در علم متالورژی، کنترل محیط واکنش یکی از پایه‌ای‌ترین اصولی است که کیفیت ساخت، خلوص نهایی فلز، رفتار حین ذوب، و ویژگی‌های مکانیکی محصول را تعیین می‌کند. بسیاری از فلزات در دماهای بالا نسبت به اکسیژن، رطوبت و نیتروژن واکنش‌پذیر هستند و کوچک‌ترین تماس با این عناصر می‌تواند موجب اکسیداسیون، تردی، نیتریداسیون یا ایجاد ناخالصی‌هایی شود که عملکرد قطعه را مختل می‌کند. در چنین شرایطی، گازهای خنثی که هیچ واکنش شیمیایی انجام نمی‌دهند، برای ایجاد یک جو محافظ پایدار استفاده می‌شوند.
این گازها با حذف کامل اکسیژن و رطوبت، امکان رسیدن به دمای بالاتر، ذوب یکنواخت‌تر، کنترل دقیق‌تر ترکیب شیمیایی و جلوگیری از تشکیل ترکیبات ناخواسته را فراهم می‌کنند. میان تمام گازهای بی‌اثر موجود — از جمله نئون، کریپتون، زنون و هلیوم — دو گاز آرگون و نیتروژن رایج‌ترین انتخاب‌های صنعت متالورژی هستند؛ اما همان‌طور که خواهیم دید، Ar به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی و الکترونی، بهترین گزینه برای اغلب کاربردهای متالورژی مدرن شناخته می‌شود.
ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی گازهای خنثی و اهمیت آن در دماهای متالورژیکی
ساختار الکترونی پایدار گازهای خنثی باعث می‌شود که حتی در دماهای چند هزار درجه سانتی‌گراد نیز واکنشی انجام ندهند. در متالورژی، اهمیت اصلی این گازها به‌دلیل پایداری ترمودینامیکی است؛ یعنی حتی تحت فشار بالا و انرژی حرارتی زیاد، تمایلی به تشکیل ترکیب ندارند. اختلاف میان گازهای خنثی در وزن مولکولی، هدایت حرارتی، ظرفیت گرمایی، چگالی و سرعت فرار است که قابلیت آن‌ها در ایجاد فضای محافظ را تغییر می‌دهد.
برای مثال، هلیوم هدایت حرارتی بسیار بالایی دارد و برای فرایندهایی که نیازمند انتقال سریع حرارت هستند مناسب است، اما به‌علت گران‌بودن و نفوذپذیری بسیار زیاد، همیشه قابل استفاده نیست. نئون، کریپتون و زنون نیز به‌دلیل هزینه بالا کاربردهای محدود تحقیقاتی دارند. Ar از نظر اقتصادی و عملکردی نقطه تعادل را ایجاد می‌کند؛ گازی سنگین، پایدار، فراوان و ارزان‌تر از سایر گازهای نادر که اثر حفاظتی بسیار قوی ایجاد می‌کند. نیتروژن نیز اگرچه ارزان‌تر است، اما در بسیاری از آلیاژها با فلز واکنش می‌دهد و بی‌اثر کامل محسوب نمی‌شود؛ همین نکته نقطه شروع برتری آرگون است.
نقش گازهای خنثی در فرآیندهای فولادسازی مدرن
مواد مذاب در فولادسازی بسیار حساس هستند و کوچک‌ترین نفوذ اکسیژن یا نیتروژن می‌تواند موجب رشد آخال‌های اکسیدی، افزایش تردی، کاهش چقرمگی شکست و ایجاد پوسته‌های سطحی شود. به همین دلیل، امروزه واحدهای فولادسازی پیشرفته از سیستم‌های تزریق گاز خنثی برای دی‌اکسیدسازی، همگن‌سازی و کنترل سرباره استفاده می‌کنند. گازهای خنثی نقش یک «حامل» را دارند که عناصر مزاحم را از مذاب خارج می‌کنند و به‌واسطه ایجاد آشفتگی کنترل‌شده، ترکیب شیمیایی مذاب را یکنواخت نگه می‌دارند. در این میان، Ar به‌عنوان گاز استاندارد فولادسازی جایگاهی ثابت دارد؛
از تزریق آرگون از طریق نازل‌های کف کوره گرفته تا ایجاد پوشش محافظ روی سطح مذاب، همگی با هدف تثبیت کیفیت انجام می‌شوند. نیتروژن در برخی فولادهای آستنیتی قابل استفاده است، اما در بسیاری از گریدهای حساس مانند فولاد زنگ‌نزن فریتی، مارتنزیتی، ابزار فولادها و فولادهای فوق‌کم‌کربن، وجود نیتروژن کاملاً مخرب است و تنها آرگون می‌تواند محیط پایدار ایجاد کند.
