فولادهای کربنی و کم آلیاژ

در این مقاله، با بررسی دقیق ویژگی‌ها و کاربردهای فولادهای کربنی و کم آلیاژ، به تبیین نقش آنها در صنایع مختلف می‌پردازیم. فولادهای ابزار کربنی و آلیاژی، به دلیل خواص منحصربه‌فردی که دارند، نقشی اساسی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. کربن، به عنوان عنصر اصلی در این فولادها، با افزایش استحکام و سختی، آنها را برای کاربردهای مهندسی مناسب می‌سازد. از سوی دیگر، عناصر دیگری همچون منگنز، فسفر و گوگرد نیز در این آلیاژها تأثیرگذار هستند و می‌توانند ویژگی‌هایی نظیر مقاومت به خوردگی، چقرمگی، و قابلیت جوشکاری را بهبود بخشند. 

فولادهای کربنی و کم آلیاژ

فولاد ابزار کربنی به آن دسته از فولادها اطلاق میگردد که کربن اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن باشد و عناصری نظیر منگنز و سیلیسیم به میزان کمی در آن حضور داشته و فقط به‌ منظور اکسیژن زدایی به آن اضافه می‌گردند. کربن نقش اساسی را در افزایش استحکام فولادها ایفا می‌کند و این استحکام تا حد زیادی به میزان کربن موجود در آلیاژ بستگی دارد.

فولادهای کربنی را به سه دسته تقسیم می‌کنند:

• میزان کربن پایین تر از 0.2 درصد
• میزان کربن بین 0.2 تا 0.5 درصد
• میزان کربن بالاتر از 0.5 درصد

فولاد کربنی کاربرد وسیعی در صنعت داشته و معمولاً در حالت آنیل و یا نرمالیزه بکار می‌روند ولی در موارد خاص در حالت سخت کاری و تمپر شده نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
همچنین فولادهای کم کربن بدلیل خواص هدایت مغناطیسی کاربرد زیادی در صنعت برق دارند.

تاثیر عناصر آلیاژی

کربن:

در فولادهای کربنی میزان کربن ممکن است از چند صدم درصد تا نزدیک به 2 درصد تغییر کند. افزایش میزان کربن باعث بالا رفتن خواص سختی و استحکام فولاد می‌گردد. کربن نقش اساسی را در فولادها داراست و آبکاری آنها را ممکن می‌سازد. فولاد با کمتر از 0.2 درصد کربن عملاً آبکاری نمی‌شود. بیش از این مقدار تا حدود 1.2 درصد سختی فولاد پس از آبکاری به سرعت زیاد می‌‎شود. از این میزان بیشتر، سختی فولاد افزایش نیافته و خصوصیات چکش‌خواری خود را از دست می‌دهد.

منگنز:

این عنصر خاصیت اکسیژن زدایی خوبی دارد. اصولا میزان منگنز در فولاد کربنی بین 0.5 تا 0.8 درصد می‌باشد.
به‌طورکلی بالا بودن مقدار منگنز باعث درشت شدن دانه‌های فولاد می‌شود. با حضور منگنز عملیات آهنگری راحت‌تر انجام می‌گیرد. منگنز مقاومت و سختی را بالا برده و فولاد را جهت آبکاری آماده‌تر می‌نماید، منگنز اضافی فولاد را شکننده می‌کند.

گوگرد:

گوگرد در فولاد بعنوان یک ناخالصی محسوب می‌شود. وجود منگنز در فولاد به‌علت میل ترکیبی بیشتر آن با گوگرد نسبت به آهن باعث تشکیل ترکیب MnS میگردد. MnS دارای نقطه ذوب بالاتری نسبت به FeS می‌باشد (1610 درجه‌ی سانتیگراد)، و به همین دلیل در اثر حضور منگنز، مسئله گسیختگی و ترک به حداقل ممکن می رسد. عناصری نظیر Be، Zr، Cr و Ti اثرات مضر گوگرد را کاهش داده ولی عناصری چون Ni، Co و Mo اثر مضر گوگرد را تشدید می‌کنند. آخالهای گوگرد اثرات بسیار مضری داشته و قابلیت جوشکاری و مقاومت در مقابل خوردگی را نیز کاهش می‌دهند.

به همین دلیل مقدار گوگرد در فولاد باید بسیار محدود و کم باشد و بسته به نوع فولاد درصد گوگرد از 0.04 تا 0.06 درصد بوده و در فرآیند جوشکاری تا حد 0.02 درصد تقلیل می‌یابد و از این محدوده نباید تجاوز کند. کاهش مقدار گوگرد باعث افزایش مقاومت به ضربه فولاد می‌گردد.

فسفر:

فسفر در آهن بشدت حد الاستیک و حد گسیختگی را بالا برده، در حالیکه قابلیت پلاستیسیته را به‌طور قابل توجهی کاهش میدهد. کاهش شکل‌پذیری در فولاد در اثر وجود فسفر خود، به مقدار کربن موجود در فولاد بستگی داشته و هر چه مقدار آن بیشتر باشد، اثر فسفر بر روی کاهش خاصیت پلاستیسیته بیشتر است. برای اکثر فولادها، فسفر یک ناخالصی محسوب می‌گردد و مقدار درصد آن بسته به مرغوبیت فولاد، نباید از 0.0025 تا 0.05 درصد تجاوز کند.

