სილიციუმი - გავლენა ზამბარიანი ფოლადის, სითბოს მდგრადი ფოლადის და სხვათა თვისებებზე
სილიკონის აღმოჩენა და მისი მნიშვნელობა მეტალურგიაში
სილიციუმი, როგორც ქიმიური ელემენტი, 1823 წელს აღმოაჩინა იონს იაკობ ბერზელიუსმა, რამაც მისი შემდგომი გამოყენება მეტალურგიაში დაიწყო. მიუხედავად იმისა, რომ თავდაპირველად მისი როლი არასაკმარისად იყო შეფასებული, მე-19 საუკუნეში ფოლადის ინდუსტრიის დინამიურმა განვითარებამ საშუალება მოგვცა უფრო დეტალურად გაგვეგო სილიციუმის გავლენა ფოლადის თვისებებზე. გარდამტეხი მომენტი იყო აღმოჩენა, რომ სილიციუმი აუმჯობესებს სიმტკიცეს და კოროზიისადმი მდგრადობას, რამაც მისი ფართოდ გამოყენება სხვადასხვა ინდუსტრიაში შესაძლებელი გახადა.
სილიციუმი - ფიზიკურ-ქიმიური თვისებები
| პარამეტრი | ძველი მონაცემები (ენციკლოპედია) | თანამედროვე მონაცემები (IUPAC / CRC 2023) |
| ქიმიური სიმბოლო | Si | Si |
| ატომური ნომერი Z | 14 | 14 |
| ატომური მასა [u] | 28,09 | 28,085 |
| ჯგუფი პერიოდულ ცხრილში | 14 (ქვანახშირის მატარებლები) | 14 (ქვანახშირის მატარებლები) |
| ელექტრონული კონფიგურაცია | [Ne] 3s²3p² | [Ne] 3s²3p² |
| სიმკვრივე (20 °C) [გ/სმ³] | 2,33 | 2,329 |
| დნობის წერტილი [° C] | 1410 ° C | 1414 ° C |
| დუღილის წერტილი [°C] | 2355 ° C | 3265 ° C |
| სიმტკიცე (მოჰსის შკალით) | ~ 6,5–7 | 6,5-7 |
| ფერი და გარეგნობა | მონაცრისფრო, მეტალისფერი ბზინვარებით, მსხვრევადი | მონაცრისფრო, მეტალისფერი ბზინვარებით, მსხვრევადი |
| იანგის მოდული (E) [GPa] | მონაცემები არ არის | ~130–188 (კრისტალის მიმართულების მიხედვით) |
| ელექტროგამტარობა | ნახევარგამტარი | ნახევარგამტარი |
| თბოგამტარობა [W m⁻¹ K⁻¹] | მონაცემები არ არის | ~ 148 |
| სპეციფიკური სითბო cp [ჯ კგ⁻¹ K⁻¹] | მონაცემები არ არის | 705 |
| შერწყმის ენთალპია [კჯ/მოლ] | მონაცემები არ არის | ~ 50,2 |
| აორთქლების ენთალპია [კჯ/მოლ] | მონაცემები არ არის | ~ 359 |
| ელექტროუარყოფითობა (პაულინგი) | ~ 1,8 | 1,90 |
| სტაბილური იზოტოპები | ²⁸Si, ²⁹Si, ³⁰Si | 28Si (92,2%), 29Si (4,7%), 30Si (3,1%) |
ქიმიური დახასიათება
- სილიციუმი ნახევარლითონია და აქვს ალმასის კრისტალური სტრუქტურა.
- ნორმალურ პირობებში, SiO₂ პასივაციის ფენის წყალობით, ის მდგრადია ჟანგბადის მიმართ.
- ის არ რეაგირებს წყალთან და მჟავების უმეტესობასთან (გამონაკლისი: HF, სადაც ის წარმოქმნის აქროლად SiF₄-ს).
- რეაგირებს ფუძეებთან სილიკატების წარმოქმნით.
- ფოლადებში მნიშვნელოვანი შენადნობის დანამატი - ის აუმჯობესებს გამყარებას, ცოცვისადმი მდგრადობას, მოქმედებს როგორც დეოქსიდაზატორი და ფერიტული სტრუქტურის სტაბილიზატორი.
- ელექტრონიკაში ეს არის ძირითადი ნახევარგამტარი - მიკროპროცესორების, ფოტოელექტრული უჯრედების და სენსორების საფუძველი.
