תוספת סגסוגת אלומיניום (אלומיניום) לפלדות מיוחדות

אלומיניום (Al) בפלדות - תכונות, השפעה על מבנה, ניטרידציה ועמידות בחום

אלומיניום (Al), המכונה גם אלומיניום, הוא אחד היסודות החשובים ביותר המשמשים במטלורגיה של ברזל ופלדה. למרות שהוא מופיע בדרגות רבות בכמויות הנמדדות במאיות האחוז, השפעתו על תהליך הייצור, המיקרו-מבנה ותכונות המוצר המוגמר יכולה להיות משמעותית.
בהתאם לתכולת החומר ולשימוש המיועד, אלומיניום משמש כמחמצן חזק, אלמנט מווסת גודל גרגירים, רכיב היוצר ניטרידים יציבים, ותוסף המשפר את עמידות החמצון בטמפרטורות גבוהות. זה חשוב במיוחד ב... פלדות ניטריד, פלדות כרום-אלומיניום פריטיות וסגסוגות מיוחדות המיועדות לפעולה בטמפרטורות גבוהות.
עם זאת, ההשפעה של אלומיניום אינה תמיד חיובית. תכולת אלומיניום מוגזמת, תנאי התמצקות לא מתאימים או טיפול בחום לא נכון עלולים להוביל להיווצרות משקעים לא רצויים, גמישות מופחתת או הידרדרות בתכונות הטכנולוגיות של הפלדה.

סקירה היסטורית - גילוי האלומיניום ותחילת השימוש בו במטלורגיה

אלומיניום הושג לראשונה בשנת 1825 על ידי פיזיקאי וכימאי דני הנס כריסטיאן אורסטדהמתכת שהשיג עדיין הכילה זיהומים. בשנת 1827, כימאי גרמני פרידריך וולר שיפר את שיטת השגתו, ותרם לפיתוח נוסף של מחקר על יסוד זה.
במשך רוב המאה ה-19, אלומיניום נותר חומר יקר שיוצר בכמויות מוגבלות. פריצת דרך הגיעה בשנת 1886, כאשר צ'ארלס מרטין הול ופול הרו פיתחו באופן עצמאי שיטה לייצור אלומיניום אלקטרוליטי. תהליך הול-רו איפשר את ייצורו התעשייתי, ותהליך באייר, שפותח בשנת 1888, שיפר את הפקת האלומינה מבוקסיט.
פיתוחן של טכנולוגיות אלו תרם להורדת מחירי האלומיניום ולעלייה הדרגתית בשימוש בו במטלורגיה. הזיקה החזקה של אלומיניום לחמצן ויכולתו לקשור חנקן הוכיחו את עצמן כחשובות במיוחד בייצור פלדה.
במחצית הראשונה של המאה ה-20, אלומיניום שימש כמרכיב בטכנולוגיות להסרת חמצון של פלדה מותכת ולוויסות גודל הגרעינים. במקביל, פותחו פלדות סגסוגת המכילות כרום, סיליקון ואלומיניום לשימוש באטמוספרות מחמצנות.
בעשורים שלאחר מכן, גדלה גם חשיבותו של האלומיניום בפלדות ניטריד. השימוש בניטרידים של אלומיניום עמידים במיוחד אפשר ייצור של שכבות פני שטח בעלות קשיות ועמידות גבוהות בפני שחיקה.
כיום, אלומיניום משמש הן בפלדות מבניות מסורתיות והן בחומרים מודרניים העמידים בטמפרטורה גבוהה, סגסוגות FeCrAl וסגסוגות-על ניקל נבחרות.

אלומיניום כאלמנט סגסוגת – תכונות בסיסיות

אלומיניום הוא יסוד כימי עם מספר אטומי 13, מסה אטומית של כ-26,98 יחידות, ונקודת התכה של כ-660 מעלות צלזיוס. הוא מופיע בקבוצה השלישית של הטבלה המחזורית ויש לו זיקה כימית גבוהה מאוד לחמצן.
במטלורגיה של פלדה, התכונות הבאות של אלומיניום הן בעלות חשיבות מיוחדת:

• אפקט חזק של דה-חמצון – אלומיניום קושר ביעילות חמצן מומס בפלדה נוזלית.
• יכולת ליצור ניטרידים – מגיב עם חנקן ליצירת אלומיניום ניטריד יציב AlN.
• ייצוב פריט – אלומיניום מרחיב את שטח עמידות הפריט ומגביל את שטח הופעת האוסטניט.
• השפעה על צמיחת גרעינים – משקעים עדינים של AlN עשויים לעכב את תנועת גבולות הגרעינים של אוסטניט.
• עמידות בפני חמצון – בסגסוגות שתוכננו כראוי הוא משתתף ביצירת שכבת Al₂O₃ מגנה.
• חיזוק פתרונות – אלומיניום המומס במטריצת המתכת עלול להשפיע על חוזקו וקשיחותו.

