لا يوجد للصلب درجة حرارة انصهار واحدة؛ فبحسب تركيبته وبنيته المجهرية سوليدوس-ليكويدوس تقع النافذة عادةً بين ≈1,370 درجة مئوية و1,530 درجة مئوية (2,500-2,800 درجة فهرنهايت) لمعظم أنواع الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ الشائعة. يذوب الحديد النقي عند حوالي 1,538 درجة مئوية (2,800 درجة فهرنهايت)وعناصر السبائك، ومحتوى الكربون وتاريخ المعالجة يغيران درجات الحرارة الدقيقة؛ لذلك يستخدم المهندسون نطاقات الذوبان (من الصلب إلى السائل) بدلاً من درجة حرارة واحدة ثابتة عند تصميم عمليات الصهر والصب واللحام.
ماذا تعني "درجة الانصهار" بالنسبة للفولاذ: الصلب مقابل السائل
لا تتحول المعادن التي هي عبارة عن سبائك - مثل الصلب - عادةً من صلب إلى سائل على الفور عند درجة حرارة واحدة. وبدلاً من ذلك يوجد
-
سوليدوس - درجة الحرارة التي يظهر عندها السائل الأول عند التسخين.
-
ليكويدوس - درجة الحرارة التي تذوب عندها آخر مادة صلبة وتصبح السبيكة سائلة بالكامل.
وبين هاتين الدرجتين، توجد المادة كمزيج من المرحلتين الصلبة والسائلة. بالنسبة للعديد من أنواع الفولاذ، يتم الفصل بين المرحلتين الصلبة والسائلة بعشرات إلى مئات الدرجات حسب التركيب، ولهذا السبب يتحدث الممارسون عن نطاق الذوبان بدلًا من قيمة واحدة. مخطط طور الحديد والكربون (Fe-C) هو الخريطة الأساسية لفهم هذه التحولات في الفولاذ المحتوي على الكربون.
الحديد النقي مقابل الفولاذ التجاري - الأرقام الأساسية
-
حديد نقي:: درجة الانصهار المقتبسة عادةً ≈ 1,538 درجة مئوية (2,800 درجة فهرنهايت). هذه هي نقطة الارتكاز المرجعية للفولاذ.
-
الفولاذ الكربوني:: تنخفض نطاقات الذوبان الكامل النموذجية للفولاذ الخفيف إلى الفولاذ عالي الكربون تقريبًا 1,370-1,540 درجة مئوية (2,500-2,800 درجة فهرنهايت)؛ يميل الكربون المرتفع إلى توسيع وخفض الصلابة قليلاً في بعض التركيبات بينما يرفع السائل في تركيبات أخرى بسبب تفاعلات Fe-C المعقدة.
-
الفولاذ المقاوم للصدأ:: حسب الرتبة، عادةً ما ينصهر الفولاذ المقاوم للصدأ في نطاق قريب من 1,375-1,510 درجة مئوية (2,507-2,770 درجة فهرنهايت)؛ عادةً ما يكون للدرجات الأوستنيتي مثل 304 و 316 قيم سائلة في حدود 1,400-1,450 درجة مئوية ولكن مع انتشار من درجة إلى أخرى.
تعامل مع ذوبان الصلب كنطاق؛ استخدم أوراق البيانات الخاصة بالدرجة عند التخطيط لأعمال الصهر أو الصب أو المعالجة الحرارية.
كيف يغير الكربون سلوك الانصهار (علاقات طور Fe-C)
يُغيّر الكربون بعمق خريطة طور الحديد وسلوك الانصهار. النقاط الرئيسية:
-
يقلل الكربون من درجة حرارة انصهار السائل الغني بالحديد بالنسبة للحديد النقي في نوافذ تركيب معينة ويخلق سهل الانصهار/سهل الانصهار في مخطط Fe-C. إن الملامح المستخدمة على نطاق واسع سهل الانصهار (ليدبوريت) يحدث بالقرب من ~ 4.3 وات1T% C عند درجة حرارة 1,147 درجة مئوية للأنظمة المستقرة؛ يوتكتويد (تكوين البيرلايت) عند ≈0.76 وات% C و≈727 درجة مئوية (ظاهرة مختلفة). وتفسر هذه السمات سبب تصلب الحديد المصبوب والسبائك فائقة الانصهار بشكل مختلف عن الفولاذ.
