوب سولفيد منگنز ندارد.ميزان منگنز اضافه شده تقريبا چهار برابر درصد گوگرد است. بيشتر فولادهاي كم آلياژي و كربني حداكثر درصد گوگرد 0.04% دارند.
وجود درصد زياد MnS بر كارآيي فولاد تاثير منفي دارد.عليرغم اين موضوع، در فولادهاي خوش تراش وجود گوگرد عامل مهمي است.در واقع ، يكي از راههاي افزايش قابليت ماشينكاري ،اضافه كردن گوگرد به تركـــيب فولاد است.بيشتر اين نوع فولادها،0.10-0.30 % گوگرد دارند.وقتي ابزار برش روي سطح قطعه كار مي كنند،به علت وجود MnS طول پليسه ها كوتاهتر مي شوند و نقش روانكار را نيز ايفا مي كنند و در نتيجه صافي سطح بيشتر مي شود.
شكل،اندازه و توزيع نامطلوب آخالهاي غير فلزي تاثير نامطلوبي بر روي خواص فولاد دارند.آخالهاي غير فلزي كشيده شده قابليت كار سرد فولاد ورق در كشش عميق را مي كاهد و چقرمگي شكست را شديدا كاهش مي دهد.خواص فولاد را آنيزوتروپ مي كند وحساسيت به پارگي داغ را افزايش مي دهد.وجود چنين مشكلات براي فولادسازان، افزودن عناصري مثل كلسيم،منيزيم،زيركنيم و عناصر نادر خاكي (سديم) به ذوب را در پي داشته است.در اين روش مقدار گوگرد پس ماند به 0.001و 0.005 درصدنيز مي رسد.
در جوشکاری فولادهای خوش تراش که گوگرد زیادی دارند ،وجود سولفیدها بر جوشکاری قوسی بسیار مضر بوده و در هنگام رسوب فلز جوش از الکترودهای فولادهای نرم ، حفره و ترک تشکیل می شود.ولی استفاده از الکترودهای مصرفی با هیدروژن پایین ، نتایج قابل قبولی را در پی دارد.نسبت آهک به سیلیس این الکترود ها در حدی نگه داشته می شوند که تاثیر مخربی بر روی نتایج جوشکاری نداشته باشند.
در چدنها ، منابع متعددی برای حضور گوگرد در ترکیب موجودند.در صورتیکه منگنزی وجود نداشته باشد،گوگرد در ساختار بصورت سولفید های آهن با شکل آخالهای قهوه ای خاکستری ظاهر می شوند ولی با افزودن منگنز ، به لحاظ تمایل ترجیحی به ترکیب با گوگرد،سولفید مگنز تشکیل خواهد شد.میزان منگنز طبیعتا باید بیشتر باشد و از فرمول تجربی زیر استفاده می شود:
%Mn = 1.7 * %S+0.3
اگر دمای ریخته گری پایین باشد، مقادیر اضافی اکسید منگنز بصورت عیوب حفره ای در قطعه د رمی آید.در درصدهای بالاتر از 0.18 % گوگرد، سختی چدنهای خاکستری را افزایش می دهد ولی بر ماشینکاری چدنهای خاکستری تاثیر منفی دارد
گوگرد یکی از عناصر اصلی در ساختمان سلول زنده است.گوگرد یک منبع غذایی شیمیایی برای برخی از ارگان ها می تواند باشد:بعضی از باکتری ها از سولفید هیدروژن بجای آب به عنوان الکترون ده در فرآیندهای شبیه فوتوسنتز استفاده می کنند.گوگرد غیرآلی بخشی از کلاسترهای آهن-گوگرد را تشکیل می دهد و گوگرد یک لیگاند(Ligand) اتصالی در محل CuA در اکسیدایز سیتوکروم سی می باشد که این آخری ماده اصلی در استفاده از اکسیژن درتمام زندگی هوازی می باشد.
در نباتات و حیوانات،سیستئن (cysteine) آمینو اسید و متونین(Methionine) شامل گوگرد می باشند.هوموسیستئن و تاورین(Taurine) از انواع اسیدهای گوگرد داری هستند که ساختار مشابهی داشته ولی به وسیله DNA کد گذاری نمی شوند و بخشی از ساختار اولیه پروتئین محسوب نمی شوند.
پیوندهای دی سولفیدی (S-S) که بین اجزای سیستئن در زنجیرهای پپتید تشکیل می شوند،در ساختار پروتئین بسیار مهم هستند.این پیوندهای کووالانت قوی بین زنجیرهای پپتید باعث می شوند که پروتئین ها از چقرمگی و جهندگی بالایی برخوردار باشد.به عنوان مثال،استحکام بالای پرها و مو به دلیل مقدار بالای اتصال S-S و هم چنین مقدار زیاد سیستئن و گوگرد است.
گوگرد از زمانهای قدیم مورد استفاده بوده و در کتب عهد قدیم به کرات بدان اشاره شده است.احتمالا گوگرد از کلمه عربی sufra به معنی زرد گرفته شده است که ناشی از رنگ درخشانی است که در طبیعت از خود نشان می دهد،با این وجود نام سانسکریت گوگرد بنام sulvari است که به معنای دشمن مس می باشد.
ترجمه های انگلیسی از کتب عهد قدیم،از گوگرد بنام Brimstone یادکرده است که نشـات گرفته از خطابه آتش و گوگرد (Fire and brimstone) بوده که در آن مستمعان به حالت لعن جاوید و ازلی باقی می ماندند بطوریکه منتظر بی اعتقادی و عدم پشیمانی بودند.در این بخش از کتب عهد قدیم،Hell به بوی گوگرد اشاره می کند،که در بالا گفته شد گوگرد بی بو است.بوی گوگرد معمولا مشابه بوی سولفید هیدروژنی است که از تخم مرغ گندیده به دماغ می رسد.سوختن گوگرد دی اکسید گوگرد تولید می نماید که بویی شبیه سوختن کبریت دارد.
هومر در قرن هشتم قبل از میلاد و نیز 424 م ق از گوگرد عامل جلوگیری از طاعون نام می برد و بوئیتا (Boeotia) دیواره های شهر را با به آتش کشیدن مخلوطی از زغال سنگ،گوگرد و قیرخراب نمود.در قرن دوازدهم،چینی ها تفنگی را اختراع کردند که نیروی پرتابی آن از مخلوط نیتزات پتاسیم (KNO3) ،کربن و گوگرد تامین می شد.در اواخر سال 1770 میلادی ، آنتوین لاوزیه (Antoine Lavoisier) موفق شد که گوگرد را به عنوان یک عنصر به جامعه علمی معرفی نماید.در 1867 میلادی،گوگرد در رسوبات زیرزمینی در لویزیانا و تگزاس کشف شد.
گوگرد عنصری معمولا در نواحی آتش فشانی یافت می شود.هم چنین رسوبات گوگرد عنصری در خلیج مکزیک،اروپای شرقی و آسیای غربی وجوددارد.اعتقاد بر این است که گوگرد موجوددر این رسوبات از واکنش باکتریایی بی هوازی بر روی کانی های سولفاتی بالاخص سنگ گچ بدست آمده است.
سلنیم عنصر شیمیایی بوده که در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود و معمولا در مقادیر زیادش سمی بوده ولی مقدار کم آن در در برخی از آنزیم ها بسیار موثر است.
سلنــــــــــیم از واژه یونانی selene به معنی ماه گرفته شده است و در سال 1817 توسط جـــــــــونز یاکــــــوب برزیلیوس (Jons Jakob Berzelius) کشف شد.رشد استفاده از سلنیم به لحاظ تاریخی حالت یکنواخت و متناسب با کاربردهای جدید بوده که می توان به ترکیبات کائوچو،عناصر آلیاژی در فولاد و یکسوکننده های سلنیم اشاره نمود.در سال 1970،سلنیم در یکسوکننده ها جایگزین سیلیس شدند ولی کاربرد اصلی آن در هادی های حساس به نور در صفحات ساده کپی است.در طی سال 1980، استفاده از سلنیم به عنوان هادی حساس به نور در این صفحات نیز رو به کاهش رفت.در حال حاضر،استفاده گسترده از سلنیم در صنایع شیشه سازی و رنگ دانه ها می باشد.
در سال 1996،تحقیقات ادامه دار نشان داد که رابطه مستقیمی بین مکمل های سلنیم و جلوگیری از حمله قلبی وجود دارد.در اواخر سال 1990،استفاده از سلنیم به عنوان یک نوع افزودنی به لوله های برنجی برای برآورده ساختن استانداردهای زیست محیطی بدون سرب از اهمیت قابل توجهی برخوردار شد.
با وجود اینکه مقادیر زیاد سلنیم سمی است،ولی یکی از ریزمغذی های اصلی در حالت های مختلف حیات است.سلنیم یکی از اجزای اصلی آمینو اسیدهای کمیاب سلنوسیستئن (selenocysteine) و سلنومتوئین(selenomethionine) است.در انسانها،سلنیم ماده ریزمغذی است که به عنوان کوفاکتور برای احیای آنزیم های آنتی اکسیدان مثل پروکسیدازهای گلوتاتئیون (Glutathione peroxidases) یا ردوکتازتیرودوکسین(Thioredoxin reductase) عمل می کند.هم چنین سلنیم در عملکرد غده تیروئید به عنوان یک کوفاکتور برای هورمون تیروئید نقش اصلی ایفاء می کند.
همانطوریکه در بالا بدان اشاره شد،مقدار زیاد سلنیم سمی است. مقدار بیش از حد بالایی پذیرش مجاز بیشتر از 400 میکروگرم در هر روز می تواند موجب سلنوسیس (Selenosis) شود.علایم این بیماری شامل بوی سیر در دم بیمار،اختلالات معده ای،ریزش مو،پوسته پوسته شدن ناخن ها،خستگی، کج خلقی و حملات عصبی می باشد.مقدار خیلی زیادی آن می تواند منجر به تسمع جگر و ورم ریوی و در نهایت مرگ می شود.
آنچه که در مورد سلنیم جالب است که بدان اشاره شود، رابطه آن با گسترش بیماری HIV است.تحقیقات زمین شناسی در مناطقی که بیماری ایدز در آن گسترش یافته است، و مقایسه آن با مناطقی که بیماری ایدز در آنها دیده نشده است،نشان دهنده این مطلب مهم است که در خاک مناطقی که ایدز در آنجا شیوع یافته است،حاوی مقادیر کمتری از عنصر سلنیم است.به عنوان مثال،درصد شیوع بیماری ایدز در مناطق پایین تر از آفریقای شمالی که سلنیم کمتری در خاک آن اندازه گیری شده است،بالا است در حالیکه در سنگال این درصد خیلی پایین تر است .خاک سنگال درصد بالاتری از عنصر سلنیم را دارد.
اما در فولاد گوگرد وسلنيم رفتار مشابهي در دارند.گوگرد در تركيب هر فولادي وجود دارد ولي سلنيم بطور عمدي به فولاد افزوده مي شود.وزن اتمي گوگرد32 با نقطه ذوب 119 C ، وزن اتمي سلنيم 79 با دماي ذوب 217 C است.هر دو قابليت يكساني در فولاد دارند و به علت كم بودن نقطه جوش ، در مذاب پايداري زيادي ندارند.
مشكل اصلي فولادسازان مربوط به پديده ترك برداري گرم يا سرخ شكنندگي است. فلذا سعي مي كنند تا حد امكان در صد گوگرد را كمتر كنند. گوگرد با آهن تركيب شده و تشكيل FeS ميدهد كه داراي نقطه ذوب كمتري است.FeS با آهن يوتكتيكي تشكيل مي دهد كه از نقطه ذوب پايينتري تا 988 C برخوردار است.اين تركيب در دماهاي بالا بصورت مذاب در آمده ودرمرزدانه ها تجمع مي كندفلذا باعث ترك برداري گرم يا سرخ شكنندگي Hot cracking يا Hot Shortness مي شود.شكل آخالهاي سولفيد آهن در شمش ها كروي بوده و در مقاطع كار شده كشيده ودراز است.اين سبب مي شود خواص قطعه آنيزوتروپ شود.همانطوريكه قبلا اشاره شد،Mn تمايل زيادي به تركيب با گوگرد و تشكيل سولفيد منگنز دارد.بنابر اين، از اين خاصيت براي حذف گوگرد استفاده مي شود.با اين حال درصد بسيار کمی FeSتشكيل مي شود كه قابليت انحلال در MnS را دارد.با اين وجود تاثيري بر روي دماي ذوب سولفيد منگنز ندارد.ميزان منگنز اضافه شده تقريبا چهار برابر درصد گوگرد است. بيشتر فولادهاي كم آلياژي و كربني حداكثر درصد گوگرد 0.04% دارند.
وجود درصد زياد MnS بر كارآيي فولاد تاثير منفي دارد.عليرغم اين موضوع، در فولادهاي خوش تراش وجود گوگرد عامل مهمي است.در واقع ، يكي از راههاي افزايش قابليت ماشينكاري ،اضافه كردن گوگرد به تركـــيب فولاد است.بيشتر اين نوع فولادها،0.10-0.30 % گوگرد دارند.وقتي ابزار برش روي سطح قطعه كار مي كنند،به علت وجود MnS طول پليسه ها كوتاهتر مي شوند و نقش روانكار را نيز ايفا مي كنند و در نتيجه صافي سطح بيشتر مي شود.
شكل،اندازه و توزيع نامطلوب آخالهاي غير فلزي تاثير نامطلوبي بر روي خواص فولاد دارند.آخالهاي غير فلزي كشيده شده قابليت كار سرد فولاد ورق در كشش عميق را مي كاهد و چقرمگي شكست را شديدا كاهش مي دهد.خواص فولاد را آنيزوتروپ مي كند وحساسيت به پارگي داغ را افزايش مي دهد.وجود چنين مشكلات براي فولادسازان، افزودن عناصري مثل كلسيم،منيزيم،زيركنيم و عناصر نادر خاكي (سديم) به ذوب را در پي داشته است.در اين روش مقدار گوگرد پس ماند به 0.001و 0.005 درصدنيز مي رسد.
در جوشکاری فولادهای خوش تراش که گوگرد زیادی دارند ،وجود سولفیدها بر جوشکاری قوسی بسیار مضر بوده و در هنگام رسوب فلز جوش از الکترودهای فولادهای نرم ، حفره و ترک تشکیل می شود.ولی استفاده از الکترودهای مصرفی با هیدروژن پایین ، نتایج قابل قبولی را در پی دارد.نسبت آهک به سیلیس این الکترود ها در حدی نگه داشته می شوند که تاثیر مخربی بر روی نتایج جوشکاری نداشته باشند.
در چدنها ، منابع متعددی برای حضور گوگرد در ترکیب موجودند.در صورتیکه منگنزی وجود نداشته باشد،گوگرد در ساختار بصورت سولفید های آهن با شکل آخالهای قهوه ای خاکستری ظاهر می شوند ولی با افزودن منگنز ، به لحاظ تمایل ترجیحی به ترکیب با گوگرد،سولفید مگنز تشکیل خواهد شد.میزان منگنز طبیعتا باید بیشتر باشد و از فرمول تجربی زیر استفاده می شود:
%Mn = 1.7 * %S+0.3
اگر دمای ریخته گری پایین باشد، مقادیر اضافی اکسید منگنز بصورت عیوب حفره ای در قطعه د رمی آید.در درصدهای بالاتر از 0.18 % گوگرد، سختی چدنهای خاکستری را افزایش می دهد ولی بر ماشینکاری چدنهای خاکستری تاثیر منفی دارد
سیلیس در طبیعت به شکل آزاد نیست بلکه بیشتر به صورت دی اکسید سیلیس خالص و سیلیکات ها می باشد.کانی های حاوی سیلیس را می توان در خاک رس،ماسه و انواع مختلف گرانیت ها و سنگ ها پیدا کرد.سیلیس قسمت اصلی نیمه هادی ها بوده و نیز در شکل سیلیکات و سیلیکا در شیشه ها ،سیمان و سرامیک کاربرد فراوانی دارد.
سیلیس در حالت بلوری به رنگ خاکستری تار بوده و جلای فلزی دارد.با اینکه سیلیس یک عنصر نسبتا خنثی است،ولی با هالوژن ها و مواد قلیایی واکنش می دهد و بیشتر اسید ها بجز ترکیبی از اسید نیتریک و اسید هیدروفلوریک بر آن تاثیری ندارند.سیلیس عنصری بیشتر از 95 درصد از طول موج های امواح ماورای بنفش را انتقال میدهد.
سیلیس از واژه لاتین silex به معنای سنگ چخماق گرفته شده است و اولین بار توسط آنتوین لاوازیه در سال 1787 شناسایی شد و سپس به اشتباه توسط همفری دوی( Humphry Davy) در سال 1800 به عنوان یک ترکیب طبقه بندی شد.در سال 1811،گی لوساک (Gay-Lussac) و تنارد(Thenard) توانستند که سیلیس آمورف و ناخالص را از حرارت دادن پتاسیم در کنار تترافلوراید سیلیس بدست آورند.در سال 1824 میلادی،برزیلیوس سیلیس آمورف را تقریبا با روش مشابه با روش لوساک بدست آورد و سپس با شستن مکرر آن توانست به سیلیس با خلوص بالا دست یابد.
با توجه به اینکه سیلیس با کربن شباهت دارد ،برخی این احتمال را می دهند که حیاتی براساس سیلیس وجوددارد .اما این بیشتر به یک داستان تخیلی و علمی شباهت دارد. افترای اصلی که درمورد حیات پایه سلیس داده می شود،این است که سیلیس برخلاف کربن تمایل ندارد که پیوندهای دوتایی و سه تایی تشکیل دهد.
با وجوداینکه هنوز حیاتی بر پایه سیلیس پیدا نشده است،ولی کانی های سیلیس وجود دارد که کاربردهای خاصی دارند.بعضی از باکتریها و اشکال دیگر حیات مثل رادیولاریا پروتوزا(Radiolaria ptotoza) اسکلت دی اکسید سیلیسی دارند.این نوع از حیات با نام سیلیکای بیوژنیک معروف است.باکتریهای سیلیکاتی از سیلیس در متابولیسم استفاده می کنند.
زندگی که ما بر روی زمین می شناسیم،بر اساس بیوشیمی سیلیسی گسترش نیافته است.دلیل اصلی این ادعا این است که حیات در روی زمین بستگی به چرخه کربنی دارد؛موجودات اوتوتروفیک(موجوداتی که غذایشان را خود تولیدمی کنند مثل گیاهان) (autotrophic) از دی اکسید کربن برای سنتز ترکیبات آلی با کربن استفاده می کنند و موجودات هتروتروفیک (موجوادتی که غذایشان را از موجودات دیگر تامین می کنند مثل حیوانات)(Heterotrophic) از این ترکیبات انرژی و دی اکسید کربن تولیدمی کنند.حال اگر سیلیس بتواند جایگزین کربن شود،در این صورت است که به چرخه سیلیس نیاز خواهد بود.البته دی اکسید سیلیس در سیستم های آبی رسوب می کند و نمی تواند در دستگاه های حیاتی انتقال یابد.
سیلیس را می توان در ترکیب همه فولادها دید.علت اينست كه كانه هاي آهن حاوي درصدهايي از سيليس است و نيز در حين فولادسازي ،از جداره هاي نسوز كوره وارد ذوب آهن مي شود.سيليس اكسيژن زداي قوي است و آخالهاي اكسيدي را نيز حذف مي كند.
وزن اتمي سيليس 28 و نقطه ذوبش 1427 C است.ساختار كريستالي آن مكعبي الماسي است. سيليس فلز نيست بلكه يك شبه فلز metalloid است . سيليس در آهن مذاب بهر نسبتي حل مي شود. ولي در آهن جامد حداكثر تا 15 % حل مي شود.سيليس دماي استحاله دلتا به آستنيت را كاسته و از طرفي دماي استحاله فريت به آستنيت را افزايش مي دهد و منطقه پايداري آستنيت را مي كاهد. در واقع فريت زاي قوي است.
سيليس به عنوان عنصر آلياژي در مقادير بيش از 0.3 % اثرات مفيدي دارد. استحكام فريت را افزايش مي دهد و سختي پذيري را زياد مي كند. وجود سيليس در فولادهاي الكتريكي كه جهت گيري دانه ها مطرح است بسيار مهم است. هم چنين سياليت ذوب را نيزافزايش مي دهد.
حضور سيليس ، راسب شدن گرافيت را تشويق ميكند و مقاومت سايشي را افزايش مي دهد. به علت افزايش استحكام تسليم ، عنصر اصلي در فولادهاي فنر است.به علت افزايش مقاومت در برابر اكسيداسيون و پوسته دار شدن در فولادهاي مقاوم در برابر حرارت استفاده مي شود.براي اينكه مقاومتشان در محيط هاي اسيدي نيز زياد شود، درصد سيليس تا 12% بايد باشد كه در اينصورت فقط باريخته گري قابل توليد بوده و براي رسيدن به ابعاد فقط سنگ زني قابل انجام است.
در مقادیر بالای سیلیس ، سختی پذیری و استحکام فولاد افزایش می یابد ولی این افزایش همراه با کاهش داکتیلیتی و انرژی ضربه است.از اینرو درصد سیلیس در اکثر فولادها به 0.35 % محدود می شود.در فولادهای کربن متوسط و پرکربن ، باافزودن سیلیس سختی پذیری زیاد می شود. درصد کربنی که یوتکتیک در آن رخ می دهد کاسته می شود و دمای آستنیته را می افزاید.افزودن سیلیس به فولادهای کوئنچ و تمپر با 0.5 % کربن ، سختی حاصل از سخت کاری و فریت حاوی کاربید را افزایش می دهد.