חשיבותו של אלומיניום תלויה לא רק בתכולה הכוללת של היסוד, אלא גם באיזה חלק ממנו נשאר בתמיסה מוצקה ואיזה חלק מופיע בצורת תחמוצות, ניטרידים או משקעים אחרים.

מסיסות האלומיניום בברזל והשפעתה על מבנה הפלדה

אלומיניום הוא יסוד יוצר פריט. משמעות הדבר היא שהוא מגביר את יציבות מבנה הפריט ומגביל את יציבות מבנה האוסטניט.
מסיסותו של אלומיניום תלויה בצורה האלוטרופית של ברזל, בטמפרטורה ובהרכב הכימי של הסגסוגת.

• γ-ברזל אוסטניט: המסיסות של אלומיניום נמוכה. במערכת Fe–Al, היא מגיעה לכ-0,6–0,65% מסה. תוספת האלומיניום מגבילה את היקף הפאזה האוסטנית.
• ברזל α – פֵרִיט: המסיסות של אלומיניום גדולה בהרבה. במערכת ברזל-אלומיניום ניתן להשיג סגסוגות פריטיות עם תכולת אלומיניום של כמה אחוזים, ובתנאים מסוימים אף גבוהה יותר. בריכוזים גבוהים יותר, הופעת מבנים מסודרים ופאזות בין-מתכתיות הופכת משמעותית.

נוכחות אלומיניום בפריט עשויה לגרום לחיזוק התמיסה, אך בתכולה גבוהה יותר היא גם משנה את התכונות הפלסטיות והטכנולוגיות של החומר.
עם זאת, אין להניח שאלומיניום תמיד מגביר את יכולת ההתקשות של פלדה. השפעתו על יכולת ההתקשות מורכבת ותלויה בהרכב הכימי ובמיקרו-מבנה. בניגוד ליסודות כמו כרום, מנגן, מוליבדן או ניקל, אלומיניום אינו תוסף טיפוסי המשמש להגברת יכולת ההתקשות של פלדות מבניות.
בפועל, החשיבות הגדולה ביותר של תוספות אלומיניום קטנות נובעת מיכולתן ליצור משקעי AlN ולהשפיע על גודל גרגירי האוסטניט.

תפקידי אלומיניום בפלדות - דה-חמצון, מבנה ותכונות מכניות

1. דה-חמצון של פלדה נוזלית

אלומיניום הוא אחד מחומרי החמצון החזקים ביותר המשמשים בהתכת פלדה ובמתכת משנית. כאשר מוסיפים אותו למתכת המותכת, הוא מגיב עם חמצן מומס, מה שמוביל ליצירת תחמוצת אלומיניום עמידה ביותר.
ניתן להציג את התגובה בצורה פשוטה:
2Al + 3O → Al₂O₃
תחמוצת האלומיניום המתקבלת יוצרת תכלילים מוצקים לא מתכתיים. חלק מהם ניתן להסיר מהפלדה באמצעות אידוי סיגים, טיפול מתאים במצקת ובדיקת טוהר מטלורגית.
תהליך זה חשוב במיוחד בייצור פלדות ממותקות, כאשר הגבלת תכולת החמצן המומס מפחיתה את הסיכון להיווצרות בועות גז במהלך ההתמצקות.
דקסידציית אלומיניום משפיעה גם על החזרה של ההרכב הכימי, על איכות המטילים והמוצרים המגולגלים ועל התכונות המכניות שלאחר מכן.
עם זאת, חשוב לזכור ש-Al₂O₃ הוא תרכובת קשה ועמידה מאוד. כמויות מוגזמות או פיזור לא נכון של תכלילי תחמוצת עלולים לפגוע בטוהר הפלדה, להפחית את אורך חיי העייפות ולסבך את תהליך היציקה הרציפה.

