فولاد یکی از پرکاربردترین فلزات در سطح جهانی می باشد. برای مردم فولاد همیشه به منزله شمشیر تیز در دوران گذشته و ستون‌های فلزی در پل‌های شهری امروزی می باشد، اما حقیقت آن است که فولاد نیز خود، یک نوع آلیاژ می باشد. آلیاژی که از ترکیب آهن و کربن ایجاد می شود.
با گذر سال‌ها و پیشرفت تکنولوژی، دانشمندان یافته اند که با تغییر مقدار کربن، در زمان ذوب سنگ آهن، می‌توان به فولادی سخت‌تر و قابل‌انعطاف‌تر دسترسی پیدا کرد. کشف عناصری چون نیکل و کروم و ترکیب با آن با آهن و کربن امکان تولید فولاد زنگ‌نزن را ایجاد می کند. خیلی زود مهندسان مواد متوجه این مسئله شدند که امکان تولید انواع دیگری از فولاد را خوهند داشت که به آن فولاد آلیاژی گفته می شود.
فولاد آلیاژی یکی از انواع فولاد می باشد؛ این نوع از فولاد که با عنوان Alloy Steel شناخته شده است، خانواده بزرگی از تولیدات فولادی را امکان‌پذیر خواهد کرد. در این مقاله درباره این گروه از فلزات مطالبی بیان خواهد شد، در ادامه ی مطلب به کاربرد و نوع ترکیبات مختلف آن نیز اشاره خواهیم کرد.
فولاد آلیاژی شاخه‌ای از فولاد می باشد که علاوه بر کربن با عناصر دیگری ترکیب می شود و نسبت به نوع کربنی، معمولا در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری دارند.
تعریف فولاد آلیاژی
فولاد آلیاژی شاخه‌ای از جنس فولاد می باشد که علاوه بر کربن با عناصر دیگری همانند منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم، سیلسیوم و بور ترکیب می شوند و وزن این عناصر در ترکیب از ۱ تا ۵ درصد متغیر خواهد بود. از عناصری که کمتر رایج می باشند، می‌توان به آلومینیوم، کبالت، مس، سریم، نیوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، قلع، روی، سرب و زیرکونیوم اشاره نمود. محصولات ایجاد شده از این مواد همانند لوله مسی، نیز دارای خاصیت ضد خورندگی نیز هستند.
این مواد اضافه شده به فولاد باعث ایجاد خواص مکانیکی متفاوتی خواهد شد. فولادهای آلیاژ شده معمولا نسبت به فولادهای کربنی در برابر نیروهای مکانیکی و نیز حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند.
در کنار مزایا آلیاژ فولادی، این آلیاژ معایبی نیز دارد که عبارت است از:
- قابلیت جوشکاری ضعیف
- شکل پذیری پایین
- قابلیت تراش کم
این سه عیب موجب می‌شود از آلیاژ فولادی در صنایعی بهره بگیرند که نیاز کمتری به جوشکاری داشته باشد.
انواع مختلف فولاد آلیاژی
همانطور که اشاره شد، فولادهای آلیاژی نوع دیگری از طبقه‌بندی فولادها می باشد که بر اساس مقدار عناصر در ترکیب شیمیایی فولاد انجام می گیرد. فولادهای آلیاژی ارزان‌تر از دیگر فولادها تولید شده هستند و بسته به درصد عناصر به دو گروه زیر تقسیم بندی می شوند.
- فولاد های کم آلیاژ
- فولادهای با آلیاژ بالا
هدف از آلیاژ فولادی وجود مواد اولیه‌ای می باشد، که در برابر خوردگی و نیروهای مکانیکی مقاومت بیشتری خواهد داشت. در این نوع از فولاد عناصری مانند آلومینیوم، مس، سیلیسیوم، نیکل و همچنین کروم به کربن و نیز آهن اضافه می شود.
هر کدام از این عناصر موجب یک ترکیب ویژه و یک کاربرد خاص می شود. به طور مثال وجود سیلیسیم در ترکیب فولاد باعث تشکیل فولادهای تریپ خواهد شد. فولاد تریپ در صنایع اتومیبل سازی کاربرد بالایی دارد.
وجود تنگستن و کبالت باعث خواهد شد که فولاد آلیاژی در گروه فولاد ابزار نیز مورد استفاده قرار گیرد. ترکیب آهن و کربن با آلومینیوم باعث تشکیل فولاد ساختمانی می شود که به عنوان مصالح ساختمانی از آن استفاده خواهد شد. به این ترتیب عناصر مختلف باعث تولید شکل خاصی از فولاد می شوند. همانطور که قبل‌تر نیز عنوان شد فولاد آلیاژی را به دو گروه مختلف تقسیم می‌کنند که با این دو گروه آشنا خواهیم شد.