کاربرد گازهای خنثی در ذوب و ریخته‌گری آلومینیوم و آلیاژهای غیرآهنی
در صنایع آلومینیوم، مهم‌ترین مشکل، وجود هیدروژن محلول در مذاب است که موجب ایجاد تخلخل در قطعات ریختگی می‌شود. گازهای خنثی برای گاززدایی و رفع هیدروژن استفاده می‌شوند. اگرچه نیتروژن در برخی واحدها به‌کار می‌رود، اما موثرترین روش استفاده از آرگون یا مخلوط آرگون با کلر است. آرگون به‌دلیل سنگینی، بالا آمدن آرام حباب‌ها و توانایی جذب بهتر هیدروژن، موجب تسهیل خروج گازهای محلول می‌شود و کیفیت نهایی قطعه را به‌طور محسوسی افزایش می‌دهد.
همچنین در ریخته‌گری‌های تحت فشار و گرانشی، فضای قالب باید کاملاً عاری از اکسیژن باشد؛ در غیر این صورت، سطح اکسیدی آلومینیوم که بسیار پایدار است، به شدت رشد کرده و ریخته‌گری را مختل می‌کند. در این فرآیند نیز Ar با ایجاد پرده‌ای سنگین روی مذاب، از تشکیل مجدد اکسیدها جلوگیری می‌کند.
دلیل اصلی برتری آرگون نسبت به نیتروژن در متالورژی
اگر بخواهیم تنها یک دلیل کلی ارائه کنیم، باید گفت: آرگون کاملاً بی‌اثر است؛ نیتروژن فقط در برخی شرایط بی‌اثر است. نیتروژن در دماهای بالا با ز، مولیبدن، کروم، آلومینیوم، تنگستن، وانادیوم و برخی عناصر آلیاژی واکنش می‌دهد و ترکیبات نیترید تشکیل می‌کند. این ترکیبات موجب تردی، کاهش انعطاف‌پذیری، رشد دانه‌ها و ایجاد سختی غیرقابل‌کنترل می‌شوند. برای مثال:
در فولادهای کم‌کربن، نیتروژن باعث تردی کششی و کاهش چقرمگی می‌شود.
در فولادهای تیتانیم‌دار، نیترید تیتانیم تشکیل می‌دهد.
در آلیاژهای ریختگی، سطح قطعه خشن و شکننده می‌شود.
در جوشکاری، وجود نیتروژن می‌تواند منجر به کاهش کیفیت جوش و تشکیل حاشیه شکننده شود.
آرگون هیچ‌کدام از این رفتارها را نشان نمی‌دهد و صرفاً یک گاز محافظ واقعی است. چگالی بیشتر Ar نسبت به هوا نیز نقطه برتری دیگری است؛ چون با یک‌بار تزریق، بهتر روی مذاب می‌نشیند و محیط را پایدار نگه می‌دارد. همین ویژگی‌ها باعث شده که تقریباً در تمام فرآیندهای حساس، انتخاب اول آرگون باشد؛ از عملیات حرارتی خلا گرفته تا جوشکاری TIG و ریخته‌گری تحت خلا.
عملکرد آرگون در کوره‌های تحت خلأ و عملیات حرارتی خاص
در عملیات حرارتی فولادهای ابزار گرم‌کار و سردکار، نیتروژن می‌تواند سبب نیتریداسیون سطحی شده و خواص مکانیکی را تغییر دهد. در مقابل، آرگون بهترین گاز برای کوره‌های اتمسفری، کوره‌های خلأ، کوره‌های پلاسمایی و سیستم‌های HIP است. این گاز با تبدیل شدن به یک محیط پایدار، اکسیدزدایی سطح را کاهش می‌دهد و با جلوگیری از نفوذ اکسیژن، سطح فلز را صاف و براق نگه می‌دارد. از آن‌جا که هدایت حرارتی Ar به‌اندازه هلیوم بالا نیست، حرارت به‌صورت یکنواخت‌تری در قطعه پخش می‌شود و از شوک حرارتی جلوگیری می‌شود؛ این موضوع در عملیات‌هایی مانند کربن‌دهی، نرماله‌کاری، فورج گرم و تمپرینگ اهمیت زیادی دارد.