-
بالنسبة إلى الفولاذ النموذجي (0.02-2.0 بالوزن % C)، يزداد الفصل بين الصلب/السائل مع الكربون ومع بعض الإضافات من السبائك؛ وبالتالي فإن التدفق الحراري أثناء الذوبان/التصلب يعتمد على التركيب.
تأثير عناصر السبائك الشائعة على درجة الانصهار
تعمل عناصر السبائك على إزاحة السبيكة الصلبة والسائلة في اتجاهات ومقادير مختلفة. فيما يلي جدول مضغوط يلخص التأثيرات النوعية النموذجية.
الجدول 1 - التأثير النموذجي لعناصر السبائك على سلوك انصهار الصلب
| العنصر | الدور النموذجي في الصلب | التأثير على درجة الانصهار (نوعي) |
|---|---|---|
| الكربون (C) | الخلالي المتصلب الرئيسي | يغير التصلب/السائل؛ يمكن أن يوسع نطاق الانصهار؛ تأثير معقد يعتمد على wt% |
| الكروم (Cr) | مقاومة التآكل، كربيد الكربيد السابق | غالبًا ما يرفع السائل قليلاً؛ يمكن أن يوسع نطاق الانصهار |
| النيكل (ني) | يعمل على استقرار الأوستينيت، ويحسن الصلابة | تميل إلى أقل الصلبة/السائلة بشكل متواضع في العديد من السبائك المقاومة للصدأ |
| المنجنيز (Mn) | مقوي ومزيل للأكسدة | انخفاض طفيف في درجة حرارة الانصهار؛ تشكل مركبات منخفضة الانصهار إذا كانت مفرطة |
| السيليكون (Si) | مزيل الأكسدة، القوة | يقلل من الانصهار قليلاً؛ يساعد على السيولة في الصب |
| الموليبدينوم (Mo) | قوة عالية الحرارة | يرفع سلوك الانصهار للمصفوفة؛ ويشكل كربيدات عالية الانصهار |
| الفاناديوم (V)، التيتانيوم (Ti) | صقل الحبيبات وتشكيل الكربيدات | مركب: يمكن أن يشكل كربيدات عالية الانصهار تؤثر محليًا على الصلابة/السائل |
(ملحوظة: تتطلب التحولات الكمية حسابًا ديناميكيًا حراريًا - استخدم قواعد البيانات الكيميائية الحرارية أو CALPHAD للتنبؤات الدقيقة).
ملاحظة عملية رئيسية: تركيبات العناصر ليست مضافة؛ يمكن أن تؤدي التفاعلات (على سبيل المثال، Cr+Ni في الفولاذ المقاوم للصدأ) إلى تحولات غير خطية.
نطاقات الانصهار النموذجية لعائلات الصلب الشائعة (جداول)
فيما يلي جداول مرجعية عملية وملائمة للمهندسين تم تجميعها من أوراق البيانات المعدنية ومجموعات الصناعة (استخدمها كدليل؛ تحقق دائمًا من أوراق بيانات الموردين للتحكم في العمليات الحرجة).
الجدول 2 - نطاقات الانصهار التمثيلية لأنواع الفولاذ الشائعة
| عائلة/درجة الفولاذ | الصلب النموذجي → السائل (درجة مئوية) | درجة فهرنهايت نموذجية |
|---|---|---|
| الحديد النقي (Fe) | 1,538 1,538 (نقطة واحدة) | 2,800 |
| فولاذ منخفض الكربون (طفيف) (≈0.05-0.25% C) | ≈1,420 → 1,470 | 2,588 → 2,678 |
| فولاذ متوسط الكربون (≈0.25-0.60% C) | ≈1,430 → 1,490 | 2,606 → 2,714 |
| فولاذ عالي الكربون (≈0.60-1.2% C) | ≈1,400 → 1,540 | 2,552 → 2,804 |
| أوستنيتي غير قابل للصدأ (304) | ≈1,400 → 1,450 | 2,552 → 2,642 |
| أوستنيتي غير قابل للصدأ (316) | ≈1,375 → 1,400 | 2,507 → 2,552 |
| حديد غير قابل للصدأ (430/410) | ≈1,425 → 1,510 | 2,597 → 2,750 |
| فولاذ الأدوات (يختلف على نطاق واسع) | 1,350 1 → 1,550 1 (حسب السبيكة) | 2,462 → 2,822 |
كيفية قياس درجات الانصهار في المختبر
التقنيات المختبرية الشائعة:
-
المسح الحراري التفاضلي (DSC) - يقيس التدفق الحراري ويحدد تغيرات الطور (قمم التصلب والسيلان).
