मिश्रधातूंचा पोलादावर होणारा परिणाम (Effect of Alloying Elements on Steel)

कार्बन व लोह यांशिवाय पोलादामध्ये इतर मिश्रक धातू असल्यास मूळ समतोलावस्था आकृतीत मिश्रक धातूंमुळे बदल घडून येतो. मिश्रक धातूंचा पोलादाच्या घटनेवर होणारा परिणाम दोन प्रकारचा असतो. काही मिश्रक धातूंमुळे पोलादातील ऑस्टेनाइट या विद्रावाचे स्थैर्य वाढते. या मिश्रक धातूंचे प्रमाण जसे वाढत जाते तसे समतोलावस्था आकृतीतील ऑस्टेनाइटचे क्षेत्र वाढत जाते. साध्या पोलादात ७२३° से.तापमानापेक्षा कमी तापमानास ऑस्टेनाइट मिळत नाही; परंतु ऑस्टेनाइटला स्थैर्य देणाऱ्या मिश्रक धातू पोलादात योग्य प्रमाणात असल्यास परिसराच्या तापमानासदेखील (२०° से.) पोलादात ऑस्टेनाइट प्रावस्था मिळते. अशा पोलादात ऑस्टेनाइटचे क्षेत्र जसे वाढते तसे घनक्रांतिकाचे तापमान (७२३° से.)आणि त्यातील कार्बनचे प्रमाण (०·८ टक्के) हेही कमी होत जाते. मँगॅनीज, निकेल व कोबाल्ट या मिश्रक धातू ऑस्टेनाइटचे स्थैर्य वाढवितात.

आ. **लोह-कार्बनच्या समतोलावस्था आकृतीवर मिश्रक धातूंचा होणारा परिणाम** : (अ) मँगॅनीज; (आ) क्रोमियम. [आलेखातील वक्रांवर दाखविलेले आकडे त्या त्या मिश्रक धातूचे प्रमाण (%) दर्शवितात].

दुसऱ्या प्रकारच्या मिश्रक धातू पोलादाच्या समतोलावस्था आकृतीतील ऑस्टेनाइटच्या क्षेत्राचा संकोच करतात व त्यामुळे फेराइट किंवा सिमेंटाइट यांचे स्थैर्य वाढत जाते. काही विशिष्ट प्रमाणात या प्रकारच्या मिश्रक धातू पोलादात असल्यास ऑस्टेनाइटचे क्षेत्र नष्ट होते किंवा बेटाप्रमाणे राहते. क्रोमियम, टंगस्टन, व्हॅनेडियम, मॉलिब्डेनम, सिलिकॉन या मिश्रक धातू कार्बाइडचेच स्थैर्य वाढवितात.

मँगॅनीज व क्रोमियम या मिश्रक धातूंचा पोलादाच्या समतोलावस्था आकृतीवरील परिणाम आ. अ आणि ब मध्ये दाखविला आहे.

मिश्रक धातूमुळे पोलादाच्या समतोलावस्था आकृतीवर दोन कारणांनी परिणाम होतो. मिश्रक धातू लोखंडात कार्बनप्रमाणे विरघळतात आणि त्यामुळे फेराइटाचे स्थैर्य वाढते. काही मिश्रक धातूंमुळे उदा., क्रोमियम, फेराइटचे स्थैर्य वाढतेच शिवाय या मिश्रक धातूंचे कार्बनबरोबर संयुग होऊन कार्बाइडही तयार होते आणि म्हणून सिमेंटाइटचे स्थैर्य वाढते. ज्या मिश्रक धातूंपासून कार्बाइड मिळत नाही त्यांच्यामुळे ऑस्टेनाइटचे स्थैर्य वाढते. फेराइट किंवा ऑस्टेनाइट या प्रावस्थांचे स्थैर्य वाढविणाऱ्या मिश्रक धातूंमुळे पोलाद मऊ व चिवट बनते, तर कार्बाइड प्रावस्था स्थिर करणाऱ्या मिश्रक धातूमुळे पोलादाची कठिनता व ताणबल वाढतात.

मिश्रक धातू व इतर घटक द्रव्ये यांचे पोलादाच्या गुणधर्मांवरील परिणाम : पोलादातील घटक मिश्रक धातू व इतर द्रव्ये यांचे सूक्ष्म घटक, मलद्रव्ये आणि मिश्रक धातू असे वर्गीकरण करता येते. मात्र हे वर्गीकरण काटेकोर नाही.

सूक्ष्म घटक : हायड्रोजन : हवेतील आणि धातुक, चुनखडी वगैरे कच्च्या मालातील आर्द्रतेमुळे पोलादात हायड्रोजन येतो. साधारणपणे हायड्रोजनचे प्रमाण ०·००२ टक्के असते. उष्णता संस्करणाच्या वेळी किंवा रूपणाच्या वेळी हायड्रोजनमुळे पोलादाला तडे जातात.

