کربن زدایی فولاد

امروزه فولاد، به یکی از مهمترین و اصلی‌ترین عناصر برای پیشرفت در زمینه صنعت تبدیل شده است و بسیاری از کشورها برای دستیابی به نتایج ارزشمند از صنعت‌های گوناگون، به دنبال تولید فولاد هستند.
فولاد ها، انواع گوناگونی داشته و طی شرایط و فرایندهای منحصر به فرد و بسیار خاصی به مرحله تولید می‌رسند. یکی از کاربردی‌ترین و مفید ترین فرایندهای ساخت فولاد، کربن زدایی است‌.
کربن زدایی، یکی از فرایندهای مهم و اصولی ساختی فولاد است که در آن کربن به طور کامل از بین می‌رود. همانطور که می‌دانید، کربن یکی از اجزای اصلی برای ساخت فولاد محسوب شده و وجود کربن به عنوان یک عنصر افزایش دهنده استحکام فولاد، به شمار می‌رود.
در فرایند کربن زدایی و با حذف کربن، میزان استحکام و مقاومت فولاد به صورت پیوسته کاهش یافته و امکان ایجاد تغییر شکل و انعطاف پذیری در آن به وجود می‌آید.

در ادامه به بررسی بیشتر این فرایند، خواهیم پرداخت.
فرایند کربن زدایی، با از بین رفتن اتم‌های کربن از سطح قطعات فولادی آغاز شده و با کاهش حداکثری این اتم‌ها از سطح آن، پایان می‌یابد. در این روش، میزان کربن بر روی سطح قطعات فولادی به صورت پیوسته کاهش پیدا کرده و هنگامی که فولاد در معرض کربن زدایی قرار می‌گیرد، غلظت کربن علاوه بر لایه رویین، در لایه‌های زیرین نیز دستخوش تغییرات اساسی می‌شود.
جالب است بدانید که در فرایند ساده کربن زدایی و برای حذف کامل اتم‌های کربن، از واکنش آن با عنصرهایی همچون اکسیژن و هیدروژن کمک گرفته می‌شود و این فرایند معمولاً در دمای حدودی ۶۵۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد قابل انجام است.
کربن زدایی، معمولا با هدف دستیابی به ایجاد ویژگی‌های خاص و مورد نیاز در فولاد انجام می‌شود. کربن، عنصری است که برای افزایش مقاومت و استحکام فولاد به آن افزوده می‌شود و حذف آن از سطح فولاد، کاهش استحکام و همینطور افزایش انعطاف پذیری و شکل پذیری بیشتر فولاد را به دنبال خواهد داشت.
کربن زدایی فولاد، معمولاً برای استفاده در ساخت تجهیزات صنعتی که نیاز به تغییر شکل یا انعطاف پذیری خاصی دارند، انجام می‌شود.

در ادامه به بررسی بیشتر این روش، خواهیم پرداخت.

ویژگی‌های دکربوره شدن

همانطور که گفته شد، کربن‌زدایی همان حذف کربن به منظور دستیابی به نتایج کاربردی می‌باشد. همچنین، با استفاده فرایند کربن زدایی یا همان دکربوره شدن، می‌توان خواص و خصوصیات خاص و مناسبی را به فولاد ساخته شده، بخشید.
دکربوره شدن فولاد، با هدف دسترسی به ویژگی‌های منحصر به فردی انجام شده، که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

۱- کاهش استحکام و سختی سطح

۲- افزایش حالت فریت سطح در فولاد

۳- افزایش نرمی، انعطاف پذیری و تغییر شکل فولاد

۴- کاهش میزان کاربید در فولاد

در سال های اخیر و باتوجه به نیاز به فرآیند دکربوره شدن فولاد در صنعت، این روش توسعه یافته و برای پیشرفت و افزایش بهره وری صنایع گوناگون، انجام می‌شود.
همینطور، بهتر است بدانید که فرایند دکربوره شدن یا همان کربن زدایی فولاد، اصولاً به دو صورت ناقص و کامل انجام می‌شود.