-
التحليل الحراري التفاضلي (DTA) - مبدأ مماثل؛ يسجل القمم الماصة للحرارة أثناء الذوبان.
-
الفحص المجهري في درجات الحرارة العالية - يسجل بصريًا بداية الذوبان.
-
جهاز قياس درجة الانصهار والقياس الحراري - بالنسبة للسبائك ذات درجات الحرارة العالية، تُستخدم البيرومترات البصرية والمزدوجات الحرارية في الأجواء الخاضعة للتحكم.
-
نمذجة الكالفاد/الديناميكية الحرارية - يتنبأ بحدود الطور من التركيب، وغالبًا ما يُستخدم لتوليد سبيكة صلبة/سائلة للسبائك المعقدة.
يتطلب القياس تحكماً دقيقاً في الغلاف الجوي (التفريغ أو الغاز الخامل) لأن الأكسدة تغير السلوك المرصود؛ كما أن حجم العينة ومعدل التسخين يؤثران على نطاقات الذوبان الظاهرة.
الصهر الصناعي: الأفران والتحكم في درجة الحرارة
يتم صهر الفولاذ وتكريره في عدة أنواع من الأفران؛ ولكل منها آثار على درجة الحرارة/الغلاف الجوي:
-
أفران القوس الكهربائي (EAF) - مرنة وعالية الطاقة؛ تُستخدم لإعادة صهر الخردة والتحكم في السبائك. مثالية للفولاذ المتخصص والصهر على دفعات أصغر.
-
أفران الحث الحثي - نظيفة وفعالة لعمليات التسخين الصغيرة؛ تحكم جيد في درجة الحرارة والخلط.
-
فرن الأكسجين الأساسي (BOF) - يحول المعدن الساخن من الفرن العالي إلى صلب؛ يعمل بتدفق حراري مرتفع للغاية ولكن له أهداف عملية مختلفة (إزالة الكربون).
-
القبة - فرن صب الحديد القديم؛ يستخدم إلى حد كبير في صناعة الحديد الزهر، وليس في صناعة الصلب الحديثة.
يهدف المشغّلون إلى التسخين فوق درجة حرارة السائل للصب ولكن مع التحكم في درجة حرارة الحمام الفائقة (درجات فوق درجة حرارة السائل) لتنظيم السيولة وتطور الغاز وحركية التصلب. وتؤثر الحراريات والغلاف الجوي للفرن وممارسة إزالة الأكسدة بشدة على نظافة الذوبان وسلوك الذوبان الظاهري.
اللحام، واللحام بالنحاس، والطرق بالنحاس، والتشكيل - ما هي درجات الحرارة المهمة
بالنسبة للتصنيع، فإن نطاق الذوبان أقل أهمية من الحالة الصلبة درجات حرارة التحويل و درجات حرارة العمل الآمنة:
-
اللحام:: يذيب اللحام المواد الموضعية؛ وتتجاوز درجات حرارة اللحام الفعالة السوائل الموضعية، ولكن سلامة اللحامات تعتمد على كيمياء البركة والتخفيف ومعدل التبريد. يعد تجنب التسييل الموضعي في المناطق المتأثرة بالحرارة (HAZ) مصدر قلق رئيسي.
-
اللحام بالنحاس/اللحام:: استخدام معادن حشو ذات نقاط انصهار أقل من الصلب الصلب للربط دون ذوبان المعدن الأساسي.