فولاد از نوع کم آلیاژ
فولادهای کم‌آلیاژ همانند فولادهای کم‌کربن دارای ساختار فریتی می باشند و گرید آستنیتی آن‌ها از محتوای آلیاژی کمی برخوردار است. ریزساختار این نوع از فولاد کاملا متنوع می باشد و محدود به فریت نخواهد بود. فولادهای کم‌آلیاژ با افزودن کروم، مولیبدون و در بعضی موارد نیکل از دیگر فولادهای آلیاژی متمایز می‌باشند. این عناصر در غلظت‌های خیلی کم به فولاد اضافه خواهند شد که مقدار آن از 5 درصد گفته شده، کمتر می باشد. فولادهای کم‌آلیاژ به گروه‌های زیر تقسیم بندی می شوند.
1-فولادهای کم آلیاژ با استحکام بالا
High Strength Low Alloy که به عنوان فولاد HSLA نیز شناخته شده است، در زبان فارسی به فولاد کم‌آلیاژ پر استحکام معروف است. این نوع از با فولاد دارای آلیاژهای وانادیوم، کلمبیم و تیتانیوم می باشد و با توجه به استحکام بالای این فولاد، تولید قطعات ظریف که نیاز به استحکام بالا دارد، با این فولاد انجام می پذیرد،
2-فولادهای کم آلیاژ کروم_مولیبدن
این سری از فولاد کم‌آلیاژ دارای مقدار کروم 0.5 تا نه درصد و همچنین مولیبدن نیز 0.5 تا یک درصد می باشد. محتوای کم‌کربن در این آلیاژ باعث بالا رفتن قابلیت جوشکاری و نیز سخت‌کار شدن فولاد کروم مولیبدن خواهد شد. همچنین مقدار بیشتر مولیبدن در این آلیاژ ، مقاومت در برابر کشش را بالا می برد.
سال‌های بسیار زیادی است که در صنعت فولاد از عنصر Mo برای تولید فولاد مقاوم در برابر خزش استفاده می شود که باعث تحمل دمایی فولاد تا ۵۳۰ درجه خواهد شد. همچنین مولیبدن از تشکیل کاربیدها در دمای بسیار بالا جلوگیری خواهد کرد. وجود همین دو ویژگی، تناسب دمای بالا و مقاومت در برابر خزش باعث می شود که از فولاد مولیبدن در ساخت نیروگاه‌های حرارتی و پتروشیمی استفاده نمایند.
ترکیب مولیبدن با کروم و بعد از آن تولید فولاد کروملی یک ویژگی خاص به این فولاد می دهد که در دیگر فولادها کمتر دیده می شود. فولاد کم‌آلیاژ کروم_مولیبدن دارای مقاومت بسیار زیاد در برابر خوردگی می باشد. کروم باعث می شود که فولاد نفوذناپذیری بسیار بالایی پیدا کند که باعث مقاومت در برابر خوردگی و همچنین خوردگی در برابر گوگرد گردد.
مقاومت در برابر خوردگی CrMo این موضوع را نشان می دهد، که این آلیاژ کربن موجود در فولاد توان مقابله با خوردگی را ندارد و پیشنهاد می شود. در مراکز خاص مثل نیروگاه‌های حرارتی با دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و یا در پالایشگاه‌های پتروشیمی از آن بهره گرفت. از آنجا که در گروه کرومولی تعداد آلیاژها بسیار زیاد می باشد، تنها یک نمونه از آلیاژهای این خانواده را بررسی خواهیم کرد.
Mo40
این فولاد کم‌آلیاژ مولیبدن کرومی، در استاندارد AISI با شماره Steel 4140 می باشد، این فولاد دارای خواص فوق‌العاده‌ای در برابر نیروی مکانیکی است و مقاومت بسیار خوبی در برابر تنش‌ها دارد. برای همین در ساخت تیر، ستون و چرخ‌دنده مورد استفاده قرار می گیرند.
وجود کروم در این فولاد موجب شده تا سرد شدن در دمای اتاق انجام پذیرد و نیاز به روغن نباشد، که مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد. مقاومت در برابر سایش و همچنین برش نیز به دلیل وجود حداکثری کروم در ترکیب آلیاژ است.
ماکزیمم عنصر سیلیسیم در ترکیب باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی را بوجود می آورد و ماکزیمم مقدار منگنز باعث افزایش مقاومت در برابر سایش خواهد شد.