۱- نوع ناقص کربن زدایی

در این روش، همانطور که از نامش نیز پیداست، کربن زدایی به صورت ناقص انجام شده و تمامی کربن‌های سطح از بین نمی‌روند. در روش کربن زدایی ناقص، هنوز مقداری از کربن بر روی فولاد باقی مانده و این مقدار به طور کامل حذف نمی‌شود.

۲-  نوع کامل کربن زدایی

از دیگر روش‌های کربن زدایی می‌توان به روش کامل آن اشاره کرد. در نوع کامل کربن زدایی کربن به صورت کامل از سطح فولاد حذف شده و فولاد به طور کامل کربن را از دست می‌دهد.
توجه داشته باشید که فرایند کربن‌زدایی معمولاً در انواع لایه‌های موجود روی سطح انجام شده و عمق این فرآیند بسیار کمتر است.
در رابطه با فرایند کربن زدایی یا همان کربوره شدن فولاد، لازم است در نظر داشته باشید که این فرایند ممکن است به صورت کنترل شده و تحت نظارت یا عکس آن انجام شود و دستیابی به نتایج مفید کربن زدایی تنها در صورتی حاصل می‌شود که این فرایند به صورت کنترل شده و با نظارت دقیق انجام شود.

واکنش‌های کربن زدایی در فولاد

کربن زدایی فرایندی است که صورت گرفتن آن نیازمند انجام واکنش‌های گوناگون با عناصر مختلف در سطح فولاد است. توجه داشته باشید که کربوره شدن فولاد یا کربن زدایی آن برای انواع فولاد های کربنی امکان‌پذیر بوده و این عمل با قرار گرفتن کربن در مجاوره با گازهای اتمسفری اکسیژن و هیدروژن یا حداقل یکی از این دو گاز، روی می‌دهد.
در واقع حذف اتم‌های کربن با از بین رفتن آنها توسط واکنش‌های شیمیایی، قابل انجام است.
در ادامه به برخی از واکنش‌هایی که به فرایند کربن زدایی منجر می‌شوند، اشاره خواهیم کرد.

۱- واکنش‌های کربن و کربن دی اکسید

واکنش کربن و گاز کربن دی اکسید یکی از واکنش‌های متداول در فرایند کربن زدایی به شمار می‌رود.
این واکنش با هدف حذف کامل کربن و تبدیل آن به مونوکسید کربن، انجام می‌شود، که یکی از واکنش‌های کربن زدایی است. این واکنش به صورت زیر است.

۲- واکنش‌های کربن و بخار آب

واکنش کربن و بخار آب، یکی دیگر از واکنش‌های رایج فرایند کربن‌زدایی است که معمولاً به حذف کربن و کاهش مقاومت فولاد منجر می‌شود. طی این واکنش، کربن مونوکسید و هیدروژن تولید خواهند شد.
این واکنش به صورت زیر است.

۳- واکنش‌های کربن و هیدروژن

از دیگر واکنش‌های کربن زدایی، می‌توان به واکنش کربن و هیدروژن اشاره کرد.
در این واکنش معمولاً با قرار گرفتن اتمسفر هیدروژن در کنار کربن، واکنش‌های کربن و هیدروژن و تبدیل آن دو به آمونیاک را شاهد هستیم.
این واکنش نیز با هدف حذف کربن و بهبود سطح فولاد با توجه به کاربرد آن، انجام می‌شود. این واکنش به صورت زیر است.

۳- واکنش‌های کربن و اکسیژن

واکنش‌های کربن و اکسیژن، یکی دیگر از واکنش‌های رایج کربن‌زدایی به شمار می‌روند.
این واکنش ها در اثر قرارگیری کربن و اکسیژن در شرایط ویژه و با هدف از بین بردن کامل کربن از سطح فولاد و تبدیل به کربن دی اکسید انجام می‌شوند. این واکنش به صورت زیر است.
علاوه بر این واکنش‌ها، واکنش‌های دیگری نیز وجود دارند که می توانند به عنوان واکنش کربن زدایی یا کربوره شدن، معرفی شوند.
البته، توجه داشته باشید که در صورتی که قطعات فولادی بدون کنترل دچار کربن زدایی شوند، ممکن است دچار تغییر خاصیت شده و عملکرد کاربردی را به طور کامل مختل کنند.