-
التزوير:: يتم التشكيل على الساخن تحت درجة الانصهار ولكن فوق نطاقات إعادة التبلور (على سبيل المثال، نطاق التبلور الأوستنيتي). بالنسبة للفولاذ، تتراوح درجات حرارة التشكيل عادةً من 900-1,250 درجة مئوية تقريبًا حسب الدرجة.
سلوك المواد على مقربة من الانصهار: القوة والأكسدة والبنية المجهرية
عند الاقتراب من منطقة الانصهار تنخفض قوة الفولاذ الميكانيكية بسرعة؛ وتتسارع الأكسدة السطحية والتكلس؛ ويمكن أن تتحلل الكربيدات والرواسب الأخرى أو تتخشن. في الفولاذ المقاوم للصدأ، تتفكك أغشية الأكسيد الواقية عند درجات الحرارة المرتفعة؛ بالنسبة للعديد من التطبيقات حدود درجة حرارة الخدمة يتم تعيينها أقل بكثير من الانصهار للحفاظ على الخواص الميكانيكية والتآكل. توفر BSSA وأوراق بيانات الشركة المصنعة درجات حرارة الخدمة المستمرة القصوى الموصى بها والمختلفة عن درجات حرارة الانصهار.
المعايير وطرق الاختبار ومراقبة الجودة
تشمل المعايير والمراجع ذات الصلة للاختبار والمواصفات ما يلي:
-
ASTM معايير التحليل الكيميائي والاختبارات المتعلقة بالذوبان (انظر معايير ASTM لتحليل الصلب واختبار السبائك).
-
الأيزو المعايير التي تغطي تصنيف الصلب واختباره.
-
كتيب ASM وتغطي الفصول الفنية عمليات الصهر والأفران والمعالجة الحرارية. تستخدم المعامل المعدنية العملية المزدوجات الحرارية المعايرة، والأجواء الخاملة، والمواد المرجعية القياسية (SRMs) عند الإبلاغ عن بيانات الذوبان/الصلب/السائل.
ملاحظات عملية للصب وإعادة التدوير والسلامة
-
الصب:: اختر الحرارة الفائقة للذوبان بعناية - منخفضة للغاية تسبب ضعف السيولة؛ مرتفعة للغاية تزيد من التقاط الغازات وتآكل الحراريات. تساعد الملقحات والتدفقات على التحكم في التصلب.
-
إعادة التدوير (صهر الخردة):: يختلف التركيب؛ التحكم في العناصر المتشردة (النحاس، والسن، والفوسفور) أكثر أهمية من التحولات الصغيرة في نقطة الانصهار.
-
السلامة:: ينطوي صهر الفولاذ على مخاطر المعدن المنصهر وتناثر الخبث/المعادن والحرارة المشعة الشديدة. استخدم معدات الوقاية الشخصية المناسبة والمراقبة المستمرة لدرجة الحرارة والتحكم في الغازات.
