השפעות של זיהומים על תכונות מתכת
מתכות ידועות רבות בזכות חוזקן, קשיחותן, מוליכותן החשמלית והתרמית הגבוהה, וקלות עיצובן לרכיבים שונים. עם זאת, תכונות אלו נקבעות לא רק על ידי סוג המתכת עצמה, אלא גם על ידי מה ש"נישא" בתוכה. כמויות קטנות של חומרים זרים - הנקראים זיהומים - יכולות לשנות באופן משמעותי את התנהגות המתכת. במקרים רבים, שינויים אלו יכולים להיות מזיקים, אך בתנאים מסוימים, ניתן להשתמש בהם כדי לשפר את ביצועי החומר. מאמר זה דן כיצד זיהומים משפיעים על התכונות המבניות, המכניות, החשמליות, התרמיות ועמידות בפני קורוזיה של מתכות, יחד עם דוגמאות ליישומן בתעשייה.
מהם זיהומים במתכות?
זיהומים הם יסודות או תרכובות הנמצאים במתכת אך אינם חלק מההרכב הרצוי שלה. זיהומים יכולים לנבוע מ:
1. חומרי גלם מעפרות שלא הופרדו לחלוטין במהלך תהליך החילוץ.
2. תהליכי התכה ויציקה, לדוגמה מתכת סופגת גז (מימן, חמצן, חנקן).
3. זיהום ציוד והסביבה, כגון חלקיקים מחומרים חסיני אש של תנור או סיגים.
4. תהליכי ייצור מתקדמים, כגון ריתוך המשלב חמצן או חנקן.
5. הפרדה במהלך הקפאה, כאשר יסודות מסוימים מרוכזים בגבולות הגרעינים או באזורים מסוימים.
זיהומים יכולים להתקיים בכמה צורות: מומסים כתמיסות מוצקות, לכודים כתכלילים לא מתכתיים, שוקעים כמשקעים, או נאספים בגבולות הגרעינים.
השפעת זיהומים על המיקרו-מבנה של מתכת
תכונות המתכות מושפעות מאוד מהמיקרו-מבנה שלהן: גודל הגרעינים, פיזור הפאזה, נקעים ונוכחות של תכלילים. זיהומים יכולים להיות:
– שינוי גודל הגרעין: אלמנטים מסוימים מעכבים את צמיחת הגרעינים במהלך החימום, וכתוצאה מכך נוצרים גרגירים עדינים יותר אשר בדרך כלל מגבירים את החוזק.
– מעודד היווצרות של פאזות חדשות: לדוגמה פחמן בברזל יוצר צמנטיט (Fe₃C) או פאזת קרביד.
– גורם להפרדה: חלק מהיסודות נוטים להצטבר בגבולות הגרעינים, מה שעלול להפוך לנקודות תורפה לסדיקה וקורוזיה.
במילים אחרות, זיהומים לא רק "מלכלכים", אלא גם משפיעים על האופן שבו המתכת מתמצקת, מטופלת בחום ומגיבה בשימוש.
השפעה על תכונות מכניות: חוזק, גמישות וקשיחות
1. חיזוק בתמיסה מוצקה
כאשר זיהומים מתמוססים בסריג הגביש, אטומים זרים בגדלים שונים יוצרים עיוותים בסריג. עיוותים אלה מעכבים את תנועת הנקעים, ומגדילים את החוזק והקשיות. דוגמה נפוצה:
– פחמן בברזל (עד רמה מסוימת) מגביר את חוזק הפלדה.
אבץ בנחושת יוצר פליז, שהוא חזק יותר מנחושת טהורה.
עם זאת, חוזק מוגבר מגיע לעיתים קרובות במחיר של ירידה בגמישות. המתכת הופכת פחות מסוגלת לעבור דפורמציה פלסטית מבלי להיסדק.
2. שבירות (שבריריות עקב זיהומים)
זיהומים מסוימים, במיוחד כאלה המצטברים בגבולות הגרעינים, יכולים להפחית באופן דרסטי את הקשיחות. מתכת שהייתה בעבר גמישה יכולה להפוך לשבירה, במיוחד בטמפרטורות מסוימות. לדוגמה:
זרחן וגופרית בפלדה יכולים לגרום לשבירות, משום שהם יוצרים תרכובות או הפרדה בגבולות הגרעינים.
– מימן יכול לגרום לשבריריות מימן, וכתוצאה מכך לסדקים פתאומיים בפלדה בעלת חוזק גבוה, ברגים או רכיבים הנמצאים תחת לחץ.
3. הכלה ועמידות בפני עייפות
תכלילים כגון תחמוצות, סולפידים או סיליקטים פועלים כמרכזי מאמץ. תחת עומס חוזר ונשנה, סדקי עייפות מתחילים לעיתים קרובות מתכלילים. כתוצאה מכך:
- אורך חיים מופחת של עייפות
- הסיכון לכשל פתאומי עולה
לכן, פלדה עבור צירים, קפיצים או רכיבי רכב מסתובבים דורשת בדרך כלל בקרות ניקיון קפדניות.