ऑक्सिजन : हवेच्या अगर शुद्धऑक्सिजनच्या संपर्कात पोलादाचा रस येतो तेव्हा ०·००१ ते ०·००५ टक्के या प्रमाणात त्यात ऑक्सिजन विरघळतो. ऑक्सिजनमुळे पोलादात ऑक्साइडची सूक्ष्म अंतर्विष्टे तयार होतात. रूपणाच्या वेळी अशा ऑक्साइडांमुळे पोलाद ठिसूळ होते किंवा त्यामध्ये न जुळणारे अलग थर निर्माण होतात.

नायट्रोजन : हवेच्या संपर्कात वितळलेले पोलाद आल्यास त्यामध्ये ०·००१ ते ०·००३ टक्के नायट्रोजन विरघळतो. या नायट्रोजनमुळे पोलादात नायट्राइडांची सूक्ष्म अंतर्विष्टे निर्माण होतात. अशा नायट्राइडांमुळे पोलादातील स्फटिक कणांचे आकारमान कमी होते.

आर्सेनिक : काही पोलादांत सु. ०·००१ टक्के पर्यंत आर्सेनिक सापडते. आर्सेनिकमुळे उच्च तापमानास असणारे ताणबल आणि ठिसूळपणा यांवर परिणाम होतो.

मलद्रव्ये : सिलिकॉन : लोह धातुक, चुनखडी व दगडी कोळशातील राख या सर्वांमध्ये सिलिका मलद्रव्याच्या रूपात असल्याने पोलादात ०·३ ते ०·४ टक्के सिलिकॉन मलद्रव्य म्हणून असते. पोलादाच्या उत्पादनाच्या वेळी त्यामधील विरघळलेल्या ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी करण्यासाठी फेरोसिलिकॉन वगैरे लोहमिश्रके वापरतात व त्यांमुळेही पोलादातील सिलिकॉनचे प्रमाण वाढते. सिलिकॉनचे शीघ्र ऑक्सिडीकरण होत असल्याने पोलादातील ऑक्सिजन सिलिकॉन टाकल्यावर कमी होतो. सिलिकॉनने कार्बाइड वे फेराइट यांचे स्थैर्य वाढते. काही पोलादांत सिलिकॉन मिश्रक धातू म्हणून १-४ टक्के पर्यंत असते. मिश्रक धातू म्हणून वापरल्यास सिलिकॉनमुळे पोलादाची विद्युत् रोधकता वाढते व स्थितिस्थापकता वाढते.

मँगॅनीज : पोलादनिर्मितीच्या वेळी त्यातील ऑक्सिजन व गंधक यांचे प्रमाण कमी व्हावे म्हणून फेरोमँगॅनीज हे धातुमिश्रक वापरतात. त्यामधून पोलादात ०·३ ते ०·५ टक्के मँगॅनीज उतरते. मँगॅनीजमुळे पोलाद रूपणाच्या वेळी उच्च तापमानास भंग पावत नाही. निकेलप्रमाणे मँगॅनीजमुळे ऑस्टेनाइटचे स्थैर्य वाढत असल्याने पोलादात मँगॅनीजचा वापर करून निकेलविरहित अगंज पोलादे तयार करण्यात आली आहेत.

गंधक : कोळशाच्या राखेमधून पोलादात गंधक येते आणि ते आयर्न सल्फाइडच्या रूपात स्थिर होते. गंधकाने पोलाद ठिसूळ होते. सल्फाइडच्या अंतर्विष्टामुळे पोलादाच्या अंतर्गत एकसंधपणा कमी होते. मँगॅनीजमुळे गंधकाचे दुष्परिणाम कमी करता येतात. थोड्या प्रमाणात गंधकाने पोलादाची कर्तनशीलता वाढते.

फॉस्फरस : फेराइट व ऑस्टेनाइट या दोन्हींमध्ये फॉस्फरस विरघळतो. शिवाय त्यापासून आयर्न फॉस्फाइड (Fe3P) अंतर्विष्टे बनतात आणि पोलाद ठिसूळ होते. पोलादातील फॉस्फरस काढून टाकणे फार अवघड आहे. फॉस्फरसमुळे ताणबल वाढते; पण त्याचबरोबर ठिसूळपणाही वाढतो.

मिश्रक धातू : ॲल्युमिनियम : पोलादाच्या रसातील विरघळलेला ऑक्सिजन काढून जित पोलाद मिळविण्यासाठी पोलादात थोड्या प्रमाणात ॲल्युमिनियम टाकतात. ॲल्युमिनियममुळे पोलादाच्या कणांचे आकारमान लहान होते. तसेच पोलादाच्या यांत्रिक गुणधर्मांत काळानुसार होणारा बदल कमी होतो. पृष्ठभाग कठीण करण्यासाठी नायट्राइडिंग करावयाच्या पोलादात १ टक्के ॲल्युमिनियम असते कारण नायट्रोजनबरोबर ॲल्युमिनियमची विक्रिया होऊन ॲल्युमिनियम नायट्राइड हे अत्यंत कठीण व गंजविरोधी संयुग मिळते. उच्च तापमानास टिकणाऱ्या काही खास पोलादांमध्ये १-२ टक्के ॲल्युमिनियम असते.