در فولادهای فنر کربنی و سیلیس – منگنز دار ، میزان سیلیس بیش از حد طبیعی است و در محدوده1.5 -2 % می باشد و درصد منگنز بین 0.6-1.0 % است.با ازدیاد درصد سیلیس ، حساسیت به تردی تمپر افزایش می یابد. هرچند ، منگنز این حساسیت را بیشتر از سیلیس افزایش می دهد ولی در فولادهای سیلیس – منگنز دار حاوی 1% منگنز، اگر درصد سیلیس بین 1.5-2 درصد باشد ، تردی تمپر بسیار جدی خواهد بود.اگر فولاد تنها0.6 % منگنز داشته باشد سیلیس تا3 % می تواند در ترکیب فولاد حضور داشته باشد بدون اینکه بر افزایش تردی تمپر تاثیر جدی داشته باشد.
سیلیس در فولادهای مقاوم به حرارت ، نیکل-کروم ، کروم دار و کروم-تنگستن برای افزایش مقامت به اکسیداسیون در دماهای بالا بکار می رود.فولادهای شیر کروم-سیلیس تا 3.75 % سیلیس و فولادهای پرنیکل –کروم-تنگستن در محدوده 1-2.5 % سیلیس دارند. این چنین فولادهایی در شیرهای اگزوز موتورهای درون سوز استفاده می شود.
افزودن تقریبا 2 % سیلیس به فولادهای زنگ نزن 18/8 مقاومت به پوسته برداری در دمای 980 C را افزوده و فولادهای تجارتی از این نوع در حدود 2-3 % سیلیس دارند.
سیلیس در فولاد با تشکیل محلول جامد جانشینی باعث می شود کربن بصورت گرافیت رسوب کند. فلذا چنین شکلی از کربن در حین نورد گرم بصورت لایه دکربوریزه شده حذف خواهد شد.بنابر این میزان کربن تا حد امکان کم نگهداشته می شود تا میزان اکسید و کربنی که خواص مغناطیسی فولاد را کاهش می دهد ، کمتر شود.از اینرو ورقهای فولاد سیلیس دار که 2.5-5 % سیلیس دارند، افت جریان ادی و هیسترزیس کمتری در مقایسه با آهن دارند. فلذا در میدان جریان مستقیم، قابلیت نفوذ مغناطیس در آنها برای اکثر کاربردها مفید ومناسب بوده که باعث شده در صنایع الکتریکی کاربرد زیادی پیدا کرده است.
ورقهای الکتریکی از فولادهای سیلیس دار 4-4.75 % سیلیس ساخته می شوند. چون در درصدهای سیلیس بالای 2.5 % آستنیتی وجود ندارد فلذا می توان آنها را عملیات حرارتی کرد.این عملیات تنها برای بازیابی و آزادسازی کرنش های مکانیکی و نفوذ ناخالصی ها و آخالها و رشد کریستالهای بزرگ اکوکسی بزرگ و به دنبال آن بهبود خواص مغناطیسی بکار می رود.یک روش برای آنیل ، عملیات حرارتی فولاد در دمای 800-1000 C در شرایط احیایی و سپس آهسته سرد کردن است.در روش دیگر که برای تولید ورقهای با جهت گیری دانه ای استفاده می شود، شامل پوشش دادن اولیه ورقهای نورد گرم شده و سپس نورد سرد با پودرهای دیرگداز و به دنبال آن آنیل در دمای 1200 C بمدت60 ساعت در اتمسفر هیدروژن دار می باشد. با این عملیات درصد زیادی از دانه ها در راستای ترجیحی جهت دار می شود. ورق با چنین شبکه فریت جهت دار و یکنواخت باعث افزایش راندمان ترانسفورماتور و کاهش افت وات می شود.در عوض مقدار گرمای تولید شده در طی کار ترانسفورماتور را کاسته و هزینه اولیه را کم کرده و سیستم خنک کن دستگاه را ساده تر کرده است.
سیلیس در چدن ها همیشه وجود داشته و یک عنصر گرافیت زاست و پایداری کاربیدهای یوتکتیک و پرلیتی را کاهش می دهد.درصد سیلیس در چدنهای سفید بسیار کم بوده ولی در چدنهای خاکستری حداقل تا 1.5 درصد نیز وجود دارد.
سیلیس در حالت بلوری به رنگ خاکستری تار بوده و جلای فلزی دارد.با اینکه سیلیس یک عنصر نسبتا خنثی است،ولی با هالوژن ها و مواد قلیایی واکنش می دهد و بیشتر اسید ها بجز ترکیبی از اسید نیتریک و اسید هیدروفلوریک بر آن تاثیری ندارند.سیلیس عنصری بیشتر از 95 درصد از طول موج های امواح ماورای بنفش را انتقال میدهد.
سیلیس از واژه لاتین silex به معنای سنگ چخماق گرفته شده است و اولین بار توسط آنتوین لاوازیه در سال 1787 شناسایی شد و سپس به اشتباه توسط همفری دوی( Humphry Davy) در سال 1800 به عنوان یک ترکیب طبقه بندی شد.در سال 1811،گی لوساک (Gay-Lussac) و تنارد(Thenard) توانستند که سیلیس آمورف و ناخالص را از حرارت دادن پتاسیم در کنار تترافلوراید سیلیس بدست آورند.در سال 1824 میلادی،برزیلیوس سیلیس آمورف را تقریبا با روش مشابه با روش لوساک بدست آورد و سپس با شستن مکرر آن توانست به سیلیس با خلوص بالا دست یابد.
با توجه به اینکه سیلیس با کربن شباهت دارد ،برخی این احتمال را می دهند که حیاتی براساس سیلیس وجوددارد .اما این بیشتر به یک داستان تخیلی و علمی شباهت دارد. افترای اصلی که درمورد حیات پایه سلیس داده می شود،این است که سیلیس برخلاف کربن تمایل ندارد که پیوندهای دوتایی و سه تایی تشکیل دهد.
با وجوداینکه هنوز حیاتی بر پایه سیلیس پیدا نشده است،ولی کانی های سیلیس وجود دارد که کاربردهای خاصی دارند.بعضی از باکتریها و اشکال دیگر حیات مثل رادیولاریا پروتوزا(Radiolaria ptotoza) اسکلت دی اکسید سیلیسی دارند.این نوع از حیات با نام سیلیکای بیوژنیک معروف است.باکتریهای سیلیکاتی از سیلیس در متابولیسم استفاده می کنند.
زندگی که ما بر روی زمین می شناسیم،بر اساس بیوشیمی سیلیسی گسترش نیافته است.دلیل اصلی این ادعا این است که حیات در روی زمین بستگی به چرخه کربنی دارد؛موجودات اوتوتروفیک(موجوداتی که غذایشان را خود تولیدمی کنند مثل گیاهان) (autotrophic) از دی اکسید کربن برای سنتز ترکیبات آلی با کربن استفاده می کنند و موجودات هتروتروفیک (موجوادتی که غذایشان را از موجودات دیگر تامین می کنند مثل حیوانات)(Heterotrophic) از این ترکیبات انرژی و دی اکسید کربن تولیدمی کنند.حال اگر سیلیس بتواند جایگزین کربن شود،در این صورت است که به چرخه سیلیس نیاز خواهد بود.البته دی اکسید سیلیس در سیستم های آبی رسوب می کند و نمی تواند در دستگاه های حیاتی انتقال یابد.
سیلیس را می توان در ترکیب همه فولادها دید.علت اينست كه كانه هاي آهن حاوي درصدهايي از سيليس است و نيز در حين فولادسازي ،از جداره هاي نسوز كوره وارد ذوب آهن مي شود.سيليس اكسيژن زداي قوي است و آخالهاي اكسيدي را نيز حذف مي كند.
وزن اتمي سيليس 28 و نقطه ذوبش 1427 C است.ساختار كريستالي آن مكعبي الماسي است. سيليس فلز نيست بلكه يك شبه فلز metalloid است . سيليس در آهن مذاب بهر نسبتي حل مي شود. ولي در آهن جامد حداكثر تا 15 % حل مي شود.سيليس دماي استحاله دلتا به آستنيت را كاسته و از طرفي دماي استحاله فريت به آستنيت را افزايش مي دهد و منطقه پايداري آستنيت را مي كاهد. در واقع فريت زاي قوي است.
سيليس به عنوان عنصر آلياژي در مقادير بيش از 0.3 % اثرات مفيدي دارد. استحكام فريت را افزايش مي دهد و سختي پذيري را زياد مي كند. وجود سيليس در فولادهاي الكتريكي كه جهت گيري دانه ها مطرح است بسيار مهم است. هم چنين سياليت ذوب را نيزافزايش مي دهد.
حضور سيليس ، راسب شدن گرافيت را تشويق ميكند و مقاومت سايشي را افزايش مي دهد. به علت افزايش استحكام تسليم ، عنصر اصلي در فولادهاي فنر است.به علت افزايش مقاومت در برابر اكسيداسيون و پوسته دار شدن در فولادهاي مقاوم در برابر حرارت استفاده مي شود.براي اينكه مقاومتشان در محيط هاي اسيدي نيز زياد شود، درصد سيليس تا 12% بايد باشد كه در اينصورت فقط باريخته گري قابل توليد بوده و براي رسيدن به ابعاد فقط سنگ زني قابل انجام است.
در مقادیر بالای سیلیس ، سختی پذیری و استحکام فولاد افزایش می یابد ولی این افزایش همراه با کاهش داکتیلیتی و انرژی ضربه است.از اینرو درصد سیلیس در اکثر فولادها به 0.35 % محدود می شود.در فولادهای کربن متوسط و پرکربن ، باافزودن سیلیس سختی پذیری زیاد می شود. درصد کربنی که یوتکتیک در آن رخ می دهد کاسته می شود و دمای آستنیته را می افزاید.افزودن سیلیس به فولادهای کوئنچ و تمپر با 0.5 % کربن ، سختی حاصل از سخت کاری و فریت حاوی کاربید را افزایش می دهد.
در فولادهای فنر کربنی و سیلیس – منگنز دار ، میزان سیلیس بیش از حد طبیعی است و در محدوده1.5 -2 % می باشد و درصد منگنز بین 0.6-1.0 % است.با ازدیاد درصد سیلیس ، حساسیت به تردی تمپر افزایش می یابد. هرچند ، منگنز این حساسیت را بیشتر از سیلیس افزایش می دهد ولی در فولادهای سیلیس – منگنز دار حاوی 1% منگنز، اگر درصد سیلیس بین 1.5-2 درصد باشد ، تردی تمپر بسیار جدی خواهد بود.اگر فولاد تنها0.6 % منگنز داشته باشد سیلیس تا3 % می تواند در ترکیب فولاد حضور داشته باشد بدون اینکه بر افزایش تردی تمپر تاثیر جدی داشته باشد.
سیلیس در فولادهای مقاوم به حرارت ، نیکل-کروم ، کروم دار و کروم-تنگستن برای افزایش مقامت به اکسیداسیون در دماهای بالا بکار می رود.فولادهای شیر کروم-سیلیس تا 3.75 % سیلیس و فولادهای پرنیکل –کروم-تنگستن در محدوده 1-2.5 % سیلیس دارند. این چنین فولادهایی در شیرهای اگزوز موتورهای درون سوز استفاده می شود.
افزودن تقریبا 2 % سیلیس به فولادهای زنگ نزن 18/8 مقاومت به پوسته برداری در دمای 980 C را افزوده و فولادهای تجارتی از این نوع در حدود 2-3 % سیلیس دارند.
سیلیس در فولاد با تشکیل محلول جامد جانشینی باعث می شود کربن بصورت گرافیت رسوب کند. فلذا چنین شکلی از کربن در حین نورد گرم بصورت لایه دکربوریزه شده حذف خواهد شد.بنابر این میزان کربن تا حد امکان کم نگهداشته می شود تا میزان اکسید و کربنی که خواص مغناطیسی فولاد را کاهش می دهد ، کمتر شود.از اینرو ورقهای فولاد سیلیس دار که 2.5-5 % سیلیس دارند، افت جریان ادی و هیسترزیس کمتری در مقایسه با آهن دارند. فلذا در میدان جریان مستقیم، قابلیت نفوذ مغناطیس در آنها برای اکثر کاربردها مفید ومناسب بوده که باعث شده در صنایع الکتریکی کاربرد زیادی پیدا کرده است.
ورقهای الکتریکی از فولادهای سیلیس دار 4-4.75 % سیلیس ساخته می شوند. چون در درصدهای سیلیس بالای 2.5 % آستنیتی وجود ندارد فلذا می توان آنها را عملیات حرارتی کرد.این عملیات تنها برای بازیابی و آزادسازی کرنش های مکانیکی و نفوذ ناخالصی ها و آخالها و رشد کریستالهای بزرگ اکوکسی بزرگ و به دنبال آن بهبود خواص مغناطیسی بکار می رود.یک روش برای آنیل ، عملیات حرارتی فولاد در دمای 800-1000 C در شرایط احیایی و سپس آهسته سرد کردن است.در روش دیگر که برای تولید ورقهای با جهت گیری دانه ای استفاده می شود، شامل پوشش دادن اولیه ورقهای نورد گرم شده و سپس نورد سرد با پودرهای دیرگداز و به دنبال آن آنیل در دمای 1200 C بمدت60 ساعت در اتمسفر هیدروژن دار می باشد. با این عملیات درصد زیادی از دانه ها در راستای ترجیحی جهت دار می شود. ورق با چنین شبکه فریت جهت دار و یکنواخت باعث افزایش راندمان ترانسفورماتور و کاهش افت وات می شود.در عوض مقدار گرمای تولید شده در طی کار ترانسفورماتور را کاسته و هزینه اولیه را کم کرده و سیستم خنک کن دستگاه را ساده تر کرده است.
سیلیس در چدن ها همیشه وجود داشته و یک عنصر گرافیت زاست و پایداری کاربیدهای یوتکتیک و پرلیتی را کاهش می دهد.درصد سیلیس در چدنهای سفید بسیار کم بوده ولی در چدنهای خاکستری حداقل تا 1.5 درصد نیز وجود دارد.
مس فلزی با رنگ مایل به قرمز است که رسانایی حرارتی و الکتریکی بالایی دارد.آلیاژهای مختلف مس به نامهای متفاوتی شناخته می شوند.برنز ها آلیاژهای مس و قلع می باشند.برنج ها آلیاژهای مس و روی هستند.فلز مونل که به نام کوپرونیکل نیز معروف هستند،آلیاژی از مس و نیکل است.با وجود اینکه معمولا آلیاژ برنز به آلیاژ مس و قلع اطلاق می شوند،ولی تبدیل به یک واژه کلی شده است مثل برنز آلومینوم،برنز منگنز .
مصری ها به این نکته پی برده بودند که افزودن مقدار کمی قلع سبب می شود ریخته گری فلز راحت تر شود.استفاده از مس در چین باستان به2000 م ق بر میگردد.در آن دوران برنزهای با کیفیت عالی می ساختند.توجه کنید که این تاریخ ها بیشتر تحت تاثیر جنگ ها پیروزیها بودند.در اروپا،تبرهای با نوک مسی پیدا شده اند که به تاریخ 3200 م ق بر میگردند که خلوص 99.7 درصد داشتند.برنجها،آلیاژ مس و روی،ابتدا در یونان شناخته شدند ولی نخست توسط رومی ها به طور وسیعی استفاده شدند.
صنایع دستی در سومر به 3000 م ق بر میگردند و صنایع دستی پیدا شده در مصر به همان تاریخ مربوط می شوند.در یکی از هرم ها ،سیستم لوله کشی مسی کشف شده است که قدمتش مربوط به 5000 م ق است.
در یونانی،واژه chalkos به معنای فلز است.در یونان و روم،مس منبع بسیار مهمی برای آنها بود.در روم،واژه aeo Cyprium همان معنی را می داد.به تدریج این واژه ساده تر شد و به صورت copper وارد زبان انگلیسی شد. در اسطوره شناسی،مس همراه الهه و رب النوع عشق و ونوس بود. در علم کیمیاگری،علامت فلز مس مشابه سیاره ونوس بود.
مس را می توان جزو اندک فلزاتی دانست که در طبیعت به صورت غیرترکیبی وجوددارد.این فلز یکی از ارکان اصلی تمدن بوده و تاریخچه آن به 10000 سال قبل می رسد.در شمال عراق یک طناب مسی پیدا شده است که قدمتش به 8700 م ق می رسد.در سال 5000 م ق ،نشانه های مبنی بر ذوب و تصفیه مس از ترکیبات ساده مس دار مثل مالاکیت یا آزوریت یافت شده است.در میان مکان های باستانی در آناتولیا،چاتال هویوک (Çatal HöyüK) در تقریبا 6000 م ق ابزاری از صنایع دستی مسی پیدا شده است که البته در آنها مسی ذوب نشده بود اما در Can Hasan تقریبا در 5000 م ق ابزاری پیدا شده اند که از مس ذوب شده تولید شده بودند.
ذوب مس در نقاط مختلف جهان بطور مستقل گسترش یافته اند.علاوه بر گسترش صنایع مسی در آناتولیا در 5000 م ق ،این صنایع در چین قبل از 2800 م ق ،در آمریکای مرکزی در 600 میلادی و در آفریقای غربی در 900 میلادی نیز گسترش یافته بود.
مس در همه گیاهان و حیوانات وجود دارد.مس در جریان خون بر روی پروتئین پلاسمایی به نام سرول پلاسمین(Ceruloplasmin) حرکت می کند. وقتی مس برای اولین بار در روه جذب می شود،به کبد انتقال داده می شود.در بسیاری از آنزیم ها مس وجود دارد که شامل مراکز مسی سیتوکروم سی اکسیداز و آنزیم دیسموتاز سوپراکسید می باشد.علاوه بر نقش آنزیمی؛مس برای انتقال بیولوژیکی الکترون نیز استفاده می شود.پروتئین های مس آبی که از انتقال الکترون رسوب می نماید،شامل آزورین(Azurin) و پلاستوسیانین(Plastocyanin) است.
میزان 30 گرم سولفات مس برای سلامتی انسان بالقوه کشنده است.میزان مجاز مس در آب نوشیدنی برای انسان با توجه به نوع منبع تامین آب متغیر است و از 1.5 تا 2 میلی گرم در هر لیتر تغییر می کند.از سوی دیگر،مقدار مس بالای آب برای جاندارن آبی نیز خطرناک است.اثرات مشاهده شده غلظت بالای مس در ماهی ها و سایر جانداران عبارت از آسیب دیدن سیست تنفسی،جگر،کلیه و سیستم عصبی می باشند.
مس با وزن اتمي 64 و نقطه ذوب 1083 C بشكل fcc متبلور مي شود. مس وآهن در حالت مذاب بهر نسبتي در هم حل مي شوند ولي در حالت جامدحلاليت آن تا 0.1 % نيز كاهش مي يابد.در سرد كردن آهسته ،مس بصورت فاز آهن-مس در مي آيد.ولي در سرد كردن سريع،مقدار مس بيشتري در محلول جامد باقي مي ماند.مس معمولا آستنتيت زاي ضعيف است.
تاريخچه مس در طول ادوار گذشته مراحل مختلفي را طي كرده است.قبل از 1900 بخاطر ترك ها و پارگي هاي سطحي در قطعات فورج و نورد به خاطر وجود مس ،يك عنصر مزاحم بشمار مي رفت.بهمين دليل تمام تلاش فولادسازان براين بود كه درصد مس را تا حد امكان كاهش دهند.ولي بدليل روش فولادسازي ، عملا درصد مس در فولادها تا 0.4 % نيز مي رسيد.
مكانيسم متالورژيكي تاثير مس بر عيوب كارگرم را مي توان به اكسيداسيون انتخابي آهن ربط داد.در اين حالت، مس در نزديكي سطح پوسته جمع مي شود. با بيشتر شدن دماي كار گرم از دماي ذوب مس ،مس مذاب در بين دانه هاي فولاد نفوذ كرده و كرنش پلاستيك مرزدانه ها را از هم مي گسلد. افزودن نيكل با توجه به ميزان مس،دماي محلول نيكل-مس را بالا برده و از ذوب مس جلوگيري مي كند. درصد نيكل افزوده شده در حدود نيم برابر مس باقيمانده است.
مس مقاومت خوردگي در محيط هاي اسيدي را افزايش مي دهد. از توانايي مس در سيستمهاي آلياژي رسوب سختي شونده بيشتر استفاده مي كنندبراي اين منظور حداقل مس 1.25 % مي باشد و درصد مشابهي از نيكل را نيز در بردارد.قابليت جوشكاري تحت تاثير مس نمي باشد.در فولادهاي پرآلياژي ضد اسيد، درصد مس بالاي 1 % باعث بهبودي مقاومت در برابراسيد كلريدريك و اسيد سولفريك مي شود.در جوشكاري فولادهاي كم آلياژي رسوب سختي شونده حاوي مس نيازي به پيش گرم نبوده و از دماهاي بين پاسي بالا بايد جلوگيري كرد.
مس در فولاد فقط در محلول جامد قرار می گیرد و تمایلی به تشکیل هیچگونه ترکیب بین فلزی با آهن ندارد.اکثر فولادهایی که بیشتر از 0.35 % مس دارند، قابلیت رسوب سختی دارند. از این ویژگی در فولادهای زنگ نزن با استحکام کششی بالا استفاده می شود.
