دور الفوسفور والولفور في قدرة فولط الفول

ويقف الفولاذ المول على أنه أحد أكثر الأسر احتياجا من المواد الهندسية، ويمنحها الصلاحية، ويرتدي المقاومة، وقدرة على تحمل حافة مقطعة تحت درجات الحرارة والضغوط القصوى، ويستخدم في كل شيء من قطع الحفر ويموت للكم والبلوغ، ويجب أن يتحمل الفولاذ الإجهاد الميكانيكي الشديد والتوتر الحراري أثناء الخدمة، ولكن قبل أن يتمكن من أداء هذه الأدوار، يجب أولا أن يكون له شكل وثبة ودقيقة.

والآلية ليست ملكاً وحيداً بل مجموعة من الخصائص: القوة المطلوبة، ومعدل ارتداء الأدوات، والانتهاء السطحي، وتكوين الرقائق، والطاقة المستهلكة أثناء التهوية، والتكوين الكيميائي يؤثر تأثيراً كبيراً على كل من هذه العناصر، ويمكن تعديل الفوسفوري والكبريت، رغم أنه يعتبر عادة من قبيل الشوائب أو عناصر الترامب، بصورة متعمدة لتحسين سهولة الارتطام.

Understanding Phosphorus in Tool Steel

مصفاة الحبوب ومكافحة الهياكل الدقيقة

فوسفور، الموجود في فولاذ الأدوات بمبالغ متتبعة - وهو عادة 0.01 إلى 0.05 في المائة بالوزن في الصفوف القياسية - يمارس تأثيرا غير متناسب على البنية الجزئية، ويسمح تأثيره الأساسي بمصافحة الحبوب، وتفصل ذرات الفوسفورات إلى حدود حبة أوستنيت قبلها أثناء المعالجة الحرارية، مما يؤدي إلى تدني هيكل أحجارة أكثر تجانسا بعد تصعيد الحافة وتأثيرا.

وعلاوة على ذلك، فإن الفوسفور يقلل من الاتجاه نحو تكوين موانع كبيرة من العابير التي يمكن أن تسبب الرقاقة أو الارتداء غير المتساوي أثناء الترميز، ومن خلال تعزيز هيكل أحجاري أكثر توازنا، يساعد الفوسفور على خفض القوى وتحسين الاستقرار البعدي، وفي بعض تركيبات فولاذية الآلات ذات الصبغة الحرة، يضاف الفوسفور عمدا إلى مستويات تصل إلى 0.1 في المائة لرسملة على هذه الآثار.

The Brittleness Trade-Off: Controlling Phosphorus Content

إن الجانب السلبي لاستحقاقات صقل الحبوب هو أثره المشهور المعروف جيدا، فوسفور هو معزز قوي للثورة الصلبة، ولكن فصله إلى الحدود الحادة يضعف القوة المتلاحية لتلك الحدود، ولا سيما في وجود عناصر أخرى مثل الكبريت أو الأكسجين، وهذه الظاهرة - وهي تهزؤم زمني - 65 تشكل مصدر قلق شديد في دورة معالجة الأحمال البالغ عددها 350 درجة مئوية.

وبالنسبة للفولاذات المستخدمة في التطبيقات التي تتطلب قدرا كبيرا من القوة، مثل لكمات العمل البارد أو نصلات الخرف، يجب أن يظل محتوى الفوسفور دون 0.025 في المائة للحد من مخاطر الاختلاط، وعلى النقيض من ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها القدرة على تحقيق أعلى الأولويات - مثلا في العفنات المعقدة التي تتطلب قدرا كبيرا من الكيمياء أو طاحنات الخلايا - قد تتسامح مع الظروف العالية قليلا لمعالجة الفوسفور.

الفوسفور والضغوط الداخلية

ومن الآثار الأخرى التي يصيب الفوسفور، تأثيره على الضغوط المتبقية أثناء الذقن، ويمكن للفوسفور أن يقلل قليلا من قدرة مصفوفة الفولاذ، مما يؤدي إلى وجود بنية مصغرة أكثر توحيدا بعد التسكك، وهذا التوحيد يترجم إلى ضغوط داخلية أقل في حالة معالجة الحرارة، مما يجعل الفولاذ أكثر استقرارا في أثناء التخدير الحاد ويقلل من خطر التشويه.