کاربرد فولادهای کربنی ساده

در این بخش، کاربرد فولادهای کربنی ساده را در سه گروه کم کربن، کربن متوسط و پر کربن مورد بررسی قرار می‌دهیم.
گروه اول که فولادهای ساده کم کربن نام دارند، برای عموم قطعات مهندسی، ساختمان کشتی‌ها، راه‌آهن بکار می‌روند. همچنین این فولادها از خواص مغناطیسی بالا و قابلیت جوشکاری خوبی برخوردار بوده و در مواردی که قطعات تحت عملیات سختی سطحی قرار می‌گیرند، کاربرد خوبی دارند.

برای فولادهای کربن متوسط می‌توان به صنایع حمل و نقل، راه‌آهن، ماشین‌آلات و دستگاه‌های نورد اشاره کرد و همچنین زمانی که سایش در حد متوسط مدنظر باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در مواردی که قطعات ریخته‌شده می‌بایستی از سختی بالایی برخوردار باشند، فولادهای ساده پرکربن کاربرد بسیار خوبی داشته همچنین در ساخت غلتک‌ها، ابزار و آلات ماشین‌های صنعتی، قطعات مقاوم به سایش نیز بکار می‌روند.

اصولا در فولادهای کربنی ساده و عاری از هرگونه عنصر آلیاژی، با ازدیاد درصد کربن خواصی از قبیل چقرمگی و قابلیت جوشکاری کاهش پیدا کرده و در مقابل، استحکام آن افزایش می‌یابد.

فولادهای کم آلیاژ

فولادهای کم آلیاژ را می‌توان فولادهای کربنی در نظر گرفت که جهت بهبود خواص ویژه، عناصری به آنها اضافه می‌گردد. درصد عناصر آلیاژی برای فولادهای کم آلیاژ، عموماً از 5 درصد تجاوز نمی‌کند. کربن مهمترین عنصر در فولادهای کربنی و آلیاژی می‌باشد و سختی فولاد با میزان کربن تعیین می‌شود. افزایش عناصر آلیاژی در فولاد، خواص زیر را به دنبال دارد:

• افزایش سختی پذیری
• افزایش استحکام و مقاومت در مقابل سایش
• مقاومت در برابر خوردگی و حرارت

خواص فولادهای کم آلیاژ

فولادهای کم آلیاژ با توجه به نوع عملیات حرارتی که روی آنها صورت می گیرد، می توانند دارای طیف وسیعی از خواص مکانیکی باشند. در هر حال عموما سختی بالاتر با چقرمگی کمتر و استحکام بالاتر همراه با انعطاف پذیری کمتر خواهد بود.

مقاومت در مقابل خوردگی فولادهای ریختگی کم آلیاژ

فولادهای ریختگی کم آلیاژ عموما به عنوان ماده مقاوم در مقابل خوردگی در نظر گرفته نمی‌شوند و ترکیب شیمیایی آنها به نحوی انتخاب می‌گردد که به این مسئله اهمیت ویژه‌‎ای ندهد. در هر حال برخی از فولادهای کم آلیاژ دارای مقاومت به خوردگی بیشتری از سایر فولادهای این خانواده هستند. به عنوان مثال وجود مس حتی در حد 0.05 درصد می‌تواند مقاومت در مقابل خوردگی این آلیاژها را به میزان زیادی افزایش دهد.
وجود عناصر نیکل، کروم، فسفر و مولیبدن در محدوده‌های مورد استفاده در فولادهای کم آلیاژ در برخی از محیط‌ها، مقاومت در مقابل خوردگی را افزایش می‌دهد. در هر حال هنگام حضور این عناصر باید مس در حداقل میزان ممکن نگهداری گردد.

مقاومت در درجه حرارت بالا

از میان عناصر آلیاژی مورد استفاده در فولادهای کم آلیاژ دو عنصر کرم و مولیبدن برای بالا بردن مقاومت این فولادها در مقابل پدیده خزش به کار گرفته می‌شوند. عناصر دیگر نظیر وانادیم، تیتانیم و نیوبیم نیز در افزایش مقاومت در مقابل خزش فولادهای کم آلیاژ مؤثرند.

کاربرد فولادهای کم آلیاژ

این نوع فولادها در ساخت قطعات مقاوم به سایش از قبیل تجهیزات مربوط به خاک برداری و حفر معدن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کاربردهای دیگر این فولادها قطعات راه‌آهن، چرخ ماشین‌های سنگین و چهار چرخه‌ها و تجهیزات دستگاه‌هایی که با سیستم بادی عمل می‌کنند، می‌باشد و بطورکلی در دستگاه‌ها و ماشین‌هایی که در معرض تکان‌های مداوم هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

 

فولادهای ابزار کربنی و کم آلیاژ؛ انتخابی ایده‌آل برای ساخت ابزارهای صنعتی و قطعات مقاوم به سایش

فولادهای ابزار کربنی و کم آلیاژ، به دلیل ترکیبات متنوع و خواص مکانیکی بالای خود، به عنوان مواد اصلی در ساخت ابزارآلات صنعتی و قطعات مقاوم به سایش شناخته می‌شوند. کنترل میزان عناصر آلیاژی در این فولادها، امکان تنظیم سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را فراهم می‌کند که در نهایت به کاربری‌های مختلف آنها در صنایع ساختمانی، ماشین‌سازی و تجهیزات معدنی منجر می‌شود. انتخاب صحیح این نوع فولادها با توجه به شرایط کاربردی و الزامات پروژه، تأثیر مستقیمی بر کارایی و طول عمر تجهیزات صنعتی خواهد داشت.