افزودن 2 % مس به فولادهای کم کربن باعث افزایش استحکام تسلیم این فولادها بدون افت قابل ملاحظه در داکتیلیتی در حالت نرمال و رسوب سختی می شود.سرد کردن در هوا از دمای انحلال سبب باقی ماندن مس در محلول جامد شده وبا حرارت دادن دوباره در دمای 450 C ، رسوبات غنی از مس و بالا رفتن سختی تشکیل می شود.رسوب سختی فولادهای کم کربن با 1-1.5 % مس باعث افزایش استحکام کششی به اندازه 9 تن بر اینچ مربع و افزایش استحکام تسلیم به مقدار 11 تن بر اینچ مربع می شود. التبه این افزایش استحکام، کاهش داکتیلیتی را در پی دارد. در چنین فولادهایی که قابلیت رسوب سختی دارند ، با زیاد شدن درصد کربن ، این توانایی کاهش می یابد.
مس و سمنتیت با همدیگر آلیاژی تشکیل نمی دهند و مس موجود در آهن هیچگونه تاثیری بر روی نرخ انحلال کاربیدها در آستنیت در حین آستنیته کردن ندارد هرچند که تا حد کمی نرخ جوانه زنی و رشد پرلیت را می کاهد.
در فولادهایی که دارای درصد متوسطی از مس هستند، درصدهای مس اضافی که در محلول جامد قرار نمی گیرند، بصورت ذرات بسیار ریز غنی از مس در ساختار در می آیند. ولی اگر این درصد از 8 % فراتر رود ذرات درشت غنی از مس در مرزدانه ها تشکیل می شود.
خوردگی اتمسفری فولاد با افزودن مقادیر کمی از مس در حدود 0.15-0.25 % کاهش می یابد.مس مقاومت خوردگی فولاد در برابر اسید سولفریک را زیاد کرده وافزودن 0.75-3.0 % به فولاد زنگ نزن 18/8 نرخ خوردگی در محیط اسید سولفریک جوشان را شدیدا کاهش می دهد.بهبود مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا تنها با افزودن 0.25-0.5 % مس حاصل می شود.علت را می توان در تشکیل فیلم سطحی محکم بر روی فولاد جستجو کرد که در برابر اکسیداسیون مقاومت خوبی دارد.
مس در فولادهای ساختمانی کم آلیاژی با استحکام بالا که داکتیلیتی و شکل پذیری مشابهی داشته ولی از استحکام تسلیم بالاتری از فولادهای ساختمانی معمولی برخوردارند، استفاده می شود.مس موجود در این فولادها مقاومت خوردگی را افزایش داده و در موارد مشخصی تا 0.75 % به منظور افزایش استحکام تسلیم و استحکام کششی بدون تاثیر منفی بر قابلیت جوشکاری بکار می رود.
در چدنها،بمنظور پایدارسازی پرلیت در مقاطع نازک و ضخیم به ترکیب اضافه می شود و یکنواختی ساختار را ارتقاء می دهد.چنین اثری می تواند بر افزایش سختی تاثیر مثبتی داشته باشد.
اعتقاد بر این است که قابلیت انحلال مس در چدنها 3.5 % است. مس اضافی بصورت کره های ریز از محلول جدا میشود. البته درصد مس در چدنهای کروی بسیار پایین بوده و معمولا در این نوع چدنها یک عنصر نامطلوب محسوب می شود.
در چدن های Ni-Resist کروی ، با ترکیب استاندارد 14 % Ni,7 %Cu ، مس بجای نیکل می نشیند. هرچند که چنین درصدی بالایی از مس در این نوع چدنها وجود ندارد بلکه معمولا 21 % نیکل داشته و مس ندارند
مصری ها به این نکته پی برده بودند که افزودن مقدار کمی قلع سبب می شود ریخته گری فلز راحت تر شود.استفاده از مس در چین باستان به2000 م ق بر میگردد.در آن دوران برنزهای با کیفیت عالی می ساختند.توجه کنید که این تاریخ ها بیشتر تحت تاثیر جنگ ها پیروزیها بودند.در اروپا،تبرهای با نوک مسی پیدا شده اند که به تاریخ 3200 م ق بر میگردند که خلوص 99.7 درصد داشتند.برنجها،آلیاژ مس و روی،ابتدا در یونان شناخته شدند ولی نخست توسط رومی ها به طور وسیعی استفاده شدند.
صنایع دستی در سومر به 3000 م ق بر میگردند و صنایع دستی پیدا شده در مصر به همان تاریخ مربوط می شوند.در یکی از هرم ها ،سیستم لوله کشی مسی کشف شده است که قدمتش مربوط به 5000 م ق است.
در یونانی،واژه chalkos به معنای فلز است.در یونان و روم،مس منبع بسیار مهمی برای آنها بود.در روم،واژه aeo Cyprium همان معنی را می داد.به تدریج این واژه ساده تر شد و به صورت copper وارد زبان انگلیسی شد. در اسطوره شناسی،مس همراه الهه و رب النوع عشق و ونوس بود. در علم کیمیاگری،علامت فلز مس مشابه سیاره ونوس بود.
مس را می توان جزو اندک فلزاتی دانست که در طبیعت به صورت غیرترکیبی وجوددارد.این فلز یکی از ارکان اصلی تمدن بوده و تاریخچه آن به 10000 سال قبل می رسد.در شمال عراق یک طناب مسی پیدا شده است که قدمتش به 8700 م ق می رسد.در سال 5000 م ق ،نشانه های مبنی بر ذوب و تصفیه مس از ترکیبات ساده مس دار مثل مالاکیت یا آزوریت یافت شده است.در میان مکان های باستانی در آناتولیا،چاتال هویوک (Çatal HöyüK) در تقریبا 6000 م ق ابزاری از صنایع دستی مسی پیدا شده است که البته در آنها مسی ذوب نشده بود اما در Can Hasan تقریبا در 5000 م ق ابزاری پیدا شده اند که از مس ذوب شده تولید شده بودند.
ذوب مس در نقاط مختلف جهان بطور مستقل گسترش یافته اند.علاوه بر گسترش صنایع مسی در آناتولیا در 5000 م ق ،این صنایع در چین قبل از 2800 م ق ،در آمریکای مرکزی در 600 میلادی و در آفریقای غربی در 900 میلادی نیز گسترش یافته بود.
مس در همه گیاهان و حیوانات وجود دارد.مس در جریان خون بر روی پروتئین پلاسمایی به نام سرول پلاسمین(Ceruloplasmin) حرکت می کند. وقتی مس برای اولین بار در روه جذب می شود،به کبد انتقال داده می شود.در بسیاری از آنزیم ها مس وجود دارد که شامل مراکز مسی سیتوکروم سی اکسیداز و آنزیم دیسموتاز سوپراکسید می باشد.علاوه بر نقش آنزیمی؛مس برای انتقال بیولوژیکی الکترون نیز استفاده می شود.پروتئین های مس آبی که از انتقال الکترون رسوب می نماید،شامل آزورین(Azurin) و پلاستوسیانین(Plastocyanin) است.
میزان 30 گرم سولفات مس برای سلامتی انسان بالقوه کشنده است.میزان مجاز مس در آب نوشیدنی برای انسان با توجه به نوع منبع تامین آب متغیر است و از 1.5 تا 2 میلی گرم در هر لیتر تغییر می کند.از سوی دیگر،مقدار مس بالای آب برای جاندارن آبی نیز خطرناک است.اثرات مشاهده شده غلظت بالای مس در ماهی ها و سایر جانداران عبارت از آسیب دیدن سیست تنفسی،جگر،کلیه و سیستم عصبی می باشند.
مس با وزن اتمي 64 و نقطه ذوب 1083 C بشكل fcc متبلور مي شود. مس وآهن در حالت مذاب بهر نسبتي در هم حل مي شوند ولي در حالت جامدحلاليت آن تا 0.1 % نيز كاهش مي يابد.در سرد كردن آهسته ،مس بصورت فاز آهن-مس در مي آيد.ولي در سرد كردن سريع،مقدار مس بيشتري در محلول جامد باقي مي ماند.مس معمولا آستنتيت زاي ضعيف است.
تاريخچه مس در طول ادوار گذشته مراحل مختلفي را طي كرده است.قبل از 1900 بخاطر ترك ها و پارگي هاي سطحي در قطعات فورج و نورد به خاطر وجود مس ،يك عنصر مزاحم بشمار مي رفت.بهمين دليل تمام تلاش فولادسازان براين بود كه درصد مس را تا حد امكان كاهش دهند.ولي بدليل روش فولادسازي ، عملا درصد مس در فولادها تا 0.4 % نيز مي رسيد.
مكانيسم متالورژيكي تاثير مس بر عيوب كارگرم را مي توان به اكسيداسيون انتخابي آهن ربط داد.در اين حالت، مس در نزديكي سطح پوسته جمع مي شود. با بيشتر شدن دماي كار گرم از دماي ذوب مس ،مس مذاب در بين دانه هاي فولاد نفوذ كرده و كرنش پلاستيك مرزدانه ها را از هم مي گسلد. افزودن نيكل با توجه به ميزان مس،دماي محلول نيكل-مس را بالا برده و از ذوب مس جلوگيري مي كند. درصد نيكل افزوده شده در حدود نيم برابر مس باقيمانده است.
مس مقاومت خوردگي در محيط هاي اسيدي را افزايش مي دهد. از توانايي مس در سيستمهاي آلياژي رسوب سختي شونده بيشتر استفاده مي كنندبراي اين منظور حداقل مس 1.25 % مي باشد و درصد مشابهي از نيكل را نيز در بردارد.قابليت جوشكاري تحت تاثير مس نمي باشد.در فولادهاي پرآلياژي ضد اسيد، درصد مس بالاي 1 % باعث بهبودي مقاومت در برابراسيد كلريدريك و اسيد سولفريك مي شود.در جوشكاري فولادهاي كم آلياژي رسوب سختي شونده حاوي مس نيازي به پيش گرم نبوده و از دماهاي بين پاسي بالا بايد جلوگيري كرد.
مس در فولاد فقط در محلول جامد قرار می گیرد و تمایلی به تشکیل هیچگونه ترکیب بین فلزی با آهن ندارد.اکثر فولادهایی که بیشتر از 0.35 % مس دارند، قابلیت رسوب سختی دارند. از این ویژگی در فولادهای زنگ نزن با استحکام کششی بالا استفاده می شود.
افزودن 2 % مس به فولادهای کم کربن باعث افزایش استحکام تسلیم این فولادها بدون افت قابل ملاحظه در داکتیلیتی در حالت نرمال و رسوب سختی می شود.سرد کردن در هوا از دمای انحلال سبب باقی ماندن مس در محلول جامد شده وبا حرارت دادن دوباره در دمای 450 C ، رسوبات غنی از مس و بالا رفتن سختی تشکیل می شود.رسوب سختی فولادهای کم کربن با 1-1.5 % مس باعث افزایش استحکام کششی به اندازه 9 تن بر اینچ مربع و افزایش استحکام تسلیم به مقدار 11 تن بر اینچ مربع می شود. التبه این افزایش استحکام، کاهش داکتیلیتی را در پی دارد. در چنین فولادهایی که قابلیت رسوب سختی دارند ، با زیاد شدن درصد کربن ، این توانایی کاهش می یابد.
مس و سمنتیت با همدیگر آلیاژی تشکیل نمی دهند و مس موجود در آهن هیچگونه تاثیری بر روی نرخ انحلال کاربیدها در آستنیت در حین آستنیته کردن ندارد هرچند که تا حد کمی نرخ جوانه زنی و رشد پرلیت را می کاهد.
در فولادهایی که دارای درصد متوسطی از مس هستند، درصدهای مس اضافی که در محلول جامد قرار نمی گیرند، بصورت ذرات بسیار ریز غنی از مس در ساختار در می آیند. ولی اگر این درصد از 8 % فراتر رود ذرات درشت غنی از مس در مرزدانه ها تشکیل می شود.
خوردگی اتمسفری فولاد با افزودن مقادیر کمی از مس در حدود 0.15-0.25 % کاهش می یابد.مس مقاومت خوردگی فولاد در برابر اسید سولفریک را زیاد کرده وافزودن 0.75-3.0 % به فولاد زنگ نزن 18/8 نرخ خوردگی در محیط اسید سولفریک جوشان را شدیدا کاهش می دهد.بهبود مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا تنها با افزودن 0.25-0.5 % مس حاصل می شود.علت را می توان در تشکیل فیلم سطحی محکم بر روی فولاد جستجو کرد که در برابر اکسیداسیون مقاومت خوبی دارد.
مس در فولادهای ساختمانی کم آلیاژی با استحکام بالا که داکتیلیتی و شکل پذیری مشابهی داشته ولی از استحکام تسلیم بالاتری از فولادهای ساختمانی معمولی برخوردارند، استفاده می شود.مس موجود در این فولادها مقاومت خوردگی را افزایش داده و در موارد مشخصی تا 0.75 % به منظور افزایش استحکام تسلیم و استحکام کششی بدون تاثیر منفی بر قابلیت جوشکاری بکار می رود.
در چدنها،بمنظور پایدارسازی پرلیت در مقاطع نازک و ضخیم به ترکیب اضافه می شود و یکنواختی ساختار را ارتقاء می دهد.چنین اثری می تواند بر افزایش سختی تاثیر مثبتی داشته باشد.
اعتقاد بر این است که قابلیت انحلال مس در چدنها 3.5 % است. مس اضافی بصورت کره های ریز از محلول جدا میشود. البته درصد مس در چدنهای کروی بسیار پایین بوده و معمولا در این نوع چدنها یک عنصر نامطلوب محسوب می شود.
در چدن های Ni-Resist کروی ، با ترکیب استاندارد 14 % Ni,7 %Cu ، مس بجای نیکل می نشیند. هرچند که چنین درصدی بالایی از مس در این نوع چدنها وجود ندارد بلکه معمولا 21 % نیکل داشته و مس ندارند
کروم فلز سخت و درخشان با قابلیت پولیش بالا است و بی بو بدون مزه است.این فلز با ترکیب با اکسیژن و تشکیل فیلم اکسید بر روی سطح فولاد،از اکسیداسیون سطوح زیرین جلوگیری می کند.
در بیست وششم جولای 1761،یوهان گوتلب لمان(Johann Gottlob Lehmann) در کوهستان های اورال ماده معدنی نارنجی رنگی را پیدا کرد که وی آن را سرب قرمز سیبریه ای (Sibrain red lead) نام نهاد.با وجوداینکه این ماده با ترکیب سرب با سلنیم به اشتباه گرفته شد،ولی در واقع اینترکیب کرومات سرب با فرمول PbCrO4 بود که اکنون به نام کروکویت معدنی (Crocoite) شناخته می شود.
در سال 1770، پیتر سیمون پالاس(Peter Simon Pallas) در همان محلی که لمان به کاوش پرداخته بود،ماده معدنی سرب مانند به رنگ قرمز را یافت که خواص عالی در ساخت رنگدانه های رنگ از خود نشان میداد.استفاده از سرب قرمز سیبریان به عنوان رنگدانه گسترش فراوانی یافت.رنگ زردروشن که از کروکویت ساخته می شد،به صورت رنگ مدل نیز شناخته شد.
در سال 1797، لویس نیکلاس ون کولین(Louis Nicolas Vauquelin) نمونه های از سنگ معدنی کروکویت بدست آورد.وی توانست که از طریق مخلوط کردن کروکویت با اسید هیدروکلریک ،اکسید کروم با فرمول CrO3 را تولید کند.در سال 1798،ون کولین کشف کرد که با حرارت دادن این اکسید در کوره زغالی می توان کروم فلزی را تولید نمود.
در طی سال 1800، کروم یکی از عناصر اصلی رنگ ها را تشکیل می داد و در نمک های چرم سازی استفاده می شد ولی کاربرد اصلی آن در تولید آلیاژها بودکه 85 درصد کاربرد آن را به خود اختصاص می داد.
کروم سه ظرفیتی (Cr(III),Cr3+) به مقدار کم در متابولیسم شکر در انسان نیاز است و فقدان آن ممکن است سبب بیماری به نام فقدان کروم شود.برخلاف آن،کروم شش ظرفیتی بسیار سمی است.اخیرا دیده شده است که مکمل های غذایی پیکولینات کروم باعث آسیب های کروموزمی در انسان می شود که از اینرو در ایالات متحده ،رژیم غذایی روزانه برای تامین کروم از مقدار 200-50 میکروگرم برای بزرگسالان تا 35 میکروگرم(برای بزرگسالان مرد) و 25 میکروگرم (برای بزرگسالان زن) کاهش داده شده است.
كروم عنصر اصلي در فولادهاي زنگ نزن است.علل اصلي در افزودن كروم به تركيب فولاد را مي توان در عوامل زير دانست:
· افزايش سختي پذيري فولاد
· حفظ استحكام و سختي فولاد در دماهاي بالا و شرايط كاري
· افزايش مقاومت خوردگي در محيط هاي اكسيد كننده
وزن اتمي كروم 52 بوده و نقطه ذوب آن 1875 C است. و در هر دو حالت مايع و جامد بهر نسبتي در آهن حل مي شود.در بررسي رفتار كروم به عنوان عنصر آلياژي سه عامل زير را بايد در نظر گرفت:
· كروم تمايل زيادي به تركيب با كربن دارد و لذا ذرات كاربيدي همان كاربيدهاي كمپلكس آهن-كروم هستد.
· كروم با اكسیژن تركيب شده و تركيب ديرگداز غيرفلزي اكسيد كروم تشكيل مي دهد كه نقش فيلم سطحي محافظ در سطح فولاد را بازي مي كند.
· كروم فريت زاي بسيار قوي است.
در حدود 13% كروم در تركيب فولاد باعث محدود شدن فاز آستنيت در ريزساختار مي شود. با افزايش درصد كروم، مقاومت خوردگي فولاد زياد مي شود. وهم چنين در دماهاي بالا مقاومت به اكسيداسيون آنها زياد خواهد شد.
حضور كروم باعث مي شود دماغه هاي نمودار TTT به سمت راست تغيير مكان دهند و سختي پذيري افزايش يابد. با اين وجود با افزايش درصد كروم جوشكاري آنها مشكل خواهد شد.به ازاي افزايش يك درصدي كروم در تركيب فولاد استحكام كششي فولاد از 80 تا 100Mpa افزايش مي يابد.
کروم مقاومت خوردگی و استحکام فریت را شدیدا افزوده ولی تاثیر متوسطی بر سخت گردانی فاز آستنیت دارد.در فولادهای پرکربن ، مقاومت به سایش را افزایش میدهد.
افزودن کروم به آهن خالص گستره پایداری فاز گاما را محدود کرده و در درصدهای 13 % پایداری فاز فریت دلتا را تا دمای اتاق افزایش می دهد.افزودن بیش از 30 % کروم به ترکیب، فاز بین فلزی سیگما FeCr را تشکیل می دهد.لازم است یادآوری شود که حضور عناصر دیگر بر تشکیل فاز سیگما تاثیر دارند بطوریکه با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد می تواند در درصد های پایین کروم نیز تشکیل شود.به عنوان مثال ، فولاد زنگ نزن 18/8 که عناصر کاربید زایی مثل 3 % مولیبدن و 1 % تیتانیوم دارد، با عملیات حرارتی در دمای 850 C فاز سیگما در ساختار ظاهر می شود.علاوه بر آن، در درصدهای کروم کمتر از 20 % و در حضور عنصر کبالت در مقادیر 7-10 % چنین تردی ناشی از حضور فاز سیگما مشهود است.
وجود کروم در ترکیب آلیاژهای آهن – کربن بالاخص در درصدهای کربن زیاد تشکیل کاربیدها را می افزاید.در سیستم آلیاژی آهن-کربن-کروم چهار نوع کاربید کمپلکس اصلی وجود دارند: سمنتیت رومبیک (FeCr)3C در درصدهای کروم تا 15 % ،کاربید کروم تریگونال (CrFe)7C3 در درصدهای آهن 55 % ،کاربید کروم کوبیک(CrFe)4C که در آن کروم تا 24 % جایگزین آهن می شود و کاربید کروم اورتورومبیک (CrFe)2C3 که درصد کمی از آهن را داراست ولی فقط در فولادهایی یافت می شود که تقریبا 9 % کربن داشته باشند.کروم اضافی از مقدار لازم برای تشکیل کاربید وارد محلول جامد می شود.
برخلاف کبالت، درصدی از کروم که در محلول جامد وجود دارد، تاثیر کمی بر قابلیت سخت گردانی در مقایسه با سایر عناصر آلیاژی دارد.کرومی که در محلول جامد است ، زمان استحاله ایزوترمال آستنیت در فولاد های با 0.3 % کربن و بیشتر از 2 % کروم را زیادتر می کند.و در سرعتهای سردکردن عادی پرلیتی در ساختار تشکیل نمی شود.ولی اگربتوان شرایط را طوری فراهم آورد که با نرخ سرد کردن عادی از استحاله مارتنزیتی جلوگیری شود ، در ریزساختار بینیت ریز تشکیل خواهد شد.
افزودن کروم به فولاد درصد کربن پرلیت یوتکتوئید را کاسته و دمای استحاله آستنیت را می افزاید. در فولاد 12 % کروم و0.35 % کربن، استحاله یوتکتوئید در 0.35 % کربن و دمای یوتکتوئید 800 C رخ می دهد.