სილიკონის ადრეული გამოყენება მეტალურგიაში
XIX საუკუნის პირველ ნახევარში სილიციუმი მეტალურგიულ პროცესებში ძირითადად დეოქსიდაზატორის სახით გამოიყენებოდა. მისი უნარი, შეკავშირებოდა ჟანგბადს და წარმოქმნიდა წიდების წარმოქმნას, საშუალებას იძლეოდა გამდნარი ფოლადიდან არასასურველი ჩანართების მოცილებას, მისი ერთგვაროვნების გაუმჯობესებას, ფორიანობის აღმოფხვრას და სტრუქტურული სისუფთავის გაზრდას. დროთა განმავლობაში აღიარებული იყო, რომ სილიციუმის მაღალი შემცველობა გავლენას ახდენდა ფოლადის მექანიკურ თვისებებზე, რამაც გამოიწვია ამ ელემენტის განზრახ დამატება შენადნობის კომპონენტად.
სილიციუმი რკინის სტრუქტურებში ცვალებად ხსნადობას ავლენს. γ-რკინაში ( აუსტენიტი ) ის 2% -მდე იხსნება , მაგრამ 0,35% ნახშირბადის თანაობისას მისი ხსნადობა 9%-მდე იზრდება . α-რკინაში ( ფერიტი ) სილიციუმი 18,5% -მდე ხსნადობას აღწევს , რაც მას უაღრესად მნიშვნელოვანს ხდის მაღალი მექანიკური და თერმული დატვირთვის მქონე ფოლადებში.
სილიკონის გავლენა ფოლადის თვისებებზე
სილიციუმი მნიშვნელოვნად მოქმედებს ფოლადის მიკროსტრუქტურასა და ფუნქციურ თვისებებზე. მისი არსებობა იწვევს:
- გაზრდილი სიმტკიცე და დაჭიმვის სიმტკიცე – სილიციუმი ამცირებს ფოლადის სტრუქტურაში დეფექტების რაოდენობას და აუმჯობესებს მის ერთგვაროვნებას.
- გაზრდილი ელასტიურობა – მნიშვნელოვანია ზამბარიან და კონსტრუქციულ ფოლადებში.
- გაზის კოროზიისა და დაჟანგვისადმი გაუმჯობესებული წინააღმდეგობა – ყურადღება მიაქციეთ სითბოსადმი და მჟავაგამძლე ფოლადებს.
- დარტყმის სიმტკიცის შემცირება – სილიციუმის მაღალმა შემცველობამ შეიძლება ფოლადი უფრო მყიფე გახადოს, რაც მოითხოვს მისი რაოდენობის კონტროლს შენადნობის შემადგენლობაში.
ფოლადის დეოქსიდაციის პროცესის ბუნებრივ ნარჩენად 0,4%-მდე სილიციუმი ითვლება. თუმცა, უფრო მაღალი კონცენტრაციით, ის შენადნობის ძირითად ელემენტად იქცევა, რაც სხვადასხვა კლასის ფოლადის მუშაობის პარამეტრებს განსაზღვრავს.
სილიციუმი ზამბარიან ფოლადებში
ზამბარიან ფოლადებში სილიციუმი შერწყმულია ქრომთან, ვანადიუმთან ან მანგანუმთან. ელემენტების ეს კომბინაცია აუმჯობესებს დაღლილობისადმი მდგრადობას , რაც გადამწყვეტია განმეორებით დინამიური დატვირთვის ქვეშ მყოფი კომპონენტებისთვის. ეს ფოლადები გამოიყენება:
- ავტომობილები – საკიდრის ზამბარები, ამორტიზატორები, სტაბილიზატორები.
- მანქანათმშენებლობა – ციკლური დატვირთვის ზემოქმედების ქვეშ მყოფი ელემენტები.
- ავიაცია – თვითმფრინავის კომპონენტები, რომლებიც მოითხოვენ მაღალ ელასტიურობას და ბზარებისადმი მდგრადობას.
სილიციუმი სითბოს მდგრადი ფოლადებში
შენადნობის ზედაპირზე სტაბილური ოქსიდის ფენის წარმოქმნის უნარის წყალობით, სილიციუმი ზრდის ფოლადის მდგრადობას დაჟანგვის მიმართ მაღალ ტემპერატურაზე. სითბოს მდგრადი ფოლადების შემთხვევაში, ის ხშირად გამოიყენება ქრომთან, მოლიბდენთან და ალუმინთან კომბინაციაში, რაც უზრუნველყოფს განსაკუთრებულ სტრუქტურულ სტაბილურობას 900-დან 1100°C-მდე ტემპერატურაზე . ეს ფოლადები გამოიყენება შემდეგ შემთხვევებში:
- ქვაბები და ორთქლის ტურბინები – კომპონენტები, რომლებიც ექვემდებარება ცხელ აირებთან კონტაქტს.
- სამრეწველო ღუმელები – გისოსები, საკვამურები, თერმული გადასაფარებლები.
- გამონაბოლქვი სისტემები და ძრავის სარქველები – სადაც მნიშვნელოვანია დაჟანგვისა და აირადი გოგირდის კოროზიისადმი მდგრადობა.