اهمیت آرگون در جوشکاری فلزات حساس
جوشکاری یکی از بخش‌هایی است که اثر گاز محافظ را می‌توان به‌وضوح مشاهده کرد. آرگون در روش‌های TIG، MIG، جوشکاری آلومینیوم، تیتانیم، فولادهای زنگ‌نزن و جوشکاری‌های دقیق با لیزر تقریباً گاز اصلی است. دلیل این انتخاب نه‌تنها بی‌اثر بودن Ar ، بلکه رفتار قوسی پایدار آن است؛ آرگون با ایجاد یونیزاسیون پایدار، قوسی نرم و قابل‌کنترل به وجود می‌آورد. این موضوع برای جوشکاری‌های دقیق بسیار اهمیت دارد. نیتروژن در برخی موارد برای آستنیتی‌سازی یا افزایش چقرمگی جوش استفاده می‌شود، اما در بیشتر فلزات باعث تردی حرارتی و تشکیل نیترید می‌شود. به همین دلیل، آرگون جایگزین‌ناپذیر است.
نقش آرگون در پالایش و گاززدایی حمام مذاب
یکی از مهم‌ترین مزایای آرگون توانایی آن در کاهش کربن، گوگرد و اکسیژن محلول است. در فولادسازی، تزریق آرگون از کف کوره یا در سیستم پاتیل، باعث ایجاد آشفتگی حرارتی و انتقال ناخالصی به سرباره می‌شود. این فرآیند که با عنوان «آرگون‌همزن» شناخته می‌شود، موجب یکنواختی دما، کاهش عیوب انجماد، افزایش کیفیت سطحی و افزایش استحکام مکانیکی فولاد نهایی می‌شود. در صنایع نیکل، مس، آلومینیوم، منیزیم و تیتانیم نیز از آرگون برای دی‌اکسیدزدایی و حذف گازهای محلول استفاده می‌شود. هیچ گاز دیگری (به‌جز هلیوم که بسیار گران است) چنین کارایی ندارد.
عوامل اقتصادی و دسترسی؛ چرا آرگون به‌صرفه‌ترین گاز بی‌اثر است؟
در حالی که کریپتون، نئون و زنون قیمت‌های چند برابر دارند، Ar نوعی محصول جانبی فرآیند جداسازی هوا است و هر واحد جداسازی هوا (ASU) می‌تواند مقادیر زیادی آرگون در کنار اکسیژن و نیتروژن تولید کند. به همین دلیل قیمت آن مناسب‌تر است و هزینه عملیاتی واحدهای صنعتی را کاهش می‌دهد. علاوه‌بر این، آرگون با سیلندرهای فشار بالا، تانک‌های LAR و سیستم‌های دوارسال مایع به‌راحتی قابل حمل، ذخیره و توزیع است و زیرساخت آن در تمام شهرهای صنعتی وجود دارد. ترکیب مناسب قیمت، عملکرد و فراوانی باعث شده که صنعت متالورژی به‌صورت جهانی استاندارد کاربرد آرگون را پذیرفته باشد.
آینده گازهای خنثی در متالورژی؛ از سیستم‌های هوشمند تا فرآیندهای کم‌مصرف
با توسعه کوره‌های القایی، ذوب تحت خلأ، تجهیزات AM، ریخته‌گری سه‌بعدی و فرآیندهای لیزری در سال‌های آینده مصرف آرگون متالورژیکی افزایش خواهد یافت. سیستم‌های بهینه تزریق، نازل‌های توربولانس‌زا، سنسورهای تشخیص اکسیژن و کنترل خودکار گاز، ساختار مصرف را اقتصادی‌تر می‌کنند. همچنین مخلوط‌های جدید آرگون–هلیوم و آرگون–دی‌اکسیدکربن برای فرآیندهای خاص توسعه یافته‌اند. با وجود توسعه این فناوری‌ها، Ar همچنان هسته اصلی سیستم‌های اتمسفری بی‌اثر باقی خواهد ماند.