فولاد آلیاژی چیست

فولاد آلیاژی نوعی فولاد بر پایه آهن است که علاوه بر کربن، یک یا چند عنصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیوم، منگنز یا سیلیسیم به صورت کنترل شده به آن اضافه می شود. هدف از افزودن این عناصر، ایجاد یا بهبود خواصی مانند استحکام، سختی پذیری، چقرمگی، مقاومت به سایش، مقاومت در برابر حرارت و خوردگی است.

ترکیب شیمیایی، گرید، شکل محصول و عناصر استفاده شده می توانند بر قیمت فولاد آلیاژی تاثیر بگذارند؛ به ویژه زمانی که در ترکیب فولاد از عناصر آلیاژی گران قیمت مانند نیکل، مولیبدن یا وانادیوم استفاده شده باشد.

فولادهای آلیاژی را می توان بر اساس ترکیب شیمیایی، میزان عناصر آلیاژی، کاربرد و خواص آنها دسته بندی کرد. یکی از دسته بندی های رایج، تقسیم این فولادها به دو گروه کم آلیاژ و پر آلیاژ است.

ترکیب فولاد آلیاژی چیست؟

ترکیب فولاد آلیاژی به گرید و خواص مورد انتظار از آن بستگی دارد. تفاوت در مقدار و نوع عناصر افزوده شده، یکی از عوامل اصلی تفاوت فولاد آلیاژی و فولاد غیر آلیاژی است.

هر عنصر می تواند تاثیر متفاوتی بر ساختار و خواص فولاد داشته باشد. برای مثال:

• کروم: افزایش سختی پذیری، مقاومت به سایش و در مقادیر مشخص، مقاومت به خوردگی
• نیکل: افزایش چقرمگی و استحکام، به ویژه در برخی شرایط دمایی
• مولیبدن: افزایش سختی پذیری و مقاومت در برابر نرم شدن در دمای بالا
• وانادیوم: ریز کردن دانه ها و افزایش استحکام و مقاومت به سایش
• منگنز: بهبود استحکام و سختی پذیری و کمک به کنترل اثرات نامطلوب گوگرد
• سیلیسیم: افزایش استحکام و کاربرد به عنوان عنصر اکسیژن زدا در فولادسازی

مقدار این عناصر باید متناسب با کاربرد فولاد کنترل شود؛ زیرا افزایش یک عنصر لزوما به معنی بهبود تمام خواص فولاد نیست.

میزان کربن در فولاد آلیاژی

میزان کربن در فولادهای آلیاژی ثابت نیست و با توجه به گرید و کاربرد می تواند تغییر کند. بعضی فولادهای کم آلیاژ دارای کربن نسبتا پایین هستند تا قابلیت جوشکاری و شکل پذیری آنها حفظ شود، در حالی که فولادهای ابزار و برخی فولادهای مقاوم به سایش می توانند مقدار کربن بیشتری داشته باشند.

کربن تاثیر زیادی بر سختی، استحکام، جوش پذیری و قابلیت عملیات حرارتی فولاد دارد. به طور کلی، افزایش کربن می تواند سختی و استحکام را افزایش دهد، اما در مقابل ممکن است چقرمگی و جوش پذیری کاهش پیدا کند.

به همین دلیل، مقدار کربن همیشه در کنار عناصر آلیاژی و شرایط عملیات حرارتی بررسی می شود و نمی توان تنها بر اساس درصد کربن درباره عملکرد فولاد تصمیم گرفت.

فولاد آلیاژی چگونه ساخته می شود؟

تولید فولاد آلیاژی با تولید فولاد مذاب آغاز می شود. فولاد می تواند در واحدهای فولادسازی با استفاده از روش هایی مانند کوره قوس الکتریکی یا فرآیند اکسیژن پایه تولید شود. مواد اولیه نیز بسته به فرآیند می توانند شامل آهن اسفنجی، آهن خام و قراضه فولادی باشند. پس از تولید مذاب، ترکیب شیمیایی فولاد کنترل شده و عناصر آلیاژی مورد نیاز مانند کروم، نیکل، مولیبدن یا وانادیوم به میزان مشخص اضافه می شوند.

