۷ آلیاژ مهم فولاد را بهتر بشناسید

فولاد چیست ؟!

فولاد یا پولاد که در انگلیسی با نام Steel شناخته می شود آلیاژی از آهن است که بین ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آن کربن است. خواص فولاد به کمک تغییر در درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است. (ویکی پدیا)

انواع تقسیم بندی فولادها

فولادها را می توان به دسته‌هایی مختلفی تقسیم بندی کرد برای مثال :

تقسیم بندی فولادها از نظر کاربرد مانند: فولاد ساختمانی ، فولاد ابزار سردکار، فـولاد ابزار گرم کار ، فـولاد بلبرینگ و …. 

تقسیم بندی فـولادها از نظر اکسیژن زدایی شدن مانند : فولاد آرام killed ، فـولاد نیمه آرام semi killed ، فولاد نا آرام rimmed

تقسیم بندی فولادها از نظر ریز ساختار مانند : فریتی ، پرلیتی و مارتنزیتی و …

اما یکی از متداول ترین تقسیم بندی فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی است که بشرح زیر است : فـولاد ساده کربنی، فـولاد کم آلیاژ و فولاد پرآلیاژ

۱) فولاد ساده کربنی

۱.۱) فولاد کم کربن (Low Carbon Steel)

فولاد کم کربن یا Low Carbon Steel ، به فولادهای اطلاق می شود که درصد کربن آنها تا ۰/۳ درصد باشد.

کاربرد این فولادها اغلب در چرخ دنده ها، شافت ها، اهرم ها، لوله ها و تیرآهن می باشد.

۱.۲) فولاد با کربن متوسط (Medium Carbon Steel)

فولاد با کربن متوسط یا Medium Carbon Steel ، دارای ۰/۳۲ درصد الی ۰/۵۵ درصد کربن می باشد و کاربردشان در میل لنگ ها، روتورها، فنرها می باشد .

۱.۳) فولاد پرکربن (High Carbon Steel)

فولاد پرکربن یا High Carbon Steel ، دارای ۰/۵۵ درصد الى ۱/۷ درصد کربن می باشد که کاربردشان در فولادهای ابزار مانند اره ها، مته ها، تیغ های برش و فنر ها می باشد .

در حدود ۹۰ درصد مصرف فــولاد دنیا فولاد ساده کربنی است ، که فولاد ساختمانی یکی از آنهاست ، از پر مصرف ترین فـولادهایی که در مصارف عمومی بکار می روند  ST42 , ST50 , ST37 , ST33 می باشند. که اعداد قید که گفته شده همانطور که گفته شده معرف حداقل استحکام کششی آنها برحسب کیلوگرم بر میلی متر مربع خواهند بود. [شفت هارد و هارد کروم را در اینجا مطالعه کنید.]

همانطور که گفته شد از آنجایی که استحکام فولاد های ساده کربنی نظیر ST37 و ST52 بر حسب کیلوگرم بر میلی متر مربع می باشند ، برای تبدیل استحکام کششی بـه مگا پاسکال باید عدد مربوطه را در ۹/۸۱ ضرب کرد برای مثال حداقل استحکام کششی فولاد ST37 تقریباً برابر ۳۵۰ مگاپاسکال است .

۳و۲) فـولاد آلیاژی (کم آلیاژ و پر آلیاژ)

۲) فولاد کم آلیاژ :

فولاد کم آلیاژ ، به فـولادهایی گفته می شود که درصد عناصر آلیاژی در آن کمتر از ۸ درصد باشد .

۳) فـولاد پر آلیاژ: 

فـولاد پر آلیاژ ، به فـولادهایی گفته میشود که درصد عناصر آلیاژی بیشتر از ۸ درصد است ، فولاد های زنگ نزن جزو این طبقه بندی قرار می گیرند .

فولادهای آلیاژی علاوه بر آهن و کربن شامل عناصری دیگر از قبیل کرم، نیکل، مولیبدن، تنگستن وانادیم و یا مشابه به آنها باشند .

همان طوری که اشاره گردید مایه استحکام فولاد را کربن تشکیل می دهد و هر چه مقدار درصد کربن در فولاد زیاد باشد به همان اندازه استحکام آن بیشتر است لکن به همان نسبت نیز درجه سختی و شکنندگی آن افزایش می یابد و قابلیت جوشکاری نیز کاهش می یابد. 

برای بدست آوردن قابلیت جوشکاری فولاد ها از مفهومی به نام کربن معادل استفاده میگنیم که تاثیر تمام عناصر را در تاثیر کربن در فولاد خلاصه می کند این فرمول بشرح زیر است ، این فرمول مطابق استاندارد AWS است بیان می کند اگر مقدار بدست آمده از فرمول ذیل بالاتر از ۰/۴ باشد این فولاد جوش پذیری خوبی ندارد.

