فروآلیاژها | معرفی 11 فروآلیاژ مهم و کاربرد آنها
فهرست مطالب
- ۱. فروآلیاژ چیست؟
- ۲. انواع فروآلیاژها در ایران
- ۳. کاربردهای فروآلیاژ در صنعت
- ۴. مزایای استفاده از فروآلیاژها
- ۵. معرفی ۱۱ نوع اصلی فروآلیاژ: ۵.۱ فرومنگنز، ۵.۲ فروسیلیس، ۵.۳ فروکروم، ۵.۴ فرومولیبدن، ۵.۵ فرووانادیوم، ۵.۶ فروتنگستن، ۵.۷ فروتیتانیوم، ۵.۸ فروبور، ۵.۹ فروفسفر، ۵.۱۰ فرونیوبیوم، ۵.۱۱ فروسیلیکومنگنز
فروآلیاژ چیست؟
فروآلیاژ به آلیاژی آهنی گفته می‌شود که شامل آهن و یک یا چند عنصر دیگر (مانند کروم، منگنز, سیلیسیم و غیره) با درصد بالای عنصر آلیاژی است. این مواد به طور گسترده در صنایع متالورژی به‌ویژه صنعت فولادسازی به‌کار می‌روند تا خواص فیزیکی و شیمیایی فولاد را بهبود دهند. فروآلیاژها عموماً به صورت قطعات جامد و شکننده تولید می‌شوند و مستقیماً در کوره‌های ذوب فولاد اضافه می‌گردند. بدین ترتیب می‌توان عناصر آلیاژی را به شکل کنترل‌شده و اقتصادی به مذاب آهن افزود.
انواع فروآلیاژها در ایران
- فروتیتانیوم (Ferrotitanium)
- فرووانادیوم (Ferrovanadium)
- فروبور (Ferroboron)
- فرونیوبیوم (Ferroniobium)
- فروفسفر (Ferro Phosphorus)
- فروتنگستن (Ferrotungsten)
- فرومنگنز (Ferromanganese)
- فروسیلیکون (Ferrosilicon)
- فرومولیبدن (Ferromolybdenum)
- فروکروم (Ferrochrome)
- فروسیلیکو منیزیم (Ferrosilicon Magnesium)
- فروسیلیکومنگنز (Ferrosilicon Manganese)
کاربردهای فروآلیاژ در صنعت
فروآلیاژها نقش اساسی در تولید فولاد و چدن ایفا می‌کنند. برخی از کاربردهای مهم آنها در صنعت عبارت‌اند از:
- اکسیژن‌زدایی: بسیاری از فروآلیاژها مانند فرومنگنز و فروسیلیس با میل ترکیبی بالا نسبت به اکسیژن، به حذف اکسیژن محلول در فولاد مذاب کمک می‌کنند و کیفیت فولاد را بهبود می‌بخشند.
- آلیاژسازی: فروآلیاژها منبع اصلی تأمین عناصر آلیاژی در فولاد هستند. به عنوان مثال، فروکروم برای افزودن کروم و تولید فولاد ضدزنگ، یا فرومولیبدن برای افزایش مقاومت حرارتی فولاد به‌کار می‌روند.
- تنظیم ترکیب شیمیایی: با استفاده از فروآلیاژهای مناسب می‌توان ترکیب شیمیایی فولاد را دقیقاً تنظیم کرد تا خواص مکانیکی معینی (مانند سختی، استحکام کششی، مقاومت به سایش یا خوردگی) حاصل شود.
- تولید چدن‌های آلیاژی: در ریخته‌گری چدن، از فروآلیاژهایی نظیر فروفسفر و فروسیلیکومنگنز برای دستیابی به ترکیب مورد نظر و بهبود سیالیت و ویژگی‌های انجماد استفاده می‌شود.
- کاربرد در سایر صنایع فلزی: در تولید سوپرآلیاژهای پایه نیکل یا کبالت، و نیز در صنایع جوشکاری (مثلاً در پوشش الکترودها)، فروآلیاژهای خاص به عنوان منبع عناصر آلیاژی به‌کار می‌روند.
