در فرایند کربن زدایی فولاد، کربن موجود در فولاد حذف می‌شود. این فرایند معمولاً به دو صورت کنترل شده و ناکنترل شده اتفاق می‌افتد. در فرایند کنترل شده، کربن به صورت قابل کنترلی حذف می‌شود و سختی فولاد به صورت مناسب کاهش می‌یابد. در فرایند ناکنترل شده، کربن به صورت ناگهانی و بیش از حد حذف می‌شود که باعث کاهش قابل توجهی در سختی فولاد می‌شود.
استفاده از فرایند کربن زدایی در فولاد ساختمانی می‌تواند به دلیل کاهش سختی، افزایش انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری فولاد، منجر به بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی آن شود. همچنین باعث کاهش وزن و هزینه ساخت سازه‌های فلزی می‌شود.
اما در فولادهای آلیاژی، کربن زدایی ممکن است باعث کاهش خواص آلیاژی شود و به علت افزایش انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری، فولاد آلیاژی ممکن است در برابر خوردگی و سایش ضعیف باشد. بنابراین، در این نوع فولاد‌ها، ممکن است برای کاهش کربن، روش‌های دیگری مانند آنیل درجه‌بندی شده یا فرآیند تصفیه گاز استفاده شود.
تعریف کربن زدایی
کربن زدایی یا به انگلیسی decarbonization که به دکربوره شدن نیز معروف است. فرآیندی که به از دست دادن اتم‌های کربن از سطح قطعه اطلاق می‌شود. در نتیجه آن، سطح قطعه، کربن کمتری نسبت به لایه زیرین آن (با فاصله کمتری از سطح) خواهد داشت.
به طور کلی، کربن زدایی فولاد در صنعت متالورژی به کاهش کربن فولاد اشاره دارد. در فرایند دکربوره شدن و زمانی که فولاد تحت اتمسفر کربن زدایی حرارت ببیند، میکروساختار و غلظت کربن در لایه‌های سطحی تغییر می‌کند.
این فرایند زمانی اتفاق می‌افتد که کربن موجود در فلز با اکسیژن یا هیدروژن اتمسفر کوره واکنش دهد. دمای وقوع این فرایند، ۷۰۰ درجه‌سانتی‌گراد یا بالاتر است. با حذف کربن، فازهای کاربیدی سخت از بین رفته و درنتیجه سطح فلز، نرم و انعطاف‌پذیر می‌شود.
کربن زدایی، گاها با هدف و برای ایجاد خواص مورد نظر در سطح فولاد انجام می‌شود. اما در صورتی که کنترل‌نشده باشد، نامطلوب است و کاربرد فولاد در صنایع مختلف را تحت تاثیر قرار می‌دهد. بنابراین فرایند مذکور می‌تواند نامطلوب و یا به صورت عمدی و مطلوب باشد. کربوراسیون، مخالف دکربوره کردن است و می‌تواند منجر به سخت کاری آهن شود.
ویژگی های دکربوره شدن
طی دکربوره شدن فولاد، فاز فریت سطح، به صورت نسبی افزایش و مقدار کاربید در آن کاهش می‌یابد. کربن زدایی فولاد به دو صورت جزئی و کامل ممکن است اتفاق بیفتد. منظور از کربن زدایی کامل، حذف تمام محتوای کربن در سطح فولاد است. درحالی‌که طی کربن زدایی جزئی، اگرچه کربن زدایی در ناحیه مورد نظر اتفاق بیفتد اما هنوز مقدار کربن در آن بخش وجود دارد. این فرایند، در لایه‌های مرزی سطح اتفاق می‌افتد. ارزیابی‌های میکروسکوپی نشان می‌دهد که کربن زدایی در عمق چند صدم تا دهم میلی‌متر اتفاق می‌افتد.
واکنش‌های کربن زدایی در فولاد
کربن زدایی انواع فولاد کربنی در اتمسفرهای حاوی گاز اکسیژن یا هیدروژن و به طور کلی گازهای کربن زدا، رخ می‌دهد. واکنش‌های متداول شیمیایی که باعث این فرایند می‌شوند را در ادامه معرفی خواهیم کرد:
C + CO2 = 2CO
این واکنش، متداول‌ترین است که با نام واکنش بودوارد نیز شناخته می‌شود. سایر واکنش‌ها را در ادامه ذکر خواهیم کرد:
- C + H2O = CO + H2
- C + 2H2 = CH4
- C + ½ O2 → CO
- C + O2 → CO2
- C + FeO → CO + Fe
بدیهی است که اگر قطعه فولادی ناخواسته تحت کربن زدایی قرار گیرد، خواص آن تغییر می‌کند. بنابراین قیمت ورق سیاه روز را می‌تواند تحت تاثیر قرار دهد.