در ادامه ممکن است عملیات متالورژی ثانویه برای تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی، کاهش ناخالصی ها و کنترل گازهای محلول انجام شود. سپس فولاد مذاب ریخته گری شده و به شکل هایی مانند شمش، بلوم یا بیلت درمی آید. محصول نیمه نهایی پس از آن می تواند تحت فرآیندهایی مانند نورد، فورج، ماشین کاری و عملیات حرارتی قرار گیرد تا به ابعاد و خواص مورد نیاز برسد.

بنابراین فرآیند تولید فولاد آلیاژی فقط به افزودن عناصر مختلف محدود نمی شود و کنترل ترکیب شیمیایی، ساختار فولاد و فرآیندهای حرارتی نقش مهمی در خواص نهایی آن دارند.

موارد استفاده فولاد آلیاژی

کاربرد فولاد آلیاژی به گرید، ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی آن بستگی دارد. این فولادها در صنایع مختلف از ساخت قطعات ماشین آلات تا صنایع انرژی و خودروسازی مورد استفاده قرار می گیرند.

فولادهای کم آلیاژ در ساخت شفت، چرخ دنده، خطوط لوله، مخازن تحت فشار، سازه های صنعتی، قطعات ماشین آلات و تجهیزات حمل و نقل کاربرد دارند.

گریدهای پر آلیاژ نیز در مواردی استفاده می شوند که مقاومت به خوردگی، حرارت یا شرایط کاری خاص اهمیت دارد. تجهیزات صنایع شیمیایی، نیروگاهی، نفت و گاز و برخی قطعات مقاوم به خوردگی از جمله نمونه های این کاربردها هستند.

خواص فولاد آلیاژی

خواص فولاد آلیاژی به ترکیب شیمیایی، ساختار میکروسکوپی و نوع عملیات حرارتی بستگی دارد. بنابراین نمی توان مجموعه ای از خواص را به تمام فولادهای آلیاژی نسبت داد.

با این حال، بسته به گرید می توان به ویژگی های زیر دست پیدا کرد:

• استحکام مکانیکی مناسب
• سختی پذیری بالا
• مقاومت به سایش
• چقرمگی مناسب
• مقاومت در برابر حرارت
• مقاومت به خوردگی در برخی گریدها
• قابلیت عملیات حرارتی
• حفظ خواص مکانیکی در شرایط کاری خاص

انتخاب گرید باید بر اساس خواصی انجام شود که قطعه در زمان بهره برداری به آنها نیاز دارد.

سختکاری فولادهای آلیاژی

تمام فولادهای آلیاژی به یک روش سختکاری نمی شوند و حتی برخی از آنها با عملیات حرارتی متداول قابلیت افزایش سختی قابل توجه ندارند.

برای مثال، فولادهای زنگ نزن آستنیتی عمدتا از طریق کار سرد سخت می شوند و با کوئنچ و تمپر معمول سخت نمی شوند. در مقابل، فولادهای آلیاژی عملیات حرارتی پذیر و فولادهای مارتنزیتی می توانند با آستنیته کردن، سرد کردن کنترل شده و سپس تمپر به سختی و خواص مکانیکی مورد نظر برسند.

دمای عملیات حرارتی نیز به ترکیب شیمیایی و گرید فولاد بستگی دارد و نمی توان یک محدوده دمایی واحد را برای تمام فولادهای آلیاژی در نظر گرفت.

پس از سختکاری معمولا عملیات تمپر انجام می شود تا تنش های داخلی کاهش یافته و تعادل مناسبی میان سختی و چقرمگی ایجاد شود.

قیمت فولاد آلیاژی

قیمت فولاد آلیاژی به عوامل مختلفی مانند گرید، درصد عناصر آلیاژی، کارخانه تولیدکننده، شکل و ابعاد محصول و شرایط بازار بستگی دارد.

وجود عناصری مانند نیکل، مولیبدن، کروم و وانادیوم می تواند هزینه تولید برخی گریدها را افزایش دهد. علاوه بر این، نرخ مواد اولیه، عرضه و تقاضا، نرخ ارز و هزینه های تولید و حمل نیز بر قیمت نهایی تاثیر دارند.