فولادی با 0.25 تا 0.45 درصد کربن و1.5 درصد کروم استحکام کششی و داکتیلیتی خوبی داشته ولی باید در برابر رشد دانه و تردی احتیاط های لازم را بعمل آورد.بعد از کوئنچ، این فولاد در برابر برگشت مقاومت خوبی از خود نشان می دهد فولاد با 1 درصد کروم مقاومت خوبی در برابر خوردگی اتمسفری عادی از خود نشان می دهد. وجود 0.5 درصد مولیبدن استحکامهای کششی را تضمین می کند.
قطعات فورج تحت کشش بالا و بزرگ از فولادهای کروم دار 3 تا 3.5 درصد کروم همراه با 0.5 درصد مولیبدن تولید می شوند که استحکام بالای آنها ناشی از ریزساختار بینیتی است که در حین سرد کردن آرام تشکیل شده است.
افزایش درصد کروم تا 5-6 % همراه با درصد کمی از مولیبدن یا نیوبیوم مقاومت خوردگی نسبتا خوب همراه با مقاومت خوب به خزش در دماهای نسبتا بالا را در پی دارد. این چنین فولادهایی در صنایع پالایش نفت کاربرد پیدا کردند. سایر فولاد های کم کربن که در این حوزه کاری استفاده می شوند دارای درصد کم کروم0.5-2.5 % همراه با درصد کمی از مولیبدن هستند.البته مقاومت خوبی در برابر خزش در دماهای متوسط دارند و درصورتیکه درصد کربنشان از 0.3 فراتر نرود، قابلیت جوشکاری خوبی نیز خواهند داشت.
عنصر اصلی در فولادهای آلیاژی کم کروم نیکل است. این نوع فولادها دارای 1% کروم و 1.5-4.5 % نیکل هستند.فولادهای با نیکل پایین و کربن 0.3 % در روغن سرد می شوند ولی کوئتچ فولادهای با 1.2 % Cr و 4 % Ni در هوا حتی در مقاطع بزرگ سختی بالایی را در پی دارد.در شرایط کوئنچ و تمپر،فولادهای نیکل-کروم استحکام خوبی داشته وبرای تولید مقاطع بزرگ مناسب هستند.برای کاهش حساسیت به تردی تمپر به ترکیب این فولادها مولیبدن اضافه می شود.
فولادهای نیکل – کروم و نیکل – کروم-مولیبدن برای کاربردهایی استفاده می شوند که نیاز به سختی سطحی باشد.بخاطر تمایل زیاد کروم با تشکیل کاربید ،سختی لایه سطحی را افزایش می دهد.فولادهای کربنی ساده برای کاربردهای سختی سطحی شونده Case Hardening مناسب نیستند چرا که با وجود سخت بودن سطح،ترد بوده و تمایل به جدا شدن Spall دارد.
بیشترین سختی در سطح را می توان در فولادهای نیتریده شونده حاوی کروم بدست آورد.کروم تمایل قوی به ترکیب با نیتروژن دارد.ازمشهورترین فولادهای این نوع،می توان به فولادهای نیتروآلوی با 1.5 % Cr و 1% Al اشاره کرد.فولاد با کاربرد زیاد در این سری ،فولاد حاوی 3% Cr و 0.5 % Mo می باشد.
کروم مقاومت به سایش فولادهای کربنی ساده را افزایش می دهد. موادی که دارای کروم هستند در صورتیکه صحیح آبکاری شوند(1%C,1.5 % Cr)دارای سختی سطحی بالا، اندازه دانه ریز و مقاومت سایشی بالایی خواهند داشت. این مواد را می توان قبل از آبکاری برای سهولت در ماشینکاری نرم کرد.فولادهای مشابه که در آب کوئنج می شوند، دارای سختی سطحی بسیار بالا و مرکز نرم خواهند بود.
مقادیر مشخصی از کروم در فولادهای قالب گرم موجود است و در فولادهای خاصی که برای این منظور استفــاده می شود، دارای 2 % C و 12 % Cr هستند. در این فولادها، کاربیدهای آزاد دیده می شوند که مقاومت سایشی را بالا می برند.این فولادها در حین حرارت دهی در محدوده 500-600 C سختی ثانویه از خود نشان می دهند.کیفیت بالای این نوع فولاد مربوط به حفظ شکل و پروفیل قالب است که مربوط به مقاومت عالی کاربید های کروم در برابر دکربوریزاسیون می شود.
فولاد های تندبر که حاوی تنگستن و مولیبدن با 1% V یا انواع پرکربن و پروانادیم هســـتند دارای درصـــــــــــدی از کروم (3.5-5.5 %)بوده تا کاربیدها در ریزساختار پایدار باشند.
کروم عنصری است که مصرف بیشتری در تولید فولادهای زنگ نزن دارد.در کل فولادهای زنگ نزن به سه دسته مارتنزیتی،آستنیتی و فریتی گروه بندی می شوند.اولین گروهیکه از این فولادها تولید شده ند ، فولادهای مارتنزیتی با 13 % کروم و 0.3 % کربن بودند.کروم عامل اصلی در افزایش مقاومت خوردگی این فولادها بوده و کربن یوتکتوئید را می کاهد. در شرایط آبکاری و برگشت،فولادهای با 13 % Cr دارای سختی 530 HB خواهند بود.جوشکاری این فولادها باعث تردی آنها شده و نیاز به عملیات حرارتی بعدی خواهند داشت.قابلیت فورج پذیری در محدوده دمایی 1100-900 C خوب بوده بعد از آنیل در دمـای 750 C قابلیت ماشینکاری خواهد داشت.هرچند که خواص پرسکاری سرد آنها ضعیف است.
در فولاد مشابه با 13 % Cr و تنها با کربن 0.1 % ،سختی پذیری کمتر بوده و در شرایط آبکاری در روغن و بعد از تمپر کامل، سختی 150 HB خواهد داشت.این نوع فولادهای زنگ نزن در تیغه های توربین استفاده می شوند.با عملیات حرارتی این نوع فولادها برای جلوگیری از تردی ، می توان جوشکاری را انجام داد.فورج پذیری آنها بصورت گرم بوده ولی خواص پرسکاری سردآنها کم است.
با افزایش درصد کروم ،مقاومت خوردگی فولادهای مارتنزیتی بیشتر می شود اما در درصدهای 17 % Cr و کربن 0.07 درصد ،بدلیل اینکه کروم فریت زاست، سختی پذیری کمتری خواهند داشت.این نوع فولادها در گروه فولادهای فریتی قرار می گیرند.علیرغم اینکه جوشکاری وخواص پرسکاری سرد آنها خوب است، اما جوشکاری آنها را ترد می کند.افزودن 2.5 درصد نیکل بهمراه افزایش درصد کربن تا 0.15 درصد ، باعث افزایش سختی پذیری فولاد بدلیل پایداری بیشتر آستنیت می شود. این نوع فولادها کاربرد وسیعی بعنوان شیر در صنایع شیمیایی دارند.
فولاد با درصد کربن 0.1 % ویا کمتر و کروم بالای 20 % فریتی بوده ولذا قابلیت سختی پذیری ندارند.درصد کروم بالا باعث مقاوم شدن فولاد در برابر اسیدهای اکسید کننده و اسید نیتریک می شود وخاصیت مهم دیگر که در حضور کروم بالا می توان بدان دست یافت ، مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و کنده شدن سطحی در دماهای بالا می باشد.
برای کار در دماهای بالا، فولادهای با 20-27% کروم مناسب هستند. فولاد با 27 % Cr را می توان در 1000 C نیز استفاده کرد. اگر چه در این دما خواص مکانیکی این فولادها پایین است. این نوع فولاد در اتمسفرهای گوگرد دار نیز قابل استفاده هستند.
افزودن نیکل به ترکیب فولادهای کروم بالا باعث افزایش مقاومت خوردگی ، مقاومت اکسیداسیون وپوسته برداری در دماهای بالا می شود.فولاد کم کربن با 18% Cr-8% Ni در حین سرد کردن تا دمای زیر دمای اتاق کاملا آستنیتی بوده و لذا با کوئنچ نمی توان سخت کاری روی آنها انجام داد. تنها راه افزایش استحکام این نوع فولادها انجام کار سرد است.نرمترین حالت این فولادها وقتی است که در دمای 1050-1100 C عملیات حرارتی شوند.مقاومت خوردگی در اسیدهای غیراکسیدی مثل اسید سولفریک ،اسید هیدروکلریک زیاد بوده و با افزودن 3% Mo بالاخص همراه درصدی از مس مشابه ، مقاومت خوردگی را نیز افزایش می دهد.
اعتقاد بر اینست که علت اصلی محافظ بودن فولادهای زنگ نزن، وجود فیلم اکسیدی بسیار نازک در سطح فولاد است که این فیلم در اولین تماس فولاد با محیط تشکیل می شود.این فیلم بقدری نازک است که اصلا دیده نمی شود.و در آب و بسیاری از محیط ها قابل حل نمی باشد.
با حرارت دادن فولاد 18/8 در محدوده دمایی 650-850 C مقاومت به شیمیایی در مرز دانه شدیدا کاهش می یابد.این چنین حالتی در مناطق HAZ بسیار خطرناک است و ناشی از خالی شدن مناطق مجاور مرزدانه از کروم است.که در این دما کاربید کروم رسوب می کند.وقتی کربن 0.04-0.05 % باشد این افت مقاومت خوردگی زیاد خواهد بود.برای حذف و یا کمتر کردن این حالت ، بهتر است درصد کربن حداکثر 0.03 % باشد بطوریکه کاربید کمتری تشکیل شود یا عنصری اضافه کنیم که تمایل به ترکیب آن با کربن نسبت به کروم بسیار بیشتر باشد تا کاربید کروم تشکیل نشود و کروم در محلول جامد باقی بماند.
فولاد آستنیتی کروم-نیکل در دماهای بالا استحکام خوبی داردولی با این وجود برای بهتر کردن کارآیی آن عناصر دیگر اضافه شود.به عنوان مثال ،فولاد 18 % Cr و 12 % Ni همراه با نیوبیوم دردماهای بین 600-650 C مقاومت خزشی خوبی دارد.برای کاربردهای کمی بالاتر از این دما ، افزودن عناصری چون کبالت، تنگستن و مولیبدن لازم است. ولی اگر محـــــــــدوده دمایی 750-800 C باشد،مواد پایه کبالتی و یا نیکلی گزینه بهتری خواهند بود.
درصدهای بالای کروم و نیکل باعث افزایش مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا می شود.در برخی کاربردها که نیاز به این است که مقاومت پوسته برداری خوبی نیز داشته باشیم،درصد سیلیس بالا بهمراه مولیبدن انتخاب می شود.یک ترکیب نمونه از این نوع فولاد 19% Cr,8% Ni, 3% W, 2 % Si می باشد.اگر هدف این باشد که مقاومت حرارتی استثنایی داشته باشیم، آلیاژهای پایه نیکلی مثل Nichrome با ترکیب 65 % Ni,15 % Cr ,20 % Fe و یا آلیاژ نیکل – کروم 80/20 استفاده می شود.
در سالهای اخیر نوعی از فولادها آستنیتی معرفی شده اند که توسط فرآیند رسوب سختی کنترل می شوند.این فولادها هنگام سرد کردن از دمای بالای آستنیتی بوده و با عملیات در دمای زیر صفر و یا تمپر در دمای 750 C آستنیت به مارتنزیت دگرگون می یابد.پیرسازی بعدی در دمای 450-600 C افزایش زیاد در خواص مکانیکی همراه با مقاومت خوردگی خوب در پی دارد.مثالی از این نوع فولادها 16 % Cr, 5% Ni , 2% Cu, 2 % Mo می باشد. مس و مولیبدن در بهبود مقاومت خوردگی سهیم هستند . مس مکانسیم رسوب سختی را بهبود می بخشد.
کروم کاربید ساز قوی بوده و در ترکیب چدنها تشکیل کاربیدهایی می دهد که خیلی پایدارتر از کاربید آهن هستند. اگر درصد کمی از کروم در فولاد باشد، تشکیل سمنتیت پرویوتکتوئید و پرلیت در هنگام سرد کردن آرام و عملیات حرارتی کند می شود.حداکثر کروم در چدنهای چکش خوار 0.03 % می باشد.
در هر دو نوع چدنهای معمولی و آلیاژی ، درصدهای 0.5-1.0 % کروم برای بهبود خواص مکانیکی بکار می رود.این درصد کروم با حذف فریت آزاد در ریزساختار باعث پایداری پرلیت می شود. در نتیجه استحکام و سختی افزایش می یابد.چدنهای با کروم بالا پایداری عالی دردماهای بالا دارند و برای کاربردهای دمای بالا معمولا دو گروه از چدنــــها بیشتر استفاده می شوند: چدنهای 17 % Cr و چدنهای 30 % Cr و بالاتر. هر دونوع از چدنها مقاومت حرارتی خوبی دارند اما دومی دارای مقاومت خوردگی بالاتری است.
کروم در بسیاری از چدنهای آلیاژی وجود دارد.وجود کروم در چدن نایهارد باعث تبدیل این چدن به چدن سفید می شود.در چدنهای Niresist و Nicrosil تقریبا 1.5 درصد کروم می باشند تا خاصیت مقاومت خوردگی و پوسته برداری ارتقاء یابد و زمینه آستنیتی تشکیل شود. با این وجود بدلیل اینکه وجود مقادیر زیاد کاربید چندان مطلوب نمی باشد، مقدار کروم در این چدنها محدود می شود.
در بیست وششم جولای 1761،یوهان گوتلب لمان(Johann Gottlob Lehmann) در کوهستان های اورال ماده معدنی نارنجی رنگی را پیدا کرد که وی آن را سرب قرمز سیبریه ای (Sibrain red lead) نام نهاد.با وجوداینکه این ماده با ترکیب سرب با سلنیم به اشتباه گرفته شد،ولی در واقع اینترکیب کرومات سرب با فرمول PbCrO4 بود که اکنون به نام کروکویت معدنی (Crocoite) شناخته می شود.
در سال 1770، پیتر سیمون پالاس(Peter Simon Pallas) در همان محلی که لمان به کاوش پرداخته بود،ماده معدنی سرب مانند به رنگ قرمز را یافت که خواص عالی در ساخت رنگدانه های رنگ از خود نشان میداد.استفاده از سرب قرمز سیبریان به عنوان رنگدانه گسترش فراوانی یافت.رنگ زردروشن که از کروکویت ساخته می شد،به صورت رنگ مدل نیز شناخته شد.
در سال 1797، لویس نیکلاس ون کولین(Louis Nicolas Vauquelin) نمونه های از سنگ معدنی کروکویت بدست آورد.وی توانست که از طریق مخلوط کردن کروکویت با اسید هیدروکلریک ،اکسید کروم با فرمول CrO3 را تولید کند.در سال 1798،ون کولین کشف کرد که با حرارت دادن این اکسید در کوره زغالی می توان کروم فلزی را تولید نمود.
در طی سال 1800، کروم یکی از عناصر اصلی رنگ ها را تشکیل می داد و در نمک های چرم سازی استفاده می شد ولی کاربرد اصلی آن در تولید آلیاژها بودکه 85 درصد کاربرد آن را به خود اختصاص می داد.
کروم سه ظرفیتی (Cr(III),Cr3+) به مقدار کم در متابولیسم شکر در انسان نیاز است و فقدان آن ممکن است سبب بیماری به نام فقدان کروم شود.برخلاف آن،کروم شش ظرفیتی بسیار سمی است.اخیرا دیده شده است که مکمل های غذایی پیکولینات کروم باعث آسیب های کروموزمی در انسان می شود که از اینرو در ایالات متحده ،رژیم غذایی روزانه برای تامین کروم از مقدار 200-50 میکروگرم برای بزرگسالان تا 35 میکروگرم(برای بزرگسالان مرد) و 25 میکروگرم (برای بزرگسالان زن) کاهش داده شده است.
كروم عنصر اصلي در فولادهاي زنگ نزن است.علل اصلي در افزودن كروم به تركيب فولاد را مي توان در عوامل زير دانست:
· افزايش سختي پذيري فولاد
· حفظ استحكام و سختي فولاد در دماهاي بالا و شرايط كاري
· افزايش مقاومت خوردگي در محيط هاي اكسيد كننده
وزن اتمي كروم 52 بوده و نقطه ذوب آن 1875 C است. و در هر دو حالت مايع و جامد بهر نسبتي در آهن حل مي شود.در بررسي رفتار كروم به عنوان عنصر آلياژي سه عامل زير را بايد در نظر گرفت:
· كروم تمايل زيادي به تركيب با كربن دارد و لذا ذرات كاربيدي همان كاربيدهاي كمپلكس آهن-كروم هستد.
· كروم با اكسیژن تركيب شده و تركيب ديرگداز غيرفلزي اكسيد كروم تشكيل مي دهد كه نقش فيلم سطحي محافظ در سطح فولاد را بازي مي كند.
· كروم فريت زاي بسيار قوي است.
در حدود 13% كروم در تركيب فولاد باعث محدود شدن فاز آستنيت در ريزساختار مي شود. با افزايش درصد كروم، مقاومت خوردگي فولاد زياد مي شود. وهم چنين در دماهاي بالا مقاومت به اكسيداسيون آنها زياد خواهد شد.
حضور كروم باعث مي شود دماغه هاي نمودار TTT به سمت راست تغيير مكان دهند و سختي پذيري افزايش يابد. با اين وجود با افزايش درصد كروم جوشكاري آنها مشكل خواهد شد.به ازاي افزايش يك درصدي كروم در تركيب فولاد استحكام كششي فولاد از 80 تا 100Mpa افزايش مي يابد.
کروم مقاومت خوردگی و استحکام فریت را شدیدا افزوده ولی تاثیر متوسطی بر سخت گردانی فاز آستنیت دارد.در فولادهای پرکربن ، مقاومت به سایش را افزایش میدهد.
افزودن کروم به آهن خالص گستره پایداری فاز گاما را محدود کرده و در درصدهای 13 % پایداری فاز فریت دلتا را تا دمای اتاق افزایش می دهد.افزودن بیش از 30 % کروم به ترکیب، فاز بین فلزی سیگما FeCr را تشکیل می دهد.لازم است یادآوری شود که حضور عناصر دیگر بر تشکیل فاز سیگما تاثیر دارند بطوریکه با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد می تواند در درصد های پایین کروم نیز تشکیل شود.به عنوان مثال ، فولاد زنگ نزن 18/8 که عناصر کاربید زایی مثل 3 % مولیبدن و 1 % تیتانیوم دارد، با عملیات حرارتی در دمای 850 C فاز سیگما در ساختار ظاهر می شود.علاوه بر آن، در درصدهای کروم کمتر از 20 % و در حضور عنصر کبالت در مقادیر 7-10 % چنین تردی ناشی از حضور فاز سیگما مشهود است.
وجود کروم در ترکیب آلیاژهای آهن – کربن بالاخص در درصدهای کربن زیاد تشکیل کاربیدها را می افزاید.در سیستم آلیاژی آهن-کربن-کروم چهار نوع کاربید کمپلکس اصلی وجود دارند: سمنتیت رومبیک (FeCr)3C در درصدهای کروم تا 15 % ،کاربید کروم تریگونال (CrFe)7C3 در درصدهای آهن 55 % ،کاربید کروم کوبیک(CrFe)4C که در آن کروم تا 24 % جایگزین آهن می شود و کاربید کروم اورتورومبیک (CrFe)2C3 که درصد کمی از آهن را داراست ولی فقط در فولادهایی یافت می شود که تقریبا 9 % کربن داشته باشند.کروم اضافی از مقدار لازم برای تشکیل کاربید وارد محلول جامد می شود.
برخلاف کبالت، درصدی از کروم که در محلول جامد وجود دارد، تاثیر کمی بر قابلیت سخت گردانی در مقایسه با سایر عناصر آلیاژی دارد.کرومی که در محلول جامد است ، زمان استحاله ایزوترمال آستنیت در فولاد های با 0.3 % کربن و بیشتر از 2 % کروم را زیادتر می کند.و در سرعتهای سردکردن عادی پرلیتی در ساختار تشکیل نمی شود.ولی اگربتوان شرایط را طوری فراهم آورد که با نرخ سرد کردن عادی از استحاله مارتنزیتی جلوگیری شود ، در ریزساختار بینیت ریز تشکیل خواهد شد.
افزودن کروم به فولاد درصد کربن پرلیت یوتکتوئید را کاسته و دمای استحاله آستنیت را می افزاید. در فولاد 12 % کروم و0.35 % کربن، استحاله یوتکتوئید در 0.35 % کربن و دمای یوتکتوئید 800 C رخ می دهد.
فولادی با 0.25 تا 0.45 درصد کربن و1.5 درصد کروم استحکام کششی و داکتیلیتی خوبی داشته ولی باید در برابر رشد دانه و تردی احتیاط های لازم را بعمل آورد.بعد از کوئنچ، این فولاد در برابر برگشت مقاومت خوبی از خود نشان می دهد فولاد با 1 درصد کروم مقاومت خوبی در برابر خوردگی اتمسفری عادی از خود نشان می دهد. وجود 0.5 درصد مولیبدن استحکامهای کششی را تضمین می کند.
