فولاد یکی از مهم ترین مواد اولیه در صنایع مختلف از جمله صنعت ساختمان، خودروسازی، نفت و گاز، صنایع غذایی و.. است. این ماده از ترکیب آهن و کربن ساخته می شود و خواص مکانیکی مختلفی مانند استحکام، سختی و مقاومت در برابر خوردگی دارد. انواع مختلفی از فولاد صنعتی وجود دارد که هر کدام کاربردهای خاص خود را دارند. فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ و فولاد ابزار از جمله رایج ترین انواع فولاد صنعتی هستند. در ادامه به تقسیم بندی انواع فولاد صنعتی طبق ترکیب شیمیایی، ویژگی های و کاربردهای آن ها در صنایع خواهیم پرداخت.
فولاد کربنی
فولادهای کربنی دسته ای از فولادها هستند که عمدتا از آهن و کربن به عنوان عنصر اصلی آلیاژی تشکیل شده اند، با میزان کربن که معمولاً بین 0.05 تا 2.0 درصد متغیر است. آنها ساده ترین و پرکاربردترین نوع فولاد هستند که با استحکام کم تا متوسط، قابلیت شکل دهی خوب و مقرون به صرفه بودن مشخص می شوند. طبقه بندی فولادهای کربنی بر اساس میزان کربن آنها است و آنها اغلب به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:
فولاد کم کربن (فولاد نرم)
فولاد کم کربن (فولاد نرم) دسته ای از فولادهای کربنی هستند که میزان کربن آنها بین 0.05 تا 0.3 درصد است. این فولادها به دلیل قابلیت شکل پذیری، جوشکاری و ماشینکاری آسان، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارند.
فولادهای کم کربن استحکام کششی و تسلیم نسبتا پایینی دارند و همین مورد سبب می شود برای کاربردهایی که نیازمند استحکام بالا است مناسب نباشند.
فولادهای کم کربن شکل پذیری بسیاری خوبی داشته ولی سختی پایین دارند. از همین رو برای کابردهایی که نیازمند سختی و مقاومت سایشی بالاست مناسب نیستند.
کاربرد فولادهای کم کربن
فولادهای کم کربن عمدتا برای کاربردهایی مناسب هستند که شکل پذیری و جوش پذیری نسبت به استحکام از اهمیت بالاتری برخوردار است. رایج کاربردهای فولاد کم کربن شامل ورق های فلزی، پنل های بدنه اتومبیل و ساخت وسایل با کاربری های عمومی است. ماند لوازم خانگی.
در مجموع، فولادهای کم کربن به دلیل تطبیق پذیری، مقرون به صرفه بودن و سهولت ساخت، در طیف وسیعی از صنایع کاربرد دارند.
فولاد کربن متوسط
فولاد کربن متوسط حاوی کربن بین 0.3 تا 0.6 درصد است. این دسته از فولاد نسبت به فولاد کم کربن استحکام و سختی بیشتری ارائه می دهد. خواص مکانیکی فولادهای کربن متوسط به قرار زیر است:
استحکام: فولادهای کربن متوسط استحکام کششی و تسلیم بالاتری را نسبت به فولادهای کم کربن ارائه می دهند. این فولادها مناسب کاربردهایی هستند که به قطعاتی با استحکام متوسط نیاز است.
شکل پذیری: فولادهای کربن متوسط به دلیل محتوای بالاتر کربن، شکل پذیری کمتری نسبت به فولاد کم کربن دارند. ولی همچنان درجه ای از شکل پذیری را دارند.
سختی: سختی این فولاد به دلیل محتوای کربن بیشتر بالاتر بوده و برای کاربردهایی که نیازمند سختی بیشتری هستند مناسب است.
فولاد کربن متوسط در کاربردهایی مانند محورها، دنده‌ها، میل لنگ‌ها و اجزای ماشین‌آلات که در آنها استحکام متوسط و سختی ضروری است، استفاده می‌شود.
فولاد کربن بالا
فولادهای پرکربن دسته ای از فولادهای کربنی هستند که میزان کربن آنها بیش از 0.6 درصد است. این فولادها به دلیل استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش بالا، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارند.