انواع فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی را می توان بر اساس میزان و نوع عناصر آلیاژی و همچنین ساختار و کاربرد آنها در گروه های مختلف قرار داد.

فولاد کم آلیاژ

فولاد کم آلیاژ دارای مقدار نسبتا محدودی از عناصر آلیاژی است که برای بهبود خواصی مانند استحکام، سختی پذیری، چقرمگی و مقاومت به سایش اضافه می شوند. عناصری مانند کروم، مولیبدن، نیکل و منگنز در بسیاری از این فولادها مورد استفاده قرار می گیرند.

از گریدهای شناخته شده این گروه می توان به برخی فولادهای عملیات حرارتی پذیر مانند MO40 یا 42CrMo4 و فولادهای مشابه اشاره کرد.

CK45 در بسیاری از استانداردها در گروه فولادهای کربنی متوسط قرار می گیرد و بهتر است صرفا به دلیل قابلیت عملیات حرارتی، آن را فولاد آلیاژی معرفی نکنیم.

فولادهای کم آلیاژ در قطعات خودرو، ماشین آلات، شفت ها، چرخ دنده ها، تجهیزات صنعتی، خطوط لوله و قطعات تحت بار کاربرد دارند.

فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا (HSLA)

فولادهای HSLA یا High Strength Low Alloy برای دستیابی به استحکام بالاتر با مقدار نسبتا محدود عناصر آلیاژی طراحی می شوند.

در این فولادها ممکن است از عناصر میکروآلیاژی مانند نیوبیم، وانادیوم و تیتانیوم برای کنترل اندازه دانه و افزایش استحکام استفاده شود.

این فولادها معمولا ترکیبی از استحکام مناسب، وزن کمتر سازه، قابلیت جوشکاری و شکل پذیری قابل قبول را فراهم می کنند.

HSLA در صنایع خودروسازی، ساخت سازه ها، خطوط لوله، ماشین آلات و تجهیزات حمل و نقل کاربرد دارد.

فولاد پر آلیاژ

در فولادهای پر آلیاژ مقدار عناصر آلیاژی نسبت به فولادهای کم آلیاژ بیشتر است. این فولادها برای دستیابی به ویژگی هایی مانند مقاومت به خوردگی، مقاومت حرارتی، سختی یا عملکرد در محیط های خاص طراحی می شوند.

فولادهای زنگ نزن یکی از شناخته شده ترین گروه های فولادهای پر آلیاژ محسوب می شوند.

هزینه تولید این فولادها بسته به میزان عناصر آلیاژی می تواند بیشتر باشد؛ به ویژه در گریدهایی که مقدار قابل توجهی نیکل، مولیبدن یا سایر عناصر گران قیمت دارند.

فولاد زنگ نزن

فولاد زنگ نزن یا Stainless Steel گروهی از فولادهای آلیاژی است که حداقل حدود 10.5 درصد کروم دارند. کروم با تشکیل یک لایه اکسیدی محافظ روی سطح فولاد، مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش می دهد.

بسته به گرید، عناصری مانند نیکل، مولیبدن، منگنز و نیتروژن نیز ممکن است به ترکیب اضافه شوند.

فولادهای زنگ نزن را می توان در چند گروه اصلی تقسیم کرد:

• آستنیتی: دارای شکل پذیری و مقاومت به خوردگی مناسب و پرکاربرد در تجهیزات غذایی، شیمیایی، دارویی و معماری
• فریتی: معمولا دارای کروم بالا و کربن پایین و مورد استفاده در قطعات خودرو و تجهیزات صنعتی
• مارتنزیتی: قابلیت سختکاری حرارتی داشته و در ابزار، کارد و چنگال، قطعات توربین و قطعات مقاوم به سایش کاربرد دارد
• دوبلکس: دارای ساختار ترکیبی فریتی و آستنیتی و مناسب برای محیط هایی است که استحکام و مقاومت به خوردگی همزمان اهمیت دارند

فولاد میکرو آلیاژی

فولادهای میکرو آلیاژی حاوی مقدار کمی از عناصری مانند وانادیوم، نیوبیم یا تیتانیوم هستند. این عناصر حتی در مقادیر کم می توانند با کنترل اندازه دانه و تشکیل رسوبات ریز، استحکام فولاد را افزایش دهند.

