تاثیر نیوبیوم در فولادها

نیوبیوم فلز داکتیل و خاکستری روشن است که وقتی به مدت طولانی در دمای اتاق در تماس با هوا قرار گیرد،به رنگ متمایل به آبی در می آید.برای نگهداری این فلز حتی در دماهای متوسط باید از محیط محافظ استفاده شود. اکسیداسیون این فلز در هوا از دمای 200 C آغاز می شود.

نیوبیوم مصارف متعددی ارد. در فولادهای زنگ نزن و بسیاری از آلیاژهیا غیرآهنی استفاده می شود.مقدار قابل ملاحظه ای از نیوبیوم به صورت فرونیوبیوم و یا نیوبیوم-نیکل در سوپرآلیاژهای پایه آهن،نیکل و کبالت در قطعات موتور جت و تجهیزات احتراق استفاده می شود.هم چنین نیوبیوم در دماهای زیر صفر در ابررساناها بکار می رود.

نیوبیوم به معنای دخترتانتالوس از Niobe  گرفته شده است که در سال 1801 توسط چارلز هچت (Charles Hatchett) کشف شد.هچت ، نیوبیوم را از سنگ معدن کلومبیتی بدست آورد که در سال 1750 توسط جان وین تروپ (John Winthrop) برای وی ارسال شده بود. بین دو عنصر نیوبیوم و تانتالوم اختلافهای گمره کننده ای وجود دارد،و از طرفی این اختلافها تا 1846 کشف نشده بود،در این ســــــــــــــال بود که هنریخـــــت روز(Heinricht Rose)  و جین چـارلز گــــالی سارد مارگــــــــینت(Jean Charles Galisard de Marigance) دوباره این عنصر را کشف کردند ولی ایشان از کارهای هچت اطلاعی نداشتند.از اینرو نام متفاوت نیوبیوم بر روی آن گذاشتند.در سال 1846 بود که کریستن بلومسترند(Cristian Blomstarnd) توانست با احیاء کلرید نیوبیوم بوسیله حرارت دادن در اتمسفر هیدروژن به نیوبیوم خالص دست یابد.

نیوبیوم یا همان کلمبیوم در سالهای اخیر به عنوان عنصر پایدار کننده کاربید در فولادهای زنگ نزن و عنصر استحکام زا در آلیاژهای پایه کبالت و نیکل در دماهای بالا محسوب می شود.وزن اتمی آن 93 با نقطه ذوب 2468 C است. ساختار کریستالی bcc است و در فولاد فریت زای قوی است.تمایل ترکیب نیوبیوم با کربن زیاد بوده ولی نسبت به اکسیژن و نیتروژن تمایل متوسطی دارد.با افزودن نیوبیوم در فولاد ،کاربید نیوبیوم سریعا تشکیل می شود. با رسوب کاربید نیوبیوم و ذرات کربونیتریدی در زمینه فریتی ،استحکام افزایش خواهد یافت.

در فولادهای آستنیتی ،برای بهبود مقاومت خوردگی بین دانه ای و افزایش خواص مکانیکی در دماهای بالا استفاده می شود.در فولادهای مارتنزیتی ، نیوبیوم سختی را کم کرده و مقاومت به تمپر را افزایش میدهد.

مقدار نیوبیوم مورد نیاز در فولادهای کربنی و کم آلیاژی کم بوده و در حدود 0.05 % نیوبیوم ، افزایش قابل توجهی در استحکام فولاد را در پی دارد.علاوه بر آن ، اگر میزان آن بهمراه سایر عناصر کنترل شود ، اندازه دانه فریت اصلاح شده و چقرمگی در دماهای پایین اصلاح خواهد شد.اغلب این عناصر همراه نیتروژن و وانادیم به فولاد اضافه می شود.این عنصر تشکیل رسوبات کمپلکس کربونیترید وانادیم و نیوبیوم می دهند.در برخی فولادهای HSLA  نیوبیوم تا %0.15 وجوددارد.اگر درصد نیوبیوم از % 0.1 فراتر رود، مشکل ترک سرد و افت چقرمگی منطقه تحت تاثیر جوش در جوشکاری را خواهیم داشت.

رفتار انحلال و رسوب ترکیبات نیوبیوم با وانادیم متفاوت است.در سرد کردن آهسته آستنیت از دمای بالا ، همزمان با انحلال نیوبیوم ، کاربید نیوبیم در دماهی بالای 1200 C رسوب می کند.به دلیل رسوب این کاربید در دماهای بالا ، امکان درشت شدن ذرات وجود دارد که تاثیر منفی بر استحکام دارد.