روش‌های کربن زدایی فولاد در صنعت

با توجه به رشد هر ساله علم و فناوری و کاربرد گسترده انواع فولاد در زمینه صنعت و همینطور ساخت صنایع گوناگون و تجهیزات صنعتی، امروزه انواع فولاد با روش‌ها و فرایندهای مختلف تولیدی، به مصرف می‌رسند.
کربن زدایی، نیز از این قاعده مستثنی نبوده و یکی از روش های نوین ارتقا فولاد، به شمار می رود.
به سبب بهره گیری از این روش، بسیاری از صنایع با رشد گسترده‌ای مواجه شده‌اند و این فرایند را به عنوان تکنیک ضروری در صنعت تبدیل کرده‌اند.
کربن زدایی، اغلب در سطح فولاد انجام شده و خواصی را که در این ناحیه از فولاد وجود دارد را تحت تاثیر قرار داده است.
فولادهایی که تحت فرایند نسبتا پیچیده کربن زدایی تولید می‌شوند، علاوه بر انعطاف پذیری بالا، اغلب از خواص ضد سایشی برخوردار هستند.
با توجه به رشد گسترده این فرایند و طی استفاده بالا از آن در صنعت، روش‌های گوناگونی برای انجام این فرایند در صنعت به میدان آمدند.

در ادامه به معرفی برخی از روش‌های رایج کربن زدایی فولاد در صنعت، اشاره خواهیم کرد.

کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن

کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن، یکی از روش‌های پرطرفدار و محبوب کربوره شدن یا همان کربن زدایی به شمار می‌روند. کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن معمولاً برای ساخت و تولید انواع فولادهای ضد زنگ انجام می‌شود.
تولید فولادهای ضد زنگ، سبب کاربرد گسترده آنها در صنایع و شرایطی شده که تجهیزات فولادی به طور مداوم در دمای معتدل و هوای مرطوب قرار دارند.
در روش کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن معمولاً اکسیژن به صورت افزایشی در خلأ قرار گرفته و سبب کاهش انواع ترکیباتی خواهد شد که به صورت اکسید شونده در فولاد قرار دارند.
از جمله ترکیبات اکسید شونده فولاد می‌توان به وجود عنصر کربن، اشاره کرد.
البته همانطور که پیش تر گفته شد، توجه داشته باشید که در روش کربن زدایی فولاد با اکسیژن، اکسیژن به صورت عنصر غالب در فرآیند ذوب فولاد با کربن واکنشی کربنی می دهد و درصورت ترکیب، به عنصری به نام کربن مونوکسید تبدیل می شود.
سپس، کربن مونوکسید تولید شده از طریق سرباره های قرار گرفته در حمام های مذاب، راه می یابد و از فولاد جدا می‌شود.
این عملیات به صورت پیوسته رخ داده و با خارج شدن کربن مونوکسید، تمامی کربن های موجود‌روس سطح فلز، از آن خارج می شوند.
بهتر است بدانید که این فرآیند به صورت کنترل شده صورت می‌گیرد و تا زمانی ادامه می‌یابد که کربن خارج شده از سرباره ها به میزان تعیین شده برسد. بدین سبب، کربن زدایی فولاد توسط اکسیژن، یکی از روش‌های بسیار کاربردی و کارساز در صنعت ساخت انواع تجهیزات در صنایعی همچون صنایع خودروسازی، صنایع ساختمان سازی، صنایع ساخت، صنایع ساخت قطعات مورد نیاز برای تهیه محصولات کارخانه‌ای، صنایع پتروشیمی و… محسوب می شود.

