مشخصات آنالیز و خواص فولاد boz

یکی از مؤثرترین راه‌ ها در افزایش استحکام و سختی در فولاد، دگرسازی آستنیت در دمای بالا و ایجاد فاز باینیت است. در طی انجام عملیات حرارتی با افزودن آلیاژهای خاص، فولادهای کم آلیاژ دارای ترکیبات شیمیایی خاص و خواص مکانیکی بهتر نسبت به بسیاری از فولادهای معمولی تولید می‌ شود که به این دسته از آلیاژهای فولاد که با دگرسازی در دمای بالا تشکیل می‌ شوند، غالباً فولادهای قابل عملیات حرارتی گفته می‌ شود که بسته به میزان غلظت کربن در ترکیب آن‌ ها انواع مختلفی از جمله: فولاد ابزار، قیمت فولاد mo40، فولاد ضد زنگ آستنیتی، فولاد ck60 و فولاد B O Z را شامل می‌ شوند. در این مقاله به بررسی فولاد boz ، مشخصات آنالیز ترکیبات شیمیایی و کاربرد فولاد boz می‌ پردازیم.

فولاد boz چیست؟

فولاد boz یکی از انواع فولادهای قابل عملیات حرارتی است که به‌ عنوان فولاد کم آلیاژ شناخته‌ شده می‌ شود. این فلز حاوی عناصری از جمله: مولیبدن که باعث بهبود استحکام فولاد شده، نیکل که باعث افزایش سختی فولاد می‌ گردد و کروم که باعث افزایش استحکام در دمای بالا و همچنین سختی و مقاومت در برابر خوردگی می‌ گردد . همچنین وجود عناصری مانند منگنز، سیلیکون و سایر عناصر آلیاژی متداول در ترکیب این فولاد، قابلیت‌ های مقاومت آن را در برابر اکسیداسیون افزایش می‌ دهد. استفاده از boz steel به دلیل داشتن مقاومت کششی بالا، انعطاف‌ پذیری خوب، مقاومت زیاد در برابر ضربه و همچنین سختی‌ پذیری بالا متداول شده است. در حقیقت، هدف اصلی از طراحی و توسعه آن دستیابی به مقاومت و سختی بالا بوده است.

مشخصات فولاد boz

از مهم ترین مشخصات فولاد boz در دمای محیط می توان به ضریب ارتجاعی آن اشاره کرد که حدود 210 گیگا پاسکال است و نشان دهنده مقاومت مناسب این فولاد در برابر تغییر شکل الاستیک می باشد. چگالی فولاد BOZ نیز تقریبا 7.84 گرم بر سانتیمتر مکعب در نظر گرفته می شود. از دیگر ویژگی های فیزیکی این متریال می توان به رسانایی گرمایی حدود 37.7 وات بر متر کلوین و ظرفیت گرمایی ویژه نزدیک به 0.46 ژول بر گرم کلوین اشاره کرد که در انتقال حرارت و رفتار حرارتی فولاد نقش مهمی دارند.

مشخصات فنی boz material تنها به خواص فیزیکی محدود نمی شود و ویژگی هایی مانند قابلیت تراشکاری، جوشکاری و چکش خواری را نیز شامل می شود. این فولاد معمولا در شرایط نرمال یا پس از عملیات حرارتی معتدل، قابلیت ماشین کاری مطلوبی دارد و می توان آن را با روش های رایج تراشکاری شکل داد. همچنین فولاد BOZ قابلیت چکش خواری نسبتا مناسبی داشته و حتی در دماهای پایین نیز تا حدی انعطاف پذیری خود را حفظ می کند.

از نظر جوشکاری، فولاد BOZ را می توان با روش های مختلف از جمله جوشکاری همجوش و جوشکاری مقاومتی به یکدیگر متصل کرد. با این حال، در بسیاری از روش های جوشکاری ثابت توصیه می شود فرآیند پیش گرم و پس گرم رعایت شود تا احتمال ایجاد ترک و تنش های داخلی کاهش پیدا کند. از سوی دیگر، فولاد BOZ در گروه فولادهای کم آلیاژ قرار می گیرد و به طور ذاتی مقاومت بالایی در برابر خوردگی ندارد؛ به همین دلیل در محیط های خورنده معمولا از پوشش ها یا روکش های محافظ برای افزایش دوام و طول عمر آن استفاده می شود.