دور الكبريت في آلية توليد الطاقة

منغنيز سولفيدز: البناء في التطهير

وقد تكون الكبريت هي أكثر الأجهزة حرية المعترف بها في الفولاذ، ففي الصلب، تُضاف الكبريت عادة في نطاق 0.03 إلى 0.3 في المائة بالوزن، تبعاً للدرجة والتطبيق، وآلية عملها غير مباشرة ولكنها قوية، وأثناء الترسيب والعمل الساخن، يتفاعل الكبريت مع المنغنيز في شكل سلفيدات منغولية مُنْصَّرة.

ويعود أثر التشحيم في عمليات التطعيم العالية السرعة التي قد تكون فيها سوائل القطع التقليدية غير كافية، ويظهر الفولاذ المحتوي على سلفور مرتفع من 15 إلى 40 في المائة من القوى الأقل انخفاضا مقارنة بنظائرها ذات الكبريت المنخفض، تبعاً لدرجات محددة وبارامترات الذكاء، وهذا يترجم مباشرة إلى حياة أطول، وارتفاع معدلات التغذية، وتحسين مستويات التأليف السطحي.

خفض وقود الطائرات وتحسينات نهاية سطح الأرض

وبالإضافة إلى التشحيم، تسهم الكبريتات المنغنيزية أيضا في حدوث انفصال في الرقائق أكثر استقرارا، وهي تعمل كأجهزة لزيادة الضغط، وتشجع على تكوين رقائق قصيرة من نوع C-shaped بدلا من رقائق طويلة وشديدة يمكن أن تتشابك حول الأداة أو التكتل، وهذه الرقاقة حرجة في مراكز الترميز الآلية التي يحدد فيها الإجلاء الرقابي فترات الدورة.

وعلاوة على ذلك، تبين أن الكبريت يخفض من ارتدائه في الكربيدات وأدوات الفولاذ ذات السرعة العالية، وأن سلفونات المنغنيز تمنع تسخين مواد العمل في وجه الرايك، مما يقلل إلى أدنى حد من تكوين زوجين منتشرين يتسارعان في ارتدائهم، وهذا أمر مهم بصفة خاصة عندما يكون الصلب ذو الصلبة العالية، مثل الفولاذ M2 أو M42 ذو السرعة العالية.

:: فرض عقوبات على الصلاحية وإدراج مراقبة المورفولوجيا

والعقبة الرئيسية لإضافة الكبريت هي الحد من الصعاب والعبودية العابرة، بينما تكون الكبريتات المنغنيزية مفيدة للذخير، فإنها تعمل كمراكز للإجهاد يمكنها أن تشق تحت الخيوط أو تحميلها، وفي الصلبات التي تستخدمها الأدوات، فإن هذا الأمر يثير إشكالية أكبر في الاتجاه العابر (عبر الهشاشة أو الاتجاه المتدحرج) حيث تُنقَل في الخيوط العالية.

وتخفف تقنيات صنع الصلب الحديثة من هذه المسألة من خلال مراقبة شكل الشمول، وتضيف كميات صغيرة من الكالسيوم أو اللوتيريوم أو السيلينيوم، وتُعدل مورفولوجيا الكبريتيد من الخيوط المائلة إلى أشكال أقل ضاراً، وبالإضافة إلى ذلك، يجب الحفاظ بعناية على نسبة الكبريت إلى المنغنيز لضمان أن تكون جميع السلف مثبتة كنسبة من سلفونات الحديد وليس كسلف أدنى.

التفاعل بين الفوسفور واللحام

الآثار التآزرية على القدرة على القياس

فوسفورات وكبريتات تستخدم معا، ويمكن أن تكون آثارها مضافة أو حتى متآزرة في ظروف معينة، ويصقل الفوسفور الحبوب، ويجعل توزيع الكربويدات أكثر تماثلا، مما يسمح بتفريق الشمولات من جهاز MnS بدرجة أكبر من التساوي وصغر حجمها، مما يؤدي إلى تحسين القدرة على ارتدائه دون نفس درجة الارتداد التي يمكن أن تسببها التعديلات في الفولاذ)٢(.

بيد أن هذه المجموعة تضاعف أيضا خطر الاختلاط المزاج، لأن الفوسفور والكبريت يمكن أن يقطعا الحدود ويتفاعلا على نحو أكبر لخفض التماسك المكثف للحبوب، وبالتالي فإن صناع الفول السوداني يؤدون معاملة حرارية صارمة - وكثيرا ما يستخدمون علاجا مزدوجا أو مسببا للبرد - للتقليل من الاختلاط مع الحفاظ على الآثار المفيدة لكل عنصر.