قطعات فورج تحت کشش بالا و بزرگ از فولادهای کروم دار 3 تا 3.5 درصد کروم همراه با 0.5 درصد مولیبدن تولید می شوند که استحکام بالای آنها ناشی از ریزساختار بینیتی است که در حین سرد کردن آرام تشکیل شده است.
افزایش درصد کروم تا 5-6 % همراه با درصد کمی از مولیبدن یا نیوبیوم مقاومت خوردگی نسبتا خوب همراه با مقاومت خوب به خزش در دماهای نسبتا بالا را در پی دارد. این چنین فولادهایی در صنایع پالایش نفت کاربرد پیدا کردند. سایر فولاد های کم کربن که در این حوزه کاری استفاده می شوند دارای درصد کم کروم0.5-2.5 % همراه با درصد کمی از مولیبدن هستند.البته مقاومت خوبی در برابر خزش در دماهای متوسط دارند و درصورتیکه درصد کربنشان از 0.3 فراتر نرود، قابلیت جوشکاری خوبی نیز خواهند داشت.
عنصر اصلی در فولادهای آلیاژی کم کروم نیکل است. این نوع فولادها دارای 1% کروم و 1.5-4.5 % نیکل هستند.فولادهای با نیکل پایین و کربن 0.3 % در روغن سرد می شوند ولی کوئتچ فولادهای با 1.2 % Cr و 4 % Ni در هوا حتی در مقاطع بزرگ سختی بالایی را در پی دارد.در شرایط کوئنچ و تمپر،فولادهای نیکل-کروم استحکام خوبی داشته وبرای تولید مقاطع بزرگ مناسب هستند.برای کاهش حساسیت به تردی تمپر به ترکیب این فولادها مولیبدن اضافه می شود.
فولادهای نیکل – کروم و نیکل – کروم-مولیبدن برای کاربردهایی استفاده می شوند که نیاز به سختی سطحی باشد.بخاطر تمایل زیاد کروم با تشکیل کاربید ،سختی لایه سطحی را افزایش می دهد.فولادهای کربنی ساده برای کاربردهای سختی سطحی شونده Case Hardening مناسب نیستند چرا که با وجود سخت بودن سطح،ترد بوده و تمایل به جدا شدن Spall دارد.
بیشترین سختی در سطح را می توان در فولادهای نیتریده شونده حاوی کروم بدست آورد.کروم تمایل قوی به ترکیب با نیتروژن دارد.ازمشهورترین فولادهای این نوع،می توان به فولادهای نیتروآلوی با 1.5 % Cr و 1% Al اشاره کرد.فولاد با کاربرد زیاد در این سری ،فولاد حاوی 3% Cr و 0.5 % Mo می باشد.
کروم مقاومت به سایش فولادهای کربنی ساده را افزایش می دهد. موادی که دارای کروم هستند در صورتیکه صحیح آبکاری شوند(1%C,1.5 % Cr)دارای سختی سطحی بالا، اندازه دانه ریز و مقاومت سایشی بالایی خواهند داشت. این مواد را می توان قبل از آبکاری برای سهولت در ماشینکاری نرم کرد.فولادهای مشابه که در آب کوئنج می شوند، دارای سختی سطحی بسیار بالا و مرکز نرم خواهند بود.
مقادیر مشخصی از کروم در فولادهای قالب گرم موجود است و در فولادهای خاصی که برای این منظور استفــاده می شود، دارای 2 % C و 12 % Cr هستند. در این فولادها، کاربیدهای آزاد دیده می شوند که مقاومت سایشی را بالا می برند.این فولادها در حین حرارت دهی در محدوده 500-600 C سختی ثانویه از خود نشان می دهند.کیفیت بالای این نوع فولاد مربوط به حفظ شکل و پروفیل قالب است که مربوط به مقاومت عالی کاربید های کروم در برابر دکربوریزاسیون می شود.
فولاد های تندبر که حاوی تنگستن و مولیبدن با 1% V یا انواع پرکربن و پروانادیم هســـتند دارای درصـــــــــــدی از کروم (3.5-5.5 %)بوده تا کاربیدها در ریزساختار پایدار باشند.
کروم عنصری است که مصرف بیشتری در تولید فولادهای زنگ نزن دارد.در کل فولادهای زنگ نزن به سه دسته مارتنزیتی،آستنیتی و فریتی گروه بندی می شوند.اولین گروهیکه از این فولادها تولید شده ند ، فولادهای مارتنزیتی با 13 % کروم و 0.3 % کربن بودند.کروم عامل اصلی در افزایش مقاومت خوردگی این فولادها بوده و کربن یوتکتوئید را می کاهد. در شرایط آبکاری و برگشت،فولادهای با 13 % Cr دارای سختی 530 HB خواهند بود.جوشکاری این فولادها باعث تردی آنها شده و نیاز به عملیات حرارتی بعدی خواهند داشت.قابلیت فورج پذیری در محدوده دمایی 1100-900 C خوب بوده بعد از آنیل در دمـای 750 C قابلیت ماشینکاری خواهد داشت.هرچند که خواص پرسکاری سرد آنها ضعیف است.
در فولاد مشابه با 13 % Cr و تنها با کربن 0.1 % ،سختی پذیری کمتر بوده و در شرایط آبکاری در روغن و بعد از تمپر کامل، سختی 150 HB خواهد داشت.این نوع فولادهای زنگ نزن در تیغه های توربین استفاده می شوند.با عملیات حرارتی این نوع فولادها برای جلوگیری از تردی ، می توان جوشکاری را انجام داد.فورج پذیری آنها بصورت گرم بوده ولی خواص پرسکاری سردآنها کم است.
با افزایش درصد کروم ،مقاومت خوردگی فولادهای مارتنزیتی بیشتر می شود اما در درصدهای 17 % Cr و کربن 0.07 درصد ،بدلیل اینکه کروم فریت زاست، سختی پذیری کمتری خواهند داشت.این نوع فولادها در گروه فولادهای فریتی قرار می گیرند.علیرغم اینکه جوشکاری وخواص پرسکاری سرد آنها خوب است، اما جوشکاری آنها را ترد می کند.افزودن 2.5 درصد نیکل بهمراه افزایش درصد کربن تا 0.15 درصد ، باعث افزایش سختی پذیری فولاد بدلیل پایداری بیشتر آستنیت می شود. این نوع فولادها کاربرد وسیعی بعنوان شیر در صنایع شیمیایی دارند.
فولاد با درصد کربن 0.1 % ویا کمتر و کروم بالای 20 % فریتی بوده ولذا قابلیت سختی پذیری ندارند.درصد کروم بالا باعث مقاوم شدن فولاد در برابر اسیدهای اکسید کننده و اسید نیتریک می شود وخاصیت مهم دیگر که در حضور کروم بالا می توان بدان دست یافت ، مقاومت خوب در برابر اکسیداسیون و کنده شدن سطحی در دماهای بالا می باشد.
برای کار در دماهای بالا، فولادهای با 20-27% کروم مناسب هستند. فولاد با 27 % Cr را می توان در 1000 C نیز استفاده کرد. اگر چه در این دما خواص مکانیکی این فولادها پایین است. این نوع فولاد در اتمسفرهای گوگرد دار نیز قابل استفاده هستند.
افزودن نیکل به ترکیب فولادهای کروم بالا باعث افزایش مقاومت خوردگی ، مقاومت اکسیداسیون وپوسته برداری در دماهای بالا می شود.فولاد کم کربن با 18% Cr-8% Ni در حین سرد کردن تا دمای زیر دمای اتاق کاملا آستنیتی بوده و لذا با کوئنچ نمی توان سخت کاری روی آنها انجام داد. تنها راه افزایش استحکام این نوع فولادها انجام کار سرد است.نرمترین حالت این فولادها وقتی است که در دمای 1050-1100 C عملیات حرارتی شوند.مقاومت خوردگی در اسیدهای غیراکسیدی مثل اسید سولفریک ،اسید هیدروکلریک زیاد بوده و با افزودن 3% Mo بالاخص همراه درصدی از مس مشابه ، مقاومت خوردگی را نیز افزایش می دهد.
اعتقاد بر اینست که علت اصلی محافظ بودن فولادهای زنگ نزن، وجود فیلم اکسیدی بسیار نازک در سطح فولاد است که این فیلم در اولین تماس فولاد با محیط تشکیل می شود.این فیلم بقدری نازک است که اصلا دیده نمی شود.و در آب و بسیاری از محیط ها قابل حل نمی باشد.
با حرارت دادن فولاد 18/8 در محدوده دمایی 650-850 C مقاومت به شیمیایی در مرز دانه شدیدا کاهش می یابد.این چنین حالتی در مناطق HAZ بسیار خطرناک است و ناشی از خالی شدن مناطق مجاور مرزدانه از کروم است.که در این دما کاربید کروم رسوب می کند.وقتی کربن 0.04-0.05 % باشد این افت مقاومت خوردگی زیاد خواهد بود.برای حذف و یا کمتر کردن این حالت ، بهتر است درصد کربن حداکثر 0.03 % باشد بطوریکه کاربید کمتری تشکیل شود یا عنصری اضافه کنیم که تمایل به ترکیب آن با کربن نسبت به کروم بسیار بیشتر باشد تا کاربید کروم تشکیل نشود و کروم در محلول جامد باقی بماند.
فولاد آستنیتی کروم-نیکل در دماهای بالا استحکام خوبی داردولی با این وجود برای بهتر کردن کارآیی آن عناصر دیگر اضافه شود.به عنوان مثال ،فولاد 18 % Cr و 12 % Ni همراه با نیوبیوم دردماهای بین 600-650 C مقاومت خزشی خوبی دارد.برای کاربردهای کمی بالاتر از این دما ، افزودن عناصری چون کبالت، تنگستن و مولیبدن لازم است. ولی اگر محـــــــــدوده دمایی 750-800 C باشد،مواد پایه کبالتی و یا نیکلی گزینه بهتری خواهند بود.
درصدهای بالای کروم و نیکل باعث افزایش مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا می شود.در برخی کاربردها که نیاز به این است که مقاومت پوسته برداری خوبی نیز داشته باشیم،درصد سیلیس بالا بهمراه مولیبدن انتخاب می شود.یک ترکیب نمونه از این نوع فولاد 19% Cr,8% Ni, 3% W, 2 % Si می باشد.اگر هدف این باشد که مقاومت حرارتی استثنایی داشته باشیم، آلیاژهای پایه نیکلی مثل Nichrome با ترکیب 65 % Ni,15 % Cr ,20 % Fe و یا آلیاژ نیکل – کروم 80/20 استفاده می شود.
در سالهای اخیر نوعی از فولادها آستنیتی معرفی شده اند که توسط فرآیند رسوب سختی کنترل می شوند.این فولادها هنگام سرد کردن از دمای بالای آستنیتی بوده و با عملیات در دمای زیر صفر و یا تمپر در دمای 750 C آستنیت به مارتنزیت دگرگون می یابد.پیرسازی بعدی در دمای 450-600 C افزایش زیاد در خواص مکانیکی همراه با مقاومت خوردگی خوب در پی دارد.مثالی از این نوع فولادها 16 % Cr, 5% Ni , 2% Cu, 2 % Mo می باشد. مس و مولیبدن در بهبود مقاومت خوردگی سهیم هستند . مس مکانسیم رسوب سختی را بهبود می بخشد.
کروم کاربید ساز قوی بوده و در ترکیب چدنها تشکیل کاربیدهایی می دهد که خیلی پایدارتر از کاربید آهن هستند. اگر درصد کمی از کروم در فولاد باشد، تشکیل سمنتیت پرویوتکتوئید و پرلیت در هنگام سرد کردن آرام و عملیات حرارتی کند می شود.حداکثر کروم در چدنهای چکش خوار 0.03 % می باشد.
در هر دو نوع چدنهای معمولی و آلیاژی ، درصدهای 0.5-1.0 % کروم برای بهبود خواص مکانیکی بکار می رود.این درصد کروم با حذف فریت آزاد در ریزساختار باعث پایداری پرلیت می شود. در نتیجه استحکام و سختی افزایش می یابد.چدنهای با کروم بالا پایداری عالی دردماهای بالا دارند و برای کاربردهای دمای بالا معمولا دو گروه از چدنــــها بیشتر استفاده می شوند: چدنهای 17 % Cr و چدنهای 30 % Cr و بالاتر. هر دونوع از چدنها مقاومت حرارتی خوبی دارند اما دومی دارای مقاومت خوردگی بالاتری است.
کروم در بسیاری از چدنهای آلیاژی وجود دارد.وجود کروم در چدن نایهارد باعث تبدیل این چدن به چدن سفید می شود.در چدنهای Niresist و Nicrosil تقریبا 1.5 درصد کروم می باشند تا خاصیت مقاومت خوردگی و پوسته برداری ارتقاء یابد و زمینه آستنیتی تشکیل شود. با این وجود بدلیل اینکه وجود مقادیر زیاد کاربید چندان مطلوب نمی باشد، مقدار کروم در این چدنها محدود می شود.
نیکل فلز سفید نقره ای رنگی است که پرداخت بالایی دارد.این عنصر در طبیعت با گوگرد،آرسنیک ترکیب می شود.در تولید سکه نیز از آن استفاده می شود.
کاربرد نیکل به دوران باستان و در حدود 3500 م ق بر میگردد.برنزهایی که در سوریه امروزی کشف شده اند،در حدود 2 درصد نیکل دارند.علاوه برآن،دست نوشته های چینی هستند که در آنها به استفاده از مس سفید برای جهت یابی در 1400 و 1700 م ق اشاره شده است.با این وجودبا توجه به اینکه سنگ معدن نیکل معمولا با نقره به اشتباه گرفته می شد،از اینرو تاریخ دقیق و قابل اعتمادی از کاربرد آن وجود ندارد.
اهمیت سنگ معدن های حاوی نیکل (به عنوان مثال کوپرونیکل kupfernickel ) در سبز کردن شیشه ها خلاصه می شد.در سال 1751،بارون اکسل فدریک کرونشتات (Baron Axe Fredrik Cronstedt) تلاش کرد که مس را ازکوپرونیکل (که امروزه نیکولیت نامیده می شود) استخراج نماید،اما در نهایت فلز سفید رنگی بنام نیکل را از آن استخراج کرد.سکه های نیکلی ،نخست، در سال 1881 در کشور سوییس استفاده شد.
نیکل در بیولوژی چندین نقش را ایفا می نماید.در واقع،اولین پروتئینی که متبلور می شود،اوریز(آنزیمی که اوره را به کربنات آمونیم تبدیل میکند)(Urease) است که دارای عنصر نیکل است و به هیدرولیز اوره کمک می کند.هیدروژناسهای NiFe علاوه بر کلاسترهای آهن-گوگرد،دارای نیکل نیز می باشند.
نيكل به عنوان عنصر آلياژي در فولاد بهمراه كروم استفاده مي شود. وزن اتمي آن 59 بوده و در 1435 C ذوب مي شود.در حالت مذاب و جامد بهر نسبتي در آهن حل مي شود.نيكل عنصر آستنيت زا است و هيچگونه تاثيري در تشكيل كاربيد و اكسيد ندارد. به علت اينكه تمايل به تركيب آن با كربن و اكسيژن كمتر از آهن است.
نيكل سختي پذيري فولاد را افزايش مي دهد و در حدود 0.25 تا 5 درصد در تركيب فولاد وجود دارد. نيكل چقرمگي شكست فولاد بهمراه استحكام و سختي آن را افزايش مي دهد. فلذا،در مواقعي كه در دماهاي پايين به چقرمگي شكست بالاي نياز باشد درصد آن تا 9 نيز مي توان باشد.در فولادهاي زنگ نزن آستنيتي7 تا 35 درصد نيكل وجود دارد.در اين فولادها براي خنثي كردن اثر فريت زايي كروم از نيكل بهره مي گيرند.فولادهاي با 30 – 40 % نيكل ،آلياژ Invar ناميده مي شوند كه انقباض و انبساط بسيار كمتري دارند.
نيكل خودبخود باعث افزايش مقاومت خوردگي مي شود. در درصدهاي بالاتر از 7% باعث آستنيتي شدن فولادهاي مقاوم در برابر مواد شيمیايي تا دماهاي خيلي زياد مي شود . در دماهاي بالاي 600 C استحكام فولادهاي آستنيتي بيشتر مي شود.
نیکل بهر نسبتی در آهن گاما حل می شود وفقط 10 درصد در آهن آلفا قابل حل است.با تشکیل محلول جامد هنگام افزودن نیکل ، فریت را چقرمه کرده و استحکام می بخشد و تا حدی سختی پذیری آستنیت را زیاد می کند.در مقادیر کربن زیاد، نیکل سعی می کند که در آستنیت باقی بماند.
از آنجاییکه نیکل در کاهش دمای تبدیل گاما به آلفا بسیار موثر است، این محلول جامد تا دمای اتاق آستنیتی باقی مانده و بالاخص اگر درصد نیکل بیشتر از 30% باشد دیگر نرخ سرد کردن تاثیر چندانی نخواهد داشت.
نیکل کاربید ساز نیست و در فولاد بصورت فاز محلول جامد می باشد.نرخ دیفوزیون کربن در محلول جامد در حضور نیکل چندان تحت تاثیر درصد نیکل نیست ولی در صورت وجود کربن در محلول جامد، نرخ دیفوزیون نیکل در آن بسیار کند خواهد بود.تاثیر نیکل بر استحاله آستنیتی در محدوده دمای بینیت موثر تر از دمای تشکیل پرلیت است.از اینرو، تاثیر نیکل بر اساس اثر آن بر فریت و نحوه تشکیل و توزیع فاز کاربیدی سنجیده می شود.
برای افزایش استحکام و سختی بدون کاهش قابل ملاحظه داکتیلیتی فولادهای کم کربن معینی، تا 5 درصد نیکل اضافه می شود.ساختار پرلیت کم کربن ریز بوده چون نیکل کربن یوتکتوئید را می کاهد و در مقادیر 3-5 % Ni با آرام سرد کردن از دمای آستنیته، فریت نیکل دار تشکیل می شود.در فولادهای با نیکل بالاتر از 5 % بدلیل حضور مارتنزیت ، امکان تردی فولادهای آرام سرد شده نیز وجود دارد.فولادهای با 15-20 % Ni کاملا مارتنزتی بوده که در سیستم های آهن – نیکل ، بیشترین سختی 300 HB را دارد.با افزایش نیکل از این مقدار، آستنیت ظاهر شده و سختی کاهش می یابد.
فولادهای نیکل دار همانند سایر فولادهای آلیاژی بعد از آبکاری و برگشت به خواص مطلوبی می رسند.فولادهای 3-5 %Ni در دماهای پایین تر از فولادهای با کربن مشابه بخوبی آبکاری می شوند چراکه نیکل دمای استحاله یوتکتوئید را می کاهد.علاوه بر آن کاربیدهای کمپلکسی در این فولادها تشکیل نمی شود فلذا زمان همدمایی کوتاهتر خواهد شد.بدلیل کاهش احتمال دکربوریزاسیون و اعوجاج می توان از دمای بالا و قابل قبول استفاده کرد تا ترکیب عالی از مقاومت ضربه خوب و داکتیلیتی و ازدیاد استحکام بدست آید.
فولادهای سختی سطحی شونده کم کربن اغلب دارای تا 3% نیکل هستند.در چنین فولادی ، سطح چقرمه ولی محکم همراه با خواص قابل قبول در مرکز بوجود می آید.نیکل با کاهش دمای استحاله،و یکسان کردن دمای سطح و مرکز، اعوجاج را می کاهد.نیکل نرخ دیفوزیون کربن را می کاهد.بنابر این در فرآیند کربوریزاسیون،به زمان زیادی نیاز است.افزودن 1 درصد کروم به ترکیب فولاد،از دیفوزیون آرام کربن جلوگیری می کند . ولی باید دقت کرد که کروم زیاد تردی سطح را زیاد می کندو در نتیجه امکان کنده شدن پوست Scaling بیشتر می شود.
افزودن نیکل به فولادهای کم کربن سبب افزایش مقاومت ضربه در دماهای کـــم می شود.فولاد نرمــــــــال شده با ترکـــیب 0.1 % C,3 % Ni انرژی ضربه 40-50 ft.Ib در دمای -75 C دارد در حالیکه انرژی ضربه همان فولاد بدون نیکل با همان درصد کربن 10 ft.ib است.چنین فولادهای نیکل داری از قابلیت بالای جوشکاری برخوردار هستند.فولاد کم کربن با 9 درصد نیکل برای فلز جوش استفاده می شود که نیاز به انرژی ضربه خوب در دماهای پایین است.نیکل مقاومت خوردگی اتمسفری این فولادها را افزایش می دهد.
اگر چه فولادهای نیکلی استفاه وسیعی دارند، معهذا برای بهبود و حصول به خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر درصدی از کروم یا مولیبدن نیز به ترکیب اضافه می شود.این درصد ناچیز از عناصر فوق سختی پذیری فولاد را افزایش می دهد و به تبع آن استحکام بالا و مقاومت سایشی زیاد همراه با همان چقرمگی بدست می آید.فولادی از این نوع را می توان 1-4 % Ni, up to 1.5 % Cr و اغلب تا 0.5 % Mo برای کاهش حساسیت تردی آبی مثال زد.
در فولادهای نیتریدی استاندارد کروم- مولیبدن- آلومینیوم مقدارن نیکل تا 3.5 درصد است و دراین فرآیند نیتریداسیون، ترکیب های بین فلزی نیکل- کروم تشکیل می شود. سطح بسیار سخت شده ولی رسوب سختی مرکز استحــــــکام تسلیـــــم را به اندازه 20 ton/ in2 افزایش می دهد.