آنالیز فولاد boz

معمولاً boz متریال به‌ وسیله عملیات حرارتی از آستنیت، در دمای بالا با ایجاد تغییر شکل فیزیکی در ساختار بلوری و مکعبی آهن تشکیل می‌ شود. در طی عملیات حرارتی، در شرایطی متعادل آلیاژ آهن و کربن (مخلوطی از هیدرو اکسید آهن و فولاد) به آلیاژی از فولاد با ترکیب زودگداز تبدیل می‌ شود. در دمای بالای 900 درجه سانتیگراد و با ایجاد فاز باینیت می‌ توانیم به زیر ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی بهتری در مقایسه با فاز مارتنسیت دست‌ یابیم.

علاوه بر شرایط ترمودینامیک، عملیات دگرسازی فیزیکی در فولاد به‌ شدت تحت تأثیر جنبش شیمیایی ذرات موجود در ترکیب قرار می‌ گیرد؛ زیرا که در شرایط معمولی انجام عملیات حرارتی، پخش‌ شدگی اتم‌ های آهن در دمای کمتر از 600 درجه سانتی‌ گراد سخت می‌ شود. در نتیجه با محدود شدن جنبش و تحرک اتم‌ ها، آرایش پیچیده‌ ای در زیر ساختارها به وجود می‌ آورد که این آرایش پیچیده منجر به پیچیدگی زیر ساختار فولاد می‌ شود. همچنین سرعت و میزان جنبش اتم‌ ها به‌ شدت تحت تأثیر سرعت خنک‌ سازی است.

در هنگام خنک‌ سازی، بسته به ترکیب دقیق شیمیایی فولاد، آن را به آمیزه‌ ای از فازها، هیدروکسید آهن و فولاد تبدیل می‌ کند. اگر سرعت خنک‌ سازی کم باشد یا در دمای بالا به ایزوترمال تبدیل شود، زیر ساختار به‌ دست‌ آمده به توازن نزدیکتر است؛ به‌ عبارت‌ دیگر شامل هیدروکسید آهن چند شکلی، فولاد، آلیاژ آهن و کربن می‌ شود. اگرچه دگرسازی فولاد از آستنیت به آلیاژ آهن و کربن یک فرآیند بازسازی وابسته به زمان است که به حرکت نسبتاً زیاد اتم‌ های آهن و کربن نیاز دارد.

در عملیات‌ های حرارتی، خود پخشی اتم‌ های آهن در دمای کمتر از 600 درجه سانتیگراد کند شده، تا جایی که متوقف گردد؛ در حالیکه کربن درون‌ شبکه‌ ای به‌ آسانی حتی در دمای متوسط پخش می‌ شود. همچنین در خنک‌ سازی سریع ممکن است به دمایی برسد که با وجود ناقص بودن واکنش و آستینیت باقی‌ مانده، آلیاژ آهن و کربن تشکیل نشود.

عنصر آلیاژی	نماد	درصد تقریبی (%)	نقش در فولاد BOZ
کربن	C	0.35 – 0.45	افزایش استحکام و سختی
سیلیسیم	Si	0.15 – 0.40	افزایش استحکام و اکسیژن زدایی
منگنز	Mn	0.50 – 0.80	بهبود سختی پذیری و استحکام
کروم	Cr	0.90 – 1.20	افزایش مقاومت سایشی و سختی پذیری
نیکل	Ni	1.30 – 1.70	بهبود چقرمگی و مقاومت ضربه ای
مولیبدن	Mo	0.15 – 0.30	افزایش استحکام در عملیات حرارتی
فسفر	P	≤0.035	کنترل ناخالصی
گوگرد	S	≤0.035	کنترل ناخالصی و بهبود ماشین کاری

این جدول آنالیز فولاد boz و محدوده تقریبی ترکیب شیمیایی فولاد boz را نشان می دهد. حضور همزمان نیکل، کروم و مولیبدن باعث شده این فولاد از استحکام، سختی پذیری و چقرمگی مناسبی برخوردار باشد و برای قطعات صنعتی تحت بار و تنش بالا انتخاب شود. البته مقادیر دقیق عناصر ممکن است بسته به استاندارد تولید و شرکت سازنده کمی متفاوت باشد.