در اینجا برخی از کاربردهای رایج فولادهای پرکربن آورده شده است:
ابزارآلات: فولادهای پرکربن در ساخت ابزارهای برش، ابزار دستی، و ابزارهای صنعتی استفاده می شوند. این فولادها به دلیل سختی و مقاومت در برابر سایش مناسب هستند.
فنرها: فولادهای پرکربن در ساخت فنرها برای کاربردهای مختلف، از جمله سیستم تعلیق خودرو، وسایل مکانیکی و ماشین آلات صنعتی استفاده می شود. این فولادها به دلیل سختی و مقاومت در برابر سایش مناسب هستند.
قطعات ماشین آلات: فولادهای پرکربن در ساخت قطعات ماشین آلات مانند دنده ها، شفت ها و یاتاقان ها استفاده می شوند. این فولادها به دلیل استحکام و مقاومت در برابر سایش مناسب هستند.
تجهیزات نظامی: فولادهای پرکربن در ساخت تجهیزات نظامی مانند زره پوش، سلاح و مهمات استفاده می شوند. این فولادها به دلیل استحکام و مقاومت در برابر سایش مناسب هستند.
در مجموع، فولادهای پرکربن به دلیل استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش بالا، در طیف وسیعی از صنایع کاربرد دارند.
در اینجا برخی از مزایای فولادهای پرکربن آورده شده است:
- استحکام: فولادهای پرکربن نسبت به فولادهای کم کربن و متوسط استحکام بیشتری دارند. این امر آنها را برای کاربردهایی که نیاز به استحکام بالا دارند، مانند ابزارآلات و قطعات ماشین آلات، مناسب می کند.
- سختی: فولادهای پرکربن نسبت به فولادهای کم کربن و متوسط سختی بیشتری دارند. این امر آنها را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند، مانند فنرها و تجهیزات نظامی، مناسب می کند.
- مقاومت در برابر سایش: فولادهای پرکربن نسبت به فولادهای کم کربن و متوسط مقاومت در برابر سایش بیشتری دارند. این امر آنها را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند، مانند فنرها و تجهیزات نظامی، مناسب می کند.
در مجموع، فولادهای پرکربن موادی با استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش بالا هستند که می توانند در طیف وسیعی از صنایع کاربرد داشته باشند.
فولادهای کربنی را می توان بر اساس خواص آنها، مانند انعطاف پذیری، استحکام کششی و سختی، طبقه بندی کرد. همچنین می توان آنها را از طریق فرآیندهای عملیات حرارتی مانند سخت کاری و تمپر برای دستیابی به خواص مکانیکی خاص اصلاح کرد.
یکی از ویژگی های کلیدی فولادهای کربنی تطبیق پذیری و سهولت ساخت آنها است. آنها به راحتی قابل جوشکاری، ماشینکاری و شکل گیری به اشکال مختلف هستند که آنها را در طیف وسیعی از صنایع ارزشمند می کند. با این حال، آنها مستعد خوردگی هستند، بنابراین ممکن است نیاز به اقدامات اضافی مانند پوشش های سطحی یا استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی در محیط های خورنده باشد.
انتخاب نوع خاص فولاد کربن در این دسته بستگی به الزامات کاربرد دارد و عواملی مانند استحکام، قابلیت شکل دهی و سختی را در نظر می گیرد. فولادهای کربنی مواد اولیه در بسیاری از صنایع هستند و به عنوان مبنایی برای توسعه انواع تخصصی تر فولاد از طریق آلیاژ با عناصر اضافی عمل می کنند.
فولادهای آلیاژی (Alloy steels)
فولادهای آلیاژی دسته ای از فولادها هستند که علاوه بر کربن، حاوی عناصر آلیاژی اضافی هستند که به منظور افزایش خواص یا ویژگی های خاص اضافه می شوند. این عناصر آلیاژی می توانند شامل فلزاتی مانند کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیوم و سایر فلزات باشند. افزودن این عناصر می تواند منجر به بهبود خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر حرارت و سایر ویژگی های کلیدی شود. در ادامه به بررسی ترکیب شیمیایی فولادهای آلیاژی، خواص مکانیکی و شیمیایی، کاربردها و انواع مختلف فولادهای آلیاژی پرداخته ایم.
