آخال در فولاد چیست؟ بررسی علل و پیامدها

آخال در فولاد به ذرات یا فازهای ناخواسته ای گفته می شود که در جریان تولید، تصفیه یا انجماد در ساختار فلز باقی می مانند و از نظر ترکیب یا رفتار با زمینه فولادی تفاوت دارند. بسیاری از این ذرات غیرفلزی هستند و به شکل اکسید، سولفید یا سیلیکات دیده می شوند. اندازه، شکل و محل تجمع آخال تعیین می کند که حضور آن تا چه اندازه بر عملکرد قطعه اثر بگذارد. برای نمونه، ذرات درشت یا خوشه ای می توانند محل تمرکز تنش باشند و در قطعات تحت بار متناوب، آغاز ترک را آسان کنند؛ با این حال، همه آخال ها به یک میزان زیان آور نیستند. هنگام ارزیابی کیفیت محصول و مقایسه قیمت آهن باید به الزامات پاکیزگی فولاد نیز توجه کرد؛ زیرا در کاربردهای حساس، کیفیت متالورژیکی می تواند از تفاوت ظاهری محصولات مهم تر باشد.

برای پاسخ به پرسش آخال در فولاد چیست، باید این ذرات را از عیوبی مانند تخلخل گازی و همچنین فازهای طبیعی ریزساختار جدا کرد. اگر بخواهیم ابتدا بدانیم فولاد چیست، با آلیاژی بر پایه آهن روبه رو هستیم که ترکیب شیمیایی و مسیر تولید آن، ویژگی های نهایی را شکل می دهد. آخال ممکن است بر اثر واکنش عناصر مذاب با اکسیژن و گوگرد ایجاد شود یا از سرباره و مواد نسوز وارد مذاب شود. شناسایی علت پیدایش و کنترل اندازه و پراکندگی آن برای تولید فولاد تمیز اهمیت دارد. در این مقاله مرکزآهن، انواع آخال ها، مسیرهای پیدایش، پیامدهای مکانیکی و روش های آزمایشگاهی شناسایی را بررسی می کنیم و سپس راهکارهای صنعتی کاهش و کنترل آنها را توضیح می دهیم تا بتوان کیفیت فولاد را متناسب با کاربرد آن ارزیابی کرد.

آخال در فولاد چیست؟

برای روشن شدن اینکه آخال در فولاد چیست، باید آن را ذره یا مجموعه ای از ذرات با ترکیب و ساختاری متفاوت از زمینه فلزی دانست که در محصول نهایی محبوس می ماند. بسیاری از آخال ها ترکیبات غیرفلزی مانند اکسیدها و سولفیدها هستند و ممکن است به صورت ذرات منفرد، رشته ای یا خوشه ای دیده شوند. در فرایند فولاد سازی، واکنش عناصر اکسیژن زدا با اکسیژن حل شده، ترکیبات جامدی تولید می کند که اگر پیش از انجماد از مذاب جدا نشوند، در فولاد باقی می مانند. البته هر ناپیوستگی در مقطع فولاد آخال نیست؛ حفره گازی، ترک و بعضی فازهای متداول ریزساختاری ماهیت دیگری دارند. برای تشخیص درست، باید شکل ذره در تصویر میکروسکوپی را همراه با شواهد ترکیب شیمیایی و سابقه تولید بررسی کرد.

آخال ها از نظر منشأ نیز یکسان نیستند. برخی در اثر واکنش های داخل مذاب یا هنگام انجماد تشکیل می شوند و برخی دیگر با ورود سرباره، ذرات نسوز یا تماس دوباره فولاد مذاب با اکسیژن به وجود می آیند. در مرحله ریخته گری فولاد، آخال های باقی مانده می توانند همراه جریان فلز وارد قالب شوند یا در مسیر عبور مذاب تجمع پیدا کنند. اندازه و پراکندگی آنها برای ارزیابی پاکیزگی فولاد اهمیت دارد؛ برای مثال، یک خوشه درشت نزدیک سطح قطعه ممکن است رفتاری متفاوت از ذرات ریز و پراکنده نشان دهد. استاندارد ASTM E45 برای رده بندی آخال های غیرفلزی در فولاد کارشده، از ویژگی هایی مانند شکل، اندازه و میزان پراکندگی استفاده می کند، اما به تنهایی حد مجاز پذیرش هر محصول را تعیین نمی کند. بنابراین، نتیجه بررسی باید با نیاز کاربردی و مشخصات سفارش سنجیده شود.