خواص مکانیکی فولاد BOZ

خواص مکانیکی یکی از مهم ترین معیارها در ارزیابی عملکرد فولادهای صنعتی محسوب می شود؛ زیرا این ویژگی ها تعیین می کنند قطعه در برابر نیرو، سایش، ضربه و تنش چه رفتاری خواهد داشت. هنگام بررسی مشخصات فولاد boz، بخش مهمی از ارزیابی به مقاومت مکانیکی، سختی و چقرمگی آن مربوط می شود. بسیاری از فعالان صنعتی علاوه بر تحلیل فنی، همزمان شرایط بازار و قیمت آهن را نیز در انتخاب متریال مناسب در نظر می گیرند؛ زیرا هزینه نهایی پروژه می تواند تحت تاثیر نوع فولاد قرار گیرد. شناخت دقیق خواص فولاد BOZ و تاثیر ترکیب شیمیایی فولاد boz بر عملکرد آن، انتخاب آگاهانه تری را برای کاربردهای صنعتی فراهم می کند.

ویژگی مکانیکی	مقدار تقریبی / وضعیت
مقاومت کششی	بالا
مقاومت تسلیم	مناسب
سختی فولاد boz	متوسط تا بالا
چقرمگی	مطلوب
مقاومت به ضربه	خوب
مقاومت به سایش	مناسب
قابلیت ماشین کاری	خوب
سختی پذیری	بالا
پایداری مکانیکی	مطلوب

همان طور که جدول نشان می دهد، خواص فولاد boz ترکیبی از استحکام، سختی و چقرمگی را ارائه می دهد که آن را برای قطعات صنعتی تحت تنش مناسب می سازد. این ویژگی ها تحت تاثیر مستقیم آنالیز فولاد boz و عناصر آلیاژی موجود در ساختار آن قرار دارند. به همین دلیل این فولاد در دسته فولاد آلیاژی قرار می گیرد و در ساخت قطعاتی که نیاز به دوام و تحمل بار بالا دارند، مورد توجه قرار می گیرد. شناخت boz material و ویژگی های آن نقش مهمی در تعیین صحیح کاربرد فولاد boz در صنایع مختلف دارد.

عملیات حرارتی فولاد BOZ

بهبود عملکرد مکانیکی فولاد BOZ تا حد زیادی به فرآیندهای حرارتی وابسته است و کنترل دقیق دما در این فولاد اهمیت زیادی دارد. عملیات حرارتی فولاد BOZ معمولا با هدف افزایش استحکام، کنترل ریزساختار و ایجاد تعادل میان سختی و چقرمگی انجام می شود. فرآیندهایی مانند آستنیته کردن، کوئنچ و تمپر باعث می شوند ساختار داخلی فولاد تغییر کرده و خواص مکانیکی مطلوب تری ایجاد شود. این فرآیندها مستقیما تحت تاثیر ترکیب شیمیایی فولاد boz و میزان عناصر آلیاژی قرار دارند.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، سخت کاری فولاد BOZ برای افزایش مقاومت سطحی و تحمل تنش های مکانیکی انجام می شود. انتخاب صحیح دمای حرارت دهی، مدت زمان نگهداری و نرخ خنک کاری اهمیت زیادی دارد؛ زیرا هرگونه خطا می تواند باعث کاهش چقرمگی یا ایجاد تنش های داخلی شود. به همین دلیل بررسی دقیق آنالیز فولاد boz و شناخت کامل مشخصات فولاد boz پیش از اجرای فرآیند حرارتی ضروری است.

