معدن شبه موصل: معدن شبه موصل رئيسي في سبائك الصلب وعمليات التصنيع

التعريف والخصائص الأساسية

المعدن شبه هو عنصر معدني شبه يتميز بخصائص متوسطة بين المعادن واللافلزات. في سياق علم المعادن الفولاذية، غالبًا ما يشير إلى عناصر مثل السيليكون (Si) والبورون (B) أو الجرمانيوم (Ge)، التي تظهر سلوك المعدن شبه وتؤثر بشكل كبير على خصائص الفولاذ. تمتلك هذه العناصر بنية ذرية/جزيئية مختلطة، مع ترتيبات ذرية تشمل كل من الخصائص المعدنية والتساهمية.

كعنصر في الجدول الدوري، تقع المعادن شبه عادة على طول خط "الخطوة السلمية" الذي يفصل بين المعادن واللافلزات. على سبيل المثال، السيليكون (رقم ذري 14) هو معدن شبه له بنية بلورية مشابهة للماس، ويظهر شبكة تساهمية. يشكل البورون (رقم ذري 5) مركبات معقدة ويظهر بنية بلورية أو غير متبلورة اعتمادًا على شكله.

بدنيًا، يتم إدخال المعادن شبه في الفولاذ عادة بكميات صغيرة، لكن خصائصها الفيزيائية ذات صلة بوظائفها. يظهر السيليكون، على سبيل المثال، كمسحوق بلوري أو غير متبلور رمادي داكن بكثافة تبلغ حوالي 2.33 جرام/سم³. ينصهر عند حوالي 1,414 درجة مئوية وله نقطة انصهار عالية، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الفولاذ عالية الحرارة. في المقابل، يُضاف البورون عادة كمركبات بورون أو سبائك فيرو بورون، مع نقاط انصهار حوالي 2,300 درجة مئوية، ويظهر كصلب هش داكن.

الدور في علم المعادن الفولاذية

الوظائف الأساسية

تؤدي المعادن شبه مثل السيليكون والبورون أدوارًا حاسمة في صناعة الفولاذ، بشكل أساسي كعناصر سبائكية تعدل البنية الدقيقة وتعزز خصائص معينة. السيليكون هو مزيل أكسدة قوي، يقلل من محتوى الأكسجين أثناء إنتاج الفولاذ، ويعمل كمعزز لصلابة المحلول الصلب. البورون، حتى بكميات دقيقة، يحسن بشكل كبير من القدرة على التصلب والقوة، خاصة في الفولاذ منخفض السبيكة.

تؤثر هذه العناصر على تطوير البنى الدقيقة من خلال التأثير على تحولات الطور. يثبت السيليكون الفريت ويقمع تشكيل الكربيد، مما يؤدي إلى هياكل حبيبية مصقولة. يعزز البورون التحول المارتنسيت، مما يمكّن الفولاذ من تحقيق صلابة وقوة أعلى عند معدلات تبريد أقل.

تعتبر المعادن شبه جزءًا لا يتجزأ من تعريف تصنيفات الفولاذ. على سبيل المثال، يتم تصنيف فولاذ السيليكون كفولاذ كهربائي له خصائص مغناطيسية محددة، بينما يُعترف بفولاذ البورون لقدرته العالية على التصلب ومقاومته للاهتراء.

السياق التاريخي

تعود استخدامات السيليكون في الفولاذ إلى أوائل القرن العشرين، في البداية كمزيل أكسدة لتحسين نظافة الفولاذ. تم التعرف على دوره في الفولاذ الكهربائي في الثلاثينيات، مما أدى إلى تطوير درجات فولاذ كهربائي غنية بالسيليكون.

تم اكتشاف الأهمية المعدنية للبورون في الخمسينيات عندما لاحظ الباحثون تأثيره العميق على قدرة الفولاذ على التصلب. تقدم الفهم لدور البورون في الفولاذات الميكروسبائكية بسرعة، مما أدى إلى تطوير فولاذات عالية القوة ومنخفضة السبيكة مع محتوى بورون محسن.

تعتبر درجات الفولاذ البارزة مثل فولاذ السيليكون الكهربائي (مثل، 2% Si فولاذ) وفولاذات عالية القوة منخفضة السبيكة (HSLA) التي تحتوي على البورون مثالًا على أهمية هذه المعادن شبه في تكنولوجيا الفولاذ الحديثة.

الوجود في الفولاذ

في الفولاذ، يتراوح محتوى السيليكون عادة من 0.5% إلى 4.0% من الوزن، اعتمادًا على الدرجة والتطبيق. غالبًا ما تحتوي الفولاذات الكهربائية على 2-3% Si، بينما قد تحتوي الفولاذات الهيكلية على مستويات أقل حوالي 0.2-0.5%. يُضاف البورون عادة بكميات ضئيلة، غالبًا أقل من 0.005%، كفيروبورون أو مركبات بورون.

