صب الصلب
صب الفولاذ هو شكل خاص من أشكال الصب الذي يتضمن أنواعًا مختلفة من الفولاذ. يتم استخدام صب الفولاذ عندما لا يكون للحديد الزهر قوة كافية أو مقاومة للصدمات
الصلب، وهو عبارة عن سبيكة من الحديد والكربون يصل محتوى الكربون فيها إلى 2% (مع ارتفاع محتوى الكربون، يتم تعريف المادة على أنها الحديد الزهر). حتى الآن، يتم استخدام المادة على نطاق واسع في البناء في عالم البنية التحتية و الصناعة، يتم استخدامه في صناعة كل شيء بدءًا من إبر الخياطة وحتى ناقلات النفط. بالإضافة إلى ذلك، فإن الأدوات اللازمة لصنع وتصنيع مثل هذه المواد مصنوعة أيضًا من الفولاذ.
وكدليل على الأهمية النسبية للمادة، بلغ إنتاج العالم من الصلب الخام في عام 2013 حوالي 1.6 مليار طن، في حين بلغ إنتاج ثاني أهم معدن هندسي، وهو الألومنيوم، حوالي 47 مليون طن.
الأسباب الرئيسية لشعبية الفولاذ هي التكلفة المنخفضة نسبيًا لإنتاجه وتشكيله ومعالجته، ووفرة مادتيه الأساسيتين (خام الحديد والخردة)، والمجموعة الفريدة من الخصائص الميكانيكية.
الصلب عبارة عن سبيكة معدنية مكوناتها الرئيسية هي الحديد والكربون بنسبة تتراوح بين 0.02 و 1.7 بالمائة بالوزن. الكربون هو عنصر صناعة السبائك للحديد، ولكن يتم استخدام العديد من عناصر صناعة السبائك الأخرى أيضًا في الفولاذ.
يعمل الكربون والعناصر الأخرى كعامل تصلب ويمنع التفكك في ذرة الحديد وتبلور ما يسمى بالشبكة. إن الاختلاف في كمية عناصر السبائك وتوزيعها في الفولاذ يتحكم في صفات مثل الصلابة والمرونة والمرونة وقوة الشد للصلب وخصائصه الأخرى. على سبيل المثال، يمكن أن يصبح الفولاذ أكثر صلابة وأقوى من الحديد عن طريق زيادة الكربون، ولكنه يصبح أيضًا أكثر هشاشة. قبل إنتاج الفولاذ، وفقًا للخصائص المطلوبة، يتم اختيار سبائك الفولاذ وفقًا للمعيار.
يبلغ الحد الأقصى لمحتوى الكربون في الفولاذ حوالي 0.75%، كما أن الحد الأقصى للذوبان في الكربون في الحديد هو 1.7% بالوزن، والذي يحدث عند 1130 درجة مئوية. تؤدي التركيزات العالية من الكربون أو درجات الحرارة المنخفضة إلى إنتاج السمنتيت، مما يقلل من قوة المادة.
خصائص الصلب (الصلب)
المكون الرئيسي للفولاذ هو الحديد، وهو معدن ليس أصلب بكثير من النحاس في حالته النقية. في حالته الصلبة، يكون الحديد، مثل جميع المعادن الأخرى، متعدد البلورات، أي أنه يتكون من العديد من البلورات التي تتحد معًا عند حدودها.
الصلابة: قدرة المادة على مقاومة التآكل. يحدد محتوى الكربون الحد الأقصى للصلابة التي يمكن تحقيقها في الفولاذ.
القوة: مقدار القوة اللازمة لتغيير شكل المادة. يؤدي ارتفاع محتوى الكربون والصلابة إلى زيادة قوة الفولاذ.
الليونة: القدرة على تغيير شكل المعدن تحت ضغط الشد. يؤدي المحتوى المنخفض من الكربون والصلابة المنخفضة إلى الحصول على فولاذ ذو ليونة أعلى.
الصلابة: القدرة على تحمل الضغوط النفسية. عادة ما ترتبط زيادة الليونة بصلابة أفضل. يمكن تعديل الصلابة عن طريق إضافة معادن السبائك والمعالجة الحرارية.
مقاومة التآكل: مقاومة المادة للاحتكاك والتآكل. يُظهر الفولاذ المصبوب مقاومة تآكل مماثلة للفولاذ المطروق ذي التركيبة المماثلة. يمكن أن تؤدي إضافة عناصر السبائك مثل الموليبدينوم والكروم إلى زيادة مقاومة التآكل.