مزایای استفاده از فروآلیاژها
استفاده از فروآلیاژها در فرآیند تولید فولاد و سایر آلیاژهای آهنی چندین مزیت مهم دارد:
- افزایش بهره‌وری و صرفه‌جویی اقتصادی: تولید و افزودن عناصر آلیاژی به شکل فروآلیاژ (به جای عنصر خالص) هزینهای کمتری دارد و فرآیند ذوب را کارآمدتر می‌کند. جداسازی عنصر خالص (مانند کروم یا منگنز خالص) بسیار دشوار و پرهزینه است، در حالی که فروآلیاژ آن عنصر به‌سادگی در دسترس و قابل استفاده در کوره است.
- سهولت در ترکیب با مذاب: فروآلیاژها معمولاً نقطه ذوب پایین‌تر و انحلال‌پذیری بهتری در آهن مذاب نسبت به عناصر خالص دارند. این ویژگی باعث می‌شود عناصر آلیاژی به طور یکنواخت‌تر در سراسر مذاب پخش شوند و ترکیب همگن‌تری ایجاد گردد.
- بهبود خواص مکانیکی و متالورژیکی: از طریق فروآلیاژها می‌توان خواصی مانند استحکام، سختی، مقاومت به حرارت و مقاومت به خوردگی را در فولاد بهبود داد. برای مثال، افزودن جزئی بور به وسیله فروبور سختی‌پذیری فولاد را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد؛ یا فرو وانادیوم موجب استحکام‌بخشی فولادهای سازه‌ای می‌شود.
- عملکرد چندمنظوره: برخی فروآلیاژها چند کارکرد را به صورت همزمان دارند. مثلاً فرومنگنز همزمان اکسیژن‌زدا است و هم عنصر منگنز را برای آلیاژسازی تأمین می‌کند. این چندمنظوره بودن باعث کاهش تعداد مواد افزودنی و بهبود راندمان تولید می‌شود.
- کنترل ناخالصی‌ها: استفاده از فروآلیاژهای مناسب می‌تواند به کاهش عناصر ناخالص مضر مانند گوگرد و نیتروژن کمک کند. برای نمونه، فروتیتانیوم با گوگرد ترکیب شده و از تشکیل ترکیبات مضر گوگرددار در فولاد جلوگیری می‌کند. همچنین فروسیلیسیم منیزیم (FeSiMg) برای جذب گوگرد در چدن نشکن به کار می‌رود.
معرفی 11 نوع اصلی فروآلیاژ و کاربرد آنها
| ویژگی‌ها | فرومنگنز | فروسیلیس | فروکروم | فرومولیبدن | فرو وانادیوم | فروتنگستن | فروتیتانیوم | فروبور | فروفسفر | فرونیوبیوم | فروسیلیکومنگنز |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| عنصر اصلی | منگنز | سیلیسیم | کروم | مولیبدن | وانادیوم | تنگستن | تیتانیوم | بور | فسفر | نیوبیوم | منگنز و سیلیسیم |
| ترکیب تقریبی | ~۷۵–۸۵٪ منگنز | ~۵۰–۷۵٪ سیلیسیم | ~۵۰–۷۰٪ کروم | ~۵۵–۶۵٪ مولیبدن | ~۵۰–۸۰٪ وانادیوم | ~۷۰–۸۰٪ تنگستن | ~۳۰–۷۰٪ تیتانیوم | ~۱۵–۲۰٪ بور | ~۲۰–۲۵٪ فسفر | ~۶۰–۷۰٪ نیوبیوم | ~۶۰٪ منگنز، ~۱۵٪ سیلیسیم |
| کاربردهای اصلی | اکسیژن‌زدایی فولاد؛ افزایش استحکام و سختی | اکسیژن‌زدایی؛ بهبود خواص الکتریکی فولاد | ایجاد مقاومت به خوردگی و سختی در فولاد | افزایش مقاومت به سایش و خستگی حرارتی | افزایش استحکام و چقرمگی فولاد | افزایش سختی و مقاومت در دمای بالا | اکسیژن‌زدایی؛ کاهش اثرات مضر گوگرد در فولاد | بهبود سختی‌پذیری و استحکام فولاد | افزایش سیالیت چدن؛ آلیاژسازی‌های ویژه | استحکام‌دهی و ریزدانگی ساختار فولاد | اکسیژن‌زدایی و تأمین همزمان Mn و Si |