روش های کربن زدایی فولاد در صنعت
دکربوره کردن فولاد ممکن است به صورت کنترل‌شده و به عنوان فرایند ثانویه برای ساخت فولادی با خواص موردنظر انجام شود. کربن زدایی سطح، خواص سایشی فولاد را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
در ادامه، به روش‌های متداولی که برای کربن زدایی فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرند، خواهیم پرداخت:
کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن تحت خلأ (VOD)
فرایند مذکور نوعی فرایند فولادهای ثانویه، به طور ویژه برای تولید فولادهای زنگ نزن و حذف کربن بدون تحت تاثیر قرارگرفتن میزان کروم انجام می‌شود. طی این فرایند، اکسیژن به خلأ دمیده می‌شود که منجز به کاهش ترکیبات اکسیدشونده موجود در فولاد چون کربن و فسفر خواهد شد.
اگرچه این فرایند پیش‌تر به صورت گسترده برای تولید فولاد زنگ نزن استفاده می‌شد، امروزه یکی از کاربردهای اصلی آن تولید فولاد ULC (فوق‌العاده کم‌کربن) است. طی این فرایند، اکسیژن دمیده‌شده به حمام فولاد مذاب با کربن واکنش داده و کربن مونوکسید تولید می‌کند. اصل لوشاتلیه، اصل مهم مورد استفاده در این فرایند است.
به طوری که کربن مونوکسید تولیدی به سرباره فلز راه پیدا می‌کند. از آن‌جایی که شرایط خلأ اعمال شده است، CO به صورت مدام حذف می گردد. و بر اساس اصل لوشاتلیه، هر چه حذف CO بیشتر باشد، تولید آن نیز بیشتر خواهد بود.واکنش تا وقتی که کربن به میزان مورد نظر کاربر برسد ادامه می‌یابد. کاهش فشار جزئی CO در این روش به کمک خلأ انجام می‌شود.
کربن زدایی فولاد با استفاده از آرگون و اکسیژن (AOD)
این فرایند نیز از جمله فرایندهای فولاد ثانویه است که برای تولید فولاد زنگ نزن و یا فولادهای آلیاژ بالا که عناصر قابل اکسید شدن چون کروم و آلومینیوم دارند، استفاده می‌شود. ماده مذاب پس از آنکه در یک کوره ذوب شد، به مخزن‌های AOD منتقل می شود. و در آنجا تحت دمش گاز اکسیژن و آرگون، دکربوره و گوگردزدایی می‌شود. کاهش فشار جزئی CO در این روش به کمک گاز بی‌اثر صورت می‌گیرد.
مقایسه VOD و AOD
هر دوی این فرایندها، بر اساس اصل لوشاتلیه انجام می‌شوند با این تفاوت که فرایند VOD کاهش فشار جزئی گاز مونوکسید کربن به کمک خلأ و AOD به کمک گاز بی‌اثر آرگون اتفاق می‌افتد.
شایان ذکر است، مشخصات هر فولاد از جمله مشخصات فولاد st37 پس از کربن زدایی، تحت تاثیر قرار خواهد گرفت.
کاربرد دکربوره
- همانطور که گفته شد، یکی از فولادهای دارای مواد افزودنی با قابلیت اکسیدشدن بالا، فولاد زنگ نزن است. فولاد زنگ نزن را با استفاده از هیدروژن خشک نیز کربن زدایی می‌کنند.
- در تولید فولاد الکتریکی نیز از فرایند کربن زدایی استفاده می‌شود. اتمسفری از نیتروژن، هیدروژن و بخار آب برای جلوگیری از واکنش گازهای اتمسفر با فلز، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مخلوط، از اکسیداسیون آهن جلوگیری کرده و کمک می‌کند تا تنها کربن، ماده‌ای باشد که اکسید شده و به مونوکسید کربن تبدیل می‌شود.