از عناصر آلیاژی برای تغییر خصوصیات مکانیکی و شیمیایی فولاد استفاده می شود تا از ویژگی و خواص آن نسبت به فـولاد ساده کربنی بیشتر شود. در حالی که عناصر آلیاژی بسیاری وجود دارد که برای دستیابی به خواص مختلف پیشرفته مورد استفاده قرار می گیرند ، اما مهمترین آنها بشرح زیر هستد :

کروم
نیکل
مولیبدن
وانادیم
تنگستن
کبالت
منگنز

الف) آلیاژهای فـولادی کروم دار

کروم فلزی است که در ۱۸۷۵ درجه سانتی گراد ذوب شده و وزن اتمی آن ۵۲ و جزو شبکه کریستالی حالت اول می باشد. این عنصر در آهن گداخته مایع حل شده و در محلول های انجماد آهن گاما و آلفا باقی می ماند و مجاورت کربن با آن تولید کربور ساده و مضاعف آهن و کرم می کند.

کروم اضافه شده به فولاد کربنی در درصد معمولاً بیشتر از ۱۳٪ باعث ایجاد فولاد زنگ نزن می شود. در این درصد و بیشتر از آن مقاومت فـولاد کروم دار در برابر خوردگی بسیار بیشتر فولاد کربنی ساده می شود . فولاد کروم دار تا حد زیادی در برابر اکسید شدن مقاومت می کند زیرا ابتدا کروم اکسیده می شود و یک لایه محافظ روی فـولاد تشکیل می دهد که مانع اکسید شدن بیشتر فولاد می شود . توجه شود در فــولاد زنگ نزن باید مجموع عناصر کروم و نیکل بیشتر از ۲۰ درصد باشد.

به طور کلی اضافه کردن کروم به فولادها باعث بالا بردن درجه سختی آن شده و مقاومت در برابر زنگ زدگی را افزایش می دهد و نیز مقاومت فولاد را در برابر اثرات تباه کننده و خورنده اسیدها و قلیایی ها زیاد می کند اما قابلیت مفتول و تورق فولاد را کاهش می دهد.

کروم در فولاد نقش تقویت کننده فریت را دارد .

فـــــولادهای زنگ نزن مانند ۳۰۴ و ۳۱۶ و ….. و همچنین فولاد ابزار درجه D2 دارای مقادیر قابل توجهی کروم است.

ب) آلیاژهای فولادی نیکل دار

نیکل فلزی است که در ۱۴۵۵ درجه سانتی گراد ذوب شده دارای وزن اتمی ۵۹ و جزو شبکه کریستالی حالت دوم می باشد. این عنصر ممکن است تا ۳۵ درصد در فــولادهای مختلف آلياژ گردد خواص عمده آن اضافه کردن درجه سختی و نیروی کششی فولاد بدون این که خاصیت فرم پذیری آن را کاهش دهد است .

چنانچه مقدار نیکل از فولادها بیشتر باشد ۲۵ الی ۳۵ درصد مقاومت فولاد در مقابل زنگ زدگی افزایش خواهد یافت. با توجه به مراتب فوق اضافه کردن نیکل و کرم به فولادها می تواند اثرات مفید مضاعف به فولاد بدهد.

از نقطه نظر خواص فیزیکی و مکانیکی فولادی که محتوی مقادیری از این دو عنصر با خواص بهتری از نظرات: حد ارتجاعی، نیروی کششی، سختی و قابلیت مفتول شدن و خواهد داشت و بهترین و مناسب ترین فلز در برابر خرده شدن و تباه شدن خواهد بود .

نیکل نقش تقویت کننده آستنیت را دارد .

فولادهایی که مقادیر زیادی نیکل دارند شامل تمام فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. فولادهای آلیاژی مانند گروه های 23XX و 25XX نیز مقادیر زیادی نیکل دارند.

ج) آلیاژهای فولادی مولیبدن دار

مولیبدن فلزی است که در ۲۶۱۵ درجه سانتی گراد ذوب شده، دارای وزن اتمی ۹۶ و جزو شبکه کریستالی حالت اول می باشد. این عنصر هم در آهن آلفا و هم در آهن گاما حل می شود و تولید کربورهای مضاعف و مرکبی از قبیل Fe3M06C2 , MO2C , Fe3CMO2C می نماید و بر حسب مقدار درصد مولیبدن این ساختمان درونی فولاد را به حالت آستنیتی یا مارتنزیتی در می آورد.

مولیبدن مانند کروم در مقاومت در برابر خوردگی فــولاد را افزایش میدهد . مولیبدن همچنین می تواند سختی ، چقرمگی و مقاومت کششی فولاد را افزایش دهد .

