دنیای نانو تکنولوژی در آهن و فولاد

فولاد یکی از پرکاربردترین مواد مهندسی در جهان است. جایگاه برتر آن در میان مواد نانو تکنولوژی در آهن به دلیل فراوانی و هزینه کم مواد اصلی تشکیل دهنده آن یعنی آهن قابلیت این را دارد که طیف وسیعی از ریز ساختارهای مهندسی با خواص برتر را شامل باشد. (جهت مطالعه بیشتر به فلز چیست مراجعه نمایید)

تحقیقات درباره فولاد نانو عمدتا در ریزساختارها از طریق تکنیک های پردازش نوآورانه و اتخاذ استراتژی های آلیاژی جدید بوده است. این امر با استفاده از روش های پیشرفته مانند میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا، (HRTEM) ، توموگرافی پروب اتمی (APT) و غیره و طراحی محاسباتی مواد کمک می کند. (جهت مطالعه بیشتر به بزرگترین تولیدکنندگان فولاد جهان مراجعه نمایید)

استحکام تئوری آهن GPa27.30 است. برای به دست آوردن استحکام فوق العاده بالا در آهن ها، اول اندازه یک کریستال را به اندازه ای کاهش دهیم که عاری از هرگونه نقص باشد. (جهت مطالعه بیشتر به خرید و فروش آهن آلات اعتباری به روش LC مراجعه نمایید)

برنر در سال 1956 توانست به استحکام کششی بیش از 13 گیگاپاسکال در الیاف ریزآهن دست یابد. دوم معرفی تراکم بسیار زیادی از عیوب در یک نمونه فلزی است که به عنوان مانعی در برابر حرکت نابجایی ها عمل می کند.

سیم فولاد کربنی نمونه قابل توجهی از فولاد نانو ساختار تولید شده در مقیاس انبوه است. این استحکام به دلیل وجود ساختار لایه ای cementite/ferrite در مقیاس نانو تکنولوژی ایجاد می شود. سیم فولادی با کربن بالا یک ماده مهندسی مهم است که برای تقویت لاستیک های خودرو، سیم های گالوانیزه برای پل های معلق و سیم های کابل برق استفاده می شود. (جهت مطالعه بیشتر به تاثیر تکنولوژی بر قیمت فولاد مراجعه نمایید)

در واقع کابل های معلق بزرگترین پل معلق جهان، پل تنگه آکاشی که در سال 1998 در ژاپن ساخته شد، از سیم های فولادی پرلیتی با قدرت 1800 مگاپاسکال از نانو تکنولوژی در آهن ساخته شده بود. و برای استفاده در تایرهای خودرو دارای قدرتی در حدود 4000 مگاپاسکال است. (جهت مطالعه بیشتر به فولاد چیست مراجعه نمایید)

چالش اصلی در تحقیق پتانسیل عظیم آهن نانو مهندسی ساخت قطعات بزرگ فولاد نانوبلور با خواص برتر و با هزینه مناسب است. برای رویارویی با این چالش تعدادی از رویکردهای نوآورانه برای تولید در حال توسعه هستند.

اولین مورد این است که اندازه یک کریستال را به اندازه ای کاهش دهیم که بدون هیچ گونه نقصی در ریز الیاف باشد.

اندازه دانه های بسیار ریز (1µm>) منجر به استحکام فوق العاده بالا در فولادهای معمولی می شود. با این حال، کاهش شدید در شکل پذیری کششی، به ویژه ازدیاد کشش یکنواخت وجود دارد. بنابراین تعدادی از مسیرهای پردازش برای بهبود شکل پذیری در حال توسعه هستند.  (جهت مطالعه بیشتر به قیمت آهن به چه معیاری بستگی دارد مراجعه نمایید)

پردازش کنترل شده حرارتی (TMCP)

بر اساس کنترل ریز ساختار در طول نورد گرم و خنک سازی، بسیاری از رویدادهای ریز ساختاری در سطح میکرون کنترل می شوند در حالی که رویدادهای دیگر مانند سخت شدن بارش در سطح کنترل در مقیاس نانو تکنولوژی قرار دارند. آهن نانو ساختار با نرخ سخت شدن کار بالا با بهره برداری از اثر TWIP با منگنز بالا در معرض کرنش پلاستیک قرار می گیرند تا از نظر حرارتی پایدار در ساختار وارد شوند. عملیات بازیابی بعدی منجر به ترکیبی عالی از عملکرد بالا و استحکام کششی نهایی و سخت شدن کار می شود.

فولاد نانو دانه دار / فولادهای با دانه بندی فوق العاده ریز القا شده با برگشت فاز ریز ساختارهای متشکل از ترکیب بهینه ای از دانه های نانو و فوق ریز در فولاد با بازپخت کنترل شده به شدت سرد به دست می آیند. ساختارهای دانه نانو / فوق العاده ریز با ترکیبی عالی از استحکام و شکل پذیری می باشند. (جهت مطالعه بیشتر به اهمیت کنترل کیفیت در تولید آهن مراجعه نمایید)

آبگیری از آلیاژهای آهنی شیشه ای

نانو تکنولوژی در آهن شیشه های فلزی بر اساس فرمول تخصصی آلیاژهای آهنی توسعه یافته اند. این شیشه ها با حرارت دهی بعدی بالاتر از دمای تبلور برای به دست آوردن ریز ساختارهای نانو، تحت عملیات devitrification قرار می گیرند. این آهن می تواند به صورت نانو کامپوزیت اسپری حرارتی برای افزایش مقاومت در برابر سایش و خوردگی اجزای مهندسی استفاده شوند. (جهت مطالعه بیشتر به تحلیل قیمت آهن مراجعه نمایید)