روش های جلوگیری از دکربوره شدن فولاد
لایه دکربوره ممکن است به صورت غیرعمد ایجاد شود. در چنین شرایطی ترکیب شیمیایی و ساختار سطحی آن را تحت تاثیر قرار داده و در جایی که حضور کربن مطلوب است، استفاده از این قطعه را با چالش روبه‌رو می‌کند. فرایند مذکور ممکن است به صورت ناخواسته حین نورد، آهنگری و یا عملیات حرارتی فولاد اتفاق بیفتد چرا که ماده، با توجه به دما و زمان حرارات‌دهی، تنها تا عمق معینی دکربوره می‌شود.
راه‌هایی برای جلوگیری از این فرایند نامطلوب وجود دارد که عبارتند از:
- استفاده از یک اتمسفر بی‌اثر یا با فشار کاهش یافته
- اعمال گرمایش مقاومتی برای مدتی کوتاه
- محدود کردن زمان قرار گرفتن مواد در حرارت بالا
- کربوره کردن ترمیمی با استفاده از اتمسفر هیدروکربنی برای انتقال کربن به سطح ماده
- استفاده از مخلوطی از پودر SiC و پودر فلزی آلومینیوم روی قطعه فولادی به عنوان بازدارنده اکسیداسیون عمل می‌کند.
اندازه گیری کربن زدایی فولاد
میزان کربن زدایی در فولاد را نمی‌توان با چشم بررسی کرد. تست سختی سنجی، یکی از ساده‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری آن است. بدین منظور، سختی فولاد و مقاومت کششی آن را پیش از رسیدن به تبلور مجدد و پس از آن اندازه‌گیری می‌کنند.
نمودار تنش کرنش هر نوع فولاد از جمله فولاد میکروآلیاژی، مقاومت کششی فولاد را به شما نشان خواهد داد.
روش دیگر، بررسی بخشی از فولاد مورد نظر پس از تبلور مجدد زیر میکروسکوپ است.
سخن نهایی
در این مقاله، با پاسخ به سوال “کربن زدایی فولاد چیست؟”، به بررسی فرایند کربن زدایی در فولاد و تأثیرات آن بر خواص مکانیکی و فیزیکی فولاد پرداختیم.
باید توجه داشت که کربن زدایی به عنوان یکی از فرایندهای ثانویه تولید، ممکن است به صورت ناخواسته هم اتفاق بیفتد. در این حالت، می‌تواند مشکلات جدی برای استفاده از فولاد ایجاد کند. اما با استفاده از روش‌های قابل کنترل کربن حذف می‌شود. و سختی فولاد به صورت مناسب کاهش می‌یابد. در این صورت، کربن زدایی می‌تواند ضمن کاهش سختی سطح، موجب افزایش انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری فولاد شود.
برای کنترل کربن زدایی، روش‌های مختلفی از جمله کربوراسیون، آنیل درجه‌بندی شده و تصفیه گاز وجود دارد. همچنین، با استفاده از فرایندهای پیشرفته‌تری مانند فرآیند الکتروشیمیایی و لیزری، کربن زدایی به صورت دقیق‌تر و با کنترل بهتری انجام می‌شود.
در نهایت، باید توجه داشت که کربن زدایی هم می‌تواند مفید باشد و هم می‌تواند منجر به بروز عیب در فولاد شود. بنابراین، استفاده از روش‌های قابل کنترل کربن زدایی، بسیار حائز اهمیت است. تا خواص مکانیکی و فیزیکی فولاد حفظ شود و مشکلاتی مانند کاهش سختی یا افزایش خوردگی و سایش در فولاد جلوگیری شود.
گروه صنعتی فولاد کاران از سال ۱۳۷۰فعالیت خود را در زمینه‌ی تولید و تامین مقاطع مختلف فولادی و آهن, از قبیل میلگردهای فولادی و آلیاژی , میلگردهای ساختمانی, انواع مقاطع ترانسمیسیون , ورق‌های آلیاژی , ورق‌های روغنی و سیاه و گالوانیزه‌ی هفت الماس ,آغاز نموده است . تلاش مجموعه فولادکاران در این مدت در جهت رضایتمندی و تامین دقیق سفارشات معطوف بوده است.
ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید:
اینستاگرام : https://www.instagram.com/folad_karan_tehran
فیسبوک: https://www.facebook.com/jamal.fazli.948
لینکدین: https://www.linkedin.com/in/jamal-fazli-65890a1b6
پینترست: https://nl.pinterest.com/fuladk
