فولاد بور

فولاد بور (Boron steel) نوعی فولاد آلیاژی است که با مقدار اندکی بور، معمولاً کمتر از ۱ درصد، آلیاژ شده است. افزودن بور به فولاد، قابلیت سخت‌شوندگی آلیاژ حاصل را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد.

 توصیفات 
بور معمولاً به‌صورت فروبور (با حدود ۱۲ تا ۲۴ درصد بور) به فولاد افزوده می‌شود. از آنجا که فروبور حاوی عناصر محافظتی نیست، معمولاً پس از افزودن اکسیژن‌زداها به مذاب فولاد اضافه می‌شود. همچنین افزودنی‌های انحصاری‌ای وجود دارند که حاوی اکسیژن‌زدا و نیتروژن‌زدا هستند؛ برای نمونه، یکی از این ترکیبات شامل ۲ درصد بور به‌همراه آلومینیوم، تیتانیم و سیلیسیم است.اکسیژن، کربن و نیتروژن در فولاد با بور واکنش می‌دهند و به‌ترتیب ترکیبات B₂O₃ (تری‌اکسید بور)، Fe₃(CB) (بوروسمنتیت آهن) و Fe₂₃(CB)₆ (بور‌کاربید آهن)، و نیز BN (نیترید بور) را تشکیل می‌دهند.

 سخت‌شوندگی 
بور محلول در فولاد در امتداد مرزدانه‌ها آرایش می‌یابد. این امر با مهار دگرگونی γ→α (تبدیل آستنیت به فریت) از طریق فرآیند نفوذ، قابلیت سخت‌شوندگی را افزایش می‌دهد. بازهٔ بهینهٔ مقدار بور برای این اثر حدود ۰٫۰۰۰۳ تا ۰٫۰۰۳ درصد وزنی است.همچنین گزارش شده است که ترکیب Fe₂B در مرزدانه‌ها رسوب می‌کند که این پدیده نیز می‌تواند دگرگونی γ→α را به تأخیر اندازد.در مقادیر بالاتر بور، تصور می‌شود ترکیب Fe₂₃(CB)₆ تشکیل شود که جوانه‌زنی فریت را تسهیل می‌کند و در نتیجه، تأثیر نامطلوبی بر قابلیت سخت‌شوندگی دارد.

بور در غلظت‌های بسیار پایین نیز مؤثر است؛ به‌گونه‌ای که ۳۰ پی‌پی‌ام (ppm) بور می‌تواند جایگزین حدود ۰٫۴ درصد کروم، ۰٫۵ درصد کربن یا ۰٫۱۲ درصد وانادیم شود. همچنین نشان داده شده است که ۳۰ پی‌پی‌ام بور می‌تواند عمق سخت‌شوندگی را در یک فولاد کم‌آلیاژ حدود ۵۰ درصد افزایش دهد. این اثر به مهار تجزیه آستنیت به ریزساختارهای نرم‌ترِ بینیت، فریت یا پرلیت در حین سرد شدن پس از عملیات آستنیتی‌سازی نسبت داده می‌شود.

وجود کربن در فولاد، اثربخشی نسبی بور در افزایش قابلیت سخت‌شوندگی را کاهش می‌دهد.

در مقادیر بیش از ۳۰ پی‌پی‌ام، بور به‌تدریج موجب کاهش قابلیت سخت‌شوندگی می‌شود، تردی را افزایش می‌دهد و می‌تواند پدیدهٔ شکنندگی در دمای بالا (hot shortness) را ایجاد کند.

 نمودار فازی 
نمودار فازی Fe–B دارای دو نقطه یوتکتیک است: یکی در ۱۷ درصد مولی بور با نقطه ذوب ۱۱۴۹ درجه سانتی‌گراد، و دیگری در ۶۳٫۵ درصد بور با نقطه ذوب حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد.همچنین یک بیشینهٔ نقطه ذوب در نسبت اتمی ۱:۱ آهن به بور مشاهده می‌شود و یک نقطه عطف در ۳۳ درصد بور وجود دارد که به‌ترتیب با ترکیبات FeB و Fe₂B متناظر هستند.