სილიციუმი სპეციალიზებულ ფოლადებში
წვის ძრავებში გამოყენებულ სარქვლის ფოლადებში სილიციუმის შემცველობა 3%-ს აღწევს , რაც აუმჯობესებს მაღალი ტემპერატურისა და გამონაბოლქვი აირების აგრესიული ზემოქმედებისადმი მდგრადობას.
12–18% სილიციუმის შემცველი რკინის შენადნობები განსაკუთრებულ მდგრადობას ავლენენ გოგირდმჟავების და აზოტის მჟავების მიმართ , რაც მათ ქიმიურ მრეწველობაში შეუცვლელს ხდის. ასეთი ფოლადები გამოიყენება:
- აგრესიული ქიმიკატების შესანახი ავზები.
- სამრეწველო მილსადენები მჟავა კოროზიისადმი მდგრადი.
- ქიმიური აპარატურა, სადაც საჭიროა მჟავე გარემოს მაღალი წინააღმდეგობა.
სილიკონი და გამკვრივება და პლასტმასის დამუშავება
სილიციუმის დამატება გავლენას ახდენს ფოლადის გამყარებაზე, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ის კარბიდის წარმომქმნელ ელემენტებთან, როგორიცაა მანგანუმი, ქრომი ან მოლიბდენი, შერწყმულია . სილიციუმის მაღალი შემცველობის ფოლადებს ახასიათებთ გაუმჯობესებული ცვეთამედეგობა და ექსპლუატაციის პროცესების დროს შემცირებული ენერგიის დანაკარგები.
თუმცა, სილიციუმის ჭარბმა შემცველობამ შეიძლება ხელი შეუშალოს ცივად დამუშავებას , რაც სტრუქტურულ ფოლადებში მის გამოყენებას 4–7% -მდე ზღუდავს . ამ მნიშვნელობის ზემოთ, ფოლადის ფორმირება და დამუშავება რთულდება.
მაგნიტური ფოლადები - სილიკონის ძირითადი გამოყენება
სილიციუმის ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი გამოყენება ფოლადებში მისი როლი ელექტრო ფოლადებშია. სილიციუმი 1–3% -ის რაოდენობით მნიშვნელოვნად ამცირებს ჰისტერეზისის დანაკარგებს , აუმჯობესებს ტრანსფორმატორების, გენერატორების და ელექტროძრავების ეფექტურობას.
სილიციუმის თვისებები მაგნიტურ ფოლადებში:
- ზრდის ელექტრულ წინააღმდეგობას, რაც ამცირებს მორევული დენის დანაკარგებს.
- აუმჯობესებს მაგნიტურ გამტარობას, რაც ტრანსფორმატორის ბირთვების უკეთეს მუშაობას უზრუნველყოფს.
- ამცირებს მაგნიტოსტრიქციას, რაც ამცირებს ელექტრო მოწყობილობების მიერ წარმოქმნილ ხმაურს.
ამ მახასიათებლების წყალობით, სილიკონის ფოლადები ფართოდ გამოიყენება ენერგეტიკის ინდუსტრიაში და ელექტრომოწყობილობების წარმოებაში.
სილიციუმი, მრავალმხრივი შენადნობის ელემენტი, მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მრავალფეროვანი თვისებების მქონე ფოლადის წარმოებაში. მისი გავლენა სიმტკიცეზე, კოროზიისადმი მდგრადობასა და ტემპერატურისადმი მდგრადობაზე საშუალებას იძლევა შეიქმნას სპეციალიზებული შენადნობები, როგორიცაა:
ზამბარიანი ფოლადები - გაზრდილი სიმტკიცე და ელასტიურობა.
50HS – ზამბარიანი ფოლადი სილიციუმის და მანგანუმის გაზრდილი შემცველობით, ხასიათდება მაღალი ელასტიურობით და დაღლილობისადმი გამძლეობით. გამოიყენება ზამბარების, საკიდარი ზამბარების და ამორტიზატორების წარმოებაში.
C67S – ნახშირბადოვანი ზამბარიანი ფოლადი დაახლოებით 0,67% C შემცველობით, რომელიც ავლენს კარგ გამაგრებადობას და მაღალ ცვეთამედეგობას. გამოიყენება გაზრდილი სიმტკიცის მქონე ზამბარების, ზამბარის ზოლების და ხელსაწყოების წარმოებაში.
C75S – ზამბარიანი ფოლადი დაახლოებით 0,75% C შემცველობით, ხასიათდება მაღალი მექანიკური სიმტკიცით და კარგი ელასტიურობით. გამოიყენება ტექნიკური ზამბარების, ხელის ხელსაწყოების და პირების წარმოებაში.