2. קיבוע חנקן והגבלת הזדקנות פלדה

התפקיד השני החשוב מאוד של אלומיניום הוא לקשור רכיבים מומסים חַנקָןאלומיניום מגיב איתו ויוצר אלומיניום ניטריד - AlN.
חנקן שנותר בתמיסה מוצקה יכול לגרום להזדקנות עקב מאמץ. בכמה פלדות דלות פחמן, זה מתבטא בעלייה בחוזק הכניעה, ירידה בגמישות ושינויים שליליים במהלך יצירת המוצר.
קישור חנקן בצורה של משקעי AlN יציבים מגביל את כמותו בתמיסה ויכול לשפר את יציבות התכונות הטכנולוגיות של פלדה.
השפעה זו תלויה בתכולת האלומיניום והחנקן, בטמפרטורה ובטיפול בחום. תוספת אלומיניום לבדה אינה מבטיחה סילוק מוחלט של תופעת ההזדקנות.

3. בקרת גודל גרגירי אוסטניט

אלומיניום הוא אחד התוספים החשובים ביותר המשמשים לוויסות גודל הגרעינים בפלדות מבניות.
בפלדות רבות, כמויות קטנות של אלומיניום, בסדר גודל של מאיות האחוז, מספיקות כדי להשיג מבנה גרגירי עדין נוח עם תכולת חנקן מתאימה וטיפול בחום מתאים.
מנגנון זה מבוסס בעיקר על היווצרות חלקיקי AlN עדינים, אשר יכולים לעכב את תנועת גבולות הגרעינים של האוסטניט במהלך חימום.
לשליטה בגודל הגרעינים יש השפעה משמעותית על:

• חוזק כניעה וחוזק החומר,
• חוזק פגיעות ועמידות בפני שבר שביר,
• הומוגניות של המיקרו-מבנה לאחר טיפול בחום,
• חזרתיות של תכונות מכניות,
• התנהגות פלדה במהלך גלגול, חישול וטיפול בחום.

גודל גרגירים דק יכול לשפר הן את החוזק והן את קשיחות השבר. עם זאת, אין זה אומר שככל שתכולת האלומיניום גבוהה יותר, כך החומר טוב יותר.
כמות מוגזמת של AlN או פיזור לא נוח שלה, במיוחד בגבולות הגרעינים, עלולים לגרום לירידה בגמישות החמה ולנטייה מוגברת לסדיקה.

4. השפעת האלומיניום על תכונות מכניות

אלומיניום יכול להשפיע על התכונות המכניות של פלדה בכמה דרכים. החשובות ביותר הן חיזוק פריט בתמיסה, ויסות גודל הגרעינים ויצירת משקעים קבועים.
בפלדות מבניות, בקרת גרגירים חשובה במיוחד, בעוד שבפלדות ניטרידיות היווצרות ניטרידים קשים בשכבת פני השטח משחקת תפקיד דומיננטי.
לכן יש לשקול את השפעת האלומיניום על חוזק, חוזק פגיעות ופלסטיות יחד עם השפעת יסודות סגסוגת אחרים וטכנולוגיית הייצור בה נעשה שימוש.

5. השפעה על תהליכים טכנולוגיים ויכולת ריתוך

אלומיניום יכול להשפיע על התנהגות הפלדה במהלך התמצקות, גלגול, חישול וריתוך. בפלדות שעברו דה-חמצון מאלומיניום, שליטה בתכלילים של Al₂O₃ ושקיעת AlN הופכת חשובה במיוחד.
בתנאים מסוימים, משקעי ניטריד בגבולות הגרעינים יכולים להפחית את משיכות החמה, ותכלילים של תחמוצת המפוזרים בצורה לא נוחה יכולים ליצור אתרי התחלה של סדקים.
אין זה אומר שאלומיניום פוגע אוטומטית ביכולת הריתוך. יכולת הריתוך הסופית תלויה בהרכב הכימי הכולל, בסוג המיקרו-מבנה, בעובי הרכיב, בטכנולוגיית הריתוך ובתנאי הטיפול בחום הנדרשים.