השפעה על מוליכות חשמלית ותרמית
למתכות טהורות יש מוליכות גבוהה מכיוון שאלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות יחסית. זיהומים מגבירים את פיזור האלקטרונים, כך ש:
- ההתנגדות עולה
– מוליכות חשמלית יורדת
- גם מוליכות תרמית יורדת בדרך כלל
הדוגמה הברורה ביותר היא נחושת: נחושת בעלת טהרה גבוהה משמשת לכבלים ולסלילי מנוע, בעוד שנחושת עם יותר זיהומים מתאימה פחות ליישומים חשמליים מדויקים. אפילו כמויות קטנות של יסודות כמו חמצן או זרחן יכולות להפחית משמעותית את המוליכות.
עם זאת, ניתן גם לנצל אפקט זה. סגסוגות כמו ניכרום (Ni-Cr) נעשות במכוון בעלות התנגדות גבוהה יותר עבור גופי חימום, מה שממיר חשמל לחום בצורה יעילה יותר.
השפעה על עמידות בפני קורוזיה וחמצון
קורוזיה היא תגובה אלקטרוכימית המושפעת מאוד מההרכב הכימי והמיקרו-מבנה. זיהומים יכולים:
– יוצר זוגות מיקרו-גלווניים בתוך המתכת, ויוצר אנודות וקתודות מקומיות המאיצות קורוזיה.
– מגבירה קורוזיה בין-גרגירית אם יסודות מסוימים שוקעים בגבולות הגרגירים.
– שינוי יציבות השכבה הפסיבית המגנה, למשל על נירוסטה.
לדוגמה, בפלדת אל-חלד, יש לשלוט על פיזור הפחמן והכרום. אם קרבידי כרום שוקעים בגבולות הגרעינים (רגישות), האזורים הסובבים הופכים לחסרי כרום ורגישים לקורוזיה. מצד שני, הוספה מבוקרת של יסודות מסוימים (כגון מוליבדן) למעשה מגבירה את העמידות בפני קורוזיה גולמית.
השפעה על תכונות תרמיות והתנהגות בטמפרטורות גבוהות
זיהומים יכולים להשתנות:
- נקודת התכה וטווח הקפאה
- יציבות פאזה בטמפרטורות גבוהות
– זחילה (עיוות איטי עקב עומס בטמפרטורות גבוהות)
חלק מהזיהומים מפחיתים את עמידות הזחילה על ידי החלשת גבולות הגרעינים, בעוד שאלמנטים מסגסוגת מסוימים יכולים לחזק את המתכת בטמפרטורות גבוהות על ידי יצירת משקעים יציבים. ביישומי טורבינה, דוודים או מנוע, בקרת הרכב הופכת קריטית.
תפקידם של זיהומים: מזיק או מועיל?
חשוב להבחין בין זיהומים לא רצויים לבין יסודות סגסוגת שנוספו במכוון. לפעמים אותו יסוד יכול להיות "טומאה" בהקשר אחד ו"סגסוגת" בהקשר אחר. לדוגמה:
פחמן הוא "טומאה" בברזל טהור, אך הוא היסוד העיקרי בפלדה.
– חמצן בנחושת יכול לשפר את יכולת העיבוד של גורמים מסוימים, אך מזיק ליישומים חשמליים מסוימים.
המפתח טמון בשליטה על הרמות, צורות הקיום (המסה, תכלילים, משקעים) וההתפלגות.
כיצד לשלוט בזיהומים בפרקטיקות תעשייתיות
כדי להבטיח שתכונות המתכת עומדות בדרישות, התעשייה מיישמת טכניקות שונות:
1. טיהור וזיקוק (למשל, הסרת גופרית, דה-חמצון).
2. סילוק גזים בוואקום להפחתת גזים מומסים כגון מימן וחנקן.
3. שימוש בבקרת שטף וסיגים לקישור תחמוצות או תרכובות לא רצויות.
4. טיפול בחום לשליטה במשקעים ובהפרדה.
5. שלטו בתהליך היציקה כדי למזער תכלילים ונקבוביות.
6. תקני הרכב (ASTM, JIS, ISO) הקובעים את גבולות הטוהר המרביים.
מסקנה
זיהומים ממלאים תפקיד משמעותי בקביעת תכונות של מתכות. בכמויות קטנות, הם יכולים להגביר את החוזק באמצעות חיזוק בתמיסה מוצקה או עידון גרגירים, אך הם יכולים גם להפחית את הגמישות, הקשיחות, אורך החיים של עייפות, מוליכות ועמידות בפני קורוזיה - בהתאם לסוגם ופיזורם. לכן, טכנולוגיה מתכתית מודרנית מתמקדת בבקרת זיהומים קפדנית, הן באמצעות טיהור והן באמצעות עיבוד מיקרו-מבני. בסופו של דבר, הבנת השפעות הזיהומים עוזרת לנו לבחור את החומר הנכון עבור יישום מסוים: מחוטי נחושת בעלי מוליכות גבוהה ועד פלדות מבניות קשות וסגסוגות עמידות בחום לסביבות קיצוניות.
אם תרצו, אוכל לעבד מאמר זה לגרסה אקדמית יותר (עם ציטוטים), או להוסיף מחקרי מקרה ספציפיים כגון השפעת גופרית על פלדה, מימן על פלדה בעלת חוזק גבוה, או חמצן על נחושת עבור יישומים חשמליים.
