۴-۲-۱- انواع فولاد ها

فولادها را بر اساس مقدار مواد آلیاژی، می توان به ۲ گروه اصلی و مهم زیر تقسیم نمود:

– فولادهای کربنی

فولادهای کربنی، به آن دسته از فولادها گفته میشود که کربن، اصلی ترین عنصر آلیاژی آن بوده و عناصری مانند منگنز، سیلسیم و آلومینیوم، به میزان کم در آن حضور داشته و فقط به منظور اکسیژن زدایی به آن اضافه می شود.

کربن، نقش اساسی را در افزایش استحکام فولادها ایفا می کند و این استحکام، تا حد زیادی به میزان کرین موجود در آلیاژ بستگی دارد.

فولادهای کربنی را، به سه دسته تقسیم می کنند:

میزان کربن پایین تر از  ۲/۰

میزان کرین بین ۲/۰ و ۵/۰ درصد

میزان کرین بیش از ۵/۰ درصد

فولادهای کربنی، کاربرد وسیعی در صنعت داشته و معمولا در حالت آنیل با نرمالیزه به کار می روند؛ ولی در موارد خاص، در حالت سخت کاری و تمپر شده نیز، مورد استفاده قرار می گیرند.

همچنین فولادهای کم کربن، به دلیل خواص هدایت مغناطیسی، کاربرد زیادی در صنعت بر دارند.

در فولادهایی که به منظور دستیابی به سختی سطحی، تحت عملیات سمانتاسیون قرار می گیرند، به علت ایجاد گرادیان غلظتی از فولادهای کم کربن استفاده می شود

الف) تاثیر عناصر آلیاژی

عناصر آلیاژی، تأثیرات متفاوتی در فولادها ایجاد می کنند که در فولادهای کربنی، به شرح زیر است:

• کربن:

در فولادهای کربنی، ممکن است از چند صدم درصد تا نزدیک به ۲ کند. افزایش میزان کربن، باعث بالا رفتن خواص سختی و استحکام فولاد میگیرد مقدار پرلیت را در ساختار میکروسکوپی افزایش می دهد؛ تا جایی که در ۸ ، کربن ساختار زمینه، کاملا پرلیتی خواهد شد. کربن، نقشی اساسی در فولادها داشته و آبکاری آنها را ممکن می سازد. در واقع فولاد کمتر از ۲/ . کربن، عملا آبکاری نشده و بیش از این مقدار تا حدود ۱ / ۲٪، سختی فولاد پس از آبکاری، به سرعت زیاد شده و از این حد به بعد، سختی فولاد افزایش نیافته و خصوصیات چکش خواری خود را از دست می دهد.

• منگنز:

این عنصر، خاصیت اکسیژن زدایی خوبی دارد. اصولا میزان منگنز در فولاد کربنی، بین ۸/۰ تا ۵/۰ درصد می باشد. منگنز به راحتی با گوگرد موجود در مذاب ترکیب شده، سولفید منگنز تشکیل می دهد و از ترکیب گوگرد با آهن جلوگیری می نماید. به طور کلی، بالا بردن مقدار منگنز، درشت شدن دانه های فولاد را به همراه خواهد داشت، و در حضور این عنصر، عملیات آهنگری راحت تر انجام می گیرد. منگنز، مقاومت و سختی را بالا برده، فولاد را برای آبکاری آماده تر می نماید و اضافه آن، فولاد را شکننده تر می کند.

• گوگرد:

گوگرد در فولاد، به عنوان یک ناخالصی محسوب می شود. این عنصر، با آهن یک ترکیب اتکتیکی با نقطه ذوب پایین به نام «سولفید آهنه می دهد. این ترکیب در مرز دانه های فولاد نشسته و با توجه به نقطه ذوب پایین، در حین عملیات حرارتی، ذوب شده و باعث گسیختگی و ترک می گردد.

وجود منگنز در فولاد، به علت میل ترکیبی بیشتر آن با گوگرد نسبت به آهن، باعث تشکیل ترکیب Mns مسی گردد. Mns دارای نقطه ذوب بالاتری نسبت به Fes است (c”1610) و به همین دلیل، در اثر حضور منگنز، مساله گسیختگی و ترک به حداقل ممکن می رسد.