آلیاژهای مغناطیس دایم از نوع Alnico دارای نیکل از 11 تا 32 درصد هستند.در توربینهای گازی و در مصارفی که نیاز به استحکام بالا در دماهای بالا می باشند، آلیاژهای نیکل- آهن ، سری Inconel, Nimanic, بکار می روند.آلیاژهای نیکل - آهن 35-95 درصد نیکل داشته و از نفوذ خواص مغناطیسی بسیار بالایی برخورداند و در مصارف الکتریکی استفاده میشوند.سایر آلیاژهای آستنیتی نیکل - آهن در موارد معینی بکار می روند. به عنوان مثال، Invar که تقریبا 36 % Ni دارد، انبساط ناچیزی در محدوده وسیعی از درجه حرارت دارد فلذا در فنر ها کاربرد زیادی خواهند داشت.علیرغم ساختار آستنیتی پایدارآلیاژ 30 درصد نیکل-کروم، تغییرات نفوذ مغناطیس در نزدیکی دمای اتاق امکان دستیابی به نفوذ مغناطیس متغیر با تغییر دما را فراهم می آورد.مقاومت های تشعشعی الکتریکی از آلیاژهای نیکل- کروم یا نیکل – آهن می باشند که مقاومت اکسیداسیون عالی در دماهای بالا دارند.
نیکل با چدن در هر نسبتی آلیاژ تشکیل می دهد.در چدنها، نیکل گرافیت زای متوسطی بوده و درصد پرلیت را زیاد می کند و مقدار فریت آزاد را می کاهد.فلذا یکنواختی ساختار و خواص را بیشتر می کند.از اینرو چدنهای آلیاژی با نیکل ، خواص و ساختار یکنواخت تری در مقاطع نازک و ضخیم از خود نشان می دهد.
افزودن مقادیر کمی از نیکل 0.1- 1 % پرلیت را اصلاح می کندو اگر مقدار زیادی اضافه شود، ساختار مارتنزیت و آستنیت در ریزساختار ظاهر می شود.از طرفی اصلاح و پایدارسازی پرلیت قابلیت ماشینکاری چدنها را افزوده و سختی پذیری آنها را زیاد می کند.بهمین دلیل است که چدنهای آلیاژی نیکل دار بیشتر در ریختگی های موتور ماشین کاربرد دارد.
افزودن مقدار کمی از نیکل اثری حدود یک سوم اثر سیلیس بر گرافیت زایی داردو بنابراین، اگر در چدنهای آلیاژی نیکل دار بخواهیم پدیده گرافیت زایی را محدود کنیم باید درصد سیلیس را کمتر کنیم که عملا چنین کاری در اکثر موارد عملی نیست. برای این منظور، کروم به ترکیب اضافه می شود.
Ni Resist چدن پرنیکلی است که نیکل و مس به حد کافی در آن است تا که ساختار آستنیتی پایدار باشد و بتوان به خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر دست یافت.این چدن بالاخص در محلولهای متوسط مقاومت خوردگی خوب داشته و مقاومت حرارتی در دماهای پایین بهتر شده ای داردوNicrosilal چدن آستنیتی نیکل داری است که مقاومت حرارتی زیادی در دماهای بالا دارد.
Ni Hard چدن سفید مقاوم به سایشی است که نیکل کافی داشته تا ساختار مارتنزیتی را در شرایط بعد از ریختگی ارتقاء دهد. اگر درصد نیکل زیاد شود، احتمال وجود آستنیت باقی مانده نیز زیاد خواهد شد.
کاربرد نیکل به دوران باستان و در حدود 3500 م ق بر میگردد.برنزهایی که در سوریه امروزی کشف شده اند،در حدود 2 درصد نیکل دارند.علاوه برآن،دست نوشته های چینی هستند که در آنها به استفاده از مس سفید برای جهت یابی در 1400 و 1700 م ق اشاره شده است.با این وجودبا توجه به اینکه سنگ معدن نیکل معمولا با نقره به اشتباه گرفته می شد،از اینرو تاریخ دقیق و قابل اعتمادی از کاربرد آن وجود ندارد.
اهمیت سنگ معدن های حاوی نیکل (به عنوان مثال کوپرونیکل kupfernickel ) در سبز کردن شیشه ها خلاصه می شد.در سال 1751،بارون اکسل فدریک کرونشتات (Baron Axe Fredrik Cronstedt) تلاش کرد که مس را ازکوپرونیکل (که امروزه نیکولیت نامیده می شود) استخراج نماید،اما در نهایت فلز سفید رنگی بنام نیکل را از آن استخراج کرد.سکه های نیکلی ،نخست، در سال 1881 در کشور سوییس استفاده شد.
نیکل در بیولوژی چندین نقش را ایفا می نماید.در واقع،اولین پروتئینی که متبلور می شود،اوریز(آنزیمی که اوره را به کربنات آمونیم تبدیل میکند)(Urease) است که دارای عنصر نیکل است و به هیدرولیز اوره کمک می کند.هیدروژناسهای NiFe علاوه بر کلاسترهای آهن-گوگرد،دارای نیکل نیز می باشند.
نيكل به عنوان عنصر آلياژي در فولاد بهمراه كروم استفاده مي شود. وزن اتمي آن 59 بوده و در 1435 C ذوب مي شود.در حالت مذاب و جامد بهر نسبتي در آهن حل مي شود.نيكل عنصر آستنيت زا است و هيچگونه تاثيري در تشكيل كاربيد و اكسيد ندارد. به علت اينكه تمايل به تركيب آن با كربن و اكسيژن كمتر از آهن است.
نيكل سختي پذيري فولاد را افزايش مي دهد و در حدود 0.25 تا 5 درصد در تركيب فولاد وجود دارد. نيكل چقرمگي شكست فولاد بهمراه استحكام و سختي آن را افزايش مي دهد. فلذا،در مواقعي كه در دماهاي پايين به چقرمگي شكست بالاي نياز باشد درصد آن تا 9 نيز مي توان باشد.در فولادهاي زنگ نزن آستنيتي7 تا 35 درصد نيكل وجود دارد.در اين فولادها براي خنثي كردن اثر فريت زايي كروم از نيكل بهره مي گيرند.فولادهاي با 30 – 40 % نيكل ،آلياژ Invar ناميده مي شوند كه انقباض و انبساط بسيار كمتري دارند.
نيكل خودبخود باعث افزايش مقاومت خوردگي مي شود. در درصدهاي بالاتر از 7% باعث آستنيتي شدن فولادهاي مقاوم در برابر مواد شيمیايي تا دماهاي خيلي زياد مي شود . در دماهاي بالاي 600 C استحكام فولادهاي آستنيتي بيشتر مي شود.
نیکل بهر نسبتی در آهن گاما حل می شود وفقط 10 درصد در آهن آلفا قابل حل است.با تشکیل محلول جامد هنگام افزودن نیکل ، فریت را چقرمه کرده و استحکام می بخشد و تا حدی سختی پذیری آستنیت را زیاد می کند.در مقادیر کربن زیاد، نیکل سعی می کند که در آستنیت باقی بماند.
از آنجاییکه نیکل در کاهش دمای تبدیل گاما به آلفا بسیار موثر است، این محلول جامد تا دمای اتاق آستنیتی باقی مانده و بالاخص اگر درصد نیکل بیشتر از 30% باشد دیگر نرخ سرد کردن تاثیر چندانی نخواهد داشت.
نیکل کاربید ساز نیست و در فولاد بصورت فاز محلول جامد می باشد.نرخ دیفوزیون کربن در محلول جامد در حضور نیکل چندان تحت تاثیر درصد نیکل نیست ولی در صورت وجود کربن در محلول جامد، نرخ دیفوزیون نیکل در آن بسیار کند خواهد بود.تاثیر نیکل بر استحاله آستنیتی در محدوده دمای بینیت موثر تر از دمای تشکیل پرلیت است.از اینرو، تاثیر نیکل بر اساس اثر آن بر فریت و نحوه تشکیل و توزیع فاز کاربیدی سنجیده می شود.
برای افزایش استحکام و سختی بدون کاهش قابل ملاحظه داکتیلیتی فولادهای کم کربن معینی، تا 5 درصد نیکل اضافه می شود.ساختار پرلیت کم کربن ریز بوده چون نیکل کربن یوتکتوئید را می کاهد و در مقادیر 3-5 % Ni با آرام سرد کردن از دمای آستنیته، فریت نیکل دار تشکیل می شود.در فولادهای با نیکل بالاتر از 5 % بدلیل حضور مارتنزیت ، امکان تردی فولادهای آرام سرد شده نیز وجود دارد.فولادهای با 15-20 % Ni کاملا مارتنزتی بوده که در سیستم های آهن – نیکل ، بیشترین سختی 300 HB را دارد.با افزایش نیکل از این مقدار، آستنیت ظاهر شده و سختی کاهش می یابد.
فولادهای نیکل دار همانند سایر فولادهای آلیاژی بعد از آبکاری و برگشت به خواص مطلوبی می رسند.فولادهای 3-5 %Ni در دماهای پایین تر از فولادهای با کربن مشابه بخوبی آبکاری می شوند چراکه نیکل دمای استحاله یوتکتوئید را می کاهد.علاوه بر آن کاربیدهای کمپلکسی در این فولادها تشکیل نمی شود فلذا زمان همدمایی کوتاهتر خواهد شد.بدلیل کاهش احتمال دکربوریزاسیون و اعوجاج می توان از دمای بالا و قابل قبول استفاده کرد تا ترکیب عالی از مقاومت ضربه خوب و داکتیلیتی و ازدیاد استحکام بدست آید.
فولادهای سختی سطحی شونده کم کربن اغلب دارای تا 3% نیکل هستند.در چنین فولادی ، سطح چقرمه ولی محکم همراه با خواص قابل قبول در مرکز بوجود می آید.نیکل با کاهش دمای استحاله،و یکسان کردن دمای سطح و مرکز، اعوجاج را می کاهد.نیکل نرخ دیفوزیون کربن را می کاهد.بنابر این در فرآیند کربوریزاسیون،به زمان زیادی نیاز است.افزودن 1 درصد کروم به ترکیب فولاد،از دیفوزیون آرام کربن جلوگیری می کند . ولی باید دقت کرد که کروم زیاد تردی سطح را زیاد می کندو در نتیجه امکان کنده شدن پوست Scaling بیشتر می شود.
افزودن نیکل به فولادهای کم کربن سبب افزایش مقاومت ضربه در دماهای کـــم می شود.فولاد نرمــــــــال شده با ترکـــیب 0.1 % C,3 % Ni انرژی ضربه 40-50 ft.Ib در دمای -75 C دارد در حالیکه انرژی ضربه همان فولاد بدون نیکل با همان درصد کربن 10 ft.ib است.چنین فولادهای نیکل داری از قابلیت بالای جوشکاری برخوردار هستند.فولاد کم کربن با 9 درصد نیکل برای فلز جوش استفاده می شود که نیاز به انرژی ضربه خوب در دماهای پایین است.نیکل مقاومت خوردگی اتمسفری این فولادها را افزایش می دهد.
اگر چه فولادهای نیکلی استفاه وسیعی دارند، معهذا برای بهبود و حصول به خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر درصدی از کروم یا مولیبدن نیز به ترکیب اضافه می شود.این درصد ناچیز از عناصر فوق سختی پذیری فولاد را افزایش می دهد و به تبع آن استحکام بالا و مقاومت سایشی زیاد همراه با همان چقرمگی بدست می آید.فولادی از این نوع را می توان 1-4 % Ni, up to 1.5 % Cr و اغلب تا 0.5 % Mo برای کاهش حساسیت تردی آبی مثال زد.
در فولادهای نیتریدی استاندارد کروم- مولیبدن- آلومینیوم مقدارن نیکل تا 3.5 درصد است و دراین فرآیند نیتریداسیون، ترکیب های بین فلزی نیکل- کروم تشکیل می شود. سطح بسیار سخت شده ولی رسوب سختی مرکز استحــــــکام تسلیـــــم را به اندازه 20 ton/ in2 افزایش می دهد.
آلیاژهای مغناطیس دایم از نوع Alnico دارای نیکل از 11 تا 32 درصد هستند.در توربینهای گازی و در مصارفی که نیاز به استحکام بالا در دماهای بالا می باشند، آلیاژهای نیکل- آهن ، سری Inconel, Nimanic, بکار می روند.آلیاژهای نیکل - آهن 35-95 درصد نیکل داشته و از نفوذ خواص مغناطیسی بسیار بالایی برخورداند و در مصارف الکتریکی استفاده میشوند.سایر آلیاژهای آستنیتی نیکل - آهن در موارد معینی بکار می روند. به عنوان مثال، Invar که تقریبا 36 % Ni دارد، انبساط ناچیزی در محدوده وسیعی از درجه حرارت دارد فلذا در فنر ها کاربرد زیادی خواهند داشت.علیرغم ساختار آستنیتی پایدارآلیاژ 30 درصد نیکل-کروم، تغییرات نفوذ مغناطیس در نزدیکی دمای اتاق امکان دستیابی به نفوذ مغناطیس متغیر با تغییر دما را فراهم می آورد.مقاومت های تشعشعی الکتریکی از آلیاژهای نیکل- کروم یا نیکل – آهن می باشند که مقاومت اکسیداسیون عالی در دماهای بالا دارند.
نیکل با چدن در هر نسبتی آلیاژ تشکیل می دهد.در چدنها، نیکل گرافیت زای متوسطی بوده و درصد پرلیت را زیاد می کند و مقدار فریت آزاد را می کاهد.فلذا یکنواختی ساختار و خواص را بیشتر می کند.از اینرو چدنهای آلیاژی با نیکل ، خواص و ساختار یکنواخت تری در مقاطع نازک و ضخیم از خود نشان می دهد.
افزودن مقادیر کمی از نیکل 0.1- 1 % پرلیت را اصلاح می کندو اگر مقدار زیادی اضافه شود، ساختار مارتنزیت و آستنیت در ریزساختار ظاهر می شود.از طرفی اصلاح و پایدارسازی پرلیت قابلیت ماشینکاری چدنها را افزوده و سختی پذیری آنها را زیاد می کند.بهمین دلیل است که چدنهای آلیاژی نیکل دار بیشتر در ریختگی های موتور ماشین کاربرد دارد.
افزودن مقدار کمی از نیکل اثری حدود یک سوم اثر سیلیس بر گرافیت زایی داردو بنابراین، اگر در چدنهای آلیاژی نیکل دار بخواهیم پدیده گرافیت زایی را محدود کنیم باید درصد سیلیس را کمتر کنیم که عملا چنین کاری در اکثر موارد عملی نیست. برای این منظور، کروم به ترکیب اضافه می شود.
Ni Resist چدن پرنیکلی است که نیکل و مس به حد کافی در آن است تا که ساختار آستنیتی پایدار باشد و بتوان به خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر دست یافت.این چدن بالاخص در محلولهای متوسط مقاومت خوردگی خوب داشته و مقاومت حرارتی در دماهای پایین بهتر شده ای داردوNicrosilal چدن آستنیتی نیکل داری است که مقاومت حرارتی زیادی در دماهای بالا دارد.
Ni Hard چدن سفید مقاوم به سایشی است که نیکل کافی داشته تا ساختار مارتنزیتی را در شرایط بعد از ریختگی ارتقاء دهد. اگر درصد نیکل زیاد شود، احتمال وجود آستنیت باقی مانده نیز زیاد خواهد شد.
مولیبدن خالص به رنگ سفید نقره ای بوده و نسبتا نرم بوده و جزو فلرات با بالاترین نقطه ذوب است.بیش از دو سوم مولیبدن در تولید آلیاژها استفاده می شوند.
مولیبدن از واژه یونانی Molybdos به معنای شبیه سرب گرفته شده است و در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود.ترکیبات این عنصر که در طبیعت دیده می شدند،با عناصر دیگر مثل کربن و یا سرب به اشتباه گرفته می شد.در سال 1778،کارل ویلهلم شیل (Carl Wilhelm Scheele) توانست روشی برای جداسازی مولیبدن از گرافیت و سرب و جدا کردن آن از اکسید فلز از مولیبدنیت را تعیین نماید.در سال 1782،هلم(Hjelm) با احیا توسط کربن توانست که ناخالصی ها را از سنگ معدن جدا سازد.
مولیبدن در حیات تمام انواع ارگان ها نقش دارد.این فلز در دو گروه آنزیمی به نامهای نیتروژنازها(nitrogenases) و مولیبدوپترین ها(Molybdopterins) دیده می شده اند.
نیتروژنازها در باکتریها وجود دارند و در مسیر های تثبیت نیتروژن باید حضور داشته باشند.باکتریها در داخل گیاه نیز می تواند دیده شوند.اتم مولیبدن در یک کلاستر هست که شامل اتم های آهن و گوگرد است.واژه مولیبدوپترین با گروهی از آنزیم ها که شامل آنزیمهای حاوی تنگستن هستند،به اشتباه گرفته می شوند و عبارت مولیبدوپترین در واقع به اتم فلز برنمی گردد.گروهی را که به عنوان آنزیمهای تک اتمی مولیبدن به عنوان اتم فلز شناخته می شوند،در یک کلاستر دیده نمی شوند.
موليبدن وزن اتمي 96 و نقطه ذوب 2610 C دارد.ساختار كريستالي آن bcc بوده و در فولاد فريت زا و كاربيد زاست.حداقل 3 % موليبدن باعث مي شود كه فريت در تمام دماهاپايدار باشد.سختي پذيري را افزايش مي دهد.در حدود 0.5-1.5 % موليبدن به فولادهاي آلياژي اضافه مي شودتا استحكام و مقاومت به خزشي آنها در دماهاي بالا حفظ شود.فولادهاي زنگ نزن از 0.5 تا 4.0 % موليبدن دارند. فولادهاي زنگ نزن آستنيتي براي مقاومت خوردگي بيشتر در محيط هاي خورنده حاوي موليبدن مناسب هستند. هم چنين ، مقاومت در برابر پوسته شدن را مي كاهد.
در عمليات حرارتي فولادها ،Mo تردي تمپر را مي كاهد و تشكيل دانه هاي ريز را تسريع كرده و بر قابليت جوشكاري تاثير مطلوبي دارد. افزايش استحكام را در پي داشته و بنا بر اين قابليت چكش كاري كم مي شود.
موليبدن مقاومت در برابر خوردگي موضعي و حفره دار شدن را بيشتر كرده و با تشكيل فازهاي ثانويه در فولادهاي فريتي،فريتي-آستنيتي و آستنيتي،استحكام آنها را افزايش مي دهد. هم چنين در فولادهاي زنگ نزن مارتنزيتي، به علت اثر آن بر رسوب كاربيد ها ،سختي فولاد دردماهاي برگشت بالا را افزايش مي دهد.
موليبدن به عنوان عنصر آلياژي در فولادهاي ميكروآلياژي كربني، كم كربن با استحكام بالا در محدوده 0.05-0.25 بكار رفته و چقرمگي و استحكام را بالا مي برد.معمولا همراه با افزودن موليبدن از منگنز بالا وكمي نيكل نيز استفاده مي كنند.هدف از ميكروآلياژي كردن فولاد ، جلوگيري از تشكيل پرليت در ريزساختار ، كاهش اندازه نواحي پرليت و تشكيل كاربيد هاي لايه اي ريز مي باشد.اگر درصد موليبدن و يا ساير عناصر آلياژي بالا باشد، فريت خاصي بنام فريت سوزني Acicular ferrite تشكيل خواهد شد.
عنصر مولیبدن باعث بهبود چقرمگی در فولادهای کربنی ساده با استحکام بالا می شود و بنابراین در محدوده دمایی قابل استفاده ،استحکام و سختی را افزایش می دهد. در مقایسه با فولادهای کربنی ساده ،فولادهای مولیبدن دار خواس الاستیک و استحکام ضربه ای بهتری دارند.
استحاله در فولادهای مولیبدن دار در سرد کردن های آرام رخ می دهد و در نتیجه باعث می شود عمق سخت گردانی افزایش یابد. این افزایش در عمق سخت گردانی سبب فایق آمدن بر مشکلات مربوط به اثر جرم بر سخت گردانی در مقاطع ضخیم شود.برای یکنواختی توزیع سختی در مقاطع ضخیم مقدار کمی مولیبدن اضافه می شود.0.15 % مولیبدن اثر مشابه با 0.20 % کروم و یا 1.25 % نیکل دارد.
بعضی از فولادها بعد از سرد کردن آرام از دمای برگشت 625 C انرژی ضربه کمتری در مقایسه با فولادهایی دارند که بعد از برگشت با سرعت سرد شده اند.این پدیده به تردی تمپر معروف است.فولادهای منگنز، کروم و کروم – نیکل با کروم بیش از 0.75 % کروم به این نوع تردی حساس هستند.برای کاهش حساسیت به این نوع تردی به ترکیب این فولادها ، مولیبدن اضافه می شود. چنین فولادهایی در محورها، میل لنگ ها و چرخدنده ها کاربرد دارند.
نرم شدن مارتنزیت در دماهای برگشت بالای 260 C بوسیله مولیبدن به تاخیر می افتد و در 0.25 % Mo سختی فولادهای مارتنزیتی پرکربن و کربن متوسط در هنگام برگشت در دمای 400-630 C را افزایش میدهد.