همانطوریکه در بالا ذکر شد، فولادهای نیوبیوم دار بخاطر تشکیل ترکیب بین فلزی قابل حل Fe₃Nb₂  دارای استحکام بالایی می باشند.این فولادها دانه ریز بوده و در نتیجه خواص انرژی ضربه دردماهای پایین بهتری دارند.مزیت دیگر استفاده از نیوبیوم در ترکیب فولادها، عدم حضور آخالهای اکسیدی نامطلوب در ریزساختار می باشد.فولادهای دانه ریز نیوبیوم دار ، در مواردی استفاده می شوند که کربوریزه می شوند. این فولادها به دماهای بالا احتیاج  دارند تا دانه هایشان رشد کنند فلذا در منطقه دمایی سخت گردانی، ریزبودن دانه ها حفظ خواهد شد.

با افزودن نیوبیوم به ترکیب فولادهای کربنی متوسط نیمه کشته،استحکام تسلیم 9 ton/in² و استحــکام کششی 7 ton/in²  افزایش می یابند.این ورقها در تولید ورقها کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. این نوع ورق ها کار گرم شده و در خطوط نفت و سازه های سبک استفاده می شوند.

با رسوب ترکیب بین فلزی Fe₃Nb₂  از دمای انحلال و به دنبال آن پیر سازی در دمای 500-650 C ، نیوبیوم استحکام خزشی فولادهای بسیار کم کربن را می افزاید.میزان افزودن نیوبیوم برای بهبود استحکام خزشی متغیر بوده ولی مرسوم است که حداقل 25 برابر درصد کربن اضافه شود.با کاهش نسبت نیوبیوم به کربن ، استحکام خزشی شدیدا افت می کند و برای دستیابی به استحکام خزشی خوب ،باید درصد کربن در حد پایین نگه داشته شده باشد.اما اگر در دمای اتاق،استحکام مقدم بر استحکام خزشی باشد،نسبت نیوبیوم به کربن می تواند برابر8:1  باشد.

در سیستم آلیاژی آهن-کربن-نیوبیوم، با افزایش درصدNb درصد فاز آستنیت در ریزساختار شدیدا کاهش می یابد. فلذا در این نوع فولادها ، برای آستینه کردن بایستی درصد کربن فولاد کمتر باشد.

افزودن نیوبیوم سختی پذیری فولاد را می کاهد چرا که با تشکیل کاربید نیوبیوم ، غلظت کربن کاهش می یابد.از طرفی اگر نیوبیوم در محلول جامد باشد، از انجام استحاله جلوگیری می کند. بنابراین دمای آستنیته کردن و زمان نگهداری مستقیما مربوط به سختی پذیری فولاد دارد.کاربید نیوبیوم سختی پذیری را می کاهد و از اینرو بیشتر به ترکیب فولادهای به سختی پذیری نسبتا بالا که بایستی جوشکاری شوند اضافه می شود تا از ترک برداری زیر جوش جلوگیری کند.

در دمای بالای 400 C ، نیوبیومی که در فولادهای نیتریدی وجود دارد، با نیتروژن واکنش می دهد.کاربید نیوبیوم و نیوبیومی که بیش از حد انحلال است در تشکیل نیترید شرکت نمی کند و فقط نیوبیوم موجود در محلول جامد در تشکیل نیترید شرکت می کند. در فولادهای کربنی ساده ، نیوبیوم سختی سطحی را می افزاید.فولادهای با 6-4 درصد کروم در هوا سخت می شوند و به زمان آنیل زیادی نیاز دارند و در هنگام جوشکاری ترک بر می دارند.این مشکل در این نوع فولادها را می توان با کاهش درصد کربن تا حد زیادی حل کرد.البته این مشکل را با اضافه کردن تیتانیوم ،آلومینوم و نیوبیوم نیز می توان حل کرد.که در این میان Nb ترجیح داده می شود چرا که آخالهای مضر در ترکیب را تشکیل نمی شوند..میزان نیوبیومی که به ترکیب فولاد اضافه می شود،10-7 برابر درصد کربن است.فولادهای نیوبیوم دار کار گرم شده با سرد کردن از دمای 1000 C هم چنان نرم می مانند.ولی به علت انحلال جزیی کاربیدهای نیوبیوم ممکن است بمقدار جزیی سخت گردانی شوند.برای آنیل مجدد کافی است تا دمای 800 C حرارت داده و سپس در هوا سرد شوند.