انحلال‌پذیری بور در فولاد در دمای ۱۱۴۹ درجه سانتی‌گراد حدود ۰٫۰۲۱ درصد برآورد می‌شود که با کاهش دما به ۹۰۶ درجه سانتی‌گراد، به ۰٫۰۰۲۱ درصد کاهش می‌یابد.[1]در دمای ۷۱۰ درجه سانتی‌گراد، تنها حدود ۰٫۰۰۰۰۴ درصد بور در γ-Fe (آستنیت) حل می‌شود.

 کاربردها 
فولادهای آلیاژی بور شامل فولادهای کربنی، فولادهای کم‌آلیاژ از جمله فولادهای با استحکام بالا و آلیاژ پایین (HSLA)، فولادهای کربن-منگنز و فولادهای ابزار هستند. به دلیل جذب بالای نوترون توسط عنصر بور، این ماده به فولادهای زنگ‌نزن مورد استفاده در صنعت هسته‌ای افزوده می‌شود؛ میزان این افزودنی تا ۴ درصد نیز می‌رسد، اما به طور معمول بین ۰.۵ تا ۱ درصد متغیر است.

فولادهای بور در صنعت خودروسازی، به‌ویژه به عنوان اجزای استحکام‌بخش در بخش‌هایی نظیر قاب درب‌ها و صندلی‌های با قابلیت تنظیم پشتی (Reclining Seats) کاربرد دارند. از اواسط دهه ۲۰۰۰ میلادی، استفاده از این نوع فولاد در میان تولیدکنندگان خودروهای اروپایی رایج گشته است. به‌کارگیری قطعات فولادی بور مشکلاتی را برای امدادگران در صحنه تصادفات ایجاد کرد؛ چرا که استحکام و سختی بالای این آلیاژ در برابر بسیاری از ابزارهای برش متداول (ابزارهای نجات هیدرولیکی) که در آن زمان مورد استفاده قرار می‌گرفتند، مقاومت می‌کرد.

فولادهای تخت بور که در مصارف خودرویی به کار می‌روند، در قالب‌های خنک‌شونده و از وضعیت آستنیتی (که از طریق گرمایش تا دمای ۹۰۰ الی ۹۵۰ درجه سانتی‌گراد حاصل می‌شود) تحت عملیات پرس‌کاری گرم (Hot Stamping) قرار می‌گیرند. یک فولاد نمونه نظیر 22MnB5، پس از طی این فرآیند، افزایش ۲.۵ برابری در استحکام کششی را نسبت به مقدار پایه ۶۰۰ مگاپاسکال نشان می‌دهد. عملیات پرس‌کاری می‌تواند در اتمسفر خنثی انجام پذیرد، در غیر این صورت پوسته‌های اکسیدی ساینده تشکیل می‌شوند؛ به عنوان جایگزین، می‌توان از پوشش محافظ آلومینیوم-سیلیسیم (Al-Si) استفاده کرد(رجوع شود به فولاد آلومینایز شده). معرفی فولاد نرم منگنز-بورِ پرس‌کاری گرم شده با استحکام کششی بالا (22MnB5) — با تنش تسلیم (Proof Strength) تا ۱۲۰۰ مگاپاسکال و استحکام کششی نهایی (UTS) تا ۱۵۰۰ مگاپاسکال — امکان کاهش وزن خودرو از طریق کاهش ضخامت ورق (Down-gauging) را در صنعت خودروسازی اروپا فراهم آورده است.

فولاد بور در حلقه (Shackle) برخی از قفل‌های آویز جهت ایجاد مقاومت در برابر برش استفاده می‌شود. قفل‌های آویز ساخته شده از فولاد بور با ضخامت حلقه کافی (۱۵ میلی‌متر یا بیشتر)، در برابر اره‌آهن‌بر، قیچی مفتول‌بر و ضربات چکش مقاومت بسیار بالایی دارند؛ هرچند که با استفاده از دستگاه فرز سنگ‌بری (Angle Grinder) می‌توان بر آن‌ها غلبه کرد.

تختال‌های فولاد بور، به‌طور معمول از نوع 30MnB5 که با افزودن ۰.۵ درصد کروم اصلاح شده‌اند، در ساخت شاخک‌های (Fork arms) لیفتراک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 منابع 

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر