صلب سبائكي

أطوار سبيكة الحديد
فيريت (حديد ألفا، حديد دلتا، طري) أوستنيت (حديد غاما; أقسى) سفيروديت برليت (88% فيريت، 12% سمنتيت) باينيت مارتنسيت ليد يبوريت (فيريت-سمنتيت أصهرية، 4.3 % كربرون) سمنتيت (كربيد الحديد، Fe3C; الأقسى)
تصنيفات الفولاذ
فولاذ كربوني (≤2.1% كربون; سبيكة مخففة) فولاذ مقاوم للصدأ (+كروم) فولاذ ماراجين (+نيكل) فولاذ سبائكي (قاسي) فولاذ العِدد (الأقسى)
مواد حديدية أخرى
حديد الزهر (>2.1% كربون) حديد مطيلي حديد مطاوع (يحتوي على الخبث)

الصلب السبائكي (بالإنجليزية: Alloy steel)‏ هو صلب يحتوي على خليط من العناصر الكيميائية بنسب تتراوح بين 1-50 % من وزن السبيكة لتحسين خواصها الميكانيكية. تنقسم سبائك الصلب السبائكي إلى مجموعتين رئيسيتين: سبائك الصلب قليل العناصر السبائكية وسبائك الصلب كثير العناصر السبائكية. هناك اختلاف حول النسبة التي تفصل بين التصنيفين بين 4 % أو 8 %. ومع ذلك، يُقصد غالباً بمُسمّى «الصلب السبائكي» «سبائك الصلب قليل العناصر السبائكية».

الصلب السبائكي له قوة وصلادة وصلادة في درجات الحرارة العالية ومقاومة للبلي وقابلية للتصلد مقاومة للكسر أكبر من الصلب الكربوني. ومع ذلك، فقد يتطلب الأمر إجراء معالجة حرارية للسبيكة لتحقيق هذه الخواص. أشهر العناصر السبائكية هي الموليبدينوم والمنجنيز والنيكل والكروم والفاناديوم والسيليكون والبورون.

الصلب قليل العناصر السبائكية

عادة ما تستخدم سبائك الصلب قليل العناصر السبائكية لتحقيق لجعل قابلية التصلد للمعدن أفضل، وهذا بدوره يحسن خواصها الميكانيكية الأخرى. كما أنها تستخدم لزيادة المقاومة للتآكل في ظل ظروف بيئية معينة.

في سبائك الصلب قليل العناصر السبائكية التي تحتوي على نسب كربون متوسطة إلى عالية، يصعُب اللحام. خفض نسبة الكربون إلى 0.10-0.30 %، مع تقليل نسب بعض العناصر السبائكية، يزيد من قابلية السبيكة للحام وقابليتها للتشكيل، من المحافظة على قوتها كسبائك الصلب عالي القوة منخفض العناصر السبائكية.

خصائصه

يتم إضافة العناصر السبائكية لتحقيق خصائص معينة في السبيكة. وبصفة عامة، يتم تضاف العناصر السبائكية بنسبة مئوية أقل من 5 %، لزيادة القوة أو قابلية التصلد، أو بنسبة مئوية أكثر من 5 % لتحقيق خصائص خاصة مثل المقاومة للتآكل أو لاستقرار البنية المجهرية للسبيكة عند درجات الحرارة العالية.

يضاف المنجنيز والسيليكون والألومنيوم أثناء عمليات صناعة الصلب لإزالة الأوكسجين الذائب في المصهور. كما يضاف المنجنيز والسيليكون والنيكل والنحاس لزيادة القوة عن طريق التسابك مع الفيريت في صورة محاليل صلبة. يزيد الكروم والفاناديوم والموليبدينوم والتنجستين من قوة السبيكة عن طريق تكوين الكربيدات. وعند إضافة النيكل والنحاس بكميات قليلة، تتحسن مقاومة السبيكة للتآكل. الموليبدينوم يساعد على مقاومة الهشاشة. الزركونيوم والسيريوم والكالسيوم تزيد من مقاومة السبيكة للكسر عن طريق التحكم في شكل شوائب. أما كبريتيد المنجنيز والرصاص والبزموت والسيلينيوم والتيلوريوم، فتزيد من قابلية السبيكة للتشغيل .