یکی از بیشترین استفاده‌های فولاد کم‌آلیاژ Mo40 در ساخت و تولید میلگرد در قطر ۱۰mm تا ۱۰۰۰mm می باشد. از دیگر کاربردهای این فولاد استفاده در نیروگاه‌های حرارتی که دمای بالای ۵۸۰ درجه سانتی‌گراد می باشد. ساخت تیر، سنگ شکن‌های معدنی، میله اتصال، غلتک‌های مورد نیاز صنایع سیمان و همچنین فولاد از دیگر کاربردهای این فولاد آلیاژی می باشد.
3-فولادهای نیکل_مولیبدن
نوع دیگری از فولاد کم‌آلیاژ فولاد نیکل_مولیبدن می باشد که این فولاد در دمای پایین مقاومت بیشتری از خود نشان خواهد داد، اما چقرمگی و شکنندگی بالایی نیز دارد. برای این که فولادی داشته باشیم که در دمای پایین مقاومت خوبی داشته باشد، نیاز است که مقدار نیکل را از 2 درصد به 5/3 درصد در ترکیب وزنی افزایش داده و بالا ببرند.
در استاندارد ASTM این نوع از فولاد با سری FL نمایش داده خواهد شد. برای درک بیشتر از ترکیب شیمیایی و همچنین خواص مکانیکی این فولاد در ادامه مطلب، مشخصات چند آلیاژ پرکاربرد را بیان خواهیم کرد.
کاربرد این نوع از آلیاژ در بسته‌بندی‌های مواد دارویی و نیز مواد کشاورزی خاص می باشد. این نوع از آلیاژ به صورت پودر فروخته می شود و کمتر به شکل ورق در بازار یافت می شود.
4-فولاد هوازده
اصولا دو روش برای جلوگیری از زنگ‌زدگی در فولاد بکار می رود. یکی استفاده از پوشش‌های زنگ‌نزن همانند رنگ، آبکاری، پوشش سرامیکی و هر نوع ماده ضدخوردگی که از خوردگی جلوگیری کند.
روش دیگر استفاده از عناصر ضدخوردگی همانند کروم، نیکل، فسفر و مس می باشد. استفاده از این عناصر با مقدار کربن متوسط توانایی این را دارد که مقاومت در برابر خوردگی را افزایش دهد و فولاد را برای سالیان سال به فولاد زنگ‌نزن تبدیل نماید.
این نوع از فولاد یک ویژگی خاص داشته و آن زنگ‌زدگی می باشد که خود تبدیل به یک لایه زنگ‌نزن می‌شود. قرارگیری فولاد در برابر هوا موجب تبدیل یک لایه اکسید‌آهن و همچنین تغییر رنگ خواهد شد که این اکسیداسیون خود به لایه درونی فولاد تبدیل خواهد شد و از خوردگی جلوگیری می کند دو فولاد ASTM A242 و ASTM A588 از جمله فولادهای هوازده می باشند که در ستون‌های ساختمانی از آن بهره می گیرند.
فولادهای پرآلیاژ
فولادهای پرآلیاژ به طور وسیعی برای مقاومت در برابر خوردگی و همچنین در محیط‌های آبی و در محیط‌هایی که از گاز و مایعات با دمای بالای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد استفاده خواهد شد. این آلیاژهای فولادی در ترکیب ساختمانی خود بیش از ۸ درصد دیگر عناصر را دارد و همین موجب تغییرات مکانیکی در آن‌ها خواهد شد.
خصوصیات مکانیکی این گریدها با عملیات حرارتی تفاوت دارد. البته در گریدهایی که آلیاژ نیکل و کروم بیشتر از ۲۰ و ۳۰ درصد می باشد، تغییر خصوصیت مکانیکی به عملیات حرارتی بستگی نخواهد داشت و بسته به ترکیب و مقدار عناصر خصوصیات مکانیکی آن‌ها متفاوت می باشد.
برای این که فولاد پرآلیاژ شناسایی گردد، باید به این نکته توجه داشته باشید که میزان عناصر در ساختار فولاد بیش از ۸ درصد خواهد بود. یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین نوع فولاد پرآلیاژ فولاد زنگ‌نزن می باشد که شامل فولادهای کرومدار نیز است.
