شوائب غير معدنية

في علم المعادن ، تُعرف الشوائب غير المعدنية بأنها مركبات كيميائية وعناصر غير فلزية موجودة في الفولاذ وسبائك أخرى . وهي ناتجة عن تفاعلات كيميائية ، وتأثيرات فيزيائية، وتلوث يحدث أثناء عمليات الصهر والصب . تُصنف هذه الشوائب حسب منشئها إلى شوائب داخلية وشوائب خارجية. ^{[ 1 ]} الشوائب الداخلية، والمعروفة أيضًا بالشوائب الأصلية، توجد داخل المعدن نتيجة تفاعلات كيميائية. تترسب هذه الشوائب أثناء التبريد، وعادةً ما تكون صغيرة جدًا. ^{[ 2 ]} أما الشوائب الخارجية فتنتج عن انحباس العناصر غير الفلزية. يختلف حجمها اختلافًا كبيرًا، وقد تشمل مصادرها الخبث ، والرواسب ، وبقايا الصهر ، وقطع القالب . ^{[ 2 ]}

تنشأ الشوائب غير المعدنية بسبب العديد من التأثيرات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث في المعدن المنصهر والمتماسك أثناء الإنتاج.

تُسمى الشوائب غير المعدنية التي تنشأ نتيجة تفاعلات مختلفة أثناء إنتاج المعادن بالشوائب الطبيعية أو الأصلية . وتشمل هذه الشوائب الأكاسيد والكبريتيدات والنيتريدات والفوسفيدات .

إلى جانب الشوائب الطبيعية، توجد أيضاً أجزاء من الخبث ، والمواد المقاومة للحرارة ، ومواد قوالب الصب (المادة التي يلامسها المعدن أثناء الإنتاج) داخل المعدن. تُسمى هذه الشوائب غير المعدنية بالشوائب الغريبة أو العرضية أو الخارجية.

تتشكل معظم الشوائب في عملية الصهر الاختزالي للمعادن بسبب انخفاض قابلية ذوبان الشوائب أثناء التبريد والتصلب.

تتيح تكنولوجيا إنتاج الصلب الحالية إمكانية إزالة معظم الشوائب الطبيعية والغريبة من المعدن. ومع ذلك، فإن محتواها العام في أنواع الصلب المختلفة قد يتباين ضمن نطاق واسع، وله تأثير كبير على خصائص المعدن.

تُصنّف الشوائب غير المعدنية، التي يُحدد وجودها نقاء الفولاذ، حسب محتواها الكيميائي والمعدني، واستقرارها، وأصلها. وبحسب محتواها الكيميائي، تُقسّم الشوائب غير المعدنية إلى المجموعات التالية:

1. الكبريتيدات ₍ بسيطة - FeS ، MnS ، Al2S3 ، CaS ، MgS ، Zr2S3 _وغيرها ؛ مركبة _- FeS · FeO ، _MnS · MnO وغيرها ) ؛

1. النتريدات (البسيطة - ZrN ، TiN ، AlN ، CeN وغيرها؛ المركبة - Nb(C، N) ، V(c، N) وغيرها)، والتي يمكن العثور عليها في الفولاذ السبائكي وتحتوي على عناصر قوية مولدة للنتريد في محتواها: التيتانيوم ، والألومنيوم ، والفاناديوم ، والسيريوم وغيرها؛
2. السيليكات

1. الأكاسيد ( البسيطة - FeO ، MnO ، Cr2O3 _{، SiO2} ، Al2O3 ، _{TiO2 وغيرها} ؛ المركبة - FeO · Fe2O3 ، FeO _{· Al2O3} ، FeO · _Cr2O3 ، _MgO · Al2O3 ، _2FeO · _{SiO2 وغيرها ؛}​​​​​​​_​​_​​​​​_​

تُشكل الأكاسيد والكبريتيدات غالبية الشوائب في المعادن نظرًا لانخفاض محتوى الفوسفور فيها. أما السيليكات ، فهي ضارة جدًا بالفولاذ، خاصةً إذا خضع لمعالجة حرارية لاحقة.

