فولادهای کربنی و کم آلیاژ

در این مقاله، با بررسی دقیق ویژگی‌ها و کاربردهای فولادهای کربنی و کم‌آلیاژ، 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. عنصر 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 می‌شود که کربن اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن باشد و عناصری نظیر منگنز و سیلیسیم به میزان کم و فقط به منظور اکسیژن‌زدایی به آن اضافه می‌شوند. 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:

• کم‌کربن: میزان کربن کمتر از 0.2 درصد
• کربن متوسط: میزان کربن بین 0.2 تا 0.5 درصد
• پرکربن: میزان کربن بالاتر از 0.5 درصد

فولاد کربنی کاربرد وسیعی در صنعت دارد و معمولاً در حالت آنیل و نرمالیزه به کار می‌رود. در موارد خاص، این فولادها در حالت سخت‌کاری و تمپر شده نیز استفاده می‌شوند. همچنین فولادهای کم‌کربن به دلیل 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 می‌شود. آبکاری سخت فولادهای خیلی کم‌کربن معمولاً چالش‌برانگیز است. سختی پس از 1.2% کربن ممکن است به دلیل ایجاد کاربیدهای سخت، تغییر کند و خصوصیات مکانیکی و چکش‌خواری افت کند.

منگنز:

این عنصر خاصیت اکسیژن‌زدایی خوبی دارد. معمولاً میزان منگنز در فولاد کربنی بین 0.5 تا 0.8 درصد است. معمولاً منگنز به عنوان عنصر دانه‌ریزکننده و بهبوددهنده چقرمگی شناخته می‌شود و می‌تواند دانه‌ها را ریزتر کند، نه درشت‌تر. در شرایط خاص و مقادیر زیاد ممکن است اثرات متفاوت باشد، اما در محدوده معمول (0.5-0.8%) معمولاً دانه‌ها ریز می‌شوند.

منگنز نقش مهمی در افزایش سختی‌پذیری و مقاومت کششی فولاد دارد.

گوگرد:

گوگرد به عنوان ناخالصی در فولاد محسوب می‌شود. وجود منگنز به علت میل ترکیبی بیشتر با گوگرد نسبت به آهن باعث تشکیل ترکیب MnS می‌شود. ترکیب MnS پایدارتر از FeS است و از تشکیل مرز دانه‌ای شکننده FeS جلوگیری می‌کند.

مقدار گوگرد در فولاد باید پایین باشد، اما محدوده 0.04 تا 0.06 درصد کمی بالاست، معمولاً فولادهای سازه‌ای گوگرد کمتر از 0.04% دارند و فولادهای با کیفیت بالا حتی کمتر.
همچنین در جوشکاری گوگرد باید به شدت کنترل شود و مقادیر کمتر از 0.02% ترجیح داده می‌شود.

فسفر:

فسفر حد الاستیک و حد گسیختگی فولاد را بالا می‌برد، اما قابلیت پلاستیسیته را کاهش می‌دهد. اثر فسفر بر کاهش پلاستیسیته به میزان کربن موجود بستگی دارد و هرچه کربن بیشتر باشد، اثر فسفر شدیدتر است. برای اکثر فولادها، فسفر ناخالصی محسوب می‌شود و مقدار آن نباید از 0.02 تا 0.04 درصد تجاوز کند.

کاربرد فولادهای کربنی ساده

فولادهای کم‌کربن

این گروه برای قطعات مهندسی عمومی، ساختمان کشتی‌ها و راه‌آهن به کار می‌روند. فولادهای کم‌کربن خواص مغناطیسی بالا و قابلیت جوشکاری خوبی دارند و برای قطعاتی که نیاز به سختی سطحی دارند مناسب هستند. آبکاری سخت فولادهای خیلی کم‌کربن معمولاً چالش‌برانگیز است.

فولادهای با کربن متوسط

فولادهای متوسط کربن در صنایع حمل و نقل، راه‌آهن، ماشین‌آلات و دستگاه‌های نورد استفاده می‌شوند و زمانی که سایش در حد متوسط مورد نظر است، کاربرد خوبی دارند.

فولادهای پرکربن

این فولادها برای قطعات ریخته‌شده که نیاز به سختی بالایی دارند، مناسب‌اند و در ساخت غلتک‌ها، ابزار، ماشین‌های صنعتی و قطعات مقاوم به سایش به کار می‌روند.

نکته: با افزایش درصد کربن در فولادهای ساده و بدون عناصر آلیاژی، چقرمگی و قابلیت جوشکاری کاهش می‌یابد و در مقابل، استحکام افزایش پیدا می‌کند.

فولادهای کم آلیاژ

فولادهای کم‌آلیاژ، فولادهای کربنی هستند که برای بهبود خواص ویژه، عناصری به آن‌ها اضافه شده است.  بر اساس استاندارد  HSLA درصد عناصر آلیاژی معمولاً کمتر از 5 درصد است. کربن همچنان مهم‌ترین عنصر برای تعیین سختی فولاد است. افزایش عناصر آلیاژی خواص زیر را به همراه دارد:

• افزایش سختی‌پذیری
• افزایش استحکام و مقاومت در برابر سایش
• مقاومت بهتر در برابر خوردگی و حرارت

خواص فولادهای کم آلیاژ

• سختی بالاتر معمولاً با چقرمگی کمتر و انعطاف‌پذیری کمتر همراه است.
• برخی از فولادهای کم‌آلیاژ دارای مقاومت بهتر به خوردگی هستند، به ویژه با افزودن مس در حد 0.05 درصد یا استفاده از عناصر Ni، Cr و Mo.(مقاومت خوردگی به میزان و ترکیب دقیق این عناصر و شرایط سرویس بستگی دارد.)
• مقاومت در درجه حرارت بالا با استفاده از کرم و مولیبدن افزایش می‌یابد. سایر عناصر مانند وانادیم، تیتانیوم و نیوبیم نیز مقاومت در برابر خزش را تقویت می‌کنند.

کاربرد فولادهای کم آلیاژ

• ساخت قطعات مقاوم به سایش مانند تجهیزات خاک‌برداری و حفر معدن
• قطعات راه‌آهن و چرخ‌های ماشین‌های سنگین و چهارچرخه‌ها
• تجهیزات دستگاه‌هایی که با سیستم بادی کار می‌کنند و ماشین‌آلاتی که تحت تکان‌های مداوم هستند

فولادهای ابزار کربنی و کم آلیاژ؛ انتخابی ایده‌آل برای ساخت ابزارهای صنعتی و قطعات مقاوم به سایش
فولادهای ابزار کربنی و کم‌آلیاژ به دلیل ترکیبات متنوع و خواص مکانیکی بالا، به عنوان مواد اصلی در ساخت ابزارآلات صنعتی و قطعات مقاوم به سایش شناخته می‌شوند. کنترل میزان عناصر آلیاژی امکان تنظیم سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را فراهم می‌کند و باعث می‌شود این فولادها در صنایع مختلف از جمله ساختمان‌سازی، ماشین‌سازی و تجهیزات معدنی کاربرد وسیع داشته باشند. انتخاب صحیح این نوع فولادها تأثیر مستقیم بر کارایی و طول عمر تجهیزات صنعتی دارد.