عناصری مانند Ti ، Cr ،Zr و Be  اثرات مضر گوگرد را کاهش داده، ولی عناصری چون Mo ، Co و Ni این اثرات، را تشدید می کنند. آخال های گوگرد، اثرات بسیار مضری داشته و قابلیت جوشکاری و مقاومت در برابر خوردگی را نیز کاهش می دهد. به همین دلیل، مقدار گوگرد در فولاد باید بسیار کم و محدود باشد. بسته به نوع فولاد، درصد گوگرد از ۰۶/۰ – ۰۴/۰ به روز بوده و در فرآیند جوشکاری تا حد ۰۲/۰ کاهش می یابد؛ که از این مولوده، نباید تجاوز کند. کاهش مقدار گوگرد، باعث افزایش مقاومت به ضربه فولاد می گردد.

• فسفر:

فسفر، در آهن a و Y حل شده و تشکیل فسفید آهن Fe3pو فاز Fe2p را می دهند. فسفر در آهن، به شدت احد الاستیک و حد گسیختگی را بالا برده و قابلیت پلاستیسیته را به طور قابل توجهی کاهش می دهد .  کاهش شکل پذیری در فولاد در اثر وجود فسفر، خود به مقدار کربن موجود در فولاد بستگی دارد و هر چه مقدار آن بیشتر باشد، اثر فسفر روی کاهش خاصیت پلاستیسیته بیشتر است. برای بیشتر فولادها، فسفر یک ناخالصی محسوب می گردد و مقدار درصد آن بسته به مرغوبیت فولاد، نباید از۰۵/۵ -۰۰۲۵/۰ تجاوز کند.

ب) کاربرد فولادهای کربنی ساده

کاربرد فولادهای کربنی ساده را، در سه گروه کم کربن، کرین متوسط و پر کرین مورد بررسی قرار می دهند.

گروه اول که فولادهای ساده کم کرین هستند، برای عموم قطعات مهندسی، ساختمان کشتی ها و راه آهن به کار می روند. این فولادها از خواص مغناطیسی بالا و قابلیت جوشکاری خوبی برخوردار بوده، و در مواردی که قطعات، تحت عملیات سختی سطحی قرار می گیرند کاربرد خوبی دارند.

– فولادهای کم آلیاژ

فولادهای کم آلیاژ را، می توان فولادهایی کربنی در نظر گرفت که برای بهبود خواص ویژه، عناصری به آنها اضافه می گردد. در صد عناصر آلیاژی برای فولادهای کہ عموما از ۵ تجاوز نمی کند. کرین، مهم ترین عنصر در فولادهای کربنی و آلیاژی ام سختی فولاد، با میزان کربن تعیین می شود. افزایش عناصر آلیاژی در فولاد، خواصی به دنبال خواهد داشت:

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

الف) مقاومت در برابر خوردگی فولادهای ریختگی کم آلیاژ

فولادهای ریختگی کم آلیاژ، اغلب به عنوان ماده مقاوم در برابر خوردگی در نظر گرفته نشده، و ترکیب شیمیایی آنها به طوری انتخاب می شود که به این مساله، اهمیت ویژه ای ندهند، به هر حال برخی از فولادهای کم آلیاژ، دارای مقاومت به خوردگی بیشتری نسبت به سایر فولادهای این خانواده هستند. به عنوان مثال، وجود مس، حتی در حد ۰۵/۰ می تواند مقاومت در مقابل خوردگی این آلیاژها را به میزان زیادی افزایش دهد. وجود عناصر نیکل، کرم، فسفر و مولیبدن در محدوده های مورد استفاده در فولادهای کم آلیاژ، در برخی از محیط ها، مقاومت در مقابل خوردگی را افزایش می دهد. در هر حال، هنگام حضور این عناصر، باید مس در حداقل میزان ممکن نگه داری شود.

ب) 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 خیزش به کار گرفته می شوند. در واقع حضور مولیبدن به میزان۵/۰، سرعت خیزش را در ۶۰۰ درجه سانتی گراد ۱۰۰۰ برابر کاهش می دهد. کرم تا حد ۲۵/۲ %سرعت خیزش را کاهش و از این حد به بالا مقاومت در مقابل خیزش را کم می کند. عناصر دیگر مانند وانادیم، تیتانیم و نیوپیوم نیز، در افزایش مقاومت در مقابل خیزش فولادهای کم آلیاژ، موثرند.