عادة ما توجد النتريدات في أنواع خاصة من الفولاذ تحتوي على عنصر ذي ألفة عالية للنيتروجين .

بحسب المحتوى المعدني، تنقسم شوائب الأكسجين إلى المجموعات الرئيسية التالية:

• الأكاسيد الحرة - FeO ، MnO ، Cr₂O₃ ، _SiO₂ ( الكوارتز ) ، _Al₂O₃ ( الكوروندوم ) _{وغيرها​}​​​_​
• الإسبينيلات - أكاسيد مركبة تتكون من عناصر ثنائية وثلاثية التكافؤ

تندرج الفريتات والكروميتات والألومينات ضمن هذه المجموعة.

• توجد السيليكات في الفولاذ على غرار الزجاج المتكون من ثاني أكسيد السيليكون النقي (SiO₂ ₎ أو ثاني _{أكسيد السيليكون} المختلط بأكاسيد الحديد والمنغنيز والكروم والألومنيوم والتنغستن، بالإضافة إلى السيليكات البلورية. تُعد السيليكات المجموعة الأكبر بين الشوائب غير المعدنية. في الفولاذ السائل، توجد الشوائب غير المعدنية في حالة صلبة أو سائلة، وذلك تبعًا لدرجة حرارة الانصهار.

بحسب الاستقرار، تُصنّف الشوائب غير المعدنية إلى مستقرة وغير مستقرة. الشوائب غير المستقرة هي تلك التي تذوب في الأحماض المخففة (بتركيز أقل من 10%). ومن أمثلة هذه الشوائب كبريتيدات الحديد والمنغنيز، بالإضافة إلى بعض الأكاسيد الحرة.

تسمح مستويات إنتاج الصلب الحالية بإزالة شوائب مختلفة من المعدن . ومع ذلك، فإن محتوى الشوائب في أنواع الصلب المختلفة يتفاوت عموماً ضمن نطاق واسع، وله تأثير كبير على خصائص المعدن.

لا تستطيع طرق إنتاج الصلب والسبائك الحالية الوصول إلى معدن نقي تمامًا خالٍ من الشوائب غير المعدنية. وتوجد هذه الشوائب في أي نوع من الصلب بنسب متفاوتة تبعًا للتركيبة وظروف الإنتاج. عادةً لا تتجاوز نسبة الشوائب غير المعدنية في الصلب 0.1%. ومع ذلك، فإن عدد الشوائب في المعدن يكون مرتفعًا جدًا نظرًا لصغر حجمها الشديد.

تُعدّ الشوائب غير المعدنية في الفولاذ مواد غريبة. فهي تُخلّ بتجانس البنية، لذا قد يكون تأثيرها على الخواص الميكانيكية وغيرها كبيرًا. أثناء عمليات التشكيل، كالتسوية والطرق والختم ، قد تُسبّب هذه الشوائب تشققات وفشلًا ناتجًا عن الإجهاد في الفولاذ.

عند دراسة تأثير الشوائب غير المعدنية على جودة الفولاذ، تكتسب خصائص هذه الشوائب أهمية بالغة، لا سيما حجمها وشكلها وخصائصها الكيميائية والفيزيائية. وتعتمد جميع هذه الخصائص على التركيب الكيميائي للفولاذ، وطريقة صهره ، وحتى بالنسبة لنوع معين من الفولاذ . وقد تتغير هذه الخصائص ضمن نطاق واسع حتى في ظل نفس طريقة الإنتاج.

طُوِّرت طرق مختلفة لتحليل الشوائب غير المعدنية، وهي قيد الاستخدام حاليًا. تُمكّن هذه الطرق من تحديد محتوى وبنية وكمية الشوائب غير المعدنية في الفولاذ والسبائك بدقة عالية.

• شوائب من سبائك الألومنيوم
• عيب في التزامن
• تشقق طولي في الوجه