برای کاهش تمایل به هوا سختی فولادهای با 16-18 % Cr درصدی از نیوبیوم به ترکیب آنها اضافه می شود.اینکار عملیات حرارتی راآسان کرده و داکتیلیتی و جوشکاری را بهبود می بخشد.برای این منظور 1 % Nb  اضافه می شود(10 برابر درصد کربن) افزوده می شود که از لحاظ هزینه گران شدن فولاد را در پی دارد و از اینرو در مصارف خاص استفاده می شود.

بعد از حرارت دادن فولاد 18/8 از منطقه دمایی 400-900 C خوردگی بین دانه ای رخ میدهد.این کاهش موضعی در مقاومت خوردگی ناشی از این واقعیت است که اکثر این فولادها دارای درصد کربن بالایی بوده که سبب میشود با سرد کردن در هوا کاربید رسوب کند.عموما اعتقاد بر اینست که  علت خوردگی بین دانه ای تخلیه محلول جامد از کروم در مجاورت مرز دانه است. ولی تحقیقات اخیر نشان داده است که کاربیدهای کروم غیرتعادلی با مقاومت خوردگی کمتر تشکیل می شود و نیازی به تخلیه کروم نیست.افزودن عناصر کاربیدزای قوی مثل Nb وTi  موجب رسوب و تشکیل کاربیدهای مرجح شده و از خوردگی بین دانه ای جلوگیری می کند پایدارسازی معمولا تحت تاثیر نیوبیوم و یا تیتانیوم می باشد.اگر مقاومت در برابر اسید نیتریک قوی نیاز باشد،نیوبیوم بهتر است. اگر فولاد تمیز لازم باشد ، پایدار سازی با تیتانیوم چندان خوب نیست زیرا آخالهای اکسید تیتانیوم در فولادهای عملیات حرارتی شونده وجود داشته و از طرفی تیتانیوم در حین جوشکاری اکسید می شود.

اثر نیوبیوم بر استحکام خزشی بیشتر از تیتانیوم بوده و در تولید فولادهای آستنیتی دمای بالا کاربرد وسیعی یافته است.نسبت Nb/C  باید 10:1  باشد تا از پایداری کامل اطمینان پیدا کرد. اما اگر شرایط چندان بحرانی نباشد، می توان از نسبتهای پایین نیز استفاده کرد.

در فولادهای زنگ نزن ،نیوبیوم 8 تا 10 برابر  درصد کربن بوده و تاثیر قابل توجهی بر استحکام کششی ،داکتیلیتی و یا چقرمگی ندارد.در شمش های بزرگ جدایش کاربیدهای نیوبیوم دور از احتمال نیست وکاهش داکتیلیتی در مرکز قطعات فورج را در پی دارد.حتی اگر از نسبت زیاد Nb/C استفاده شود، نیز داکتیلیتی کاهش می یابد.

معمولا در فولادهای زنگ نزن 18/8  که با نیوبیوم پایدار شده است،برای کاهش نرخ کارسختی ،درصد بالاتری از 8 % نیکل وجود دارد. این قاعده برای آسانی کار گرم بدلیل گسترش فریت حاصل از افزودن نیوبیوم لازم بنظر می رسد.

مقادیر کم تانتالوم اثری بر خواص مکانیکی فولادهای زنگ نزن 18/8  پایدار شده با نیوبیوم ندارد.درصدی از تانتالوم می تواند جایگزین مقدار کمی از نیوبیوم شود بدون آنکه بر استحکام و داکتیلیتی اثر منفی داشته باشد.این از جهاتی بهتر نیز است چرا که اکثر محصولات نیوبیوم دارای تانتالوم می باشند و بایستی بخاطر داشت که تانتالوم فقط یک دوم تاثیر نیوبیوم را دارد.اگر نسبت نیوبیوم به تانتالوم در فروآلیاژ  از 8:1  کمتر باشد، باید نسبت مجموع تانتالوم و نیوبیوم به کربن 10:1  باشد.به آلیاژ مغناطیس دایم نوع Alni نیوبیوم اضافه می شود و مغناطیس های دایم AlcomaxIII و AlcomaxIV به ترتیب 0.7 و 2.4 درصد نیوبیوم دارند. هر دو این آلیاژها از Alcomax  که نیوبیوم ندارد، خواص مغناطیسی بهتری دارند.

نیوبیوم معمولا به چدنها اضافه نمی شود ولی معمولا میزان کمی بخاطر قراضه های حاوی نیوبیوم در ترکیب آنها وجود دارد.