فروآلیاژ

چقدر فروآلیاژها را می شناسید؟ مقدمه خواص بی نظیری که فولاد برای صنعت و ساخت و ساز به ارمغان می آورد فقط از فولاد و کربن ناشی نمی شود! چیزی که باعث شد خواص فیزیکی و مکانیکی آهن و فولاد کاربردهای زیادی برای آنها به همراه داشته باشد عنصر آلیاژی است. این عناصر آلیاژی از فروآلیاژها به دست می آیند. اما فروآلیاژ چیست؟ این ابزارها چگونه استفاده می شوند؟ محبوب ترین فروآلیاژها کدامند؟ در این مقاله سعی داریم به این سوالات پاسخ دهیم و شما را با این دسته از تجهیزات آشنا کنیم.

فروآلیاژ چیست؟ آلیاژی از آهن و سایر عناصر که در آن نسبت سایر عناصر سرب بیشتر از آهن باشد، فروآلیاژ نامیده می شود. البته این یک توصیف کلی است و همیشه دقیق نیست. به عنوان مثال، در یک آلیاژ فروسیلیکون، نسبت سیلیکون ممکن است 15٪ باشد.

سالهاست که از فروآلیاژها به عنوان افزودنی و افزودنی در فلزات و چدن در صنعت ریخته گری استفاده می شود تا تغییرات لازم در خواص نهایی قطعه ایجاد شود. بر اساس آمار سال 2014، مهم ترین تولیدکنندگان فروآلیاژ جهان، چین، آفریقای جنوبی، هند، روسیه و اوکراین هستند که 84 درصد از کل عرضه جهانی (52.8 میلیون تن) را به خود اختصاص داده اند.

تولید فروآلیاژ؛ از فرهای زمینی گرفته تا فرهای برقی تا قرن نوزدهم، تولید فروآلیاژها با سوزاندن سنگ آهن یا آهن منگنز در کوره های گرافیت یا کوره های رسی انجام می شد. فرآیند ذوب این محصولات معمولا با کک و سایر مواد احیا کننده انجام می شود.

قطعات تولید شده در این فرآیندها از نظر کیفیت و کارایی تنها در موارد معدودی ارزش صنعتی داشتند. در گذشته فروآلیاژهایی که دمای ذوب بالایی داشتند به دلیل اینکه به دمای مناسب نمی رسیدند باعث تولید قطعات ناهموار می شدند.تا سال 1920، آهن خام فقط در کوره های بلند ساخته می شد. بنابراین در کوره بلند به جای پرداخت موجی از آهن خالص، سنگ آهن حاوی منگنز، کروم یا تیتانیوم شارژ شد. این فروآلیاژها معمولاً عیار پایینی داشتند.

با ساخت ژنراتورها و توسعه برق، تولید فروآلیاژها بهبود یافت و به تولید صنعتی فروآلیاژهایی مانند فروسیلیس رسید. به این ترتیب استفاده از کوره های قوس الکتریکی به عنوان بهترین روش برای تولید فروآلیاژ شناخته شده است. امروزه کوره تولید فروآلیاژ معروف به کوره قوس غوطه ور بهترین انتخاب برای تولید بسیاری از فروآلیاژها محسوب می شود.

چگونه فروآلیاژ تولید کنیم؟ در حال حاضر فروآلیاژها به دو روش متداول تولید می شوند. تولید را در کوره بلند یا در کوره الکتریکی گرم کنید. در آغاز قرن بیستم پس از میلاد، استفاده از کوره‌های بلند و به دنبال آن کوره‌های قوس الکتریکی کاهش یافت. اما هنوز هم فروآلیاژهایی مانند فرومنگنز در کوره بلند تولید می شود.

واکنش های کربن زایی منجر به تولید بیشتر فروآلیاژها می شود. در این واکنش ها اکسیژن موجود در ماده خام با کربن موجود در کک و در مجاورت آهن کاهش یافته و فروآلیاژ تشکیل می دهد. برخی از این آلیاژها نیز با افزودن عناصر مورد نظر به چدن تولید می شوند.

برخی از فروآلیاژها را می توان با احیای مستقیم تولید کرد. به عنوان مثال، در ژاپن از فرآیندی به نام کروپ-رن برای تولید فرونیکل استفاده می شود که بر اساس بازیافت مستقیم نیکل و سنگ آهن است.

برای انتخاب نوع فروآلیاژ مورد استفاده باید صرفه اقتصادی و بهره وری در نظر گرفته شود و مشخص شود که کدام یک از گزینه ها برای تولید فولاد مورد نظر بهتر است.

محبوب ترین فروآلیاژها فروسیلیس می توان گفت فروسیلیس محبوب ترین و پرمصرف ترین آلیاژ فروآلیاژ است. فروسیلیس مخلوطی از آهن و سیلیکون است که از حرارت دادن، احیاء و سوزاندن سنگ آهن و سیلیس (کوارتز) در کربن معمولاً در کوره قوس الکتریکی تولید می‌شود.

ترکیب شیمیایی این آلیاژ از 10 تا 90 درصد سیلیکون و بقیه آهن تشکیل شده است. با این حال، ناخالصی هایی مانند منگنز، کروم، فسفر، گوگرد، کربن و آلومینیوم (نه کمتر از 0.5٪) در ترکیب فروآلیاژ یافت می شود.

استفاده گسترده از فرو سیلیس برای اکسیژن زدایی آهن و گرافیتی شدن چدن گرافیتی و البته تولید فولادهای ضد زنگ و نسوز، این محصول را به یکی از پرمصرف ترین فروآلیاژها در ایران و جهان تبدیل کرد.