کربن زدایی فولاد با استفاده از آرگون و اکسیژن

یکی دیگر از فرایندهای رایج کربن زدایی، کربن زدایی فولاد با استفاده از اکسیژن و آرگون می‌باشد.
این فرایند با توجه به کاربردهای به خصوص و منحصر به فردی که دارد، یکی از روش‌های محبوب صنعتی کربن زدایی محسوب شده و سبب تولید انواع تجهیزات صنعتی و ابزارآلات لازم شده‌ است.
جالب است بدانید که انجام این روش از کربن زدایی مانند روش قبلی، برای تولید فولاد زنگ نزن انجام می‌شود و بسیار کاربردی و رایج است.
البته با استفاده از کربن زدایی به وسیله اکسیژن و آرگون، می‌توان فولادهایی با آلیاژ بسیار بالا تولید کرد که امکان تبدیل به اکسیدهای خود یعنی کروم و آلومینیوم را دارند.
روش کربن با استفاده از آرگون و اکسیژن، با قرارگیری کامل ماده مذاب حاصل از فولاد که در کوره‌های مذاب قرار گرفته است در انواع مخازن aod، آغاز می‌شود.
فولاد در این شرایط از کربن بسیار زیادی برخوردار بوده و با قرار گرفتن در این مخازن، تحت قرارگیری در حضور گاز اکسیژن و آرگون، کربن خود را از دست داده و همینطور دچار کاهش میزان گوگرد می‌شود.
توجه داشته باشید که قرارگیری آرگون و اکسیژن در مجاورت کربن در این روش تحت نظارت کامل و با برنامه‌ریزی‌های دقیق دمایی انجام شده و هرگونه اختلال در این فرایند ممکن است نتیجه را با مشکل مواجه سازد.

همانطور که گفته شد، کربن زدایی فولاد با استفاده از آرگون و اکسیژن، سبب تولید فولادهای زنگ نزن و آلیاژ‌هایی با مقاومت ویژه می شود.
حضور این فولادها در فرایندهای صنعتی و همینطور ساخت و تولید انواع تجهیزات، در بسیاری از موارد امری ضروری محسوب می‌شود.

کاربرد دکربوره چیست؟

با اینکه کربن عضو اصلی برای ساخت فولاد به حساب می‌آید، با ذوب فولاد و حذف این عنصر، می‌توان ویژگی‌ها و قابلیت‌های فوق العاده‌ای را در فولاد به وجود آورد.
کاربردهای کربن‌های ساختی برای تولید فولادهایی با خواص منحصر به فرد و درجه کربن پایین، رایج هستند و از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

۱- ایجاد قابلیت ضد زنگ در فولاد

با استفاده از فرایند کربن زدایی می‌توان ویژگی هایی همچون قابلیت ضد زنگ را در فولاد مورد نظر به وجود آورد. فولاد از کربن ساخته می‌شود، اما زمانی که در کوره‌های مذاب و تحت مجاورت عنصرهایی همچون اکسیژن، کربن دی اکسید، آرگون و هیدروژن قرار می‌گیرد، طی شرایط سخت دمایی و فرایندهای فراهم شده به صورت استاندارد، کربن را از دست داده و کربن زدایی می‌شود.
استفاده از فولاد زنگ نزن در انواع تجهیزات صنعتی و ساخت قطعات در ابزارآلات گوناگون، رایج است.

۲- ساخت فولاد های الکتریکی

از دیگر کاربردهای کربن زدایی، می‌توان به فراهم کردن شرایط برای ساخت فولادهای الکتریکی اشاره کرد. در فرایند ساخت فولادهای الکتریکی، فولاد مورد نظر باید کربن زدایی شود.
در نتیجه فولاد در شرایط سخت دمایی با عناصری همچون نیتروژن، هیدروژن و بخار آب قرار می‌گیرد. مخلوط تشکیل شده از فرایند اکسید شدن فولاد جلوگیری کرده و کمک ویژه‌ای به از دست رفتن کربن بدون خروج اکسیژن می‌کند.