تميل العناصر الكيميائية لتكوين مركبات أو كربيدات. النيكل قابل للذوبان للغاية في الفيريت، لذا فهو يكون مركبات عادة Ni₃Al. الألومنيوم أيضاً يذوب في الفيريت ويكوّن مركبات عادة Al₂O₃. السيليكون هو أيضا قابل للذوبان للغاية، ويشكّل عادة مركبات SiO₂•M_xO_y. المنجنيز يذوب معظمه في الفيريت مكوناً مركبات MnS و MnO•SiO₂، بل يكوّن أيضاً كربيدات في صورة Mn₃C. أما الكروم فينقسم بين الفيريت والكربيد في الصلب، في صور Cr₃C و Cr₇C₃ و Cr₂₃C₆، ويتوقف نوع كربيد الكروم المتكوّن على نسبة الكربون في السبيكة، ونوعية العناصر الأخرى الموجودة بها. يكوّن التنجستين والموليبدينوم كربيدات، إذا كان هناك ما يكفي من الكربون، وفي حالة عدم وجود عناصر مكوّنة أقوى للكربيدات مثل التيتانيوم والنيوبيوم، فتكوّن كربيدات W₂C و Mo₂C على التوالي. الفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم من العناصر التي تميل بقوة لتكوين الكربيدات، فتكوّن كربيد الفاناديوم وكربيد التيتانيوم وكربيد النيوبيوم على التوالي.

تؤثر العناصر السبائكية أيضاً على درجة حرارة الأيوتيكتويد للصلب. المنجنيز والنيكل يقللان من درجة حرارة الأيوتيكتويد، لذا فهي تعرف باسم «العناصر المثبّتة للأوستنيت». إذا تواجدت نسبة كافية من تلك العناصر في السبيكة، يمكن الحصول على بنية مجهرية لطور الأوستنيت في درجة حرارة الغرفة. العناصر التي تميل لتكوين الكربيدات، ترفع من درجة حرارة الإيوتيكتويد؛ فتعرف هذه العناصر باسم «العناصر المثبّتة للفيريت».

تأثيرات العناصر السبائكية الرئيسية على سبائك الصلب

العنصر	نسبته	تأثيره
الألومنيوم	0.95–1.30	عنصر سبائكي في سبائك الصلب المنتردة
البزموت	-	يحسّن من قابلية التشغيل
البورون	0.001–0.003	يزيد قابلية السبيكة للتصلد بقوة
الكروم	0.5–2	يزيد قابلية السبيكة للتصلد
	4–18	يزيد من مقاومة السبيكة للتآكل
النحاس	0.1–0.4	يزيد من مقاومة السبيكة للتآكل
الرصاص	-	يحسّن من قابلية التشغيل
المنجنيز	0.25–0.40	يتحد مع الكبريت ليمنع الهشاشة
	>1	يزيد قابلية السبيكة للتصلد
الموليبدينوم	0.2–5	مكوّن للكربيدات ويمنع نمو الحبيبات
النيكل	2–5	يزيد من مقاومة السبيكة للكسر
	12–20	يزيد من مقاومة السبيكة للتآكل
السيليكون	0.2–0.7	يزيد من قوة السبيكة
	2	يستخدم في صلب اليايات
	نسب أعلى	يحسّن الخواص المغناطيسية
الكبريت	0.08–0.15	يحسن من خواص التشغيل
التيتانيوم	-	يثبّت الكربون في قلب الحبيبات ويقلل من صلادة المارتنسيت في سبائك صلب الكروم
التنجستين	-	يحسن الصلادة في درجات الحرارة العالية
الفاناديوم	0.15	يثبّت الكربيدات، يزيد من قوة السبيكة مع المحافظة على المرونة، تجعل البنية المجهرية ذات حبيبات صغيرة