השפעת האלומיניום על עמידות החום של פלדה

אחד השימושים החשובים ביותר של אלומיניום הוא שיפור עמידותן של סגסוגות ברזל לחמצון בטמפרטורות גבוהות.
בפלדות וסגסוגות המכילות אלומיניום שתוכננו כהלכה, יכולה להיווצר שכבה דקה, קומפקטית וגדלה לאט יחסית של תחמוצת אלומיניום Al₂O₃ על פני החומר.
שכבה זו מגבילה את הובלת החמצן ויוני המתכת, ובכך מאטה את חמצון נוסף של המצע. עם זאת, יעילותה תלויה בתכולת האלומיניום, בנוכחות יסודות אחרים, בטמפרטורה ובהרכב אווירת ההפעלה.
התכונות החשובות ביותר של שכבת ה-Al₂O₃ המגנה:

• יציבות כימית ותרמית גבוהה,
• קצב עלייה נמוך בתנאי הפעלה מתאימים,
• חדירות מוגבלת לריאגנטים המעורבים בחמצון,
• האפשרות להפחית אובדן חומרים עקב היווצרות אבנית,
• הגנה על פני השטח תחת חשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות.

תכונות מועילות במיוחד מתקבלות על ידי סגסוגות של מערכת Fe–Cr–Al, שבהן Chrom ואלומיניום תורמים יחד להיווצרות ולתחזוקה של שכבת תחמוצת מגן.
כרום מקדם עמידות בפני חמצון ויכול להקל על היווצרות שכבה עשירה באלומינה מגנה בתכולת האלומיניום המתאימה. סִילִיקוֹן, הקיים בדרגות עמידות בחום רבות, משפיע גם על מהלך החמצון ועל אופי האבנית שנוצרת.
עם זאת, לא כל הפלדות המכילות אלומיניום יוצרות שכבת Al₂O₃ רציפה. בפלדות עם כמויות קטנות מאוד של יסוד זה, תפקידו מוגבל בדרך כלל לדה-חמצון ובקרת מיקרו-מבנה.

פלדות עמידות בחום המכילות אלומיניום

אלומיניום מופיע כסגסוגת משמעותית במספר קבוצות של פלדות פריטיות עמידות בחום וזחילה . החשובות ביותר הן דרגות כרום-אלומיניום-סיליקון המתוארות בתקן EN 10095.

פלדה H13JS – 1.4724 – X10CrAlSi13

פלדת H13JS (1.4724, X10CrAlSi13) היא פלדה עמידה בחום פריטית המכילה כ-12-14% כרום ו-0,70-1,20% אלומיניום לפי תקן EN 10095.
תוספת האלומיניום והסיליקון משפרת את עמידותו בפני חמצון בטמפרטורות גבוהות. הפלדה משמשת ברכיבי תנור, מגני חום, תעלות גז וחלקים אחרים של מתקנים תעשייתיים.

פלדה H18JS – 1.4742 – X10CrAlSi18

פלדת H18JS (1.4742, X10CrAlSi18) מכיל כ-17-19% כרום ו-0,70-1,20% אלומיניום.
השילוב של כרום, אלומיניום וסיליקון מספק עמידות חיובית לחמצון ומאפשר שימוש בחומר זה ברכיבים בטמפרטורה גבוהה של ציוד תעשייתי.
יישומים אופייניים כוללים רכיבי תנור, כיסויים, מדריכים, שרוולים וחלקי מתקנים החשופים לגזים חמים.

פלדה H24JS – 1.4762 – X10CrAlSi25

פלדת H24JS (1.4762, X10CrAlSi25) שייך לפלדות פריטיות עתירות כרום עם תכולת אלומיניום מוגברת.
על פי תקן EN 10095, הוא מכיל כ-23–26% כרום ו-1,20–1,70% אלומיניום. הרכב כימי זה מבטיח עמידות גבוהה בפני חמצון באטמוספרות פעולה מתאימות.
דרגה זו משמשת ברכיבים של מכשירי חימום ותנורים תעשייתיים, כאשר הגבלת הצטברות אבנית היא בעלת חשיבות מיוחדת.
מידע נוסף על הסיווג והיקף היישום של חומרים אלה ניתן למצוא במחקר פלדות עמידות בחום וסגסוגות ניקל לפי PN-EN 10095.