ترکیب شیمیایی فولادهای آلیاژی
ترکیب شیمیایی انواع فولادهای آلیاژی میتواند متناسب با نوع کاربرد و خواصی که مدنظر است متفاوت باشد. ولی در حالت کلی از عناصر آلیاژی زیر در این نوع از فولادها استفاده می شود:
کروم (Cr) : افزودن این عنصر میتواند سبب افزایش مفاومت به خوردگی، سختی و مقاومت به سایش گردد. فولادهای ضدزنگ، که حاوی درصد قابل توجهی کروم هستند، نمونه بارز فولادهای با مقاومت به خوردگی بسیار بالا هستند.
نیکل (Ni): افزودن نیکل در بهبود تافنس و استحکام فولاد در دمای بالا موثر است.
مولیبدن (Mo): سبب بهبود استحکام، سختی پذیری و پایداری فولاد در دماهای بالا می گردد. مولیبدن عمدتا در فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا استفاده می شود.
وانادیم (V): سبب افزایش استحکام، تافنس و مقاومت به سایش می گردد.
منگنز (Mn): سبب افزایش استحکام و سختی پذیری میگردد. همچنین خواص ایجاد شده در اثر افزودن منگنز سبب بهبود خواص فولاد در فرآیندهای نورد و فورج می شود.
سیلسیم (Si): در افزایش مقاومت حرارتی و رسانایی الکتریکی فولاد نقش بسزایی دارد.
کبالت (Co): در بهبود استحکام فولاد در دماهای بالا و افزایش مقاومت به سایش نقش دارد.
خواص فولادهای آلیاژی:
خواص فولادهای آلیاژی وابسته به نوع عنسر آلیاژی و همچنین عملیات حرارتی است که روی فولاد انجام پذیرفته است. ولی به طور کلی خواص این فولادهای میتواند در موارد زیر خلاصه گردد:
- استحکام: فولادهای آلیاژی عمدتا استحکام تسلیم و کششی بالاتری نسبت به انواع فولاد کربنی دارند و برای کاربردهایی که نیازمند استحکام بسیار بالاست مناسب هستند.
- سختی: بسیاری از فولادهای آلیاژی دارای سختی و مقامت به سایش بالایی هستند.
- افزودن عناصر آلیاژی عمدتا میتواند سبب افزایش تافنس و مقاومت به ضربه فولاد شود. لذا برای استفاده در کاربردهایی که مقاومت به شوک و بارهای ناگهانی ضروری است، مناسب هستند.
- مقاومت به خوردگی: فولادهای آلیاژی حاوی عناصر آلیاژی به خصوصی مانند کروم، مقاومت به خوردگی عالی را ارائه می دهند که استفاده از آن ها را در محیط های خورنده ممکن می سازد.
- مقاومت حرارتی: برخی از فولادهای آلیاژی با هدف استفاده در دماهای بالا طراحی شده اند. این نوع از فولادها برای استفاده در کوره ها، موتورها و دیگر کاربردهای دما بالا مناسب هستند.
کاربردهای فولادهای آلیاژی
این نوع از فولادها در گستره وسیعی از صنایع کاربرد دارند که شامل:
- صنعت هوافضا: فولادهای آلیاژی که دارای استحکام بالا، تافنس و مقاومت حرارتی هستند در اجزای انواع فضاپیما و تجهیزات فضایی استفاده می شوند.
- خودروسازی: به دلیل استحکام و مقاومت به سایش بالا در ساخت موتور و اجزای موتور، گیربکس و اجزای سیستم تعلیق استفاده می شوند.
- ساخت ابزارآلات: این فولادها به دلیل سختی و مقاومت به سایش بالا در ساخت ابزارهای برش، دریل و اجزای تجهیزات ماشینکاری استفاده می شوند.
- صنعت نفت و گاز: در ساخت لوله ها، ولوها و تجهیزاتی که نیازمند استحکام و مقاومت به خوردگی است کاربرد دارند.
- صنایع دفاعی: به دلیل استحکام و تافنس این فولادها، از ان ها در ساخت تجهیزات زرهی و اجزای تسلیحات استفاده می شود.
- تجهیزات پزشکی: فولادهای ضدزنگ به دلیل مقاومت به خوردگی عالی و زیست سازگاری بالا در ساخت انواع ایمپلنت و دیگر تجهیزات پزشکی و جراحی استفاده می شوند.