در دماهای برگشت بالا ، مولیبدن وارد فاز کاربید می شود.با بالا بردن دمای برگشت دردمای 700 C غلظت بالایی از مولیبدن در سمنتیت اورتورومبیک وارد می شود و در درصدهای بالاتر از 0.5% Mo ، کاربید fcc ((Fe,Mo)23C6) تشکیل خواهد شد.
مولیبدنی که به فولادهای کم آلیاژی و پرآلیاژی اضافه می شود، مقاومت خزشی و استحکام دردماهای بالا را افزایش میدهد.دو علت اصلی را می توان در این نوع رفتار فولادهای مولیبدن دار دخیل دانست: افزایش استحکام خزشی فریت و دیگری بالا بردن دمای تبلور مجدد بعد از سخت گردانی. عامل دیگری نیز می توان بدان مربوط دانست و آن اینست که ساختار میانی بین پرلیت و مارتنزیت تمپر شده تشکیل می شود که استحکام خزشی بهتری دارد.
با اینکه مولیبدن بخودی خود استحکام خزشی فولاد را می افزاید، ولی فولادهایی که دردماهای بالا کاربرد زیادی دارند، در ترکیبشان علاوه بر مولیبدن ، وانادیم و یا کروم نیز دیده می شوند.فولادهای از این سری دارای 1% Cr,0.5 % Mo و یا 0.5% Mo,0.2% Cr می باشند.این فولادها در سوپر هیترهای بویلر و لوله هایی که در دماهای بالای 460 C کار می کنند، استفاده می شوند.آنچه در این کاربردها نیاز است،مقاومت در برابر گازهای کوره و اکسیداسیون، مقاومت خوردگی توسط گازهای گرم، استحکام خزشی بالا و بدون تردی تمپر می باشند.در صنایع شیمیایی فولاد با 0.5 % Mo بکار می رود که قابلیت جوشکاری بالایی نیز دارد.
در برخی از فولادهای تند بر ، مولیبدن می تواند جایگزین تنگستن شود.در این جایگزینی، یک قسمت مولیبدن بجای دو قسمت وزنی تنگستن اضافه می شود.البته شایان ذکر است که مولیبدن بطور کامل جایگزین تنگستن نمی شود بلکه عموما این فولادها دارای 6% Mo و 6% W می باشند و در فولادهای با مولیبدن بیشتر،2% W و 9 % Mo حضور دارند.در دماهای بالا ، این فولادها سختی مشابهی با فولادهای تند بر تنگستن دار داشته ولی فولادهای مولیبدن دار به دکربوریزاسیون سطحی در شرایط حرارت دهی در کوره های اکسیدی بسیار حساسند . برای حل این مشکل ، از حمام های نمک ،ا تمسفر کنترل شده کوره ها و یا پوشش های بوراکسی استفاده می کنند.
مولیبدن مقاومت خوردگی فولادهای کروم و کروم – نیکل را می افزاید.افزودن 3 % Mo به فولاد 8/18 استحکام در دماهای بالا را بهبود بخشیده و مقاومت در برابر محلول های سولفیدی ، سولفاتی و استات و مقاومت خوردگی اسید استیک را اصلاح کرده و حفره دار شدن در طی خوردگی در آب دریا را می کاهد.مولیبدن موجود در فولاد 8/18 خوردگی تماسی یا هوازدگی را می کاهد.این نوع خوردگی از ذرات خارجی موجود در محلول خورنده که با فولاد در تماس هستند، نشات می گیرد.
با افزودن Mo به فولادهای کم کربنی و مس دار نرخ خوردگی اتمسفری کاسته می شود. با حضور این عنصر ، گرافیت زایی دردماهای بالا کند می شود. مولیبدن ، نیتریدهای بسیار مقاوم در برابر سایش در فولاد تشکیل می دهد و بنابراین در فولادهای ابزار نیتریده شونده استفاده می شود.
در چدنها پایدار کننده متوسط کاربیدهاست. مولیبدن عنصر بسیار مفیدی در افزایش استحکام و چقرمگی چدنهاست.درصد افزوده شده به چدنها از این عنصر 0.25-1.25 % می باشد.در مقاطع بزرگ و متوسط اثر پایدار کنندگی پرلیت داشته و از اینرو یکنواختی در ساختار را در پی دارد و در عوض استحکام و سختی را افزایش میدهد. در مقاطع نازک، مولیبدن باعث ارتقای ساختار بینیتی سوزنی می شود.
وقتی مولیبدن بهمراه نیکل به چدن اضافه می شود،ساختار سوزنی شکل در کل ضخامت تشکیل می شود ولی اگر عنصر آلیاژی بیشتر باشد، مارتنزیت تشکیل خواهد شد.اثر مس همراه مولیبدن مشابه اثر نیکل است اما درصد مس تا حد امکان بایستی پایین باشد تا بطور کامل در محلول قرار بگیرد.چدنهای سوزنی شکل استحکام و سختی بالایی دارند و در کاربردهایی که نیاز به مقاومت خستگی دارند مثل میل لنگ استفاده می شوند.
سختی پذیری چدن مولیبدن تا حد زیادی در حضور مولیبدن در ترکیب آن بهبود می یابد و می تواند اثر مبردی نیز داشته باشد.مولیبدن کاربیدزا بوده و در کنار کروم و وانادیم جدایش می یابد و در یوتکتیک فسفید قرار می گیرد.Cr,V و P در چدنهای سوزنی مفید و دلخواه نمی باشند.
چدنهای با درصد کربن کل 3.35% ، 2.25 %Si و 0.50 % Mo در پیستونهای موتور ماشین بکار می رود.چدنهای مولیبدن دار در قالبهای فورج استفاده می شوند که بایستی استحکام گرم و مقاومت سایشی خوب داشته باشند
مولیبدن از واژه یونانی Molybdos به معنای شبیه سرب گرفته شده است و در طبیعت به شکل آزاد پیدا نمی شود.ترکیبات این عنصر که در طبیعت دیده می شدند،با عناصر دیگر مثل کربن و یا سرب به اشتباه گرفته می شد.در سال 1778،کارل ویلهلم شیل (Carl Wilhelm Scheele) توانست روشی برای جداسازی مولیبدن از گرافیت و سرب و جدا کردن آن از اکسید فلز از مولیبدنیت را تعیین نماید.در سال 1782،هلم(Hjelm) با احیا توسط کربن توانست که ناخالصی ها را از سنگ معدن جدا سازد.
مولیبدن در حیات تمام انواع ارگان ها نقش دارد.این فلز در دو گروه آنزیمی به نامهای نیتروژنازها(nitrogenases) و مولیبدوپترین ها(Molybdopterins) دیده می شده اند.
نیتروژنازها در باکتریها وجود دارند و در مسیر های تثبیت نیتروژن باید حضور داشته باشند.باکتریها در داخل گیاه نیز می تواند دیده شوند.اتم مولیبدن در یک کلاستر هست که شامل اتم های آهن و گوگرد است.واژه مولیبدوپترین با گروهی از آنزیم ها که شامل آنزیمهای حاوی تنگستن هستند،به اشتباه گرفته می شوند و عبارت مولیبدوپترین در واقع به اتم فلز برنمی گردد.گروهی را که به عنوان آنزیمهای تک اتمی مولیبدن به عنوان اتم فلز شناخته می شوند،در یک کلاستر دیده نمی شوند.
موليبدن وزن اتمي 96 و نقطه ذوب 2610 C دارد.ساختار كريستالي آن bcc بوده و در فولاد فريت زا و كاربيد زاست.حداقل 3 % موليبدن باعث مي شود كه فريت در تمام دماهاپايدار باشد.سختي پذيري را افزايش مي دهد.در حدود 0.5-1.5 % موليبدن به فولادهاي آلياژي اضافه مي شودتا استحكام و مقاومت به خزشي آنها در دماهاي بالا حفظ شود.فولادهاي زنگ نزن از 0.5 تا 4.0 % موليبدن دارند. فولادهاي زنگ نزن آستنيتي براي مقاومت خوردگي بيشتر در محيط هاي خورنده حاوي موليبدن مناسب هستند. هم چنين ، مقاومت در برابر پوسته شدن را مي كاهد.
در عمليات حرارتي فولادها ،Mo تردي تمپر را مي كاهد و تشكيل دانه هاي ريز را تسريع كرده و بر قابليت جوشكاري تاثير مطلوبي دارد. افزايش استحكام را در پي داشته و بنا بر اين قابليت چكش كاري كم مي شود.
موليبدن مقاومت در برابر خوردگي موضعي و حفره دار شدن را بيشتر كرده و با تشكيل فازهاي ثانويه در فولادهاي فريتي،فريتي-آستنيتي و آستنيتي،استحكام آنها را افزايش مي دهد. هم چنين در فولادهاي زنگ نزن مارتنزيتي، به علت اثر آن بر رسوب كاربيد ها ،سختي فولاد دردماهاي برگشت بالا را افزايش مي دهد.
موليبدن به عنوان عنصر آلياژي در فولادهاي ميكروآلياژي كربني، كم كربن با استحكام بالا در محدوده 0.05-0.25 بكار رفته و چقرمگي و استحكام را بالا مي برد.معمولا همراه با افزودن موليبدن از منگنز بالا وكمي نيكل نيز استفاده مي كنند.هدف از ميكروآلياژي كردن فولاد ، جلوگيري از تشكيل پرليت در ريزساختار ، كاهش اندازه نواحي پرليت و تشكيل كاربيد هاي لايه اي ريز مي باشد.اگر درصد موليبدن و يا ساير عناصر آلياژي بالا باشد، فريت خاصي بنام فريت سوزني Acicular ferrite تشكيل خواهد شد.
عنصر مولیبدن باعث بهبود چقرمگی در فولادهای کربنی ساده با استحکام بالا می شود و بنابراین در محدوده دمایی قابل استفاده ،استحکام و سختی را افزایش می دهد. در مقایسه با فولادهای کربنی ساده ،فولادهای مولیبدن دار خواس الاستیک و استحکام ضربه ای بهتری دارند.
استحاله در فولادهای مولیبدن دار در سرد کردن های آرام رخ می دهد و در نتیجه باعث می شود عمق سخت گردانی افزایش یابد. این افزایش در عمق سخت گردانی سبب فایق آمدن بر مشکلات مربوط به اثر جرم بر سخت گردانی در مقاطع ضخیم شود.برای یکنواختی توزیع سختی در مقاطع ضخیم مقدار کمی مولیبدن اضافه می شود.0.15 % مولیبدن اثر مشابه با 0.20 % کروم و یا 1.25 % نیکل دارد.
بعضی از فولادها بعد از سرد کردن آرام از دمای برگشت 625 C انرژی ضربه کمتری در مقایسه با فولادهایی دارند که بعد از برگشت با سرعت سرد شده اند.این پدیده به تردی تمپر معروف است.فولادهای منگنز، کروم و کروم – نیکل با کروم بیش از 0.75 % کروم به این نوع تردی حساس هستند.برای کاهش حساسیت به این نوع تردی به ترکیب این فولادها ، مولیبدن اضافه می شود. چنین فولادهایی در محورها، میل لنگ ها و چرخدنده ها کاربرد دارند.
نرم شدن مارتنزیت در دماهای برگشت بالای 260 C بوسیله مولیبدن به تاخیر می افتد و در 0.25 % Mo سختی فولادهای مارتنزیتی پرکربن و کربن متوسط در هنگام برگشت در دمای 400-630 C را افزایش میدهد.
در دماهای برگشت بالا ، مولیبدن وارد فاز کاربید می شود.با بالا بردن دمای برگشت دردمای 700 C غلظت بالایی از مولیبدن در سمنتیت اورتورومبیک وارد می شود و در درصدهای بالاتر از 0.5% Mo ، کاربید fcc ((Fe,Mo)23C6) تشکیل خواهد شد.
مولیبدنی که به فولادهای کم آلیاژی و پرآلیاژی اضافه می شود، مقاومت خزشی و استحکام دردماهای بالا را افزایش میدهد.دو علت اصلی را می توان در این نوع رفتار فولادهای مولیبدن دار دخیل دانست: افزایش استحکام خزشی فریت و دیگری بالا بردن دمای تبلور مجدد بعد از سخت گردانی. عامل دیگری نیز می توان بدان مربوط دانست و آن اینست که ساختار میانی بین پرلیت و مارتنزیت تمپر شده تشکیل می شود که استحکام خزشی بهتری دارد.
با اینکه مولیبدن بخودی خود استحکام خزشی فولاد را می افزاید، ولی فولادهایی که دردماهای بالا کاربرد زیادی دارند، در ترکیبشان علاوه بر مولیبدن ، وانادیم و یا کروم نیز دیده می شوند.فولادهای از این سری دارای 1% Cr,0.5 % Mo و یا 0.5% Mo,0.2% Cr می باشند.این فولادها در سوپر هیترهای بویلر و لوله هایی که در دماهای بالای 460 C کار می کنند، استفاده می شوند.آنچه در این کاربردها نیاز است،مقاومت در برابر گازهای کوره و اکسیداسیون، مقاومت خوردگی توسط گازهای گرم، استحکام خزشی بالا و بدون تردی تمپر می باشند.در صنایع شیمیایی فولاد با 0.5 % Mo بکار می رود که قابلیت جوشکاری بالایی نیز دارد.
در برخی از فولادهای تند بر ، مولیبدن می تواند جایگزین تنگستن شود.در این جایگزینی، یک قسمت مولیبدن بجای دو قسمت وزنی تنگستن اضافه می شود.البته شایان ذکر است که مولیبدن بطور کامل جایگزین تنگستن نمی شود بلکه عموما این فولادها دارای 6% Mo و 6% W می باشند و در فولادهای با مولیبدن بیشتر،2% W و 9 % Mo حضور دارند.در دماهای بالا ، این فولادها سختی مشابهی با فولادهای تند بر تنگستن دار داشته ولی فولادهای مولیبدن دار به دکربوریزاسیون سطحی در شرایط حرارت دهی در کوره های اکسیدی بسیار حساسند . برای حل این مشکل ، از حمام های نمک ،ا تمسفر کنترل شده کوره ها و یا پوشش های بوراکسی استفاده می کنند.
مولیبدن مقاومت خوردگی فولادهای کروم و کروم – نیکل را می افزاید.افزودن 3 % Mo به فولاد 8/18 استحکام در دماهای بالا را بهبود بخشیده و مقاومت در برابر محلول های سولفیدی ، سولفاتی و استات و مقاومت خوردگی اسید استیک را اصلاح کرده و حفره دار شدن در طی خوردگی در آب دریا را می کاهد.مولیبدن موجود در فولاد 8/18 خوردگی تماسی یا هوازدگی را می کاهد.این نوع خوردگی از ذرات خارجی موجود در محلول خورنده که با فولاد در تماس هستند، نشات می گیرد.
با افزودن Mo به فولادهای کم کربنی و مس دار نرخ خوردگی اتمسفری کاسته می شود. با حضور این عنصر ، گرافیت زایی دردماهای بالا کند می شود. مولیبدن ، نیتریدهای بسیار مقاوم در برابر سایش در فولاد تشکیل می دهد و بنابراین در فولادهای ابزار نیتریده شونده استفاده می شود.
در چدنها پایدار کننده متوسط کاربیدهاست. مولیبدن عنصر بسیار مفیدی در افزایش استحکام و چقرمگی چدنهاست.درصد افزوده شده به چدنها از این عنصر 0.25-1.25 % می باشد.در مقاطع بزرگ و متوسط اثر پایدار کنندگی پرلیت داشته و از اینرو یکنواختی در ساختار را در پی دارد و در عوض استحکام و سختی را افزایش میدهد. در مقاطع نازک، مولیبدن باعث ارتقای ساختار بینیتی سوزنی می شود.
وقتی مولیبدن بهمراه نیکل به چدن اضافه می شود،ساختار سوزنی شکل در کل ضخامت تشکیل می شود ولی اگر عنصر آلیاژی بیشتر باشد، مارتنزیت تشکیل خواهد شد.اثر مس همراه مولیبدن مشابه اثر نیکل است اما درصد مس تا حد امکان بایستی پایین باشد تا بطور کامل در محلول قرار بگیرد.چدنهای سوزنی شکل استحکام و سختی بالایی دارند و در کاربردهایی که نیاز به مقاومت خستگی دارند مثل میل لنگ استفاده می شوند.
سختی پذیری چدن مولیبدن تا حد زیادی در حضور مولیبدن در ترکیب آن بهبود می یابد و می تواند اثر مبردی نیز داشته باشد.مولیبدن کاربیدزا بوده و در کنار کروم و وانادیم جدایش می یابد و در یوتکتیک فسفید قرار می گیرد.Cr,V و P در چدنهای سوزنی مفید و دلخواه نمی باشند.
چدنهای با درصد کربن کل 3.35% ، 2.25 %Si و 0.50 % Mo در پیستونهای موتور ماشین بکار می رود.چدنهای مولیبدن دار در قالبهای فورج استفاده می شوند که بایستی استحکام گرم و مقاومت سایشی خوب داشته باشند
نیوبیوم فلز داکتیل و خاکستری روشن است که وقتی به مدت طولانی در دمای اتاق در تماس با هوا قرار گیرد،به رنگ متمایل به آبی در می آید.برای نگهداری این فلز حتی در دماهای متوسط باید از محیط محافظ استفاده شود. اکسیداسیون این فلز در هوا از دمای 200 C آغاز می شود.
نیوبیوم مصارف متعددی ارد. در فولادهای زنگ نزن و بسیاری از آلیاژهیا غیرآهنی استفاده می شود.مقدار قابل ملاحظه ای از نیوبیوم به صورت فرونیوبیوم و یا نیوبیوم-نیکل در سوپرآلیاژهای پایه آهن،نیکل و کبالت در قطعات موتور جت و تجهیزات احتراق استفاده می شود.هم چنین نیوبیوم در دماهای زیر صفر در ابررساناها بکار می رود.
نیوبیوم به معنای دخترتانتالوس از Niobe گرفته شده است که در سال 1801 توسط چارلز هچت (Charles Hatchett) کشف شد.هچت ، نیوبیوم را از سنگ معدن کلومبیتی بدست آورد که در سال 1750 توسط جان وین تروپ (John Winthrop) برای وی ارسال شده بود. بین دو عنصر نیوبیوم و تانتالوم اختلافهای گمره کننده ای وجود دارد،و از طرفی این اختلافها تا 1846 کشف نشده بود،در این ســــــــــــــال بود که هنریخـــــت روز(Heinricht Rose) و جین چـارلز گــــالی سارد مارگــــــــینت(Jean Charles Galisard de Marigance) دوباره این عنصر را کشف کردند ولی ایشان از کارهای هچت اطلاعی نداشتند.از اینرو نام متفاوت نیوبیوم بر روی آن گذاشتند.در سال 1846 بود که کریستن بلومسترند(Cristian Blomstarnd) توانست با احیاء کلرید نیوبیوم بوسیله حرارت دادن در اتمسفر هیدروژن به نیوبیوم خالص دست یابد.
نيوبيوم يا همان كلمبيوم در سالهاي اخير به عنوان عنصر پايدار كننده كاربيد در فولادهاي زنگ نزن و عنصر استحكام زا در آلياژهاي پايه كبالت و نيكل در دماهاي بالا محسوب مي شود.وزن اتمي آن 93 با نقطه ذوب 2468 C است. ساختار كريستالي bcc است و در فولاد فريت زاي قوي است.تمايل تركيب نيوبيوم با كربن زياد بوده ولي نسبت به اكسيژن و نيتروژن تمايل متوسطي دارد.با افزودن نيوبيوم در فولاد ،كاربيد نيوبيوم سريعا تشكيل مي شود. با رسوب كاربيد نيوبيوم و ذرات كربونيتريدي در زمينه فريتي ،استحكام افزايش خواهد يافت.
در فولادهاي آستنيتي ،براي بهبود مقاومت خوردگي بين دانه اي و افزايش خواص مكانيكي در دماهاي بالا استفاده مي شود.در فولادهاي مارتنزيتي ، نيوبيوم سختي را كم كرده و مقاومت به تمپر را افزايش ميدهد.
مقدار نيوبيوم مورد نياز در فولادهاي كربني و كم آلياژي كم بوده و در حدود 0.05 % نيوبيوم ، افزايش قابل توجهي در استحكام فولاد را در پي دارد.علاوه بر آن ، اگر ميزان آن بهمراه ساير عناصر كنترل شود ، اندازه دانه فريت اصلاح شده و چقرمگي در دماهاي پايين اصلاح خواهد شد.اغلب اين عناصر همراه نيتروژن و واناديم به فولاد اضافه مي شود.اين عنصر تشكيل رسوبات كمپلكس كربونيتريد واناديم و نيوبيوم مي دهند.در برخي فولادهاي HSLA نيوبيوم تا %0.15 وجوددارد.اگر درصد نيوبيوم از % 0.1 فراتر رود، مشكل ترك سرد و افت چقرمگي منطقه تحت تاثير جوش در جوشكاري را خواهيم داشت.
رفتار انحلال و رسوب تركيبات نيوبيوم با واناديم متفاوت است.در سرد كردن آهسته آستنيت از دماي بالا ، همزمان با انحلال نيوبيوم ، كاربيد نيوبيم در دماهي بالاي 1200 C رسوب مي كند.به دليل رسوب اين كاربيد در دماهاي بالا ، امكان درشت شدن ذرات وجود دارد كه تاثير منفي بر استحكام دارد.
