تعریف
از زمانی که بشر به اکتشافات آهن نائل گردیده، تلاش نموده است تا کیفیت آن را بهبود بخشیده و دامنه کاربرد آن را افزایش دهد. در ابتدا معلوم شد که تا حد معینی با کاهش کربن آهن به آلیاژی جدید به نام فولاد تبدیل می شود که خاصیت چکش خواری آن ایده آل بوده و با اعمال عملیات حرارتی بر آن به خوبی سخت می گردید. بعدها مشخص شد که با اضافه نمودن مقدار معینی از فلزات یا شبه فلزات نظیر منگنز (Mn) – کُرُم (Cr)- سیلیس (Si) – وانادیم (V) و تیتانیم می توان ماهیت فولاد را دگرگون ساخته و در آن خواصی مانند ضد زنگ زدگی، مقاومت در مقابل سایش، دیرگدازی و سختی فوق العاده ایجاد نمود.
فرو آلیاژ به آلیاژی اطلاق می گردد که از اختلاط یک یا چند عنصر فلزی و یا شبه فلزی با آهن پدید آمده باشد. مثلاً فروکرم آلیاژی است که هم دارای آهن و هم حاوی کرم است. فرومنگنز از آهن و منگنز تشکیل شده است. در فرو سیلیسیم آهن و سیلیسیم هر دو موجود می باشند. به بعضی فلزات خالص نظیر منگنز یا کُرُم نیز فرو آلیاژ گفته می شود.
به طور کلی میتوان در خواص آهن با افزایش فرو آلیاژ به آن بهبودی ایجاد نمود. از آنجا که قسمت عمده فولادها را آهن تشکیل می دهد، بنابراین با اضافه شدن مقدار کمی آهن از طریق آلیاژهای آهن دار به آن ها در کیفیتشان تأثیری نا مطلوب نخواهد داشت. تنها در موارد خاص برای تولید آلیاژها از فلزات خالص استفاده می شود. (مثلاً در تهیه آلیاژهایی که در آنها آهن فلز پایه نمی باشد) که البته این روش بسیار گران تمام می شود. مثلاً قسمت واحد وزن کرم فلزی 5 برابر فرو کرم میباشد. به همین دلیل اغلب برای تهیه فولاد ها(فولاد ویژه) بیشتر از فروکُرُم استفاده میشود تا فلزات خالص .
کاربردها:
1- اکسیژن گیری (اکسیژن زدایی)
از فرو آلیاژها می توان درتهیه فولاد به عنوان زداینده اکسیژن استفاده نمود.
عمل فولاد سازی عبارتست ازعمل اکسیداسیونی است که در اثر آن آهن خام به فولاد تبدیل می شود. در این مرحله بعضی از ناخالصی های نامطلوب در آهن نظیر کربن (C) – گوگرد (S) – فسفر (P) و غیره توسط اکسیژن و یا اکسیدهای آهن به اکسید مربوط خود (یعنی سرباره) تبدیل می شوند. در این رابطه مقدارمعینی از اکسیژن ترکیب نشده در آهن مذاب باقی خواهد ماند و این اکسیژن در فولاد باقی مانده در حین انجماد حفره های کوچکی در آن ایجاد می نماید که اثر نامطلوبی برکیفیت خواص مکانیکی آهن خواهد داشت.
بنابراین عمل اکسیژن زداییباید قبل از خاتمه کامل فرآیند انجام شود. از آنجا که بهترین روش اکسیژن زدایی اضافه نمودن عناصری مانند کُرُم (Cr)- آلومینیوم (Al)- سیلیس (Si) - منگنز (Mn) است که در مقایسه با آهن میل ترکیبی بیشتری با اکسیژن دارند بنابراین از آلیاژهایی نظیر فرو منگنز، فرو سیلیسیم، سیلیسیم- کُرُم، سیلیسیم -کلسیمو سیلیسیم آلومینیوم استفاده می شود.
2- آلیاژی سازی
عنـاصری که در قالب فرو آلیـاژبه آهن مذاب اضافه می شوند می توانند ترکیب شیمیایی فولاد را به گونه ای تغییر دهند که فولادهایی با خواص متفاوت تهیه گردند. به فرو آلیاژهایی که در این عمل مصرف می شوند (آلیاژ ساز) اطلاق می گردد. مثلاً می توان فروکُرُم، فرومنگنز باکربن متوسط یا کم و فرو وانادیم را از این گروه به حساب آورد. در صورت اضافه شدن این مواد به فولاد مذاب عناصر تشکیل دهنده آنها موجبات بهبودی را دریافت و خواص محصول فراهم خواهند نمود. مثلاً عنصر کُرُم کیفیت ساختاری را مرغوب تر می سازد وفاز آلفا با شبکه کریستالی مکعب مرکز دار (BC) یعنی فریت (Ferrite) راپایدار تر نموده و استحکام و همچنین مقاومت آن را در مقابل زنگ زدگی افزایش میدهد. به همین دلیل تقریباً کلیه فولادهای ضد زنگ حاوی کُرُم می باشد.
با اضافه کردن منگنز (Mn) به فولاد فاز گاما که دارای شبکه کریستالی مکعب با صفحات مرکزدار (Fc) یعنی Austenite از ثبات بیشتری برخوردار می شود.
عناصر آلیاژ ساز با اعمال دگرگونی در خط تغییرات فازی فولاد ویژگی های آن رامتحول می سازند.
3- عمل تلقیح در ریخته گری آهن:
در صنایع ریخته گری به منظور تغییر دادن شرایط انجماد آهن مذاب از فرو آلیاژها به میزان وسیعی استفاده می شود. اگر به آهن مذاب قبل از ریخته گری بعضی از عناصر افزوده شوند مانند هسته اولیه کریستالی عمل نموده و موجب می شوند تا تشکیل مرکز تبلور آسانتر صورت گیرد و دانه های کریستالی در سرتاسر جرم آهن مذاب به صورت یکنواخت پراکنده شوند در نتیجه سختی شمش های به دست آمده پس از انجماد به مراتب بیشتر و شکنندگی آن به اندازه چشمگیری کم خواهد شد پس به طور کلی اضافه شدن آلیاژ های تلقیحی مانند آلیاژهای سیلیسیم کلسیم فرو سیلیسیم و فرو منگنز به آهن تغییراتی را در بافت آن به دنبال خواهدداشت. کربن در آهن ریخته گری معمولی به صورت لایه لایه پراکنده می شود حال آنکه در آهن تلقیحی پراکندگی در سرتاسر جسم یک دست خواهد بود و به همین دلیل آهن تلقیحی از استحکام زیادتری برخوردار خواهد بود به طوری که می توان آن را در بعضی از مواردجانشین فولاد ریخته گری نمود.
4- سایر کاربردها:
از بعضی فرو آلیاژها نظیر فرو سیلیسیم، فرو کرم، سیلیکو منگنز می توان به عنوان احیاء کننده و یا محصولات وابسته برای تهیه سایر آلیاژها استفاده نمود. بعضی از فرو آلیاژها را می توان درصنایع ذوب فلزات غیر آهنی مانند صنایع مکانیکی مورد استفاده قرار داد مثلاً از فرومنگنز با میزان متوسط یا کم کربن در تهیه مفتول های جوشکاری استفاده نمایند.
مهندس مجتبی فردیار
کارشناس ارشد صنایع فولاد وفرو آلیاژها
استیل ایران