افزودن مولیبدن به فولاد مقاومت آن را در برابر سایش افزایش می دهد و مقدار آن در فولادها معمولا بین ۰/۲۵الی ۰/۵ درصد می باشد. فولادها با مقدار قابل توجه عنصر مولیبدن به نام فولاد ابزار A شناخته می شوند .

د) آلیاژهای فولادی وانادیم دار

وانادیم فلزی است که در ۱۷۱۰ درجه سانتی گراد ذوب شده، دارای وزن اتمی ۵۱ و جزو شبکه کریستالی حالت اول می باشد. این عنصر در آهن حل شده و با آهن آلفا و آهن گاما ترکیب محلول های جامد را می دهد.

وانادیوم اضافه شده به فولاد کربن دار سبب کنترل اندازه دانه می شود و آن را کوچک نگه می دارد. زیرا كاربیدهای وانادیوم كه هنگام اضافه شدن وانادیوم به فولاد اضافه می شوند باعث ایجاد تشكیل دانه ها شده و مانع از رشد دانه ها می شود. این ساختار دانه ظریف به افزایش شکل پذیری فولاد کمک می کند. در برخی از فولادها ، کاربیدهای تشکیل شده توسط وانادیوم می توانند سختی و استحکام فولاد را افزایش دهند.

 مقدار آن در فولادها در حدود ۰/۱۵ الى ۰/۲ درصد می باشد از این نوع فولادها معمولا برای ساختن قطعات لکوموتیوها، میل لنگ ها و غیره استفاده می شود.

فولادهای آلیـاژی با مقادیر زیاد وانادیوم شامل فولادهای A3 و A9 هستند و همچنین فولاد ابزار D2 دارای مقدار زیادی وانادیوم است. فولادهای مانند M390 و VG10 که فولاد های مورد استفاده در ساخت تیغه های برش هستند دارای مقادیر نسبتاً بالایی از وانادیوم هستند.

ه) آلیاژهای فولادی تنگستن دار

تنگستن فلزی است که در ۳۴۱۰ درجه سانتی گراد ذوب شده و دارای وزن اتمی ۱۸۴ و جزو شبکه کریستالی حالت اول می باشد. این عنصر در آهن گاما حل می شود اما در آهن آلفا به صورت محلول جامد باقی می ماند.

بطور کلی اضافه نمودن تنگستن به فولاد باعث افزایش قابل ملاحظه سختی و خاصیت برندگی آن می گردد از این نوع فولاد برای ساختن ابزارهای برنده نظير مته ها، قلم های تراش و امثال آنها استفاده می کنند از طرف دیگر خاصیت فولادهای پرکربن را پایدار و ثابت نگه می دارد لذا از این نوع فــولاد می توان آهن ربایی که هیچ وقت خاصیت خود را از دست نمی دهند استفاده کرد.

و) آلیاژهای فولادی کبالت دار

کبالت فلزی است که در ۱۴۹۵ درجه سانتی گراد ذوب شده دارای وزن اتمی ۵۹ و جزو شبکه کریستالی حالت اول می باشد. عمل اصلی آن در فولاد برای جلوگیری از به وجود آمدن ذرات آستنیت می باشد بدین معنی که سختی فولاد را در حرارت قرمز حفظ کرده و در نتیجه از این نوع فولاد در ساختن ابزارهای تندبر HSS استفاده می گردد. معمولاً برای افزایش قابل ملاحظه سختی فولاد کبالت ، آن را به همراه تنگستن به فولاد اضافه می نمایند.

ز) آلیاژهای فولادی منگنز دار

منگنز فلزی است که ۱۲۴۰ درجه سانتی گراد ذوب شده دارای وزن اتمی ۹/۵۴ و جزو شبکه کریستالی حالت سوم می باشد ، اضافه کردن این عنصر به فولاد برای جلوگیری از تشکیل ذرات آستنیت بوده و نیز کمک موثری به حالت فرم پذیری فولاد می نماید.

منگنز اضافه شده به فولاد کربن دار سبب کمک به فرآیند عملیات حرارتی می شود. هنگامی که فــولادها را کوینچ می کنیم تا سختی و استحکام آن افزایش پیدا کند باید انجام این فرآیند سریع انجام شود. و اگر سرعت انجام این فرآیند از حد مشخصی سریع تر باشد باعث بی ثبات شدن فرآیند می شود . افزودن منگنز سبب میشود تا سختی و استحکام به حد مورد نظر برسد بدون اینکه  از حد سرعت مجاز کوینچ کردن عبور کنیم.

فولادهایی با مقادیر بالای منگنز شامل A10 و A4 و همچنین فولادهای ابزار O2 هستند. فولاد ضد زنگ 201 نیز نسبتاً دارای مقدار زیادی منگنز است.