5-فولادهای آلیاژی از نوع کرومدار
وجود بیش از 13 درصد کروم در ترکیب فولاد موجب ضد زنگ شدن فولاد خواهد شد. فولاد کرومدار با مقدار بالا مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نسبت آلیاژ فولاد کربن ساده می باشد. مجموع مقدار کروم و نیکل در این نوع فولاد باید بیشتر از ۲۰ درصد شود. از جمله فولادهای پرکاربرد این گروه فولاد آلیاژی ۳۱۶ می باشد. از این فولاد در مخازن شیمیایی و همچنین تولید لوله جهت سیستم‌های لوله‌کشی استفاده خواهد شد.
یکی دیگر از آلیاژهای پرکاربرد در گروه آلیاژ کرومدار، فولاد SPK می باشد. برای آشنایی بیشتر شما با این آلیاژ پرکاربرد توضیحات بیشتری بیان می کنیم.
فولادهای SPK
این فولاد آلیاژی به 2080 Steel معروف می باشد و آن را با نماد X210Cr12 نشان می دهند. به دلیل حجم بالای کاربیدهای سخت‌شونده در ماتریس فولاد، مقاومت ابعادی، فشاری و همچنین پایداری بسیار بالا خواهد بود. ضمن اینکه به دلیل وجود کروم بالا، 12 درصد، مقاومت در برابر سایش این فولاد نیز بسیار بالا است.
روش تولید این نوع فولاد به سه روش کوره بلند، کوره باز و احیای مستقیم می باشد. فولادهای آلیاژی SPK به سه گروه، نوع O (سخت‌شونده در روغن)، نوع A (سخت‌شونده در هوا) و همچنین نوع D که پرکاربردترین نوع فولاد می باشد و کروم و مقدار زیادی کربن در آن یافت می شود، تقسیم بندی می شود.
در صورتی که در ترکیب این آلیاژ از وانادیم، نیکل، مولیبدون، تنگستن استفاده خواهد شد، فولاد آموتیت به دست می آید. آموتیت علاوه بر ویژگی‌های فولاد SPK، دارای ویژگی‌های مخصوص به خود نیز بوده که از جمله این ویژگی ها ضدسایش بودن آن مهم‌ترین ویژگی می باشد. فولاد آموتیت دارای درصد کمتری از کروم و کربن خواهد بود.
کاربرد فولادهای SPK
- تجهیزات خان‌کشی (broaching)
- قالب پانج و نیز پولک زنی
- توانایی شکلدهی سرد فلزات
- قالب کشش سرد و همچنین گرم
- ساخت تیغه های برش
- قالب شکل دهی به سرامیک
- دارای خط تولید پروفیل
تفاوت فولاد آلیاژی با غیرآلیاژی
در گروه‌بندی بزرگ‌تر فولادها یعنی در مرحله اول درختی دو نوع فولاد آلیاژی و فولاد غیرآلیاژی قرار می گیرند. این دو نوع فولاد در موارد زیر با هم متفاوت هستند.
- گستره کاربری فولاد آلیاژی بسیار بیشتر از فولاد غیرآلیاژی می باشد. فولادهای آلیاژی از آشپزخانه‌ها تا شاتل‌های فضایی امکان کاربری خواهند داشت؛ اما فولاد غیرآلیاژی کاربری محدودی دارد و بیشتر در صنعت ساختمان‌سازی از آن بهره می گیرند.
- فولاد آلیاژی تنوع بسیار زیادی دارد و امکان تولید جدید با ترکیب های نو را دارد؛ اما در فولاد غیرآلیاژی دست مهندسین مواد بسته می باشد و تنها با کم و زیاد کردن کربن امکان تولید فولاد را خواهند داشت.
- فولاد آلیاژی از وارد نمودن عناصر به ترکیب فولاد در زمان ذوب بوجود می آید. اما فولاد غیرآلیاژی تنها با ترکیب کربن و آهن ایجاد خواهد شد. در فولاد آلیاژی مقدار کربن بسیار ناچیز می باشد. درحالیکه در فولاد غیرآلیاژی مقدار کربن حداقل ۲۰ درصد در نظر گرفته می شود.
- فولاد آلیاژی خاصیت مقاومت به خوردگی در آن وجود دارد، اما فولاد غیرآلیاژی به راحتی با اکسیژن ترکیب می شود و ایجاد اکسید آهن خواهد کرد.
- نوع پیشرفته تر فولاد آلیاژی، فولاد سوپرآلیاژی می باشد. فولادهای سوپرآلیاژی در برابر بیش از یک سوم حرارت نقطه ذوب خود مقاوم می باشند. این نوع از سوپر آلیاژها برای ساخت توربینهای حرارتی ساخته خواهند شد. در حالیکه در فولاد غیرآلیاژی تولید سوپرآلیاژ امکان پذیر نیست.