جدول تحويل سريع مفيد (درجة مئوية ↔ درجة فهرنهايت)
الجدول 3 - تحويلات مختارة
| °C | °F |
|---|---|
| 1,350 °C | 2,462 °F |
| 1,375 °C | 2,507 °F |
| 1,400 °C | 2,552 °F |
| 1,425 °C | 2,597 °F |
| 1,450 °C | 2,642 °F |
| 1,475 °C | 2,687 °F |
| 1,500 °C | 2,732 °F |
| 1,525 °C | 2,777 °F |
| 1,538 °C | 2,800 درجة فهرنهايت (حديد نقي) |
الأسئلة الشائعة
-
Q: عند أي درجة حرارة ينصهر الفولاذ؟
A: يعتمد ذلك على الدرجة - النطاقات الشائعة هي ≈°1,370-1,530 درجة مئوية (2,500-2,800 درجة فهرنهايت). استخدم ورقة بيانات الرتبة المحددة لمعرفة القيم الدقيقة للصلب/السائل. -
Q: هل يزيد الكربون من درجة انصهار الفولاذ أم يخفضها؟
A: يغيّر الكربون علاقات الطور Fe-C: يمكنه خفض أجزاء من سلوك الانصهار وتوسيع نطاق الانصهار اعتمادًا على التركيز والمراحل القريبة. -
Q: هل الفولاذ المقاوم للصدأ أعلى انصهارًا من الفولاذ الكربوني؟
A: ليس بشكل موحد - تنصهر العديد من درجات الفولاذ المقاوم للصدأ في نافذة مماثلة للفولاذ الكربوني، على الرغم من اختلاف درجات معينة (على سبيل المثال، 304 ~ 1400-1,450 درجة مئوية، 316 أقل قليلاً). -
Q: لماذا تعتبر النطاقات (الصلبة-السائلة) مهمة للصب؟
A: يحدد النطاق المنطقة الطرية التي تحدث فيها مسامية التغذية والانكماش - يتطلب تصميم الرافعات والبوابات معرفتها. -
Q: هل يمكنك صهر الفولاذ في حدادة الفناء الخلفي؟
A: يتطلب تحقيق الصلب المنصهر بالكامل والتعامل الآمن معه أفرانًا صناعية وأنظمة سلامة صارمة - فحدّادات الفناء الخلفي ليست مناسبة لعمليات الصهر الكامل. -
Q: كيف تؤثر الشوائب مثل الكبريت أو الفوسفور على الانصهار؟
A: فهي تميل إلى تكوين مركبات منخفضة الانصهار أو أطوار الانصهار ويمكن أن تخفض درجات حرارة الانصهار المحلية، مما يسبب أحيانًا ثباتًا ساخنًا. -
Q: هل تغير معدلات التسخين بالقياس الذوبان الملاحظ؟
A: نعم-يمكن أن يؤدي التسخين الأسرع إلى تغيير درجات حرارة البداية المرصودة؛ وتعطي المعدلات الموحدة قيمًا معملية قابلة للتكرار. -
Q: هل درجة الانصهار هي نفسها درجة الحرارة القصوى للخدمة؟
A: لا - تكون درجات حرارة الخدمة أقل بكثير لأن قوة المادة ومقاومة الأكسدة والزحف تحد من درجات الحرارة القابلة للاستخدام أقل بكثير من الانصهار. -
Q: ما هو الفرن الأفضل لصهر سبائك الفولاذ؟
A: يشيع استخدام أفران القوس الكهربائي والأفران الحثية؛ ويعتمد الاختيار على الحجم والطاقة واحتياجات التحكم. -
Q: أين يمكن العثور على سبيكة صلبة/سبيكة سائلة دقيقة لسبيكة مخصصة؟
A: استخدم برنامج الديناميكا الحرارية (CALPHAD)، أو استشر أوراق بيانات المنتج، أو قم بالقياس عن طريق DSC/DTA في مختبر ذي جو مضبوط.
الملخص النهائي
"نقطة انصهار" الفولاذ هي فترة زمنية عملية مدفوعة بكيمياء السبائك وتوازنات الطور. استخدم البيانات الخاصة بالدرجة والقياس المضبوط الجودة عندما تكون درجات الحرارة الدقيقة مهمة. بالنسبة للأعمال الهندسية اليومية، تذكر النطاق النموذجي 1,370-1,530 °Cاستشر أوراق بيانات الموردين لمعرفة درجة حرارة الصلابة/السائل بالضبط، وعمليات التصميم (الصهر، الصب، اللحام) حول سلوك المادة، وليس درجة حرارة واحدة.
مراجع موثوقة
- الكتاب الإلكتروني ل NIST للكيمياء - بيانات الحديد (Fe) المرجعية (بيانات درجة الانصهار)
- كتيب ASM - الفصل الخاص بالصهر (كتيب مصبوبات الصلب / ASM International)
- الجمعية البريطانية للفولاذ المقاوم للصدأ - نطاق درجة حرارة الانصهار للفولاذ المقاوم للصدأ
- PubChem / NCBI - ملخص مركب الحديد (Fe) (درجة الانصهار والبيانات المرجعية)
AR 
EN 
JA 
KO 
DE 
IT 
ES