C85S – მაღალნახშირბადოვანი ფოლადი (დაახლოებით 0,85% C), რომელსაც აქვს მაღალი სიმტკიცე გამაგრების შემდეგ და შესანიშნავი ცვეთამედეგობა. გამოიყენება დანების, ზამბარების, პირების და ხელსაწყოების წარმოებისთვის, რომლებიც მოითხოვენ მაღალ მექანიკურ სიმტკიცეს.
C100S – ზამბარიანი ფოლადი ნახშირბადის ძალიან მაღალი შემცველობით (დაახლოებით 1,00% C), რომელიც უზრუნველყოფს უმაღლეს სიმტკიცეს და ცვეთამედეგობას. გამოიყენება ზუსტი ზამბარების, ხელსაწყოების პირების და უკიდურესი სიმტკიცის მოთხოვნით კომპონენტების წარმოებაში.
სითბოს მდგრადი ფოლადები - მაღალი ტემპერატურის ზემოქმედებისას დაჟანგვისადმი წინააღმდეგობა.
H13JS – სითბოს მდგრადი ფერიტული ფოლადი დაახლოებით 13% ქრომით და სილიციუმის დანამატით, რომელიც აუმჯობესებს დაჟანგვისა და აგრესიული აირების მიმართ მდგრადობას. გამოიყენება მაღალ ტემპერატურაზე მომუშავე თბოგამცვლელებში, ღუმელებსა და ღუმელის კომპონენტებში.
H18JS – სითბოს მდგრადი ფოლადი დაახლოებით 18% ქრომით და სილიციუმის დანამატით, რომელიც ზრდის დამცავი ოქსიდის ფენის სტაბილურობას. იგი ავლენს მაღალ მდგრადობას დაჟანგვისა და გაზის კოროზიის მიმართ, რაც მას გამოსადეგს ხდის სამრეწველო ღუმელებში, გამონაბოლქვი მილებსა და ქიმიურ აღჭურვილობაში გამოსაყენებლად.
H24JS – სითბოს მდგრადი ფოლადი ქრომის მაღალი შემცველობით (დაახლოებით 24% Cr) და სილიციუმის მნიშვნელოვანი შემცველობით, რაც ზრდის მდგრადობას დაჟანგვისა და გოგირდოვანი ატმოსფეროების მიმართ. გამოიყენება მეტალურგიული და ენერგეტიკული მრეწველობის მაღალტემპერატურულ დანადგარებში.
1.4828 – სითბოსადმი მდგრადი აუსტენიტური ფოლადი (დაახლოებით 19% Cr, 11% Ni) დამატებული სილიციუმით, რომელიც აუმჯობესებს დაჟანგვისადმი მდგრადობას 1000°C-მდე და სტრუქტურულ სტაბილურობას მაღალ ტემპერატურაზე. გამოიყენება გამონაბოლქვი სისტემებში, გაზის სანთურებსა და სამრეწველო ღუმელების კომპონენტებში.
1.4841 – აუსტენიტური სითბოს მდგრადი ფოლადი (დაახლოებით 25% Cr, 20% Ni) სილიციუმის დამატებით, რაც ზრდის დაჟანგვისა და გაზის კოროზიისადმი მდგრადობას 1100°C-მდე. გამოიყენება ტურბინებში, სამრეწველო ქვაბებში, გათბობის სისტემებსა და აფეთქების ღუმელებში, სადაც საჭიროა მაღალი სტაბილურობა ექსტრემალურ ტემპერატურულ პირობებში.
სარქვლის ფოლადები - მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა წვის ძრავებში.
H9S2 – სითბოგამძლე ფერიტული ფოლადი დაახლოებით 9% Cr-ით და 2% Si-ით, სადაც სილიციუმი აუმჯობესებს მდგრადობას დაჟანგვისა და გაზის კოროზიის მიმართ მაღალ ტემპერატურაზე. გამოიყენება ღუმელის კომპონენტებში, თბოგამცვლელებსა და მაღალი ტემპერატურის პირობებში მომუშავე დანადგარებში.
H10S2M – სითბოგამძლე ფერიტული ფოლადი დაახლოებით 10% ქრომის, 2% Si-ის და მოლიბდენის დამატებით, რაც ზრდის კოროზიისადმი მდგრადობას გოგირდოვან ატმოსფეროში. სილიციუმის არსებობის გამო, ის ავლენს მაღალ სტაბილურობას 1000°C-მდე ტემპერატურაზე. გამოიყენება ენერგეტიკულ და ქიმიურ მრეწველობაში.
მაგნიტური ფოლადები – ელექტრო მოწყობილობებში ენერგიის დანაკარგების ოპტიმიზაცია.
სილიციუმის ფოლადზე ზემოქმედების მიმდინარე კვლევის წყალობით, შეგვიძლია ველოდოთ ახალი, კიდევ უფრო მოწინავე მეტალურგიული ტექნოლოგიების შემდგომ განვითარებას.