همانطوریکه در بالا ذکر شد، فولادهای نیوبیوم دار بخاطر تشکیل ترکیب بین فلزی قابل حل Fe3Nb2 دارای استحکام بالایی می باشند.این فولادها دانه ریز بوده و در نتیجه خواص انرژی ضربه دردماهای پایین بهتری دارند.مزیت دیگر استفاده از نیوبیوم در ترکیب فولادها، عدم حضور آخالهای اکسیدی نامطلوب در ریزساختار می باشد.فولادهای دانه ریز نیوبیوم دار ، در مواردی استفاده می شوند که کربوریزه می شوند. این فولادها به دماهای بالا احتیاج دارند تا دانه هایشان رشد کنند فلذا در منطقه دمایی سخت گردانی، ریزبودن دانه ها حفظ خواهد شد.
با افزودن نیوبیوم به ترکیب فولادهای کربنی متوسط نیمه کشته،استحکام تسلیم 9 ton/in2 و استحــکام کششی 7 ton/in2 افزایش می یابند.این ورقها در تولید ورقها کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. این نوع ورق ها کار گرم شده و در خطوط نفت و سازه های سبک استفاده می شوند.
با رسوب ترکیب بین فلزی Fe3Nb2 از دمای انحلال و به دنبال آن پیر سازی در دمای 500-650 C ، نیوبیوم استحکام خزشی فولادهای بسیار کم کربن را می افزاید.میزان افزودن نیوبیوم برای بهبود استحکام خزشی متغیر بوده ولی مرسوم است که حداقل 25 برابر درصد کربن اضافه شود.با کاهش نسبت نیوبیوم به کربن ، استحکام خزشی شدیدا افت می کند و برای دستیابی به استحکام خزشی خوب ،باید درصد کربن در حد پایین نگه داشته شده باشد.اما اگر در دمای اتاق،استحکام مقدم بر استحکام خزشی باشد،نسبت نیوبیوم به کربن می تواند برابر8:1 باشد.
در سیستم آلیاژی آهن-کربن-نیوبیوم، با افزایش درصدNb درصد فاز آستنیت در ریزساختار شدیدا کاهش می یابد. فلذا در این نوع فولادها ، برای آستینه کردن بایستی درصد کربن فولاد کمتر باشد.
افزودن نیوبیوم سختی پذیری فولاد را می کاهد چرا که با تشکیل کاربید نیوبیوم ، غلظت کربن کاهش می یابد.از طرفی اگر نیوبیوم در محلول جامد باشد، از انجام استحاله جلوگیری می کند. بنابراین دمای آستنیته کردن و زمان نگهداری مستقیما مربوط به سختی پذیری فولاد دارد.کاربید نیوبیوم سختی پذیری را می کاهد و از اینرو بیشتر به ترکیب فولادهای به سختی پذیری نسبتا بالا که بایستی جوشکاری شوند اضافه می شود تا از ترک برداری زیر جوش جلوگیری کند.
در دمای بالای 400 C ، نیوبیومی که در فولادهای نیتریدی وجود دارد، با نیتروژن واکنش می دهد.کاربید نیوبیوم و نیوبیومی که بیش از حد انحلال است در تشکیل نیترید شرکت نمی کند و فقط نیوبیوم موجود در محلول جامد در تشکیل نیترید شرکت می کند. در فولادهای کربنی ساده ، نیوبیوم سختی سطحی را می افزاید.فولادهای با 6-4 درصد کروم در هوا سخت می شوند و به زمان آنیل زیادی نیاز دارند و در هنگام جوشکاری ترک بر می دارند.این مشکل در این نوع فولادها را می توان با کاهش درصد کربن تا حد زیادی حل کرد.البته این مشکل را با اضافه کردن تیتانیوم ،آلومینوم و نیوبیوم نیز می توان حل کرد.که در این میان Nb ترجیح داده می شود چرا که آخالهای مضر در ترکیب را تشکیل نمی شوند..میزان نیوبیومی که به ترکیب فولاد اضافه می شود،10-7 برابر درصد کربن است.فولادهای نیوبیوم دار کار گرم شده با سرد کردن از دمای 1000 C هم چنان نرم می مانند.ولی به علت انحلال جزیی کاربیدهای نیوبیوم ممکن است بمقدار جزیی سخت گردانی شوند.برای آنیل مجدد کافی است تا دمای 800 C حرارت داده و سپس در هوا سرد شوند.
برای کاهش تمایل به هوا سختی فولادهای با 16-18 % Cr درصدی از نیوبیوم به ترکیب آنها اضافه می شود.اینکار عملیات حرارتی راآسان کرده و داکتیلیتی و جوشکاری را بهبود می بخشد.برای این منظور 1 % Nb اضافه می شود(10 برابر درصد کربن) افزوده می شود که از لحاظ هزینه گران شدن فولاد را در پی دارد و از اینرو در مصارف خاص استفاده می شود.
بعد از حرارت دادن فولاد 18/8 از منطقه دمایی 400-900 C خوردگی بین دانه ای رخ میدهد.این کاهش موضعی در مقاومت خوردگی ناشی از این واقعیت است که اکثر این فولادها دارای درصد کربن بالایی بوده که سبب میشود با سرد کردن در هوا کاربید رسوب کند.عموما اعتقاد بر اینست که علت خوردگی بین دانه ای تخلیه محلول جامد از کروم در مجاورت مرز دانه است. ولی تحقیقات اخیر نشان داده است که کاربیدهای کروم غیرتعادلی با مقاومت خوردگی کمتر تشکیل می شود و نیازی به تخلیه کروم نیست.افزودن عناصر کاربیدزای قوی مثل Nb وTi موجب رسوب و تشکیل کاربیدهای مرجح شده و از خوردگی بین دانه ای جلوگیری می کند پایدارسازی معمولا تحت تاثیر نیوبیوم و یا تیتانیوم می باشد.اگر مقاومت در برابر اسید نیتریک قوی نیاز باشد،نیوبیوم بهتر است. اگر فولاد تمیز لازم باشد ، پایدار سازی با تیتانیوم چندان خوب نیست زیرا آخالهای اکسید تیتانیوم در فولادهای عملیات حرارتی شونده وجود داشته و از طرفی تیتانیوم در حین جوشکاری اکسید می شود.
اثر نیوبیوم بر استحکام خزشی بیشتر از تیتانیوم بوده و در تولید فولادهای آستنیتی دمای بالا کاربرد وسیعی یافته است.نسبت Nb/C باید 10:1 باشد تا از پایداری کامل اطمینان پیدا کرد. اما اگر شرایط چندان بحرانی نباشد، می توان از نسبتهای پایین نیز استفاده کرد.
در فولادهای زنگ نزن ،نیوبیوم 8 تا 10 برابر درصد کربن بوده و تاثیر قابل توجهی بر استحکام کششی ،داکتیلیتی و یا چقرمگی ندارد.در شمش های بزرگ جدایش کاربیدهای نیوبیوم دور از احتمال نیست وکاهش داکتیلیتی در مرکز قطعات فورج را در پی دارد.حتی اگر از نسبت زیاد Nb/C استفاده شود، نیز داکتیلیتی کاهش می یابد.
معمولا در فولادهای زنگ نزن 18/8 که با نیوبیوم پایدار شده است،برای کاهش نرخ کارسختی ،درصد بالاتری از 8 % نیکل وجود دارد. این قاعده برای آسانی کار گرم بدلیل گسترش فریت حاصل از افزودن نیوبیوم لازم بنظر می رسد.
مقادیر کم تانتالوم اثری بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن 18/8 پایدار شده با نیوبیوم ندارد.درصدی از تانتالوم می تواند جایگزین مقدار کمی از نیوبیوم شود بدون آنکه بر استحکام و داکتیلیتی اثر منفی داشته باشد.این از جهاتی بهتر نیز است چرا که اکثر محصولات نیوبیوم دارای تانتالوم می باشند و بایستی بخاطر داشت که تانتالوم فقط یک دوم تاثیر نیوبیوم را دارد.اگر نسبت نیوبیوم به تانتالوم در فروآلیاژ از 8:1 کمتر باشد، باید نسبت مجموع تانتالوم و نیوبیوم به کربن 10:1 باشد.به آلیاژ مغناطیس دایم نوع Alni نیوبیوم اضافه می شود و مغناطیس های دایم AlcomaxIII و AlcomaxIV به ترتیب 0.7 و 2.4 درصد نیوبیوم دارند. هر دو این آلیاژها از Alcomax که نیوبیوم ندارد، خواص مغناطیسی بهتری دارند.
نیوبیوم معمولا به چدنها اضافه نمی شود ولی معمولا میزان کمی بخاطر قراضه های حاوی نیوبیوم در ترکیب آنها وجود دارد.
نیوبیوم مصارف متعددی ارد. در فولادهای زنگ نزن و بسیاری از آلیاژهیا غیرآهنی استفاده می شود.مقدار قابل ملاحظه ای از نیوبیوم به صورت فرونیوبیوم و یا نیوبیوم-نیکل در سوپرآلیاژهای پایه آهن،نیکل و کبالت در قطعات موتور جت و تجهیزات احتراق استفاده می شود.هم چنین نیوبیوم در دماهای زیر صفر در ابررساناها بکار می رود.
نیوبیوم به معنای دخترتانتالوس از Niobe گرفته شده است که در سال 1801 توسط چارلز هچت (Charles Hatchett) کشف شد.هچت ، نیوبیوم را از سنگ معدن کلومبیتی بدست آورد که در سال 1750 توسط جان وین تروپ (John Winthrop) برای وی ارسال شده بود. بین دو عنصر نیوبیوم و تانتالوم اختلافهای گمره کننده ای وجود دارد،و از طرفی این اختلافها تا 1846 کشف نشده بود،در این ســــــــــــــال بود که هنریخـــــت روز(Heinricht Rose) و جین چـارلز گــــالی سارد مارگــــــــینت(Jean Charles Galisard de Marigance) دوباره این عنصر را کشف کردند ولی ایشان از کارهای هچت اطلاعی نداشتند.از اینرو نام متفاوت نیوبیوم بر روی آن گذاشتند.در سال 1846 بود که کریستن بلومسترند(Cristian Blomstarnd) توانست با احیاء کلرید نیوبیوم بوسیله حرارت دادن در اتمسفر هیدروژن به نیوبیوم خالص دست یابد.
نيوبيوم يا همان كلمبيوم در سالهاي اخير به عنوان عنصر پايدار كننده كاربيد در فولادهاي زنگ نزن و عنصر استحكام زا در آلياژهاي پايه كبالت و نيكل در دماهاي بالا محسوب مي شود.وزن اتمي آن 93 با نقطه ذوب 2468 C است. ساختار كريستالي bcc است و در فولاد فريت زاي قوي است.تمايل تركيب نيوبيوم با كربن زياد بوده ولي نسبت به اكسيژن و نيتروژن تمايل متوسطي دارد.با افزودن نيوبيوم در فولاد ،كاربيد نيوبيوم سريعا تشكيل مي شود. با رسوب كاربيد نيوبيوم و ذرات كربونيتريدي در زمينه فريتي ،استحكام افزايش خواهد يافت.
در فولادهاي آستنيتي ،براي بهبود مقاومت خوردگي بين دانه اي و افزايش خواص مكانيكي در دماهاي بالا استفاده مي شود.در فولادهاي مارتنزيتي ، نيوبيوم سختي را كم كرده و مقاومت به تمپر را افزايش ميدهد.
مقدار نيوبيوم مورد نياز در فولادهاي كربني و كم آلياژي كم بوده و در حدود 0.05 % نيوبيوم ، افزايش قابل توجهي در استحكام فولاد را در پي دارد.علاوه بر آن ، اگر ميزان آن بهمراه ساير عناصر كنترل شود ، اندازه دانه فريت اصلاح شده و چقرمگي در دماهاي پايين اصلاح خواهد شد.اغلب اين عناصر همراه نيتروژن و واناديم به فولاد اضافه مي شود.اين عنصر تشكيل رسوبات كمپلكس كربونيتريد واناديم و نيوبيوم مي دهند.در برخي فولادهاي HSLA نيوبيوم تا %0.15 وجوددارد.اگر درصد نيوبيوم از % 0.1 فراتر رود، مشكل ترك سرد و افت چقرمگي منطقه تحت تاثير جوش در جوشكاري را خواهيم داشت.
رفتار انحلال و رسوب تركيبات نيوبيوم با واناديم متفاوت است.در سرد كردن آهسته آستنيت از دماي بالا ، همزمان با انحلال نيوبيوم ، كاربيد نيوبيم در دماهي بالاي 1200 C رسوب مي كند.به دليل رسوب اين كاربيد در دماهاي بالا ، امكان درشت شدن ذرات وجود دارد كه تاثير منفي بر استحكام دارد.
همانطوریکه در بالا ذکر شد، فولادهای نیوبیوم دار بخاطر تشکیل ترکیب بین فلزی قابل حل Fe3Nb2 دارای استحکام بالایی می باشند.این فولادها دانه ریز بوده و در نتیجه خواص انرژی ضربه دردماهای پایین بهتری دارند.مزیت دیگر استفاده از نیوبیوم در ترکیب فولادها، عدم حضور آخالهای اکسیدی نامطلوب در ریزساختار می باشد.فولادهای دانه ریز نیوبیوم دار ، در مواردی استفاده می شوند که کربوریزه می شوند. این فولادها به دماهای بالا احتیاج دارند تا دانه هایشان رشد کنند فلذا در منطقه دمایی سخت گردانی، ریزبودن دانه ها حفظ خواهد شد.
با افزودن نیوبیوم به ترکیب فولادهای کربنی متوسط نیمه کشته،استحکام تسلیم 9 ton/in2 و استحــکام کششی 7 ton/in2 افزایش می یابند.این ورقها در تولید ورقها کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. این نوع ورق ها کار گرم شده و در خطوط نفت و سازه های سبک استفاده می شوند.
با رسوب ترکیب بین فلزی Fe3Nb2 از دمای انحلال و به دنبال آن پیر سازی در دمای 500-650 C ، نیوبیوم استحکام خزشی فولادهای بسیار کم کربن را می افزاید.میزان افزودن نیوبیوم برای بهبود استحکام خزشی متغیر بوده ولی مرسوم است که حداقل 25 برابر درصد کربن اضافه شود.با کاهش نسبت نیوبیوم به کربن ، استحکام خزشی شدیدا افت می کند و برای دستیابی به استحکام خزشی خوب ،باید درصد کربن در حد پایین نگه داشته شده باشد.اما اگر در دمای اتاق،استحکام مقدم بر استحکام خزشی باشد،نسبت نیوبیوم به کربن می تواند برابر8:1 باشد.
در سیستم آلیاژی آهن-کربن-نیوبیوم، با افزایش درصدNb درصد فاز آستنیت در ریزساختار شدیدا کاهش می یابد. فلذا در این نوع فولادها ، برای آستینه کردن بایستی درصد کربن فولاد کمتر باشد.
افزودن نیوبیوم سختی پذیری فولاد را می کاهد چرا که با تشکیل کاربید نیوبیوم ، غلظت کربن کاهش می یابد.از طرفی اگر نیوبیوم در محلول جامد باشد، از انجام استحاله جلوگیری می کند. بنابراین دمای آستنیته کردن و زمان نگهداری مستقیما مربوط به سختی پذیری فولاد دارد.کاربید نیوبیوم سختی پذیری را می کاهد و از اینرو بیشتر به ترکیب فولادهای به سختی پذیری نسبتا بالا که بایستی جوشکاری شوند اضافه می شود تا از ترک برداری زیر جوش جلوگیری کند.
در دمای بالای 400 C ، نیوبیومی که در فولادهای نیتریدی وجود دارد، با نیتروژن واکنش می دهد.کاربید نیوبیوم و نیوبیومی که بیش از حد انحلال است در تشکیل نیترید شرکت نمی کند و فقط نیوبیوم موجود در محلول جامد در تشکیل نیترید شرکت می کند. در فولادهای کربنی ساده ، نیوبیوم سختی سطحی را می افزاید.فولادهای با 6-4 درصد کروم در هوا سخت می شوند و به زمان آنیل زیادی نیاز دارند و در هنگام جوشکاری ترک بر می دارند.این مشکل در این نوع فولادها را می توان با کاهش درصد کربن تا حد زیادی حل کرد.البته این مشکل را با اضافه کردن تیتانیوم ،آلومینوم و نیوبیوم نیز می توان حل کرد.که در این میان Nb ترجیح داده می شود چرا که آخالهای مضر در ترکیب را تشکیل نمی شوند..میزان نیوبیومی که به ترکیب فولاد اضافه می شود،10-7 برابر درصد کربن است.فولادهای نیوبیوم دار کار گرم شده با سرد کردن از دمای 1000 C هم چنان نرم می مانند.ولی به علت انحلال جزیی کاربیدهای نیوبیوم ممکن است بمقدار جزیی سخت گردانی شوند.برای آنیل مجدد کافی است تا دمای 800 C حرارت داده و سپس در هوا سرد شوند.
برای کاهش تمایل به هوا سختی فولادهای با 16-18 % Cr درصدی از نیوبیوم به ترکیب آنها اضافه می شود.اینکار عملیات حرارتی راآسان کرده و داکتیلیتی و جوشکاری را بهبود می بخشد.برای این منظور 1 % Nb اضافه می شود(10 برابر درصد کربن) افزوده می شود که از لحاظ هزینه گران شدن فولاد را در پی دارد و از اینرو در مصارف خاص استفاده می شود.
بعد از حرارت دادن فولاد 18/8 از منطقه دمایی 400-900 C خوردگی بین دانه ای رخ میدهد.این کاهش موضعی در مقاومت خوردگی ناشی از این واقعیت است که اکثر این فولادها دارای درصد کربن بالایی بوده که سبب میشود با سرد کردن در هوا کاربید رسوب کند.عموما اعتقاد بر اینست که علت خوردگی بین دانه ای تخلیه محلول جامد از کروم در مجاورت مرز دانه است. ولی تحقیقات اخیر نشان داده است که کاربیدهای کروم غیرتعادلی با مقاومت خوردگی کمتر تشکیل می شود و نیازی به تخلیه کروم نیست.افزودن عناصر کاربیدزای قوی مثل Nb وTi موجب رسوب و تشکیل کاربیدهای مرجح شده و از خوردگی بین دانه ای جلوگیری می کند پایدارسازی معمولا تحت تاثیر نیوبیوم و یا تیتانیوم می باشد.اگر مقاومت در برابر اسید نیتریک قوی نیاز باشد،نیوبیوم بهتر است. اگر فولاد تمیز لازم باشد ، پایدار سازی با تیتانیوم چندان خوب نیست زیرا آخالهای اکسید تیتانیوم در فولادهای عملیات حرارتی شونده وجود داشته و از طرفی تیتانیوم در حین جوشکاری اکسید می شود.
اثر نیوبیوم بر استحکام خزشی بیشتر از تیتانیوم بوده و در تولید فولادهای آستنیتی دمای بالا کاربرد وسیعی یافته است.نسبت Nb/C باید 10:1 باشد تا از پایداری کامل اطمینان پیدا کرد. اما اگر شرایط چندان بحرانی نباشد، می توان از نسبتهای پایین نیز استفاده کرد.
در فولادهای زنگ نزن ،نیوبیوم 8 تا 10 برابر درصد کربن بوده و تاثیر قابل توجهی بر استحکام کششی ،داکتیلیتی و یا چقرمگی ندارد.در شمش های بزرگ جدایش کاربیدهای نیوبیوم دور از احتمال نیست وکاهش داکتیلیتی در مرکز قطعات فورج را در پی دارد.حتی اگر از نسبت زیاد Nb/C استفاده شود، نیز داکتیلیتی کاهش می یابد.
معمولا در فولادهای زنگ نزن 18/8 که با نیوبیوم پایدار شده است،برای کاهش نرخ کارسختی ،درصد بالاتری از 8 % نیکل وجود دارد. این قاعده برای آسانی کار گرم بدلیل گسترش فریت حاصل از افزودن نیوبیوم لازم بنظر می رسد.
مقادیر کم تانتالوم اثری بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن 18/8 پایدار شده با نیوبیوم ندارد.درصدی از تانتالوم می تواند جایگزین مقدار کمی از نیوبیوم شود بدون آنکه بر استحکام و داکتیلیتی اثر منفی داشته باشد.این از جهاتی بهتر نیز است چرا که اکثر محصولات نیوبیوم دارای تانتالوم می باشند و بایستی بخاطر داشت که تانتالوم فقط یک دوم تاثیر نیوبیوم را دارد.اگر نسبت نیوبیوم به تانتالوم در فروآلیاژ از 8:1 کمتر باشد، باید نسبت مجموع تانتالوم و نیوبیوم به کربن 10:1 باشد.به آلیاژ مغناطیس دایم نوع Alni نیوبیوم اضافه می شود و مغناطیس های دایم AlcomaxIII و AlcomaxIV به ترتیب 0.7 و 2.4 درصد نیوبیوم دارند. هر دو این آلیاژها از Alcomax که نیوبیوم ندارد، خواص مغناطیسی بهتری دارند.
نیوبیوم معمولا به چدنها اضافه نمی شود ولی معمولا میزان کمی بخاطر قراضه های حاوی نیوبیوم در ترکیب آنها وجود دارد.
منبع: وبگاه مهندسی تکنولوژی جوش ایرانیان
نظرات
ارسال یک نظر