פלדות אוסטניטיות ותוספת אלומיניום

ראוי להבחין בין פלדות כרום-אלומיניום לבין פלדות אוסטניטיות עמידות בחום כגון 1.4828 (H20N12S2) czy 1.4841 (H25N20S2).
בפלדות אלו, עמידות החמצון נובעת בעיקר מכרום וסיליקון, בעוד שגם ניקל תורם למבנה האוסטניטי ולתכונות הטמפרטורה הגבוהה. אין לייחס להן את מנגנון ההגנה האופייני לסגסוגות FeCrAl איכותיות אך ורק משום שהן עשויות להכיל כמויות זעירות של אלומיניום.
כמו כן יש צורך להבחין עמידות בחום, כלומר עמידות בפני השפעות כימיות של סביבה חמה, מ עמידות לזחילה, כלומר היכולת לעמוד בעומסים מכניים בטמפרטורות גבוהות, כולל עמידות לזחילה.
חומר בעל עמידות טובה מאוד לחמצון אינו בהכרח חייב להפגין חוזק גבוה באותה מידה תחת עומס ארוך טווח.

אלומיניום בפלדות לניטרידינג - יצירת שכבות פני שטח קשות

אחד מתחומי השימוש החשובים ביותר באלומיניום הוא פלדות מבניות מסגסוגת המיועדות לניטרידינג.
ניטרידינג כרוך בהרטבה דיפוזית של פני השטח של רכיב מוגמר בחנקן באטמוספרת תהליך שנבחרה בקפידה. התהליך מתבצע בדרך כלל בטמפרטורות סביב 480-570 מעלות צלזיוס, בהתאם לדרגת הפלדה ולתכונות השכבה הנדרשות.
במהלך ניטרידציה, חנקן מתפזר לשכבות פני השטח של החומר ומגיב עם יסודות יוצרי ניטרידים.
בפלדות המכילות אלומיניום נוצרים משקעים דקים מאוד של ניטריד אלומיניום, אשר מעכבים את תנועת הנקעים וגורמים להתקשות חזקה של שכבת הדיפוזיה.
יסודות אחרים משתתפים גם הם בתהליך, בפרט כרום, מוליבדן, ונדיום i טִיטָן, שנוכחותו משפיעה על הרכב ותכונות השכבה המניטרית.

מדוע אלומיניום מגביר את קשיות השכבה הניטרית?

אלומיניום ניטריד (AlN) הוא תרכובת בעלת יציבות תרמודינמית גבוהה. במהלך ניטריד, משקעים קטנים שלו יכולים לחזק משמעותית את שכבת פני השטח.
בפלדות כרום-אלומיניום שנבחרו כראוי ניתן להשיג קשיות פני שטח העולה על 900 HV, ובתנאים מסוימים אף כ-1000-1200 HV.
עם זאת, הקשיות הסופית תלויה בהרכב הפלדה, במצב הליבה, בטמפרטורה, בזמן התהליך, בפוטנציאל ניטרידציה ובמיקרו-מבנה השכבה.
היתרונות החשובים ביותר של פלדות ניטריד המכילות אלומיניום:

• קשיות גבוהה של שכבת פני השטח,
• עמידות מוגברת בפני שחיקה ודבקות,
• האפשרות לשפר את חיי העייפות של רכיבים,
• עיוות מופחת בהשוואה לתהליכי התקשות פני השטח מסוימים,
• שמירה על התכונות המכניות של הליבה שטופלה בחום בעבר.

ניטרידציה יכולה גם לשפר את עמידות הקורוזיה בסביבות מסוימות, במיוחד לאחר טיפול מתאים לאחר מכן. עם זאת, תכונה זו אינה מובטחת על ידי נוכחות אלומיניום בלבד.
שכבת הניטריט אינה מספקת באופן אוטומטי את ההתנגדות המתאימה עבור פלדות עמידות לחומצה, כגון 00H17N14M2אלו חומרים בעלי מאפיינים כימיים שונים ומנגנון עמידות שונה בפני קורוזיה.

