برهمکنش‌های بین ساختار بلوری آهن و کربن در آنالیز OES

توسعه متالورژی آهنی به طور جدایی ناپذیری با پیشرفت تمدن مرتبط است. همچنین می‌توان به درستی گفت که بدون کربن، چدن یا فولادی وجود نخواهد داشت، زیرا از زمان‌های بسیار قدیم، کربن عامل کاهنده‌ای بوده است که برای آزادسازی آهن فلزی از سنگ معدن آن استفاده می‌شده است. اختلاف چند دهم درصد در میزان کربن می‌تواند تأثیر چشمگیری بر خواص مکانیکی آهن و فولاد داشته باشد، بنابراین اندازه‌گیری دقیق آن برای متالورژی آهنی بسیار مهم است. روش‌های شیمیایی و طیف‌سنجی برای اندازه‌گیری کربن در آهن و فولاد توسعه یافته‌اند. یکی از محبوب‌ترین آنها، طیف‌سنجی نشر نوری (OES) با استفاده از منبع جرقه الکتریکی است. با این حال، هنگام اندازه‌گیری کربن در چدن، این روش می‌تواند مستعد خطاهایی باشد که به ماهیت دانه‌ای ماده و وجود ذرات کربن «آزاد» به شکل گرافیت مربوط می‌شود.

کوره بلند حدود ۵۰۰ سال قبل از میلاد در چین ظاهر شد که با سنگ معدن و زغال چوب شارژ می‌شد و از مواد معدنی فسفر به عنوان گدازآور استفاده می‌کرد. فرآیندهای مشابهی تقریباً در همان زمان در هند مورد استفاده قرار می‌گرفت. این روش، آهن «خوک» یا «ریخته‌گری» تولید می‌کرد که می‌توانست ریخته‌گری شود اما به دلیل محتوای کربن نسبتاً بالای آن - معمولاً ۲-۵٪ - بسیار سخت و شکننده بود. این فناوری تقریباً ۲۰۰۰ سال به اروپا نرسید. یک گام بزرگ به جلو، استفاده از کک به جای زغال چوب به عنوان سوخت کوره بود که اولین بار در سال ۱۷۷۹ در انگلستان معرفی شد. اکنون بدون زغال چوب گران‌قیمت، آهن می‌توانست به صورت ارزان و در مقیاس صنعتی تولید شود. کربن به وضوح برای متالورژی آهن و فولاد اساسی است. در زمان‌های اولیه، توسعه عمدتاً با آزمون و خطا انجام می‌شد، زیرا مکانیسم‌های شیمیایی و متالورژیکی درک نشده بودند، اما در طول قرن نوزدهم، برهمکنش‌های پیچیده بین آهن و کربن مورد مطالعه قرار گرفت. لوشاتلیه و دیگران نشان دادند که آهن و فولاد دارای ساختار بلوری یا «دانه» هستند که تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی و سایر خواص فلز دارد. این ساختار دانه‌ای تا حد زیادی (اما نه منحصراً) به میزان کربن بستگی دارد، بنابراین توانایی کنترل دقیق و صحیح غلظت کربن برای فرآیند تولید آهن و فولاد حیاتی است.

مزیت بزرگ اسپارک او ای اس این است که علاوه بر کربن، می‌تواند سایر عناصر مهم در متالورژی آهن و فولاد، از جمله نیتروژن، سیلیکون، گوگرد و عناصر آلیاژی مانند منگنز، نیکل و کروم را نیز اندازه‌گیری کند. به نظر می‌رسد این امر، آنالیزور احتراق را غیرضروری می‌کند، اما با سطوح بالای کربن، تکنیک نمونه‌برداری می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر نتایج کربن OES داشته باشد. برای دقت خوب، بسیار مهم است که نمونه‌ها بدون تشکیل گرافیت گرفته شوند.

