فولادهای حاوی بور سری های xxBxx ( Boron steels xxBxx series ) گروهی از فولادهای کم آلیاژی هستند که قابلیت سختی پذیری بالایی دارند .
انواع فولادهای حاوی بور
این فولادها انواع مختلفی دارند که در ادامه متن به برخی از آن‌ها اشاره شده است .
خواص فولادهای حاوی بور
این فولادها دارای ۰/۰۰۳ الی ۰/۰۰۵ درصد بور هستند . بور به فولاد کاملا آرام (Fully killed steel) افزوده می‌شود تا خواص سختی پذیری آن را بهبود بخشد . افزودن بور به فولاد بعنوان جایگزین عناصر دیگر ، فقط بایستی با هدف افزایش سختی پذیری انجام شود ؛ زیرا کاهش محتوی آلیاژ ممکن است برای برخی از کاربردها مضر باشد . بیشترین تاثیر بور ، در فولادهای دارای کربن پایین است [۱] .
بور یک عنصر کاربید ساز و نیترید ساز قوی است و استحکام فولادهای کم کربن تمپر شده و کوئنچ شده را از طریق تشکیل مارتنزیت و استحکام دهی رسوبی (Precipitation strengthening) فریت افزایش می‌دهد . فولادهای کربنی حاوی بور بعنوان یک جایگزین کم هزینه برای فولادهای پر کربن و کم آلیاژ هستند . فولادهای حاوی بور با کربن کم خاصیت تغییر شکل سرد بهتری دارند و می‌توانند توسط گرما یا عملیات حرارتی به فولادهایی با همان سختی اما با چقرمگی بالاتر برای کاربردهای گسترده مانند ابزارها ، اجزای ماشین‌ها و بست‌ها تبدیل شوند [۱] .
شکل زیر نمودار سختی پذیری فولاد کم آلیاژ حاوی بور (۱۳MnCrB5) را در مقایسه با فولاد بدون بور (۱۶MnCr5) نشان می‌دهد . افزودن ppm 300 بور به فولادی شامل ۰/۱۵ درصد کربن ، ۱ درصد منگنز و ۰/۹ درصد کروم ، افزایش محسوسی در میزان سختی (تقریبا ۵۰ درصد) در یک عمق بیشتری از سطح ، نسبت به نمونه با ترکیب یکسان و بدون بور ایجاد کرده است . همانطور که در نمودار مشخص است هیچ تفاوتی در سختی سطح بین فولاد حاوی بور و فولاد بدون بور وجود ندارد . بنابراین سختی اولیه ، از عنصر بور ناشی نمی‌شود ؛ بلکه از حالت ساختار مارتنزیتی که به محتوی کربن وابسته است ، ناشی می‌شود . بنابراین ، اثر بور در افزایش سختی تنها در زیر سطح مشخص می‌شود [۲] .
اثر بور بر قابلیت سختی پذیری فولاد [۲] .
اثر سختی پذیری بور
ویژگی مهم فولادهای حاوی بور بهبود قابلیت سختی پذیری قطعات ، حتی با افزودن مقادیر جزئی از آن ، است . بطور کلی پذیرفته شده است که حداکثر سختی پذیری زمانی حاصل می‌شود که مقدار بور بین ppm 15-3 باشد . در مقادیر بالای بور (بیشتر از ppm 30)، اجزای بور در مرزدانه‌های آستنیت تفکیک شده و نه تنها سختی پذیری را افزایش نمی‌دهد ، بلکه باعث کاهش چقرمگی ، افزایش تردی و شکنندگی حرارتی می‌شود . اثر بور در سختی پذیری همچنین به مقدار کربن در فولاد بستگی دارد . اثر بور با محتوی کربن نسبت عکس داشته و با افزایش آن ، کاهش می‌یابد . بور فقط در حالت اتمی سختی پذیری را بهبود می‌بخشد ، بنابراین داشتن دقت کافی در طی تولید فولادهای حاوی بور ضروری است [۲] .
قابلیت سختی پذیری وابستگی شدیدی به رفتار اکسیژن ، کربن و نیتروژن موجود در فولاد دارد . بور با اکسیژن واکنش داده و اکسید بور (B۲O۳) تولید می‌شود . از واکنش بور با کربن و نیتروژن به ترتیب سمانتیت بور- آهن (Fe۳(CB)) ، کاربید بور- آهن (Fe۲۳(CB۶)) و نیترید بور (NB) تشکیل می‌شود [۲] .
سختی پذیری فولادهای حاوی بور همچنین به شرایط آستنیت سازی بستگی دارد و معمولا در دماهای بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد کاهش می‌یابد . یک بخش در حال گسترش برای فولادهای بور ، فولادهای کم آلیاژی استحکام بالا (HSLA) و سایر فولادهای ساختمانی است . فولادهای بور در اثر عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر کردن تولید می‌شوند . این فولادها باید در یک دمای پایین‌تر از فولادهای آلیاژی دیگر با سختی پذیری یکسان ، تمپر شوند [۲] .
در جدول زیر ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای حاوی بور قابل مشاهده است [۴, ۳] .
ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای حاوی بور [۴, ۳]
کاربرد فولادهای حاوی بور
فولادهای بور بعنوان یک ماده مقاوم به سایش در کاربردهای مختلف مانند فولاد ساختمانی استحکام بالا استفاده می‌شوند . این فولادها در ابزارهای پانچ ، بیل و بیلچه ، چاقو ، تیغه اره ، میله‌های ایمنی در وسایل نقلیه و غیره کاربرد دارند [۲] .
فولادهای کربن- منگنز- بور معمولا بدلیل هزینه کمتر بعنوان جایگزین فولادهای آلیاژی مورد استفاده قرار می‌گیرند . قابلیت سختی پذیری فولادهای C-Mn-B با فولادهای آلیاژی برابر اما به مراتب ارزان‌تر از آن است . کاربرد این فولادها شامل قطعات خراشنده زمین (شخم زنی) ، غلتک‌ها ، چرخ دندانه‌‌دار ، اجزای اکسل و میل لنگ‌ها است [۲] .
انواع فولادهای حاوی بور در وسایل نقلیه‌ای که نیاز به استحکام بالایی دارند ، استفاده می‌شوند . فولادهای حاوی سرب که در ماشین‌های ولوو (Volvo) کاربرد دارند ، دارای نقطه تسلیم ۱۴۰۰-۱۳۵۰ مگا پاسکال هستند . این مقدار تقریبا چهار برابر بیشتر از فولادهای استحکام بالا است [۲] .
فولادهای حاوی بور گروهی از فولادهای کم آلیاژی هستند که بدلیل حضور عنصر بور در آن‌ها ، قابلیت سختی پذیری بالایی دارند . این فولادها در کاربردهایی که به مقاومت به سایش بالا نیاز دارند ، استفاده می‌شوند . نمونه‌هایی از این کاربردها شامل ابزارهای پانچ ، چاقو ، تیغه اره ، غلتک‌ها ، ماشین‌های ولوو و غیره است .
منابع
[۱] Volume 1 Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. .
[۲] “https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=214.” .
[۳] “‘https://www.efunda.com/materials/alloys/carbon_steels/list_carbon.cfm?m=ais&Page_Title=AISI%2015xx&ID_Low=AISI_15.’” .
[۴] کاویانی‌نژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.