פלדה 34CrAlNi7-10 – 1.8550

34CrAlNi7-10 (1.8550) היא אחת הדוגמאות האופייניות ביותר לפלדת ניטריד המכילה אלומיניום.
על פי EN 10085, הרכבו הוא כ-0,80–1,20% אלומיניום, 1,50–1,80% כרום, 0,85–1,15% ניקל ו-0,15–0,25% מונזיום.
אלומיניום אחראי בעיקר ליכולת להשיג קשיות פני שטח גבוהה לאחר ניטרידציה. כרום תורם גם הוא להתקשות השכבה, ניקל משפיע על תכונות הליבה, ומוליבדן משפר את תכונות הטיפול בחום ואת העמידות בפני הרפיה.
פלדת 1.8550 משמשת לייצור פירים, צירים, מוטות בוכנה, רכיבי מכונות הזרקה, ברגים, חלקי תיבת הילוכים ורכיבים אחרים הדורשים משטח קשה וליבה חזקה מספיק.
כינויים ישנים יותר כוללים גם את השמות 34CrAlNi7 ו-38HMJ. בעת בחירת תחליף, יש לוודא תמיד את ההרכב הכימי המלא ואת הדרישות של התקן המתאים, שכן כינויים דומים אינם מרמזים באופן אוטומטי על החלפה מלאה.

אלומיניום ופלדות מבניות לשיפור תרמי

אלומיניום משמש גם ב פלדות מבניות לשיפור תרמי.
בחומרים כאלה, הוא בדרך כלל אינו ממלא תפקיד עיקרי כתוסף לשיפור יכולת ההתקשות. הוא משמש בעיקר להסרת חמצון של הפלדה המותכת ולשליטה על צמיחת הגרעינים במהלך החימום.
זה חשוב במהלך התקשות וריפוי, במיוחד ברכיבים הדורשים חוזק פגיעה גבוה, קשיחות שבר וחזרה טובה של תכונות מכניות.

אלומיניום בפלדות וסגסוגות מיוחדות

סגסוגות FeCrAl - חומרים בעלי עמידות מוגברת לחמצון

סגסוגות ברזל-כרום-אלומיניום, המכונות FeCrAl, הן חומרים חשובים המשמשים במכשירים בטמפרטורה גבוהה.
בניגוד לפלדות מבניות רגילות, הן עשויות להכיל כמה אחוזים של אלומיניום. הודות להרכב הכימי הספציפי שלהן, הן יוצרות שכבת מגן עשירה ב-Al₂O₃.
סגסוגות מקבוצה זו משמשות, בין היתר, בגופי חימום, מגני חום, חלקים של תנורים חשמליים ומתקנים תעשייתיים מיוחדים.
פיתוח סגסוגות FeCrAl כולל גם מחקר על עמידות לחמצון באדי מים, יציבות שכבת המגן והתנהגות חומרים במהלך שינויי טמפרטורה מהירים.

אלומיניום בסגסוגות-על ניקל

אלומיניום הוא גם מרכיב חשוב בסגסוגות-על נבחרות מבוססות ניקל המשמשות ברכיבים בטמפרטורה גבוהה של טורבינות גז וציוד כוח.
בסגסוגות כאלה, אלומיניום יכול להשתתף ביצירת פאזת החיזוק γ′ (גאמא פריים), המבוססת על תרכובת Ni₃(Al,Ti), אשר משפרת את העמידות בפני דפורמציה פלסטית בטמפרטורות גבוהות.
מנגנון זה שונה מתפקודו של אלומיניום בפלדות מבניות קונבנציונליות. חשיבותו נובעת מהתקשות מבוקרת של משקעים ויציבות מיקרו-מבנית במהלך שירות ארוך טווח.

סגסוגות AlNiCo - חומרים למגנטים קבועים

אלומיניום ממלא גם תפקיד חשוב בייצור סגסוגות מגנטיות כמו AlNiCo.
מקור השם AlNiCo הוא בסמלים של שלושת המרכיבים הבסיסיים: אלומיניום (Al), ניקל (Ni) oraz קובלט (Co)ברזל הוא גם מרכיב חשוב בסגסוגות אלה, וכמה זנים מכילים תוספות של נחושת וטיטניום.
סגסוגות AlNiCo מאופיינות ברמננס מגנטי גבוה ויציבות טובה של תכונות מגנטיות בטמפרטורות גבוהות.
הם משמשים, בין היתר, בחיישנים, מכשירי מדידה, מנועים חשמליים ומגנטים קבועים מיוחדים.
יש לציין כי AlNiCo מהווה קבוצה נפרדת של סגסוגות מגנטיות ואין להשוות אותה לפלדות מבניות רגילות המכילות כמויות קטנות של אלומיניום.