انواع آخال در فولاد

انواع آخال در فولاد را می توان بر اساس ماهیت شیمیایی، منشأ تشکیل و شکل ظاهری دسته بندی کرد. از نظر ترکیب، بخش عمده آخال های مشاهده شده در فولادهای صنعتی غیرفلزی هستند و از ترکیباتی مانند اکسیدها، سولفیدها، سیلیکات ها و برخی نیتریدها تشکیل می شوند. در مقابل، ذرات فلزی بیگانه که هنگام تولید یا جابه جایی مذاب وارد محصول می شوند، کمتر رایج هستند و نباید آنها را با فازهای طبیعی ریزساختار اشتباه گرفت. این تمایز اهمیت دارد؛ زیرا رفتار یک ذره سخت و شکننده با آخال نرم و تغییر شکل پذیر هنگام نورد یا اعمال بار یکسان نیست.

از نظر منشأ، آخال ها به دو گروه درون زا و برون زا تقسیم می شوند. گروه درون زا در اثر واکنش های شیمیایی مذاب، اکسیژن زدایی یا کاهش حلالیت عناصر هنگام انجماد پدید می آیند. گروه برون زا معمولا از ورود سرباره، فرسایش مواد نسوز یا آلودگی مسیر انتقال مذاب ناشی می شوند. در بررسی تشکیل آخال در فولاد، شناخت این منشأها کمک می کند نقطه مناسب برای کنترل فرایند شناسایی شود؛ با این حال، تشخیص قطعی منشأ صرفا از روی ظاهر ذره همیشه ممکن نیست.

طبقه بندی متالوگرافی نیز معیار دیگری دارد. استاندارد ASTM E45 آخال های غیرفلزی فولاد کارشده را عمدتا بر پایه شکل و آرایش، در گروه های A سولفیدی، B آلومینایی، C سیلیکاتی و D اکسیدی کروی ارزیابی می کند. نام این گروه ها به معنی تعیین قطعی ترکیب شیمیایی با میکروسکوپ نوری نیست. برای شناسایی دقیق جنس ذرات می توان از میکروسکوپ الکترونی و آنالیز عنصری استفاده کرد. بنابراین، ارزیابی آخال در فولاد باید هم نوع ذره و هم اندازه، تعداد و پراکندگی آن را در نظر بگیرد.

آخال های فلزی

آخال های فلزی ذراتی هستند که ترکیب آنها با زمینه فولاد تفاوت دارد، اما برخلاف آخال های غیرفلزی ماهیت فلزی خود را حفظ می کنند. این ذرات در فولاد کمتر از اکسیدها و سولفیدها مشاهده می شوند و ممکن است از حل نشدن کامل برخی مواد آلیاژی افزوده شده به مذاب یا ورود قطعات فلزی خارجی به وجود آیند. باقی ماندن بخش حل نشده یک افزودنی آلیاژی می تواند ناحیه ای با ترکیب موضعی متفاوت ایجاد کند. البته هر ناحیه غنی از یک عنصر یا هر رسوب فلزی را نباید بدون بررسی آخال نامید.

تشخیص چنین ذراتی با میکروسکوپ نوری به تنهایی قطعی نیست. آزمایشگاه می تواند با میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز عنصری EDS، ترکیب ذره را با زمینه مقایسه کند و سپس ماهیت آن را ارزیابی کند. اندازه بزرگ، شکل نامنظم یا اتصال ضعیف به زمینه ممکن است تمرکز تنش ایجاد کند و عملکرد قطعه را کاهش دهد. پیشگیری با کنترل کیفیت افزودنی های آلیاژی، زمان و شرایط اختلاط مذاب و جلوگیری از ورود آلودگی خارجی انجام می شود.