الراندال أو المعايير

وتُعرِّف معايير الصناعة مثل ASTM A681 (مواصفات ستاندرد لفولاذ الفولط) الحدود القصوى للفوسفور والكبريت في الصفوف القياسية، أما بالنسبة لأدوات الأغراض العامة، فإن الفوسفور عادة ما تقتصر على 0.030 في المائة من الفم والكبريت إلى 0.030 في المائة من الفلزات.

وبالنسبة لتطبيقات القالب والموت التي تتطلب ذقناً واسعاً تليها معالجة الحرارة، كثيراً ما يُضرب حل وسط بنسبة ٠,٠٤٠-٠٨ في المائة من الكبريت و٠,١٥-٠,٠٣ في المائة من الفوسفور، وهذا النطاق يوفر تحسيناً ملحوظاً في القدرة على الذهول دون أن يتسبب في خسائر غير مقبولة في الصلبة أو القابلية للنشر، وفي الفولاذات المبلدة البلاستيكية )مثلة المعدلة مثلاً P20( يمكن أن تكون مستويات الكبريت أعلى لأن ظروف الخدمة أقل.

الاعتبارات العملية للمصانع

اختيار الصف الصحيح للقدرات مقابل الأداء

وعند اختيار فولاذ للأدوات لتطبيق كثيف الذهن، يجب على المهندسين أن يزنوا وفورات التكاليف من تحسين القدرة على تحقيق القدرة على التكيف مع احتمال انخفاض عمر الخدمة أو خطر الفشل، وبالنسبة للإنتاج غير المركب أو المنخفض، يمكن تبرير علاوة درجات الصنع الحر بخفض فترات الدورة وانخفاض تكاليف الأدوات، وبالنسبة لمسارات الإنتاج العالية الحجم التي تكون فيها حياة الأدوات ذات أهمية قصوى، فإن درجة الميول العالية قد تكون أكثر تفضيلا.

ويمكن لعمليات المحاكاة الحديثة للحواسيب، مثل نموذج العناصر المحددة لعمليات الذكاء، أن تساعد على التنبؤ بأثر الفوسفور والكبريت على قطع القوات وتشكيل الرقائق من أجل قياس هندسي معين، ويسمح هذا، بالاقتران مع بيانات عن معدلات ارتداء الأدوات، للمصنعين بتعظيم عملياتهم قبل الالتزام بشراء الصلب.

اعتبارات معالجة النفايات وما بعد التصاميم

ومن المهم الاعتراف بأن الآثار المفيدة للفوسفور والكبريت واضحة أكثر في حالة ما قبل الارتحال أو ما قبل الوضع، وبعد معالجة الحرارة إلى درجة عالية من التصلب (58 إلى 65 من حقوق الإنسان)، تصبح مصفوفة الصلب أقوى بكثير، وما زالت الشمولات التي تستخدمها وزارة الصحة حاضرة، ولكن تأثيرها في التشحيم يقابله جزئيا صعوبة إزالة رقائق من مواد صلبة أو مستهلكة.

الاعتبارات البيئية والصحية

وعندما يُستَخدَم الفولاذ ذو الكبريت العالي، يجب أن يكون المشغلون على علم بما يمكن أن تُنتج من أبخرة وغبار أثناء القطع، ويمكن أن تكون مركبات المنغنيز ضارة إذا استنشقت، بحيث تكون التهوية السليمة وجمع الغبار أمراً أساسياً، وينبغي اختيار سوائل الآلات لاستكمال زيوتات سداسي، وتفادي التركيبات التي تتفاعل مع السلف لتكوين حمضات عدائية.

الروابط الخارجية من أجل المزيد من القراءة

• ASM International – Tool Steels Properties and Selection]
• Matmatch – Tool Steel Overview]
• Machining Cloud – Optimizing Tool Steel Machining]

خاتمة

فروسفور وكبريت ليسا مجرد شوائب عرضية في فولاذ الأدوات؛ بل هما أداتان متعمدتان للطيران يمكن أن تعززا جذريا القدرة على الارتداد عند توازنها على النحو المناسب؛ ويصقل الفوسفور هيكل الحبوب ويقلل من الضغوط الداخلية، بينما يؤدي الكبريت إلى إدراج الكبريتات المنغنيزية التي تغري عملية القطع، وتخفض من ارتدائها، وتحسن من سرعة الصنع.