| صنایع مصرف‌کننده | فولادسازی (فولاد کربنی و آلیاژی) | فولادسازی، ریخته‌گری چدن | فولاد ضدزنگ، فولاد ابزار | فولاد آلیاژی، فولاد ضدزنگ | فولادهای پراستحکام، فولاد ابزار | فولاد ابزار، فولاد تندبر | فولادسازی (کیفی و آلیاژی) | فولادهای بور‌دار (خودرو، نظامی) | ریخته‌گری چدن خاکستری، فولاد خاص | فولادهای کم‌آلیاژ پراستحکام (HSLA) | فولادسازی (کربنی و کم‌آلیاژ) |
فرومنگنز
فرومنگنز آلیاژی از ترکیب آهن و منگنز است که درصد بالایی منگنز (معمولاً حدود ۷۵٪ تا ۸۵٪ وزنی) دارد. این فروآلیاژ یکی از مهم‌ترین اکسیژن‌زداها در فولادسازی محسوب می‌شود و علاوه بر حذف اکسیژن، با ترکیب‌شدن با گوگرد نیز از اثرات مخرب گوگرد بر خواص فولاد می‌کاهد. وجود منگنز همچنین سختی و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد. فرومنگنز بسته به میزان کربن موجود در ترکیب خود، به انواع پرکربن، متوسط‌کربن و کم‌کربن تقسیم می‌شود که هر کدام در کاربردهای خاصی (از فولادهای سازه‌ای تا جوشکاری) استفاده دارند.
فروسیلیس
فروسیلیس (فروسیلیسیم) فروآلیاژی متشکل از آهن و سیلیسیم است که درصد سیلیسیم آن معمولاً بین ۱۰٪ تا ۹۰٪ متغیر بوده و متداول‌ترین گریدهای تجاری آن حدود ۵۰٪ و ۷۵٪ سیلیسیم دارند. فروسیلیس از اساسی‌ترین مواد افزودنی در صنایع فولاد و ریخته‌گری است. مهم‌ترین کاربرد آن اکسیژن‌زدایی فولاد مذاب و جلوگیری از اکسیداسیون ناخواسته عناصر دیگر است؛ علاوه بر این، حضور سیلیسیم در ترکیب فولاد سبب افزایش مقاومت الکتریکی و سختی آن می‌شود. در صنعت ریخته‌گری چدن نیز فروسیلیس برای تنظیم ترکیب شیمیایی و بهبود کیفیت سطحی قطعات استفاده می‌گردد.
فروکروم
فروکروم آلیاژی از آهن و کروم با محتوای کروم بالا (حدود ۵۰٪ تا ۷۰٪ کروم) است. فروکروم اصلی‌ترین منبع تأمین کروم در تولید انواع فولاد آلیاژی به‌ویژه فولادهای ضدزنگ است. افزودن کروم از طریق فروکروم به فولاد، مقاومت آن را در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی افزایش داده و همچنین سختی و استحکام در دماهای بالا را بهبود می‌بخشد. بر اساس میزان کربن، فروکروم در گریدهای کم‌کربن، متوسط‌کربن و پرکربن تولید می‌شود که بسته به نیاز (مثلاً فولاد ضدزنگ کم‌کربن یا فولاد ابزار) به‌کار گرفته می‌شوند. صنایع عمده مصرف‌کننده فروکروم، کارخانجات تولید فولاد ضدزنگ، فولادهای مقاوم به حرارت و ابزارهای برشی هستند.فرومولیبدن
فرومولیبدن فروآلیاژی است که از ترکیب آهن و عنصر مولیبدن تشکیل شده و معمولاً حدود ۶۰٪ وزنی مولیبدن دارد. مولیبدن از عناصر آلیاژی ارزشمند برای تولید فولادهای آلیاژی است و به کمک فرومولیبدن این عنصر به فولاد اضافه می‌شود. مهم‌ترین اثر مولیبدن در فولاد، افزایش مقاومت به سایش و خستگی حرارتی است؛ به همین دلیل، فرومولیبدن در تولید فولادهای ابزار، فولادهای مقاوم به حرارت، فولادهای ضدزنگ مرغوب و چدن‌های نشکن به‌کار می‌رود. اضافه‌کردن مولیبدن همچنین افزایش استحکام فولاد در دماهای بالا و عمق سختی‌پذیری را بیشتر می‌کند.