- صنایع انرژی : این فولادها در تجهیزات تولید برق همچون توربین ها و بویلرها، بخاطر استحکام و مقاومت حرارتی استفاده می شوند.
با توجه به حوزه کاربرد مدنظر باید از فولاد آلیاژی دارای خواص مناسب استفاده نمود. با استفاده از فرآیندهایی مانند کوئنچ و تمپر کردن، میتوان برخی خواص مکانیکی را بهبود بخشید.
انواع فولادهای آلیاژی
متداول ترین انواع فولاد آلیاژی شامل موارد زیر هستند:
1. فولادهای کم آلیاژ:
- ترکیب شیمیایی: این فولادها حاوی درصد کمی از عناصر آلیاژی هستند. مقدار این عناصر آلیاژی عمدتا کمتر از 5 درصد وزنی است.
- خواص: در فولادهای کم آلیاژ استحکام، تافنس و مقاومت به خوردگی نسبت به فولادهای کربنی بهبود یافته و در عین حال جوش پذیری مناسب ان ها حفظ شده است.
- کاربردها: سازه های عمرانی مانند پل ها و ساختمان ها، صنایع خودروسازی و ماشین سازی عمده حوزه کاربرد این فولادها هستند.
2. فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا (HSLA):
- ترکیب شیمیایی: این فولادها حاوی درصد کمی از عناصر آلیاژی مانند نیوبیوم، وانادیوم و تیتانیوم به مقدار کمتر از 10 درصد وزنی هستند.
- خواص: فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا ترکیبی از خواص استحکام بالا، تافنس خوب و جوش پذیری را همزمان دارا هستند.
- کاربردها: صنایع عمرانی و ساختمانی، ساخت اجزای خودرو و تجهیزات تحت فشار
3. فولادهای ابزار:
- ترکیب شیمیایی: فولادهای ابزار حاوی عناصر آلیاژی مانند تنگستن، مولیبدن، کبالت و وانادیم هستند.
- خواص: سختی بالا، مقاومت به سایش، مقاومت حرارتی از خواص فولادهای ابزار است.
- کاربرد: ساخت ابزارهای برش، دریل و قالب های صنعتی
4. استنلس استیل :
- ترکیب شیمیایی: استنلس استیل ها حاوی مقادیر قابل توجهی کروم (حداقل 10 درصد وزنی)، نیکل، مولیبدن و دیگر عناصر آلیاژی هستند.
- خواص: استحکام، مقاومت حرارتی و مقاومت به خوردگی عالی
- کاربردها: تحهیزات آشپزخانه، تجهیزات پزشکی، خطوط لوله و سازه های معماری
5. فولاد ماراجینگ
- ترکیب شیمیایی: فولادهای ماراجینگ عمدتا دارای نیکل و دیگر عناصر آلیاژی مانند کبالت، مولیبدن و تیتانیوم هستند.
- خواص: این فولادها استحکام خیلی بالا، تافنس عالی، مقاومت به خستگی و مقاومت خوردگی دارند.
- کاربرد: صنایع هوافضا و صنایع دفاعی
سخن پایانی
در این مقاله سعی شد تا به طور مفید و مختصر در مورد انواع فولادهای صنعتی، ترکیب شیمیایی آن ها و خواص و کاربردهایشان توضیح دهیم. فولاد در کل به آلیاژ آهن و کربن اطلاق می شوند. با توجه به گستردگی صنایع و نیاز هرکدام از صنایع به خواص منحصر بفرد، از عناصر آلیاژی در فولاد، برای رسیدن به خواص منحصر بفرد بهره می برند. در کل تمام فولادها به جز فولادهای کربنی، جزو فولادهای آلیاژی حساب میشوند چون از عناطر آلیاژی داخل ان ها استفاده شده است. که ما در این مقاله ترجیح دادیم با توجه به این طبقه بندی به معرفی انواع فولاد صنعتی بپردازیم. ولی طبق انستیتو آهن و فولاد آمریکا (AISI)، فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی در چهار دسته فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی، استنلس استیل و فولادهای ابزار طبقه بندی می شوند.