ترکیب شیمیایی فولاد boz

در خنک‌ سازی با سرعت زیاد، مانع از انجام عملیات دگرسازی فیزیکی می‌ شود و به‌ جای فاز باینیت، فاز مارتنسیت تشکیل می‌ دهد که در آن اتم آهن و کربن پخش نشده؛ در نهایت با تغییر شکل بلورهای آستینیت با وجوه تخت به ساختارهای مکعبی هشت‌ ضلعی، فلز سخت و شکننده تولید می‌ شود. این فاز نامتوازن فقط در دمای کم تشکیل می‌ شود، که نیروی محرکه انجام واکنش برای مقابله با فشار ناشی از دگرسازی فیزیکی کافی است. این تغییر اساساً وابسته به زمان نیست و تغییر فاز فقط به اینکه دمای خنک‌ سازی زیر دمای شروع فاز مارتنزیت باشد، بستگی دارد. به‌ علاوه وقتی تغییر شکل بدون پخش شدن اتم‌ ها انجام شود، ترکیب تولید شده ویژگی‌ های آستینیت منشأ را دریافت می‌ کند.

ایجاد فاز باینیت برای تشکیل فولاد boz در بازه دمایی (تقریباً بین 300 درجه سانتیگراد تا 500 درجه سانتیگراد) بین خنک‌ سازی سریع و کند، رخ می‌ دهد. در این بازه دمایی خود پخشی اتم‌ های آهن محدود می‌ شود ولی نیروی محرکه کافی برای تشکیل فاز مارتنسیت وجود ندارد. وقتی فاز باینیت بدون پخش آهن توسعه یابد، در حالیکه اتم‌ های کربن پخش‌ شده و رسوب می‌ کنند، فولاد boz تشکیل می‌ شود. همچنین فاز باینیت خود به دو بخش فاز باینیت بالا و باینیت پایین تقسیم می‌ شود؛ به‌ عبارت‌ دیگر اگر تشکیل فولاد boz در نزدیکی دمای 300 درجه سانتیگراد باشد، باینیت پایین؛ و اگر در نزدیکی دمای 450 درجه سانتی‌ گراد باشد باینیت بالا تشکیل خواهد شد.

• باینیت بالا

باینیت بالا در میخ‌ های دمای 400 تا 550 درجه سانتیگراد تشکیل می‌ شود. این میخ‌ ها شامل چند لت هیدروکسید آهن هستند که تقریباً به‌ طور موازی نسبت به یکدیگر قرارگرفته‌ اند و با آستینیت اطراف در ارتباط هستند؛ اگرچه این ارتباط با پایین آمدن دمای تغییر کم‌ کم از بین می‌ رود. هیدروکسید آهن در این میخ‌ ها حاوی کربن با غلظت کمتر از 0.03% است که باعث ایجاد آستینیت غنی از کربن در اطراف این لت‌ ها می‌ شود. میزان فولاد که بین لت‌ ها تشکیل می‌ گردد بر اساس غلظت کربن در فولاد است که برای فولاد با کربن کم، به‌ طور معمول نوار غیر پیوسته یا ذره‌ های کوچک فولاد بین لت‌ ها به وجود می‌ آید و برای فولاد با کربن زیاد، نوارهای پیوسته در طول لت‌ های هم‌ جوار به وجود خواهد آمد.

• باینیت پایین

باینیت پایین در بازه دمایی 250 تا 400 درجه سانتیگراد تشکیل می‌ شود و در مقایسه با باینیت بالا اغلب فرم صفحه‌ ای شکل می‌ گیرد. در باینیت پایین برخلاف باینیت بالا فاصله زیادی بین لت‌ ها وجود دارد. همچنین در باینیت پایین با کاهش دمای عملیات دگرسازی، سطح صاف هیدروکسید آهن تغییر می‌ کند. در باینیت پایین، بلورهای فولادی در حد فاصل بین هیدروکسید آهن و آستنیت قرار می‌ گیرند.