آخال های غیرفلزی

آخال های غیرفلزی از ترکیباتی متفاوت با زمینه فلزی فولاد تشکیل شده اند و معمولا طی واکنش های مذاب یا انجماد در ساختار باقی می مانند. این ذرات از نظر سختی، ضریب انبساط حرارتی و تغییر شکل پذیری با فولاد تفاوت دارند. به همین دلیل، هنگام نورد ممکن است برخی به صورت رشته ای کشیده شوند و بعضی دیگر شکل زاویه دار خود را حفظ کنند. رفتار متفاوت آنها می تواند در اطراف ذره تمرکز تنش ایجاد کند، به ویژه اگر اندازه بزرگ یا آرایش خوشه ای داشته باشند.

در بررسی آخال در فولاد، تنها تعداد ذرات کافی نیست و شکل، اندازه، پراکندگی و محل قرارگیری نیز باید ارزیابی شوند. در مقاطع حساس به خستگی، یک آخال درشت نزدیک سطح ممکن است از ذرات ریز پراکنده خطرناک تر باشد. روش متالوگرافی ASTM E45 آخال های غیرفلزی فولاد کارشده را بر پایه ظاهر و آرایش رده بندی می کند، اما ترکیب شیمیایی آنها را به تنهایی اثبات نمی کند. برای تعیین ترکیب دقیق می توان از آنالیز عنصری کمک گرفت.

آخال های اکسیدی

آخال های اکسیدی از واکنش اکسیژن با عناصر موجود در فولاد مذاب به وجود می آیند و از رایج ترین آخال های غیرفلزی هستند. آلومینا (Al2O3) پس از اکسیژن زدایی با آلومینیوم تشکیل می شود و ممکن است به شکل ذرات زاویه دار یا خوشه های متراکم باقی بماند. اکسیدهای منیزیم و آلومینیوم نیز می توانند ساختار اسپینلی ایجاد کنند. این ذرات سخت و کم تغییر شکل پذیر هستند و در صورت درشت بودن می توانند هنگام نورد، کشش یا بارگذاری متناوب به ایجاد ناپیوستگی و آغاز ترک کمک کنند.

بخشی از آخال های اکسیدی در مذاب تشکیل می شوند و بخشی بر اثر اکسید شدن دوباره فولاد یا واکنش با سرباره و مواد نسوز به وجود می آیند. تجمع ذرات آلومینا می تواند مسیر نازل ریخته گری پیوسته را مسدود کند. برای کنترل آنها، فولادساز میزان اکسیژن، شرایط اکسیژن زدایی و حفاظت مذاب در برابر هوا را مدیریت می کند و با تصفیه پاتیلی، فرصت شناورسازی ذرات را افزایش می دهد. تشخیص ترکیب این آخال ها با آنالیز عنصری انجام می شود.

آخال های سولفیدی

آخال های سولفیدی عمدتا از واکنش گوگرد با عناصر موجود در مذاب فولاد ایجاد می شوند و سولفید منگنز (MnS) رایج ترین نمونه آنها است. منگنز با گوگرد ترکیب می شود و احتمال تشکیل سولفید آهن نامطلوب را کاهش می دهد. این ذرات ممکن است هنگام انجماد در نواحی غنی از گوگرد شکل بگیرند. آخال های سولفیدی در دمای نورد گرم اغلب تغییر شکل می دهند و در امتداد نورد کشیده می شوند؛ بنابراین در مقطع طولی به صورت رشته های باریک دیده می شوند.

اثر این ذرات به اندازه، شکل و مقدار آنها وابسته است. سولفید منگنز در برخی فولادهای خوش تراش می تواند شکستن براده را آسان کند، اما رشته های بلند آن ممکن است چقرمگی و شکل پذیری در جهت عمود بر نورد را کاهش دهند و به آغاز ترک خستگی کمک کنند. برای کنترل تشکیل آخال در فولاد، میزان گوگرد و شرایط تصفیه مذاب مدیریت می شود. اصلاح شکل سولفیدها با تیمار کلسیم نیز در بعضی گریدها کاربرد دارد تا ذرات کشیده کمتری باقی بمانند.