۳- ساخت فولاد انعطاف پذیر

کربن، یکی از عناصر اصلی ساخت فولاد مقاوم و سخت به شمار می‌رود و از دست رفتن آن طی فرایند کربن زدایی، سبب افزایش قابلیت انعطاف پذیری فولاد و امکان شکل دهی آن به قطعات مورد نظر، می‌شود.
با استفاده از فرایند کربن زدایی، می‌توان فولاد را به حالت انعطاف پذیر و قابل استفاده برای تولید انواع تجهیزات صنعتی که ساختاری مشابه آن دارند، استفاده کرد.
امکان دستیابی به تمامی فولادهایی که در اثر فرایند کربن زدایی یا دکربوره شدن به وجود آمده‌اند، وجود دارد و میتوان با فراهم کردن شرایط کوره، دمیدن گازهای مورد نیاز به مقدار استاندارد، اضافه کردن سرباره در کوره و اندازه گیری دقیق، این شرایط را فراهم کرد.
البته باید توجه داشته باشید که مقدار کربن را نمی‌توان با ابزارهای ساده یا چشم بازرسی کرد و برای این کار حتماً به دستگاه‌های تست سختی سنجی فولاد نیاز است.
با استفاده از این دستگاه‌ها می‌توان فرایند را به صورت موثر بهبود بخشید و قابلیت‌های ویژه‌ای در فولاد به وجود آورد.

روش‌های جلوگیری از دکربوره شدن فولاد

همانطور که گفته شد، می‌توان با فرایند دکربوره شدن یا کربن زدایی، ویژگی‌های خاص و خواص مکانیکی فوق العاده‌ای را در فولاد به وجود آورد و از آن برای بهره‌برداری از تجهیزات صنعتی استفاده کرد.
اما اگر فرایند دکربوره شدن به صورت اتفاقی رخ دهد، ممکن است ساختار کلی فولاد را با اختلالات گسترده و چالش‌های سختی مواجه سازد و اگر میزان کربن زدایی ناخواسته به مقدار بالا انجام شود، فولاد غیر قابل استفاده می‌شود.
بسیاری از تولید کنندگان به دنبال روش‌هایی برای جلوگیری از دکربوره شدن فولاد هستند.
در ادامه به برخی از روش‌هایی که امکان جلوگیری از کربن زدایی ناخواسته را به تولید کنندگان این فولاد می‌دهند، اشاره خواهیم کرد.

۱- برای جلوگیری از دکربوره شدن فولاد به صورت ناخواسته می‌توان از دمیدن اتمسفر بی‌اثر یا اتمسفری که در اثر عوامل گوناگون دچار کاهش فشار شده است، استفاده کرد.

۲- از دیگر راه‌هایی که می‌توان برای جلوگیری از کربن زدایی ناخواسته از آنها استفاده کرد، می‌توان به کوتاه کردن زمان قرارگیری فولاد مذاب در کوره‌های حرارتی، اشاره کرد. با کوتاه کردن این زمان، امکان واکنش کربن با اتمسفرهای اطراف وجود نخواهد داشت.

۳- برای جلوگیری از کربن زدایی ناخواسته، می‌توان از مخلوط‌هایی با پودر سیلیسیم کربید و همچنین پودرهای آلومینیوم استفاده کرد. با قرار دادن پودر سیلیسیم کربید و همچنین پودر آلومینیوم بر روی قطعه‌های فولادی، امکان واکنش کربن با عنصرهای گیرنده و از دست رفتن آن، وجود نخواهد داشت.

۴- یکی دیگر از راه‌های جلوگیری از کربن زدایی ناخواسته، آن است که گرایش مقاومتی مناسب و استانداردی را برای مدت زمان محدود، به فولاد مورد نظر اعمال کنیم. با این کار می توان از ترکیب کربن با سایر عناصر همچون اکسیژن، هیدروژن و آرگون، جلوگیری کرد و سطح کربن مناسبی را روی سطح فولاد باقی گذاشت.

روش های جلوگیری از دکربوره شدن فولاد اقداماتی هستند که در فرایند ساخت بسیاری از فولادها، مورد استفاده قرار می‌گیرند. در واقع، با جلوگیری از کربن زدایی ناخواسته، می‌توان بدون تغییر در مقدار کربن فولاد، از فولادهایی با استحکام و مقاومت مناسب برخوردار شد.