يتم إضافة السيليكون عمدًا كعنصر سبائكي، بينما يمكن أن يكون البورون، على الرغم من فعاليته عند تركيزات منخفضة، شوائب إذا كان موجودًا عن غير قصد. داخل الفولاذ، تكون هذه المعادن شبه في الغالب في محلول صلب، لكن يمكن أن يشكل البورون أيضًا بوريدات معقدة أو راسب تؤثر على البنية الدقيقة.

التأثيرات المعدنية والآليات

التأثير على البنية الدقيقة

يؤثر السيليكون على البنية الدقيقة من خلال تثبيت الفريت وقمع تشكيل الأسمنت، مما يؤدي إلى حجم حبيبات مصقول. كما يعزز تشكيل بنية دقيقة موحدة وحبيبية ناعمة أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.

يعزز البورون تشكيل المارتنسيت أثناء التبريد عن طريق خفض درجة حرارة التحول، مما يزيد من القدرة على التصلب. يتفاعل مع الكربون والنيتروجين لتشكيل بوريدات، التي يمكن أن تعمل كنقاط نواة أو تقوي المصفوفة.

يتفاعل السيليكون والبورون مع عناصر سبائكية أخرى مثل المنغنيز والكروم والموليبدينوم، مما يؤثر على استقرار الطور وديناميات التحول. يمكن أن يؤدي وجود السيليكون إلى إبطاء ترسيب الكربيد، بينما تعتمد تأثيرات البورون بشكل كبير على التركيز.

التأثير على الخصائص الرئيسية

تتأثر الخصائص الميكانيكية بشكل كبير: يزيد السيليكون من قوة الشد والصلابة من خلال تعزيز المحلول الصلب، بينما يحسن البورون من المتانة ومقاومة الاهتراء بسبب تأثيره على البنية الدقيقة.

بدنيًا، يعزز السيليكون الموصلية الكهربائية في الفولاذ الكهربائي، وهو أمر حيوي لقلوب المحولات، ويحسن النفاذية المغناطيسية. يزيد إضافة البورون من تشبع الفولاذ المغناطيسي ويقلل من خسائر القلب.

كيميائيًا، يحسن السيليكون مقاومة الأكسدة عند درجات حرارة عالية، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات عالية الحرارة. يعزز البورون مقاومة التآكل في بعض درجات الفولاذ من خلال تثبيت طبقات الأكسيد الواقية.

آليات التعزيز

يقوي السيليكون الفولاذ بشكل أساسي من خلال تعزيز المحلول الصلب، حيث تشوه ذراته الشبكة، مما يعيق حركة الانزلاق. تتضمن آلية تعزيز البورون تعزيز التحول المارتنسيت وتشكيل بوريدات تعيق حركة الانزلاق.

كمياً، يمكن أن يؤدي زيادة محتوى السيليكون بنسبة 1% إلى رفع قوة الشد بحوالي 20-30 ميجا باسكال، اعتمادًا على درجة الفولاذ. يمكن أن يكون تأثير البورون على القدرة على التصلب مرتفعًا يصل إلى 50% في عمق التصلب مع إضافات ضئيلة (~0.001%).

ميكروهيكلي، يؤدي وجود السيليكون إلى تصغير حجم الحبيبات، بينما يعدل البورون سلوكيات التحول، مما يؤدي إلى تحسين القوة والمتانة.

طرق الإنتاج والإضافة

المصادر الطبيعية

يتم الحصول على السيليكون بشكل أساسي من معادن السيليكا (SiO₂) مثل الكوارتز والرمل. تتضمن عملية الاستخراج تقليل الكربون الحراري في أفران القوس الكهربائي، مما ينتج سبائك فيروسيليكون بمحتوى سيليكون متنوع.

يتم الحصول على البورون من معادن غنية بالبورون مثل البوراكس والكيرنيت. يتم إنتاج البورون تجاريًا من خلال المعالجة الكيميائية، ثم يتم سبكه مع الحديد لإنتاج فيرو بورون أو إضافته كمركبات بورون.

التوافر العالمي للفيروسيليكون والفيروبورون مرتفع، مع منتجين رئيسيين في الصين وروسيا والولايات المتحدة الأمريكية. تعتبر هذه العناصر مهمة استراتيجيًا لصناعة الفولاذ، خاصة في الفولاذات عالية الأداء.

أشكال الإضافة

يتم إضافة السيليكون بشكل رئيسي كسبائك