آلیاژسازی و تحکیم مکانیکی

آلیاژسازی مکانیکی از طریق آسیاب توپی با انرژی بالا پودرهای آهن و کربن ( یا سایر عناصر آلیاژی) انجام می شود. و پودرهای متعاقبا با تکنیک های مختلفی مانند جرقه پخت پلاسما، تراکم گرم، HIP و غیره یکپارچه می شوند. این رویکرد می تواند منجر به ایجاد نانو کریستالی شود. ساختارهای بسیار ریز دانه با خواص مکانیکی عالی در بر می گیرد. (جهت مطالعه بیشتر به فولاد تریپ مراجعه نمایید)

نانو کریستالیزاسیون سطحی یک لایه سطحی نانو ساختاراست که می توان با قرار دادن فولادها در معرض تکنیک های مختلف تصفیه سطح، مانند روش های لایه برداری با شات اولتراسونیک و درمان های سایشی مکانیکی سطح (SMAT) ساخت. SMAT یک رویکرد ساده ، انعطاف پذیر و کم هزینه را برای افزایش خواص فولادها، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ، ارائه می کند.

در حال حاضر، علاقه به آهن نانو ساختار تازه در حال افزایش است. با این حال با ورود غول های صنعتی مانند:

• Nippon Steel
• Sandvik
• Arcelor Mittl
• Exxo
• JFE Steel

دامنه خوبی برای پذیرش صنعتی گسترده تر ممکن است که در آینده نزدیک رخ دهد. علاوه بر این برخی از موسسات تحقیقاتی Max Planck و دانشگاه کمبریج و شرکت NanoSteel ایالات متحده آمریکا با رویکرد های نوآورانه خود می توانند مزایای قابل توجهی  نانو تکنولوژی در آهن، ساختار با هزینه معقول ایجاد کنند. (جهت مطالعه به خرسک و شلاکه آهن مراجعه نمایید)

آلیاژها به شکل پوشش های اسپری حرارتی یا پوشش های جوش برای مقابله با مشکلات سایش، خوردگی، فرسایش و غیره استفاده می شوند. این آهن ها مقاوم در برابر خوردگی با استحکام بالا و سازگار با محیط زیست طراحی شده است.

(جهت مطالعه بیشتر به سه تولید کننده برتر فولاد ایران را بشناسیم مراجعه نمایید)

• فناوری مواد Sandvik سوئد ، این آهن نانو ساختار نانوفلکس را توسعه داده است.

• شرکت JFE Steel Corp ژاپن ، آهن نورد گرم با استحکام نانو کاربید تقویت شده به نام NANOHITEN در صنعت خودرو راتوسعه داده است. (جهت مطالعه بیشتر به ورق خودرو مراجعه نمایید)

• شرکت فولاد Kawasaki ژاپن ، آهن های با کربن فوق کم، مس تقویت شده با رسوب مس بدون عملیات حرارتی تولید شده و توسط فرآیند کنترل بارش ترمو مکانیکی (TPCP) را توسعه داده است.

• شرکت تحقیقاتی Kobelco ژاپن ، این آهن را برای لوله های پوشش سوخت راکتورهای هسته ای توسعه داده است. (جهت مطالعه بیشتر به گرانترین فلز مراجعه نمایید)

• شرکت تحقیقاتی Exxon Mobil ایالات متحده آمریکا ، آهن خط لوله با استحکام بالا را برای حمل و نقل گاز طبیعی با همکاری شرکت Nippon Steel and Mitsui & Co برای آهن های ریز کامپوزیت با ترکیبات برتر از خواص مقاومت، چقرمگی و خوردگی برای اعضای بتنی تقویت شده با میلگردهای با مقاومت بالا را توسعه داده است. (جهت مطالعه بیشتر به لوله گازی مراجعه نمایید)

• شرکت Nippon Steel Corp ژاپن ، فولاد نانو ساختار را برای کاربردهای مختلف توسعه داده است، این نوع ساختار آهن مقاوم در برابر خستگی حاوی نانو رسوبات مس برای حمل و نقل و پل. فولادهای با استحکام بالا با مقاومت در برابر شکست تاخیری ( به دام انداختن هیدروژن با رسوبات نانو) برای پیچ و مهره هایی که در خودروها و ساختمان های بلند استفاده می شوند. (جهت مطالعه بیشتر به مشهورترین سازه های فلزی جهان مراجعه نمایید)

آهن با چقرمگی HAZ بالا با استفاده در پراکندگی در اندازه نانو، اکسیدها و یا سولفیدها. و همچنین تولید سیم های فولادی با استحکام بالا برای تقویت لاستیک های خودرو، سیم های گالوانیزه برای پل های معلق و سیم های کابل برق استفاده می شود. (جهت مطالعه بیشتر به مواد فلزی نانو مراجعه نمایید)

سناریوی مالکیت

از آنجایی که فناوری های مربوط به فولاد نانو ساختار عمدتا مبتنی بر نوآوری های فرایندی هستند، توسعه دهندگان فناوری اغلب تمایل دارند که اسرار تجاری خود را حفظ کنند تا این که برای حفاظت به اختراعات تکیه کنند. این استراتژی به آنها کمک می کند تا از تضادهای IP جلوگیری کنند و همچنین از فناوری های آنها در برابر کشورهای دیگر محافظت کند. البته اگر رقیب فرآیند مشابهی را به طور مستقل توسعه دهد این استراتژی تولیدکنندگان را آسیب پذیر می کند. با وجود موارد فوق این اختراعات مربوط به آهن نانو ساختار قابل ذکر بودند. (جهت خرید و بررسی به قیمت ورق مراجعه نمایید)

جهت مطالعه بیشتر به ویکی پدیا مراجعه فرمایید.