آخال های سیلیکاتی

آخال های سیلیکاتی ترکیبات غیرفلزی حاوی سیلیس هستند که اغلب در جریان اکسیژن زدایی فولاد مذاب با سیلیسیم و منگنز ایجاد می شوند. این آخال ها ممکن است از اکسیدهای منگنز و سیلیسیم تشکیل شوند یا عناصر دیگری مانند آلومینیوم و کلسیم نیز در ساختار آنها حضور داشته باشند. ترکیب شیمیایی، دمای نرم شدن و شرایط انجماد تعیین می کنند که ذرات به صورت کروی، نامنظم یا چندفازی باقی بمانند. ورود ذرات سرباره و مواد نسوز نیز می تواند آخال های سیلیکاتی با منشأ خارجی ایجاد کند.

برخی سیلیکات ها هنگام نورد گرم نرم می شوند و در جهت نورد به شکل رشته های کشیده درمی آیند. این آرایش ممکن است خواص مکانیکی را در جهت های مختلف ناهمسان کند و مقاومت به ترک را در بعضی کاربردها کاهش دهد؛ اما همه سیلیکات ها رفتار یکسانی ندارند. برای شناسایی دقیق، شکل ذرات با میکروسکوپ بررسی و ترکیب آنها با آنالیز عنصری تعیین می شود. کنترل اکسیژن زدایی، ترکیب سرباره و جلوگیری از ورود آلودگی به مذاب می تواند مقدار این آخال ها را کاهش دهد.

آخال های نیتریدی

آخال های نیتریدی از ترکیب نیتروژن با عناصری مانند تیتانیوم و آلومینیوم در فولاد به وجود می آیند. نیترید تیتانیوم (TiN) ممکن است هنگام انجماد، به ویژه در نواحی غنی از تیتانیوم و نیتروژن، به صورت ذرات مکعبی با گوشه های تیز تشکیل شود. این ذرات درشت و سخت معمولا هنگام نورد تغییر شکل کمی دارند و می توانند به محل آغاز ترک در قطعات تحت بار خستگی تبدیل شوند. در مقابل، رسوبات بسیار ریز نیتریدی در بعضی فولادهای میکروآلیاژی به مهار رشد دانه های آستنیت کمک می کنند و لزوما عیب نامطلوب محسوب نمی شوند.

نیترید آلومینیوم (AlN) نیز بسته به اندازه، توزیع و سابقه حرارتی فولاد می تواند بر اندازه دانه و رفتار شکل پذیری اثر بگذارد. بنابراین، در ارزیابی این گروه باید میان آخال درشت و رسوب ریز مهندسی شده تفاوت گذاشت. برای شناسایی ذرات می توان از میکروسکوپ الکترونی و بررسی ترکیب شیمیایی کمک گرفت. کنترل مقدار نیتروژن، افزودن حساب شده عناصر آلیاژی و مدیریت شرایط انجماد، احتمال تشکیل ذرات نیتریدی درشت را کاهش می دهد.

علل ایجاد آخال در فولاد

علل ایجاد آخال در فولاد به واکنش های شیمیایی مذاب و ورود مواد خارجی در مراحل تولید مربوط می شوند. یکی از مهم ترین عوامل، اکسیژن زدایی است. هنگام افزودن عناصری مانند آلومینیوم و سیلیسیم، اکسیژن محلول با آنها واکنش می دهد و ذرات اکسیدی تشکیل می شوند. اگر این ذرات پیش از انجماد فرصت کافی برای جدا شدن از مذاب پیدا نکنند، در محصول باقی می مانند. همچنین تغییر حلالیت عناصر هنگام سرد شدن و جدایش ترکیب شیمیایی در نواحی بین دندریتی می تواند به تشکیل آخال در فولاد، از جمله سولفیدهای منگنز، منجر شود.

مسیر دیگر، اکسید شدن دوباره فولاد مذاب است. تماس جریان فلز با هوا هنگام انتقال از پاتیل به تاندیش یا از تاندیش به قالب، اکسیژن تازه ای وارد واکنش می کند و محصولات اکسیدی جدیدی پدید می آورد. واکنش با اکسیدهای موجود در سرباره یا مواد نسوز نیز می تواند ترکیب و تعداد ذرات را تغییر دهد. از طرفی، فرسایش آجرهای نسوز پاتیل و تاندیش، ورود قطرات سرباره و کشیده شدن پودر قالب به داخل جریان مذاب، منشأ آخال های برون زا هستند.

شرایط جریان مذاب نیز در باقی ماندن این ذرات نقش دارد. تلاطم شدید، تشکیل گردابه در محل تخلیه و زمان اقامت ناکافی در تجهیزات تصفیه می توانند احتمال گرفتار شدن ذرات در فولاد در حال انجماد را افزایش دهند. به همین دلیل، برای تشخیص منشأ آخال در فولاد باید زمان پیدایش عیب، ترکیب ذره و مرحله تولیدی که نمونه از آن برداشت شده است، در کنار هم بررسی شوند.

تاثیر آخال بر خواص فولاد

تاثیر آخال بر خواص فولاد به اندازه، شکل، جنس، تعداد و محل ذرات بستگی دارد و نمی توان تنها با مشاهده یک آخال درباره کیفیت کل محصول قضاوت کرد. آخال های سخت و شکننده مانند آلومینا هنگام تغییر شکل فولاد با زمینه همراه نمی شوند و ممکن است در مرز تماس خود حفره های ریز یا تمرکز تنش ایجاد کنند. این نقاط زیر بار کششی یا ضربه ای می توانند به آغاز ریزترک و کاهش چقرمگی شکست کمک کنند. در مقابل، ذرات ریز و پراکنده لزوما اثر مخرب قابل اندازه گیری ندارند. از این رو، آزمون استحکام کششی به تنهایی برای ارزیابی پاکیزگی متالورژیکی قطعه کافی نیست.

در قطعات تحت بارگذاری تناوبی، آخال در فولاد می تواند محل شروع ترک خستگی باشد؛ به ویژه اگر ذره درشت، خوشه ای یا نزدیک سطح قرار گرفته باشد. در ورق و مقاطع نوردشده، سولفیدهای منگنز کشیده ممکن است خواص در راستای نورد و جهت عمود بر آن را متفاوت کنند. این ناهمسانگردی در کاربردهایی که چقرمگی و شکل پذیری عرضی اهمیت دارد، باید در طراحی و انتخاب مواد در نظر گرفته شود. همچنین مجاورت برخی آخال ها با سطح می تواند زمینه خوردگی موضعی را فراهم کند، هرچند رفتار خوردگی به محیط و ترکیب فولاد نیز وابسته است.

اثر آخال همیشه منفی نیست. در فولادهای خوش تراش، توزیع کنترل شده سولفید منگنز می تواند شکستن براده را آسان تر کند و قابلیت ماشین کاری را بهبود دهد. بنابراین، معیار پذیرش آخال در فولاد باید با کاربرد نهایی مرتبط باشد؛ مثلا یاتاقان تحت خستگی به محدودیت متفاوتی نسبت به قطعه خوش تراش نیاز دارد. ارزیابی درست باید همراه با سنجش اندازه و آرایش ذرات و آزمون خواص مورد نیاز انجام شود.

روش های شناسایی آخال در فولاد

شناسایی آخال در فولاد با نمونه برداری نماینده از محصول آغاز می شود؛ زیرا تعداد و اندازه ذرات در بخش های مختلف یک شمش، ورق یا مقطع می تواند متفاوت باشد. نمونه پس از برش، مانت و پولیش تا رسیدن به سطح صاف آماده می شود و پیش از اچ کردن زیر میکروسکوپ نوری قرار می گیرد. در این بررسی، ذرات از نظر شکل، اندازه، تعداد و نحوه پراکندگی ثبت می شوند. رشته های کشیده، ذرات زاویه دار و اکسیدهای کروی الگوهای متفاوتی نشان می دهند، اما شکل ظاهری به تنهایی ترکیب شیمیایی آنها را مشخص نمی کند.

برای ارزیابی کمی پاکیزگی فولاد، استاندارد ASTM E45 و روش میکروگرافی ISO 4967 به کار می روند. در این روش ها، تصاویر با الگوهای مرجع مقایسه می شوند یا نرم افزار تحلیل تصویر، شدت حضور آخال ها را محاسبه می کند. این روش ها عمدتا برای فولادهای نوردشده یا آهنگری شده مناسب هستند و نمی توان نتایج آنها را بدون بررسی دامنه استاندارد به قطعات ریختگی تعمیم داد. برای تعیین جنس ذره، میکروسکوپ الکترونی روبشی همراه با آنالیز EDS می تواند عناصر تشکیل دهنده آن را شناسایی کند و به تشخیص منشأ آلودگی کمک کند.

برای کشف ناپیوستگی های درشت تر در حجم قطعه، آزمون اولتراسونیک کاربرد دارد، اما جایگزین بررسی میکروسکوپی آخال های ریز نیست. نتیجه معتبر زمانی به دست می آید که محل و تعداد نمونه ها، جهت بررسی نسبت به نورد و روش گزارش دهی مشخص باشند. در نهایت، ارزیابی آخال در فولاد باید بر اساس حدود پذیرش استاندارد محصول یا توافق خریدار و تولیدکننده انجام شود؛ زیرا استاندارد آزمون لزوما حد مجاز کیفیت را تعیین نمی کند.

روش های کاهش و کنترل آخال در فولاد

روش های کاهش و کنترل آخال در فولاد باید از انتخاب مواد اولیه آغاز شوند و تا پایان ریخته گری ادامه پیدا کنند. استفاده از قراضه و مواد آلیاژی تمیز، کنترل گوگرد و اکسیژن مذاب و تنظیم فرایند اکسیژن زدایی، احتمال تولید ذرات نامطلوب را کاهش می دهند. در تصفیه پاتیلی، انتخاب سرباره با ترکیب مناسب به جذب آخال های شناور شده کمک می کند. دمش کنترل شده آرگون نیز با بهبود جریان مذاب، برخورد و تجمع ذرات و انتقال آنها به سطح را تسهیل می کند. با این حال، هم زدن بیش از حد می تواند سرباره را وارد فولاد کند؛ بنابراین شدت دمش باید با شرایط پاتیل هماهنگ باشد.

برای اصلاح ماهیت بعضی آخال های اکسیدی، از تیمار کلسیم استفاده می شود. این روش می تواند آلومینای جامد را به ترکیبات کلسیم آلومینات با رفتار مناسب تر تبدیل کند، اما جایگزین حذف آخال از فولاد نیست و اجرای نادرست آن ممکن است آخال های تازه ایجاد کند. در مرحله انتقال مذاب، پوشاندن مسیر جریان و آب بندی اتصالات از اکسید شدن دوباره جلوگیری می کند. در تاندیش نیز کنترل جریان و زمان ماند به شناور شدن ذرات فرصت می دهد و کاهش فرسایش نسوزها از ورود آلودگی تازه جلوگیری می کند.

نتیجه اقدامات باید با نمونه برداری و بررسی متالوگرافی، اندازه گیری اکسیژن کل و در صورت نیاز آنالیز SEM-EDS ارزیابی شود. معیار موفقیت تنها کاهش تعداد ذرات نیست؛ اندازه، ترکیب و پراکندگی آنها نیز اهمیت دارند. حذف کامل همه آخال ها در تولید صنعتی عملا قابل تضمین نیست، اما می توان پاکیزگی فولاد را تا سطح مورد نیاز کاربرد کنترل کرد.

در این مقاله مرکزآهن بررسی کردیم که آخال در فولاد چیست و آن را ذراتی با ترکیب متفاوت از زمینه فلزی که در مراحل ذوب، تصفیه یا انجماد به وجود می آیند یا از بیرون وارد مذاب می شوند، تعریف کردیم. اکسیدها، سولفیدها، سیلیکات ها و نیتریدها از گروه های اصلی هستند. اثر این ذرات به جنس، اندازه، شکل، محل قرارگیری و شرایط بارگذاری بستگی دارد؛ برای مثال، آخال های درشت نزدیک سطح می توانند عمر خستگی قطعات حساس را کاهش دهند. برای شناسایی، بررسی متالوگرافی مطابق استانداردهای مرتبط و در صورت نیاز آنالیز عنصری استفاده می شود. کنترل اکسیژن و گوگرد، تصفیه پاتیلی، جلوگیری از ورود سرباره و محافظت از جریان مذاب، راهکارهای اصلی کاهش آخال ها هستند. حذف آخال از فولاد به صورت کامل تضمین نمی شود و باید سطح پاکیزگی مورد نیاز هر کاربرد تعیین و با آزمون مناسب تایید شود.

سوالات متداول