אלומיניום וגרפיטיזציה של פלדה - השפעות שליליות אפשריות

אחת התופעות הפחות רצויות הקשורות לאלומיניום היא השפעתו האפשרית על גרפיטיזציה של פלדה.
גרפיטיזציה היא שקיעה של גרפיט כתוצאה משינויים מבניים המתרחשים במהלך חשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות. בפלדות פחמן מסוימות ובפלדות סגסוגת נמוכה, תהליך זה עשוי לכלול פירוק של צמנטיט והפיכת פרליט לפרליט.
התופעה נצפית בעיקר במהלך פעולה ארוכת טווח בטמפרטורות של כ-425-600 מעלות צלזיוס, ומהלכה תלוי בהרכב הכימי, במבנה ובזמן הפעולה.
מחקרים הראו כי חלק מפלדות האלומיניום שעברו דה-חמצון גבוה עשויות להיות רגישות יותר לגרפיטיזציה בהשוואה לחומרים אחרים שעברו דה-חמצון.
היווצרות גרפיט מסוכנת במיוחד כאשר המשקעים יוצרים פסים או אשכולות רציפים, ויוצרים אזורי חולשה בחומר.
בתנאים כאלה ניתן:

• הפחתת חוזק מכני,
• עמידות מופחתת לעומסים ארוכי טווח,
• סיכון מוגבר לשבר שביר,
• הידרדרות בעמידותם של רכיבי לחץ ומתקנים בטמפרטורה גבוהה.

חשיבות הגרפיטיזציה גדולה במיוחד בתעשיות האנרגיה והפטרוכימיה ובמכשירים הפועלים במשך אלפי שעות בטמפרטורות גבוהות.
עם זאת, ראוי להדגיש כי אלומיניום אינו גורם באופן אוטומטי לגרפיטיזציה בכל הפלדות. מערכת הסגסוגת כולה, היסטוריית העיבוד ותנאי ההפעלה קובעים את הרגישות. יסודות מייצבים קרביד, כגון כרום ומוליבדן, יכולים להפחית משמעותית את הנטייה לתופעה זו.

כיצד משפיעה תכולת האלומיניום על השימוש בפלדה?

חשיבותו של אלומיניום משתנה בהתאם לריכוזו ולסוג החומר שלו.

• תוספות קטנות של אלומיניום, בדרך כלל בגובה של מאות אחוז – משמש בעיקר להסרת חמצון, קיבוע חנקן ובקרת גודל גרגירים.
• תכולת אלומיניום כ-0,5–1,7% – נמצא בכמה פלדות ניטרידינג ופלדות פריטיות עמידות בחום, שבהן אלומיניום ממלא תפקיד חשוב בסגסוגת.
• תכולת אלומיניום של כמה אחוזים – מאפיין של סגסוגות FeCrAl נבחרות וחומרים מיוחדים העמידים בטמפרטורה גבוהה.

הטווחים המסופקים הם אינדיקטיביים. הם אינם מהווים סיווג אוניברסלי של פלדות על סמך תכולת האלומיניום. ערכי גבול ותכונות נדרשות צריכים להיקבע תמיד על סמך תקן החומר הרלוונטי.

האם יותר אלומיניום תמיד משפר את תכונות הפלדה?

לא. אלומיניום הוא יסוד שימושי מאוד, אך תכולתו חייבת להיות מתאימה לשימוש המיועד של החומר.
בפלדות מבניות, כמויות עודפות של אלומיניום עלולות להגדיל את מספר התכלילים הלא מתכתיים הלא רצויים ולהשפיע על מהלך שקיעת ה-AlN.
בפלדות ניטריד, יש לבחור את תכולת האלומיניום כך שתשיג את קשיות השכבה המתאימה תוך שמירה על תכונות הליבה הנדרשות.
בפלדות עמידות בחום, תכולת אלומיניום גבוהה יותר עשויה לשפר את היכולת ליצור שכבת תחמוצת מגן, אך בו זמנית להשפיע על המבנה, הפלסטיות והתכונות הטכנולוגיות של החומר.
לכן, התאמתה של פלדה נקבעת לא על ידי אלמנט בודד, אלא על ידי ההרכב הכימי שנבחר ומצב החומר שנבחרו כראוי.