निकेल : पोलादामध्ये सर्वांत अधिक प्रमाणात निकेल मिश्रक धातू म्हणून वापरतात. ५ टक्के पर्यंत निकेल असल्यास पोलादाचे ताणबल व चिवटपणा वाढतात. निकेलमुळे पोलादात कमी तापमानास निर्माण होणारा ठिसूळपणा टाळता येतो. जास्त प्रमाणात निकेल असलेल्या पोलादात ऑस्टेनाइट स्थिर होते. निकेलमुळे पोलादाचा गंजविरोध वाढतो. पोलादी वस्तूवर गंजविरोधासाठी विद्युत् विलेपन करतात. निकेलमुळे पोलादाच्या चुंबकीय गुणधर्मांवरही परिणाम होतो.

निओबियम (कोलंबियम) : १ टक्के पर्यंत निओबियमने अगंज पोलादातील क्रोमियम असलेल्या कार्बाइड वगैरे प्रावस्थांचे स्थैर्य वाढते. अगदी कमी प्रमाणातसुद्धा निओबियमने पोलादाचे ताणबल, दीर्घीकरण कमी न होता वाढते.

टंगस्टन : ही धातू मुळात उच्च तापमानास टिकणारी असल्याने तिचा मिश्रक धातू म्हणून उपयोग केल्याने पोलादाची कठिनता वाढते. तसेच ही वाढलेली कठिनता उच्च तापमानास टिकते. हत्यारी पोलादे व उच्च तापमानास टिकणारी पोलादे यांमध्ये टंगस्टन वापरतात.

झिर्कोनियम : क्रोमियमयुक्त पोलादांची कर्तनशीलता (Machinability) झिर्कोनियममुळे वाढते.

कोबाल्ट : गंजविरोधी व विसर्पणविरोधी (Crip) गुणधर्मामुळे हत्यारी पोलाद व उच्चतापसह पोलाद यांत कोबाल्ट मिश्रक धातू म्हणून वापरतात. कोबाल्टमुळे पोलादाला स्थिर चुंबकत्व प्राप्त होते.

क्रोमियम : निकेलच्या खालोखाल क्रोमियम ही अत्यंत महत्त्वाची मिश्रक धातू आहे. क्रोमियममुळे पोलादाची कठिनता, कठिनीकरणक्षमता आणि झीजविरोध हे गुणधर्म सुधारतात. क्रोमियममुळे पोलादाला स्वाभाविक गंजविरोध निर्माण होत असल्याने गंजविरोधी, उच्चतापसह, अगंज आणि उच्च ताणबलाच्या अशा सर्व मिश्र पोलादांत क्रोमियमचा वापर होतो. क्रोमियममुळे पोलादाचे स्थिर चुंबकत्व वाढते. वाढत्या कठिनतेमुळे सर्व प्रकारच्या हत्यारी पोलादांत क्रोमियम असते.

मॉलिब्डेनम : मिश्र पोलादामध्ये कठिनीकरणानंतरच्या पुनःतापनात (Tempering) ठिसूळपणा येतो किंवा तडे जातात. या ठिसूळपणाला मॉलिब्डेनममुळे प्रतिबंध होतो. मॉलिब्डेनममुळे पोलादाची कठिनीकरणक्षमता व विसर्पणविरोध वाढतो आणि त्यामुळे उच्चतापसह पोलादात मॉलिब्डेनम मिश्रक धातू म्हणून वापरतात.

व्हॅनेडियम : व्हॅनेडियमामुळे पोलादातील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी होते आणि कणाचे आकारमान लहान होते. कणाच्या लहान आकारमानामुळे पोलादाचे ताणबल वाढते म्हणून यंत्र व वास्तुरचनेसाठी वापरावयाच्या पोलादात अल्प प्रमाणात व्हॅनेडियम वापरतात. सूक्ष्म प्रमाणातील (०·०४–०·०५ टक्के) व्हॅनेडियमने पोलादाची कठिनीकरणक्षमता वाढते.

टिटॅनियम : ॲल्युमिनियमप्रमाणेच टिटॅनियमने पोलादामधील ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी होते आणि वितळजोडक्षमता व ताणबल वाढतात.

बोरॉन : अत्यंत सूक्ष प्रमाणातही बोरॉनमुळे पोलादाची कठिनीकरणक्षमता वाढते. बोरॉनचे शीघ्र ऑक्सिडीकरण होत असल्याने ज्या पोलादात ऑक्सिजनचे प्रमाण कमी असते त्यातच बोरॉनचा परिणाम कळू शकतो. अणुकेंद्रीय विक्रियकाच्या नियंत्रणासाठी न्यूट्रॉन शोषणारा पदार्थ म्हणून बोरॉनयुक्त पोलाद वापरतात.

तांबे : तांब्यामुळे पोलादाचा गंजविरोध वाढतो; परंतु रूपणक्षमता कमी होते. त्यामुळे पोलादात तांबे मिश्रक धातू म्हणून सहसा वापरत नाहीत.

संदर्भ :