• فولادهای ۵/۱% منگنز

میزان منگنز، بیش از حد مورد نیاز برای اکسیژن زدایی با گوگردزدایی باشد، به عنصر آلیاژی به شمار می آید. فولادهای حاوی ۳۳/۰ – ۱۸/۰ درصد کربن و ۶/۱ – ۲/۱ درصد منگنز، از خواص بسیار خوبی برخوردار بوده و به عنوان یک فولاد آلیاژی نسینا ارزان قیمت، کاربردهای فراوان دارد. این فولادها به صورت آنیل شده مورد استفاده قرار نمی گیرنده تمپر کردن این فولادها باعث افزایش چقرمگی و استحکام ضربه ای و در عین حال کاهش تنش تسلیم و استحکام کششی آنها می گردد؛ ولی به کمک عملیات حرارتی ترمال یا تمپر کردن، می توان به خواص نسبتا بالایی دست یافت. فولادهای این گروه، از سختی پذیری نسبتا کمی برخوردار بوده و برای بهبود خواص مکانیکی، کوئینچ کردن آنها در یک مایع، ضروری می باشد.

این نوع فولادها، در ساخت قطعات مقاوم به سایش از قبیل تجهیزات مربوط به خاکبرداری و حفر معدن مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهای دیگر این فولادها، در ساخت قطعات راه آهن، چرخ ماشین های سنگین، چهار چرخهها، تجهیزات دستگاه هایی که با سیستم بادی عمل می کنند، و به طور کلی، در بخش هایی از دستگاه ها و ماشین هایی است که در معرض تکان های مداوم هستند.

• فولاد منگنز – مولیبدن

فولادهای منگنز – مولیبدن در میان فولادهای کم آلیاژ، کاربرد زیادی دارند. این فولادها، علاوه بر داشتن خصوصیات فولادهای ۱/ ۵٪ منگنز، به دلیل حضور مولیبدن، از سختی پذیری بالاتری برخوردار بوده و همچنین دارای استحکام تسلیم بیشتر در درجه حرارت بالا، نداشتن حساسیت به شکستگی در اثر تمبر و بالاتر بودن نسبت استحکام تسلیم به استحکام کششی در دمای اتاق هستند. این فولادها، در مواردی که سختی پذیری با مورد نیاز باشد، کاربرد فراوانی دارند.

کاربرد این فولادها، در ساخت قطعات راه آهن، ماشین آلات کشاورزی، معدن و خرد کننده ها بوده، و برای ساخت تجهیزات حمل مواد، چرخ دنده ها و چرخهای حلزونی شکل نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

معمولا این فولادها را پس از نرمال و تمپر کردن به کار می برند، ولی در صورت نیاز به سختی بالاتر، آنها را در روغن کوئینچ می کنند.

• فولاد منگنز – کرم – مولیبدن

این فولادها، قابلیت سختی پذیری بالایی داشته و در صورت نیاز به استحکام بالا با مقاومت به سایش خوب (یا هر دو) کاربردهای فراوانی دارند. ضخامت تا ۱۴۰ میلی متر را می توان به وسیله انجام عملیات حرارتی کوئینچ – تمپر، کاملا مارتنزیتی کرد. قطعات با ضخامت کمتر از ۵۰ میلی متر را در روغن و قطعات ضخیم تر را در آب کوئینچ می کند.

در مواردی که چقرمگی بالاتری مد نظر باشد، افزایش نیکل به میزان ۷/۰ -۵/۰ % به ترکیب فوق، توصیه می شود.

کاربرد این فولادها در ساخت تجهیزات راهسازی، معدن و صنایع سیمان می باشد. این آلیاژ در صنایع سیمان، برای ساخت آستر آسیاب مواد خام مورد استفاده قرار می گیرد.

• فولاد حاوی ۲۵/۱٪ کرم و ۵/۰ ٪ مولیبدن

این فولاد، در مقایسه با فولادهای کربنی۵/۰ مولیبدن، در دماهای بالاتری مورد استفاده قرار گرفته و مقاومت به خوردگی بهتری را از خود نشان می دهد.

این فولاد، به دلیل مقاومت در برابر هیدروژن، در صنایع پتروشیمی و دستگاه های گوگرد زدایی کاربرد بسیار زیادی دارد. همچنین در دمای بالا (حداکثر تا ۵۱۰ درجه سانتی گراد) و در مواردی که قطعات تحت تنش قرار می گیرند، کاربرد مناسبی داشته و در قطعاتی از قبیل سوپاپ ها، محفظه های احتراق، توربین های بخار، مخازن بخار و غیره نیز به کار می روند.