نمونه‌برداری برای آنالیز آهن و فولاد کار ساده‌ای نیست: نمونه آزمایش معمولاً تنها بخش کوچکی از کل مذاب است، اما باید تا حد امکان نماینده کل باشد. باید دقت شود که از آلودگی توسط سرباره جلوگیری شود. فلز مذاب بسیار واکنش‌پذیر است و تکنیک‌های نمونه‌برداری باید طوری طراحی شوند که واکنش‌های شیمیایی که ممکن است پس از نمونه‌برداری رخ دهند و در نتیجه ترکیب مذاب را تغییر دهند، به حداقل برسند. نمونه‌برداری می‌تواند تک مرحله‌ای باشد، که در آن وسیله نمونه‌برداری قالب نمونه نیز هست، یا دو مرحله‌ای باشد، که در آن ابتدا نمونه با یک قاشق یا ملاقه مناسب گرفته می‌شود و سپس در قالب ریخته می‌شود. نمونه‌برداری تک مرحله‌ای با استفاده از نمونه‌گیر غوطه‌وری یا "لانس" برای اتوماسیون مناسب‌تر است، که می‌تواند به تکرارپذیری نمونه‌برداری کمک کند. سرعت خنک شدن نمونه هنگام جامد شدن بسیار مهم است: همانطور که در بالا ذکر شد، خنک شدن سریع تشکیل گرافیت آزاد را کاهش می‌دهد، که می‌تواند بر آنالیز کربن OES تأثیر بگذارد. نمونه‌برداری تک مرحله‌ای معمولاً برای کاربردهای چدن مشکلاتی ایجاد می‌کند. در نمونه‌برداری مضاعف، نمونه اغلب به صورت یک دیسک نازک در یک قالب مسی سنگین ریخته می‌شود تا نمونه به سرعت خنک شود. علیرغم این اقدامات احتیاطی، در چنین شرایط پویایی، نمونه‌هایی از یک مذاب یکسان، هنوز هم می‌توانند تفاوت‌هایی در ساختار بلوری تا زمان ارائه برای تجزیه و تحلیل نشان دهند.

چدن - مکعب‌ها و کریستال‌ها

زیر میکروسکوپ، چدن و فولاد همگن نیستند، بلکه دانه‌ای شکل هستند. ساختار یک نمونه معین به عوامل مختلفی بستگی دارد، اما عمدتاً به میزان کربن و فرآیندهای حرارتی و مکانیکی که در معرض آن قرار گرفته است. آهن و کربن می‌توانند ترکیبات مختلفی تشکیل دهند که هر کدام ریزساختار و در نتیجه خواص مکانیکی خاص خود را دارند. در دمای اتاق، گریدهای تجاری آهن از مخلوط‌های دانه‌ای فریت، آستنیت و کاربید آهن Fe3C، با یا بدون ذرات کربن آزاد (گرافیت) تشکیل شده‌اند.

ساختار بلوری فریت نمونه‌ای از ساختار «مکعبی مرکزپر» یا BCC است؛ آستنیت «مکعبی مرکزپر» یا FCC است. در هر دو مورد، اتم‌های کربن می‌توانند با سرد شدن مذاب، وارد شبکه آهن شوند و یک بلور پایدار تشکیل دهند: در فریت، اتم‌ها فقط می‌توانند در مرکز مکعب و در آستنیت در مرکز وجوه آن قرار گیرند. واضح است که این امر حداکثر غلظت کربن را در هر نوع بلور محدود می‌کند و متوجه می‌شویم که حداکثر غلظت کربن در فریت 0.025٪ است؛ در آستنیت 2.06٪ است. ساختار منظم این مواد همان چیزی است که نورد یا کار سرد را برای آنها ممکن می‌سازد، زیرا صفحات لغزش بین وجوه بلوری مجاور امکان‌پذیر است. این یک ویژگی مهم فولاد است و معمولاً اگر ماده حاوی کمتر از حداکثر 2.06٪ آستنیت باشد، به عنوان فولاد طبقه‌بندی می‌شود، اگر بیشتر باشد، به عنوان چدن طبقه‌بندی می‌شود.

در غلظت‌های بالاتر کربن، کاربید آهن Fe3C تشکیل می‌شود. این کاربید حاوی 6.7 درصد وزنی کربن است و به عنوان سمنتیت نیز شناخته می‌شود. کربن آزاد همچنین می‌تواند با سرد شدن آهسته مذاب تشکیل شود و در مرز دانه‌ها به صورت گرافیت رسوب کند. اینکه مذاب سرد شود تا به صورت سمنتیت جامد شود یا مخلوطی از سمنتیت و گرافیت، تا حد زیادی به سرعت سرد شدن بستگی دارد: سرد شدن سریع، تشکیل سمنتیت را افزایش می‌دهد و چدن "سفید" بدون گرافیت آزاد ایجاد می‌کند؛ در حالی که در شرایط سرد شدن آهسته‌تر، گرافیت آزاد می‌تواند تشکیل شود و چدن "خاکستری" تولید کند. وجود عناصر آلیاژی خاص نیز تأثیر دارد: اتم‌های کربن در اطراف اتم‌های منفرد Mg یا Ce جمع می‌شوند و کره‌های کوچکی با قطر بین چند میکرومتر تا 150 میکرومتر تشکیل می‌دهند. بنابراین، مقدار کربن آزاد تشکیل شده با تغییرات نسبتاً کوچک در سرعت سرد شدن و وجود عناصر آلیاژی تغییر می‌کند.