مقاومة التآكل: مقاومة المادة للأكسدة والصدأ. يُظهر الفولاذ المصبوب مقاومة مماثلة للتآكل للفولاذ المطاوع. يتميز الفولاذ ذو السبائك العالية بمستويات عالية من الكروم والنيكل بمقاومة عالية للأكسدة.
قابلية التصنيع: السهولة التي يمكن بها تشويه صب الفولاذ عن طريق إزالة المواد من خلال التشغيل الآلي (القطع أو الطحن أو الحفر). تتأثر قابلية التصنيع بالصلابة والقوة والتوصيل الحراري والتمدد الحراري. تعتمد قابلية اللحام في المقام الأول على التركيب الكيميائي لصب الفولاذ والمعالجة الحرارية.
خصائص درجة الحرارة العالية: يتعرض الفولاذ الذي يعمل عند درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة المحيطة إلى خواص ميكانيكية متدهورة وفقدان مبكر بسبب الأكسدة وتلف الهيدروجين وقشور الكبريتيت وعدم استقرار الكربيد.
خصائص درجات الحرارة المنخفضة: تقل قوة الفولاذ المصبوب بشكل كبير عند درجات الحرارة المنخفضة. يمكن للسبائك والمعالجات الحرارية المتخصصة أن تحسن من قدرة المسبوكات على تحمل الأحمال والضغوط.
التركيب الكيميائي للصلب المصبوب
إن التركيب الكيميائي للفولاذ المصبوب له تأثير كبير على الأداء وغالباً ما يستخدم لتصنيف الفولاذ أو تحديد المواصفات القياسية. يمكن تقسيم الفولاذ المصبوب إلى فئتين عريضتين: الفولاذ المصبوب بالكربون وسبائك الفولاذ.
مصبوبات الفولاذ الكربوني: مثل الفولاذ المطاوع، يمكن تصنيف مصبوبات الفولاذ الكربوني حسب محتواها من الكربون. يعتبر الفولاذ المصبوب منخفض الكربون (0.2٪ كربون) ناعمًا نسبيًا ولا يمكن معالجته بالحرارة بسهولة. يعتبر الفولاذ المصبوب ذو الكربون المتوسط (0.2-0.5٪ كربون) أكثر صلابة إلى حد ما ويمكن تقويته بالمعالجة الحرارية. يتم استخدام الفولاذ المصبوب عالي الكربون (0.5% كربون) إذا كان المطلوب أقصى قدر من الصلابة ومقاومة التآكل.
مصبوبات الفولاذ الكربوني: مثل الفولاذ المطاوع، يمكن تصنيف مصبوبات الفولاذ الكربوني حسب محتواها من الكربون. يعتبر الفولاذ المصبوب منخفض الكربون (0.2٪ كربون) ناعمًا نسبيًا ولا يمكن معالجته بالحرارة بسهولة. يعتبر الفولاذ المصبوب ذو الكربون المتوسط (0.2-0.5٪ كربون) أكثر صلابة إلى حد ما ويمكن تقويته بالمعالجة الحرارية. يتم استخدام الفولاذ المصبوب عالي الكربون (0.5% كربون) إذا كان المطلوب أقصى قدر من الصلابة ومقاومة التآكل.
سبائك الصلب المسبوكات: تصنف سبائك الصلب المسبوكات على أنها سبائك منخفضة أو عالية. يتصرف الفولاذ المصبوب منخفض السبائك (محتوى السبائك 8% أو أقل) بشكل مشابه للفولاذ التقليدي منخفض الكربون، ولكن مع صلابة أعلى. تم تصميم الفولاذ المصبوب عالي السبائك (> 8٪ من محتوى السبائك) لإنتاج خاصية محددة مثل مقاومة التآكل أو مقاومة الحرارة أو مقاومة التآكل.
الفولاذ عالي السبائك هو الفولاذ المقاوم للصدأ (> 10.5% كروم) وفولاذ هادفيلد المنغنيز (11-15% منغنيز). إن إضافة الكروم، الذي يشكل طبقة نشطة من أكسيد الكروم عند تعرضه للأكسجين، يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة ممتازة للتآكل. يوفر محتوى المنغنيز في فولاذ هادفيلد مقاومة عالية للتآكل أثناء العمل الشاق.