اختلاف دیگر بین باینیت پایین و بالا ناشی از میزان و سرعت پخش کربن در دمای تشکیل است. در دمای زیاد، کربن به‌ سرعت از هیدروکسید آهن تازه تشکیل‌ شده، دور می‌ شود و در رسوبات آستینیت غنی‌ شده از کربن بین صفحات هیدروکسید آهن، کاربید تشکیل می‌ دهد. در دمای کم کربن به‌ کندی پخش می‌ شود و احتمال دارد قبل از اینکه بتواند باینیت را ترک کند، رسوب نماید.

کاربرد فولاد boz

فولاد boz برای اغلب بخش‌ های صنعتی، به‌ خصوص برای کاربردهایی که به مقاومت کششی و عملکرد بالاتری نیاز دارند، استفاده می‌ شود. برخی از کاربردهای معمول آن عبارتند از:

• چرخ‌ دنده فرود هواپیما
• خودرو
• حفاری نفت و گاز
• آهنگری
• ریخته‌ گری گرم و سرد
• ماشین‌ سازی
• سیستم‌ های انتقال، مانند چرخ‌ دنده‌ ها و شافت‌ های انتقال نیرو.
• صنایع مهندسی عمومی و کاربردهای ساختاری مانند: شافت‌ های سنگین، چرخ‌ دنده‌ ، محور ، دوک‌ ، کوپلینگ‌ ، پین‌ ، چوب‌ ها، قالب‌ ها و غیره

مزایا و معایب فولاد BOZ

در ارزیابی فولادهای صنعتی تنها بررسی مقاومت مکانیکی کافی نیست و باید مزایا و محدودیت های هر متریال نیز مورد توجه قرار گیرد. فولاد BOZ به دلیل ساختار آلیاژی و قابلیت عملیات حرارتی، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می گیرد. فرآیندهایی مانند بازپخت نیز می توانند روی بهبود برخی ویژگی های این فولاد تاثیرگذار باشند و انعطاف بیشتری در فرآیند تولید ایجاد کنند. شناخت مزایا و معایب این فولاد به انتخاب بهتر boz material و تعیین دقیق کاربرد فولاد boz کمک می کند.

مزایای فولاد BOZ:

• استحکام مکانیکی بالا
• سختی پذیری مناسب
• مقاومت خوب در برابر سایش
• چقرمگی مطلوب
• قابلیت عملیات حرارتی
• قابلیت ماشین کاری مناسب
• دوام بالا در شرایط کاری سنگین
• مناسب برای قطعات صنعتی تحت بار

معایب فولاد BOZ:

• مقاومت خوردگی محدود
• نیاز به کنترل دقیق عملیات حرارتی
• دشواری نسبی در برخی فرآیندهای جوشکاری
• احتمال ایجاد تنش داخلی در سخت کاری نامناسب
• نیاز به پوشش یا محافظت در محیط های خورنده
• هزینه بالاتر نسبت به برخی فولادهای ساده کربنی

یکی از مؤثرترین روش‌ ها برای افزایش مقاومت در فولادها، تشکیل فاز باینیت از طریق عملیات حرارتی تقویت‌ کننده است. فولاد boz حاوی کروم، نیکل و مولیبدن بوده و به دلیل مقاومت کششی و استحکام بالا شناخته‌ شده است. همچنین از این فولاد برای تولید قطعات هواپیما و اتومبیل مانند محورها، چرخ‌ دنده‌ ها، میل‌ لنگ، پیستون‌ ها، تاج‌ ها و سایر اجزای سازنده که نیاز به مقاومت و انعطاف‌ پذیری بالا دارند، استفاده می‌ شود.

به‌ عنوان‌ مثال، تشکیل فولاد boz با ایجاد تغییر شکل فیزیکی در زیر ساختارهای باینیت رخ می‌ دهد. این ریزساختار متشکل از مخلوط‌ های غیر لایه‌ ای کاربید و هیدروکسید آهن بوده که میتوان آن‌ ها را به باینیت بالا و پایین طبقه‌ بندی کرد. باینیت پایین در دمای پایین و باینیت بالا در دمای بالا تغییر شکل فیزیکی در ساختار فولاد ایجاد می‌ کنند. با توجه به کربن موجود در ترکیب، میزان مشخصی از مقاومت و سختی در فولاد boz ایجاد می‌ شود.

سوالات متداول