• فولاد حاوی ۲۵/۲٪ کرم و ۱% مولیبدن

در مواردی که قطعات، در دمای بالا تحت تنش قرار می گیرند، این فولادها نسبت به فولادهای ۲۵/۱ % کرم و ۵/۰ % مولیبدن کاربرد بهتری دارند.

پایداری این فولادها، حداکثر تا دمای ۵۶۵ درجه سانتی گراد است که نه فولادهای ۲۵/۱ % کرم و ۵/۰% مولیبدن، از دمای کاربردی بالاتر برخوردار بود صورتی که مقاومت در برابر خوردگی و خیزش در درجه حرارت های بالا مدنظر با استفاده از این فولادها مناسب خواهد بود. در ساخت توربین ها با حرارت های نو سرپوش محفظه های احتراق، سوپاپ های توربین و غیره، از این فولادها استفاده می شود.

• فولادهای حاوی ۵% کرم و ۵/۰ ٪ مولیبدن

فولادهای آلیاژی این گروه، از استحکام کششی زیادی در دمای محیط و دمای بالا برخوردار بوده و در مقایسه با فولادهایی که درصد کرم کمتری دارند، کیفیت بالاتری داشته و به ویژه از مقاومت به خیزش و مقاومت در مقابل خوردگی بالایی نیز برخوردار می باشند.

این فولادها، به دلیل عناصر آلیاژی موجود در آن (کرم و مولیبدن)، تا دمای ۵۵۰ درجه سانتی گراد در محیطهای گوگرددار مقاومت خوبی از خود نشان داده، و تقریبا به طور وسیعی در صنایع پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرند. این فولاد، در برابر اکسیداسیون نیز مقاوت خوبی داشته و در برخی قطعات که در دمای بالا به کار برده می شوند، از قبیل سوپاپ ها، پمپ ها و غیره، به خوبی به کار می رود.

• فولادهای نیکلی

فولادهای نیکلی، از قدیمی ترین فولادهای آلیاژی به حساب می آیند. استحکام بالا، انعطاف پذیری خوب و مقاومت به شکست عالی، از ویژگی های این فولادها است. در میان خواص خوب این فولاد، مقاومت به شکست در دمای پایین تر از صفر درجه از اهمیت ویژه ای برخوردار است، به همین دلیل، این فولادها را تا دمای ۶۰ – درجه سانتی گراد نیز می توان مورد استفاده قرار داد.

• فولاد ۵/۳ % نیکل

فولاد  ۵/۳% نیکل، در دمای کمتر از صفر درجه، از استحکام ضربه ای نسبتا خوبی برخوردار بوده و به خصوص در دماهای کمتر از ۶۰- درجه سانتی گراد نیز به راحتی مورد استفاده قرار می گیرد.

این فولادها در ساخت سوپاپ ها، دیگ های تحت فشار، در پوش ها و به طور کلی در صنایع شیمیایی (در دمای پایین)، نفت و حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرند.

• فولاد کرم – نیکل – مولیبدن

افزودن نیکل به فولادهای حاوی کرم – مولیبدن، علاوه بر افزایش قابلیت سختی پذیری، چقرمگی آنها را نیز بعد از تمپر کردن بهبود می بخشند؛ به این ترتیب نیکل، باعث افزایش استحکام و چقرمگی این فولاد خواهد شد. این خانواده، یکی از پرکاربردترین خانواده فولادهای کم آلباز بوده و به خاطر داشتن سختی پذیری بالا، برای تولید قطعات بزرگ با ضخامت زیاد مورد استفاده قرار می گیرند. این فولادها، در اثر تمیز کردن، مقاومت خوبی در برابر تردی داشته و ضمن داشتن استحکام بالا، این استحکام را در درجه حرارت بالا نیز حفظ می کنند.

به دلیل تناسب خوبی که بین خواص چقرمگی و سختی این نوع فولادها وجود دارد، در مواردی که قطعات، تحت سایش و نیروهای دینامیکی قرار می گیرند، کاربرد خوبی داشته و بطور کلی، در ساخت قطعات ماشین ها، چرخ دنده ها، ناخنک های حفاری، آستر سنگ شکن ها و آسیاب ها، و کفشک ماشین های سنگین به کار برده می شوند.