بسیاری از فولادهای HSLA از روش میکروآلیاژسازی بهره می برند، اما این دو اصطلاح کاملا مترادف نیستند.

فولادهای میکرو آلیاژی در صنایع خودروسازی، خطوط لوله، سازه های فلزی و قطعاتی که نسبت استحکام به وزن اهمیت دارد کاربرد دارند.

فولاد پیشرفته با استحکام بالا (AHSS)

فولادهای پیشرفته با استحکام بالا یا AHSS گروهی از فولادها هستند که به ویژه در صنعت خودرو مورد استفاده قرار می گیرند.

ساختار میکروسکوپی کنترل شده این فولادها امکان دستیابی همزمان به استحکام بالا و شکل پذیری مناسب را فراهم می کند. به همین دلیل، استفاده از آنها می تواند به کاهش وزن قطعات خودرو بدون کاهش الزامات ایمنی کمک کند.

گریدهای دو فازی، TRIP، پیچیده فازی و برخی فولادهای مارتنزیتی در گروه AHSS قرار می گیرند.

فولاد مارایجینگ

فولاد مارایجینگ نوع خاصی از فولاد آلیاژی با کربن بسیار کم و مقدار قابل توجهی نیکل است. استحکام این فولاد برخلاف فولادهای کربنی پرکربن، عمدتا از طریق رسوب سختی ترکیبات بین فلزی ایجاد می شود.

فولادهای مارایجینگ می توانند ترکیبی از استحکام بسیار بالا، چقرمگی و قابلیت ماشین کاری قبل از عملیات پیرسازی را فراهم کنند.

این فولادها در برخی کاربردهای هوافضا، ابزارسازی، قالب سازی و قطعات مهندسی تحت تنش بالا استفاده می شوند.

فولاد ابزار

فولاد ابزار گروهی از فولادهای کربنی و آلیاژی است که برای ساخت ابزار، قالب و تجهیزات برشی طراحی شده اند.

این فولادها بسته به گرید می توانند دارای سختی بالا، مقاومت به سایش، چقرمگی و مقاومت در برابر نرم شدن در دمای بالا باشند.

فولادهای ابزار در ساخت قالب های سردکار و گرمکار، ابزار برش، پانچ، تیغه و قطعات تحت سایش کاربرد دارند.

کاربردهای فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی به دلیل تنوع زیاد گریدها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند:

مزایا و معایب فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی با توجه به نوع گرید می توانند مزایا و محدودیت های متفاوتی داشته باشند.

مزایا

• امکان دستیابی به استحکام و سختی بالا
• قابلیت تنظیم خواص با عملیات حرارتی
• مقاومت مناسب در برابر سایش در برخی گریدها
• مقاومت به حرارت یا خوردگی در فولادهای مخصوص
• امکان انتخاب گرید متناسب با شرایط کاری قطعه

معایب

• قیمت بالاتر برخی گریدها به دلیل عناصر آلیاژی
• نیاز به کنترل دقیق عملیات حرارتی در بعضی فولادها
• کاهش جوش پذیری یا ماشین کاری در برخی ترکیبات
• نیاز به انتخاب دقیق گرید بر اساس شرایط استفاده

چه ویژگی هایی فولاد آلیاژی را از سایر فولادها متمایز می کند؟

مهم ترین تفاوت فولاد آلیاژی با فولادهای ساده کربنی، امکان کنترل دقیق تر خواص آن از طریق افزودن عناصر آلیاژی و انجام عملیات حرارتی است. بسته به ترکیب شیمیایی می توان فولادی با سختی پذیری بیشتر، استحکام بالاتر، مقاومت به سایش، چقرمگی یا مقاومت در برابر خوردگی تولید کرد.

به همین دلیل، انتخاب فولاد آلیاژی باید بر اساس شرایط واقعی قطعه مانند نوع بارگذاری، دمای کاری، محیط خورنده، عملیات حرارتی و فرآیند ماشین کاری انجام شود. برای بررسی گریدهای مختلف و انتخاب فولاد متناسب با کاربرد نیز می توان مشخصات فنی محصولات موجود در فولاد حامیران را بررسی و با نیاز پروژه مقایسه کرد.