عملیات حرارتی و جوشکاری

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.

 

کروم عنصر اصلی در فولادهای زنگ نزن است.علل اصلی در افزودن کروم به ترکیب فولاد را می توان در عوامل زیر دانست:

·        افزایش سختی پذیری فولاد

·        حفظ استحکام و سختی فولاد در دماهای بالا و شرایط کاری

·        افزایش مقاومت خوردگی در محیط های اکسید کننده

وزن اتمی کروم 52 بوده و نقطه ذوب آن 1875 C است. و در هر دو حالت مایع و جامد بهر نسبتی در آهن حل می شود.در بررسی رفتار کروم به عنوان عنصر آلیاژی سه عامل زیر را باید در نظر گرفت:

·        کروم تمایل زیادی به ترکیب با کربن دارد و لذا ذرات کاربیدی همان کاربیدهای کمپلکس آهن-کروم هستد.

·        کروم با اکسیژن ترکیب شده و ترکیب دیرگداز غیرفلزی اکسید کروم تشکیل می دهد که نقش فیلم سطحی محافظ در سطح فولاد را بازی می کند.

·        کروم فریت زای بسیار قوی است.

در حدود 13% کروم در ترکیب فولاد باعث محدود شدن فاز آستنیت در ریزساختار می شود. با افزایش درصد کروم، مقاومت خوردگی فولاد زیاد می شود. وهم چنین در دماهای بالا مقاومت به اکسیداسیون آنها زیاد خواهد شد.

حضور کروم باعث می شود دماغه های نمودار TTT به سمت راست تغییر مکان دهند و سختی پذیری افزایش یابد. با این وجود با افزایش درصد کروم جوشکاری آنها مشکل خواهد شد.به ازای افزایش یک درصدی کروم در ترکیب فولاد استحکام کششی فولاد از 80 تا 100Mpa  افزایش می یابد.

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.

تاثیر مس در فولادها

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 اتمی 64 و نقطه ذوب 1083 C بشکل fcc  متبلور می شود. مس وآهن در حالت مذاب بهر نسبتی در هم حل می شوند  ولی در حالت جامدحلالیت آن تا 0.1 % نیز کاهش می یابد.در سرد کردن آهسته ،مس بصورت فاز آهن-مس در می آید.ولی در سرد کردن سریع،مقدار مس بیشتری در محلول جامد باقی می ماند.مس معمولا آستنتیت زای ضعیف است.

تاریخچه مس در طول ادوار گذشته مراحل مختلفی را طی کرده است.قبل از 1900 بخاطر ترک ها و پارگی های سطحی در قطعات فورج و نورد به خاطر وجود مس ،یک عنصر مزاحم بشمار می رفت.بهمین دلیل تمام تلاش فولادسازان براین بود که درصد مس را تا حد امکان کاهش دهند.ولی بدلیل روش فولادسازی ، عملا درصد مس در فولادها تا 0.4 % نیز می رسید.

مکانیسم متالورژیکی تاثیر مس بر عیوب کارگرم را می توان به اکسیداسیون انتخابی آهن ربط داد.در این حالت، مس در نزدیکی سطح پوسته جمع می شود. با بیشتر شدن دمای کار گرم از دمای ذوب مس ،مس مذاب در بین دانه های فولاد نفوذ کرده و کرنش پلاستیک مرزدانه ها را از هم می گسلد. افزودن نیکل با توجه به میزان مس،دمای محلول نیکل-مس را بالا برده و از ذوب مس جلوگیری می کند. درصد نیکل افزوده شده در حدود نیم برابر مس باقیمانده است.

مس مقاومت خوردگی در محیط های اسیدی را افزایش می دهد. از توانایی مس در سیستمهای آلیاژی رسوب سختی شونده بیشتر استفاده می کنندبرای این منظور حداقل مس 1.25 % می باشد و درصد مشابهی از نیکل را نیز در بردارد.قابلیت جوشکاری تحت تاثیر مس نمی باشد.در فولادهای پرآلیاژی ضد اسید، درصد مس بالای 1 % باعث بهبودی مقاومت در برابراسید کلریدریک و اسید سولفریک می شود.در جوشکاری فولادهای کم آلیاژی رسوب سختی شونده حاوی مس نیازی به پیش گرم نبوده و از دماهای بین پاسی بالا باید جلوگیری کرد.

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.

تاثیر سیلیس در فولادها

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 اینست که کانه های آهن حاوی درصدهایی از سیلیس است و نیز در حین فولادسازی ،از جداره های نسوز کوره وارد ذوب آهن می شود.سیلیس اکسیژن زدای قوی است و آخالهای اکسیدی را نیز حذف می کند.

وزن اتمی سیلیس 28 و نقطه ذوبش 1427 C است.ساختار کریستالی آن مکعبی الماسی است. سیلیس فلز نیست بلکه یک شبه فلز metalloid است . سیلیس در آهن مذاب بهر نسبتی حل می شود. ولی در آهن جامد حداکثر تا 15 % حل می شود.سیلیس دمای استحاله دلتا به آستنیت را کاسته و از طرفی دمای استحاله فریت به آستنیت را افزایش می دهد و منطقه پایداری آستنیت را می کاهد. در واقع فریت زای قوی است.

سیلیس به عنوان عنصر آلیاژی در مقادیر بیش از 0.3 % اثرات مفیدی دارد. استحکام فریت را افزایش می دهد و سختی پذیری را زیاد می کند. وجود سیلیس در فولادهای الکتریکی که جهت گیری دانه ها مطرح است بسیار مهم است. هم چنین سیالیت ذوب را نیزافزایش می دهد.

حضور سیلیس ، راسب شدن گرافیت را تشویق میکند و مقاومت سایشی را افزایش می دهد. به علت افزایش استحکام تسلیم ، عنصر اصلی در فولادهای فنر است.به علت افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون و پوسته دار شدن در فولادهای مقاوم در برابر حرارت استفاده می شود.برای اینکه مقاومتشان در محیط های اسیدی نیز زیاد شود، درصد سیلیس تا 12% باید باشد که در اینصورت فقط باریخته گری قابل تولید بوده و برای رسیدن به ابعاد فقط سنگ زنی 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.

/ 0 نظر / 10 بازدید