שאלות נפוצות על אלומיניום בפלדה

למה מוסיפים אלומיניום לפלדה?

אלומיניום משמש בעיקר להסרת חמצון של פלדה מותכת, קשירת חנקן ושליטה על גודל הגרעינים. בדרגות מיוחדות, הוא משמש גם להגברת קשיות פני השטח לאחר ניטרידציה ולשיפור העמידות בפני חמצון בטמפרטורה גבוהה.

האם אלומיניום מגביר את קשיות הפלדה?

זה יכול להגביר את הקשיות, אך ההשפעה תלויה בסוג הפלדה ובשיטת העיבוד. בפלדות ניטרידיות, זה מאפשר היווצרות של ניטרידים AlN קשים מאוד. בחומרים אחרים, השפעתו על הקשיות עשויה לנבוע מהתקשות בתמיסה או משינויים מיקרו-מבניים.

האם אלומיניום מגביר את יכולת ההתקשות?

הוא אינו משמש בדרך כלל להגברת יכולת ההתקשות. כאלמנט יוצר פריט, הוא מגביל את טווח העמידות של האוסטניט, ועל ידי השפעה על גודל הגרעינים, יכול לשנות בעקיפין את התנהגות הפלדה במהלך ההתקשות.

האם אלומיניום משפר את עמידות הפלדה בפני קורוזיה?

בסגסוגות מתאימות לטמפרטורה גבוהה, אלומיניום יכול להגביר משמעותית את עמידות החמצון על ידי יצירת שכבת Al₂O₃ מגנה. עם זאת, אין פירוש הדבר בהכרח עמידות מוגברת בפני קורוזיה בסביבות מים, חומצות או כלוריד.

מדוע משתמשים באלומיניום בפלדות ניטריד?

מכיוון שהוא יוצר ניטרידים עמידים ביותר המחזקים משמעותית את שכבת הדיפוזיה, הוא מאפשר קשיות פני שטח גבוהה ועמידות בפני שחיקה תוך שמירה על ליבה חזקה מספיק.

אילו פלדות מכילות אלומיניום כאלמנט סגסוגת חשוב?

דוגמאות לכך כוללות פלדות עמידות בחום 1.4713, 1.4724, 1.4742 ו-1.4762, ופלדת ניטרידינג 34CrAlNi7-10 (1.8550). אלומיניום מופיע גם בסגסוגות FeCrAl ובסגסוגות-על ניקל נבחרות.

סיכום חשיבותו של אלומיניום במטלורגיה המודרנית

אלומיניום הוא אחד היסודות הרב-תכליתיים ביותר המשמשים במטלורגיה של פלדה. חשיבותו נובעת הן מהשתתפותו בתהליכים טכנולוגיים והן מהשפעתו על המיקרו-מבנה והתכונות התפעוליות של חומרים.
בפלדות מבניות, היא אחראית בעיקר על דה-חמצון וויסות גודל גרגירים. אוסטניטבפלדות ניטרידיות, הוא מאפשר היווצרות של משקעי ניטריד קשים, בעוד שבפלדות כרום-אלומיניום פריטיות, הוא משפר את עמידות החמצון בטמפרטורות גבוהות.
הבחירה הנכונה של תכולת אלומיניום דורשת התחשבות באלמנטים סגסוגת אחרים, תנאי טיפול בחום וסביבת ההפעלה של המוצר המוגמר.
במקרה של רכיבים של תנורים תעשייתיים, מתקנים תרמיים ומכונות שעברו ניטרידציה, יש צורך לנתח לא רק את נוכחות האלומיניום עצמו, אלא גם את הדרישות בנוגע לעמידות בפני חמצון, קשיות פני השטח, משיכות, חוזק פגיעות ועמידות בפני עומסים ארוכי טווח.
הודות להרכב הכימי שנבחר בקפידה, פלדות המכילות אלומיניום נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות האנרגיה, המכונות, הכימיה, המתכת והטכנולוגיות בטמפרטורה גבוהה.

בַּרזֶל פֶּחָם Chrom ניקיאל ונדיום מנגן סִילִיקוֹן מוליבדן וולפרם נְחוֹשֶׁת טִיטָן אֲלוּמִינְיוּם קובלט ניוביום זרחן גוֹפרִית חַמצָן חנקן חיים מגנזיום