فرو وانادیوم
فرو وانادیوم آلیاژی است شامل آهن و وانادیوم که بسته به گرید، بین ۵۰٪ تا ۸۰٪ وانادیوم دارد. وانادیوم یک عنصر کلیدی برای بهبود استحکام و مقاومت به ضربه در فولادهای کم‌آلیاژ است. فرو وانادیوم عمدتاً در تولید فولادهای پراستحکام (مانند فولادهای سازه‌ای با استحکام بالا، فولادهای ابزار و فولادهای فنر) مصرف می‌شود. افزودن وانادیوم به فولاد باعث تشکیل کاربیدهای وانادیوم در ساختار آن شده و دانه‌بندی فولاد را ریزتر می‌کند؛ نتیجه این تغییرات، افزایش استحکام تسلیم و مقاومت به سایش فولاد است. همچنین در برخی سوپرآلیاژهای مقاوم به حرارت نیز از فرو وانادیوم استفاده می‌شود.
فروتنگستن
فروتنگستن فروآلیاژی حاوی درصد بالایی از عنصر تنگستن (معمولاً ۷۰٪ تا ۸۰٪ تنگستن) است. تنگستن به دلیل چگالی بالا و نقطه ذوب بسیار زیاد، در فولاد نقش ویژه‌ای ایفا می‌کند. فروتنگستن به منظور ساخت فولادهای ابزار پرسرعت و فولادهای مقاوم به حرارت به کار می‌رود. با افزودن تنگستن از طریق این فروآلیاژ، سختی و مقاومت فولاد در برابر دماهای بالا و سایش شدیداً افزایش می‌یابد؛ به همین خاطر فولادهای حاوی تنگستن برای ابزارهای برشی (مانند تیغه‌های برش و مته‌های حفاری) و همچنین قطعاتی از موتورهای جت و توربین که نیاز به مقاومت حرارتی دارند، استفاده می‌شوند.
فروتیتانیوم
فروتیتانیوم آلیاژی از آهن و تیتانیوم است که بسته به نوع آن می‌تواند حدود ۳۰٪ تا ۷۰٪ تیتانیوم داشته باشد (دو گرید رایج شامل حدود ۳۰٪ Ti و ۷۰٪ Ti است). فروتیتانیوم عمدتاً به عنوان یک اکسیژن‌زدا و احیاکننده در فولادسازی به‌کار می‌رود. تیتانیوم میل ترکیبی زیادی با اکسیژن و نیتروژن دارد و افزودن فروتیتانیوم در مراحل پایانی فولادسازی می‌تواند میزان اکسیژن و نیتروژن باقیمانده در فولاد را کاهش دهد. علاوه بر این، تیتانیوم با گوگرد ترکیب شده و تشکیل ترکیبات سولفیدی پایدار می‌دهد که از یک سو اثرات مضر گوگرد را کاهش می‌دهد و از سوی دیگر با ریزدانگی ساختار، مقاومت و چقرمگی فولاد را بهبود می‌بخشد. فروتیتانیوم در تولید فولادهای تمیز (فولادهای کیفی با خلوص بالا برای کاربردهای حساس)، فولادهای آلیاژی ویژه و چدن‌های نشکن استفاده می‌شود.
فروبور
فروبور فروآلیاژی است که از آهن و عنصر بور تشکیل شده و معمولاً حدود ۱۷٪ تا ۲۰٪ بور دارد. بور علیرغم اینکه به مقدار بسیار کم در فولاد استفاده می‌شود (معمولاً چند صدم درصد)، تأثیر چشمگیری بر افزایش سختی‌پذیری و استحکام فولاد دارد. فروبور راه اصلی افزودن این عنصر مفید به ترکیب فولاد است. با اضافه‌کردن فروبور، بور موجود در آن در ساختار فولاد وارد محلول جامد شده و قابلیت سخت شدن عمقی فولاد را افزایش می‌دهد. نتیجه این است که فولادهای حاوی بور (مثلاً فولادهای مورد استفاده در قطعات خودرو، ادوات کشاورزی و ورق‌های ضدسایش) پس از عملیات حرارتی، سختی و عمر سایشی بسیار بالاتری خواهند داشت. بنابراین فروبور در تولید فولادهای آلیاژی خاص، فولادهای فنر و حتی برخی فولادهای ضدزنگ کاربرد دارد.