فرومنگنز
فرومنگنز یک آلیاژ فلزی است که شامل دو عنصر اصلی آهن و منگنز و عناصر فرعی مانند کربن، فسفر و گوگرد است. فرومنگنز برای افزایش استحکام، افزایش سختی و کاهش شکنندگی و بهبود رفتار حرارتی فولاد استفاده می شود.

یکی دیگر از کاربردهای فروآلیاژ منگنز جداسازی سولفور و ضایعات اکسیژن در کوره های فولادسازی است، زیرا غلظت بالای گوگرد در فولاد باعث کاهش یکنواختی و افزایش حساسیت آن به شکست می شود. بنابراین منگنز با گوگرد ترکیب می شود و در سرباره سولفید منگنز تشکیل می دهد.

لازم به ذکر است که منگنز بیشترین کاربرد را در تولید فولاد (فولادهای کربنی، آلیاژهای کم مقاومت، ابزار فولاد ضد زنگ) و آلیاژهای غیرآهنی (آلیاژهای غیرآهنی، فروآلیاژها و آهن) دارد.فولاد کربنی بیشترین سهم از بازار منگنز را به خود اختصاص داده است.

فروسیلیکو منیزیم همانطور که توسط این فروآلیاژ پیشنهاد می شود، مهمترین عناصر ساختاری آهن، سیلیکون و منگنز هستند. البته حاوی مقادیر کمتری از سایر عناصر ثانویه مانند کربن، فسفر و گوگرد نیز می باشد.

آلیاژهای فروسیلیکو منیزیم در شرایط و اندازه های مختلف تولید می شوند و عمدتاً در تولید فولاد به عنوان منبع تامین منگنز و سیلیس مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه از برخی آلیاژهای سیلیکون منگنز به عنوان جایگزینی برای قطعات فولادی استفاده می شود.

فروکروم اگر در زمینه تولید فولاد ضد زنگ فعال هستید، حتما نام فروکروم را شنیده اید. این فروآلیاژ حاوی آهن و کروم است و نسبت این دو عنصر متفاوت است. اما معمولاً نسبت کروم ترکیبی حدود 50 تا 70 درصد است.

استفاده از عناصر کروم منجر به ایجاد خواصی مانند مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی، بهبود مقاومت در برابر سایش و جلوگیری از افت استحکام در دماهای بالا در قطعات فولادی می شود. فروکروم یکی از محبوب ترین فروآلیاژهای صنعتی است.

فرومولیبدن فرومولیبدن آلیاژی با ترکیب شیمیایی شامل آهن و مولیبدن است. فرومولیبدن یکی از مهم ترین عوامل سخت کنندگی فولاد است و به بسیاری از فولادهای آلیاژی که عملیات حرارتی پذیر باشند اضافه می ‌شود.

به علاوه، عنصر مولیبدن باعث ایجاد خاصیت ضد خوردگی در فولادهای زنگ نزن می ‌شود. این عنصر وقتی با آهن ترکیب می شود، باعث تقویت و افزایش سختی فاز آستینت می گردد. اگر چه مانند دیگر فروآلیاژها، تعداد فراوانی از طبقه ‌بندی‌ های ترکیبی برای فرومولیبدن وجود دارد، اما معمولا آن را فقط در دو کلاس که حاوی مولیبدن خالص بین 60 و 75 درصد است، طبقه بندی می کنند.

فروتیتانیوم فروتیتانیوم نوعی فرو آلیاژ است که در ساختار خود حداقل 30 درصد تیتانیوم داشته باشد. معمولا محصولات فروتیتانیم به صورت کلوخه هایی بزرگ (عمدتا 25 کیلوگرمی) عرضه می شود که بعد از خردایش به ابعاد کوچکتر تبدیل می ‌شوند. کاربرد اصلی فروتیتانیم در ساخت الکترودهای جوشکاری و تولید فولادهای ساختمانی سنگین است. همچنین تیتانیوم سبب کاهش اکسیداسیون می شود و در مواردی برای جداسازی فولادها و آلیاژهای درجه بالا نیز به کار می رود.

فرونیوبیوم این آلیاژ از ترکیب آهن و عنصر نیوبیوم تولید می شود و حدود 60 الی 70 درصد آن را نیوبیوم تشکیل می ‌دهد. کاربرد اصلی این آلیاژ، در تولید فولاد کم آلیاژ استحکام بالا (فولاد HSLA) است. علاوه بر این کاربرد، از آن برای تولید فولاد ضد زنگ، لوله های نفت و گاز، بدنۀ اتوموبیل ها، انواع ابزارها و لنگر کشتی نیز استفاده می‌ شود.

فروتنگستن عنصر تنگستن به فریت زایی و کاربیدزایی در فولاد زبانزد است. این عنصر سختی پذيری را افزايش داده و كاربيدهای مقاوم در برابر سايش ايجاد می کند. تنگستن از کاهش سختی در درجه حرارت های بالا كه اتفاقی متداول در نوک ابزار است جلوگيری می كند.

مقادیر کمی از تنگستن سختی پذیری آستنیت را به شدت افزایش می دهد و با تشکیل محلول جامد، فاز فریت را تا حد متوسطی افزایش می دهد. همان طور که حتما تاکنون حدس زده اید، کاربرد اصلی فروتنگستن در توليد فولادهای ابزار و فولادهای پرآلياژی مقاوم در برابر حرارت است.