فروفسفر
فروفسفر ترکیبی از آهن و فسفر است که در حدود ۲۰٪ تا ۲۵٪ آن را فسفر تشکیل می‌دهد. فروفسفر عمدتاً به عنوان یک ماده افزودنی در ریخته‌گری چدن و تولید برخی فولادهای آلیاژی به کار می‌رود. در تولید چدن خاکستری، افزودن مقدار کنترل‌شده‌ای فروفسفر می‌تواند سیالیت مذاب را افزایش داده و تشکیل گرافیت‌های مناسب‌تر را تسهیل کند. همچنین فسفر می‌تواند سختی و مقاومت سایشی چدن را مقداری افزایش دهد که برای برخی قطعات (مانند چرخ‌های قطار یا لنت‌های ترمز خاص) مطلوب است. هرچند فسفر به‌عنوان ناخالصی در فولاد معمولاً مضر است (زیرا شکنندگی را افزایش می‌دهد)، اما در تولید برخی آلیاژهای آهنی ویژه، از فروفسفر به میزان بسیار کم برای رسیدن به ترکیب شیمیایی مورد نظر استفاده می‌شود. لازم به ذکر است فروفسفر غالباً به عنوان محصول جانبی فرایند تولید فسفر عنصری تولید و عرضه می‌گردد.
فرونیوبیوم
فرونیوبیوم آلیاژی از آهن و نیوبیوم است که معمولاً حاوی ۶۰٪ تا ۷۰٪ نیوبیوم می‌باشد. نیوبیوم از عناصر حیاتی در تولید فولادهای پیشرفته به شمار می‌رود، به ویژه در فولادهای کم‌آلیاژ پراستحکام (HSLA) که در ساخت لوله‌های انتقال نفت و گاز، سازه‌های بزرگ و صنایع خودروسازی استفاده می‌شوند. فرونیوبیوم هنگام اضافه‌شدن به مذاب فولاد، ذرات کاربید نیوبیوم بسیار ریزی تشکیل می‌دهد که باعث ریزدانگی ساختار و افزایش قابل توجه استحکام و مقاومت به خستگی فولاد می‌شود. علاوه بر این، نیوبیوم به بهبود خواص جوش‌پذیری فولاد نیز کمک می‌کند، چون از رشد دانه‌ها در منطقه تحت حرارت جوش جلوگیری می‌نماید. صنایع فولادسازی مدرن برای تولید فولادهای میکروآلیاژ و پراستحکام از فرونیوبیوم بهره می‌گیرند.
فروسیلیکومنگنز
فروسیلیکومنگنز فروآلیاژی است که حاوی هر دو عنصر منگنز و سیلیسیم به‌صورت همزمان می‌باشد (ترکیب معمول آن حدود ۶۰٪ منگنز، ۱۴٪ تا ۲۰٪ سیلیسیم و بقیه آهن به همراه مقدار کمی کربن است). این آلیاژ ترکیبی به طور گسترده در فولادسازی به کار می‌رود زیرا دو نقش را یکجا ایفا می‌کند: تأمین منگنز و سیلیسیم برای مذاب فولاد. فروسیلیکومنگنز همانند فرومنگنز یک اکسیژن‌زدای مؤثر است و همزمان درصد منگنز فولاد را نیز به حد مطلوب می‌رساند. استفاده از این فروآلیاژ به ویژه در تولید فولادهای کربنی و کم‌آلیاژ رایج است زیرا اقتصادی‌تر از افزودن جداگانه فروسیلیس و فرومنگنز می‌باشد. صنایع فولادسازی بزرگ (به خصوص در تولید فولاد ساختمانی و فولادهای کم‌آلیاژ) مصرف‌کننده اصلی فروسیلیکومنگنز هستند.
در صورتی که برای پروژه های صنعتی خود نیاز به مشاوره یا تأمین انواع مواد اولیه و فروآلیاژها دارید، با کارشناسان ما تماس بگیرید.