آشنایی با آلیاژ فولاد کربنی و انواع آن

 فولاد کربنی

کربن به اشکال مختلفی وجود دارد و استفاده‌های مختلفی از آن می‌شود. گرافیت، الماس و گاز کربن دی اکسید، تعدادی از مواردی هستند که این عنصر از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده‌ آن‌ها است.

پس از اینکه کاربردهای مختلفی از کربن شناخته شد، رفته‌رفته صنعتگران آن را وارد صنایع مختلفی کردند، تا از مزایای آن استفاده کنند. با پیشرفت صنعت و گسترش استفاده از آهن، نیازهای جدیدی پیدا شد. گاهی اوقات افراد نیاز داشتند تا قطعه‌ای سخت‌تر از آهن در اختیار داشته باشند. اما چون وجود نداشت، با مشکل مواجه می‌شدند. پس از سال‌ها ترکیبی از آهن و کربن، آلیاژی به نام فولاد را ساخت. البته عناصر دیگری هم در تولید فولاد نقش دارند، اما نقش اصلی مربوط به دو عنصری است که نام برده شد.

فولاد کربنی چیست؟

درصد کربن موجود در آلیاژ فولاد متغیر است، اما اگر از حداکثر مقدار درصد آن استفاده شود، فولاد کربنی به وجود خواهد آمد. این نوع فولاد در حال حاضر به گروه مهمی در صنعت تبدیل شده است. فولاد کربنی در واقع معرف طیف گسترده‌ای از فولادها است که کربن به عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن شناخته می‌شود. در فولادهای کربنی، عناصر دیگری هم وجود دارند، اما کربن و آهن به عنوان عناصر پایه این آلیاژ شناخته می‌شوند. خواص فولاد به مقدار کربن موجود در آن وابستگی زیادی دارد.

انواع فولاد کربن

به طور معمول، سه نوع فولاد کربنی شامل فولاد کم کربن(محتوای کربن کمتر از ۰.۳%) فولاد کربن متوسط (محتوای کربن ۰.۳% – ۰.۶۰٪) فولاد پرکربن (محتوای کربن بیشتر از ۰.۶۰٪) وجود دارند.

۱. فولاد کم کربن

فولاد کم کربن، با نسبت کربن کمتر مشخص می‌شود. هزینه تولید آین فولاد نسبت به فولاد پرکربن پایینتر است. علاوه بر هزینه کم، انعطاف‌پذیری بیشتری دارد که ممکن است کارایی آن را برای کاربردهای خاص بهبود بخشد و در عین حال کارایی آن را برای سایر کاربردها کاهش دهد.

از آنجایی که ساختار فولاد کم کربن دارای استحکام، سختی کم، انعطاف‌پذیری و سفتی خوبی است، شکل‌پذیری سرد خوبی دارد. شکل‌دهی سرد را می‌توان با روش‌هایی مانند چین، خمش یا پرس انجام داد. فولاد کم کربن با محتوای کربن بسیار کم، دارای سختی کم و ماشینکاری ضعیف است و عملیات عادی‌سازی آن می‌تواند ماشین کاری را بهبود بخشد.
عملکرد جوش فولاد عمدتا به ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد. تاثیرگذارترین عنصر آن کربن است، به این معنی که مقدار کربن فلز می‌تواند جوش‌پذیری آن را تعیین کند. به طور کلی، جوشکاری فولاد کم کربن خوب است و به فرآیندهای خاصی نیاز ندارد.

کاربرد فولاد کم کربن

فولاد کم کربن معمولا قبل از استفاده تحت عملیات حرارتی قرار نمی‌گیرد. عموما برای ساخت اجزای مختلف ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های کوره و ماشین‌آلات کشاورزی، لوله فولادی قیمت مناسب، نوار فولادی یا ورق فولادی نورد استفاده می‌شود. فولاد کم کربن با کیفیت بالا در یک صفحه نازک نورد می‌شود تا در محصولاتی مانند کابین خودرو و روکش موتور به کار برود. همچنین برای تولید قطعات مکانیکی که به استحکام پایین نیاز دارند، نورد می‌شود.

۲. فولاد کربن متوسط

فولاد کربن متوسط عملکرد پردازش حرارتی و برش خوبی دارد، اما عملکرد جوشکاری آن ضعیف است. بنابراین قبل از جوشکاری به پیش گرمایش نیاز دارد. استحکام و سختی آن بالاتر از فولاد کم کربن است و انعطاف‌پذیری و سفتی کمتری دارد. مواد نورد سرد را می‌توان مستقیما بدون عملیات حرارتی استفاده کرد و همچنین می‌تواند پس از عملیات حرارتی به کار گرفته شود.

فولاد با کربن متوسط در حین جوشکاری تمایل به تَرک سرد دارد. هر چه مقدار کربن بیشتر باشد، تمایل به سخت شدن ناحیه متاثر از گرما بیشتر است، همچنین تمایل به ترک سرد بیشتر و جوش‌پذیری آن بدتر می‌شود.

با افزایش مقدار کربن فلز پایه، محتوای کربن فلز جوش نیز بر همین اساس افزایش خواهد یافت. همراه با اثر نامطلوب گوگرد، ایجاد ترک‌های داغ در جوش آسان است. بنابراین در جوشکاری فولاد کربن متوسط، باید از الکترودهای قلیایی مقاوم در برابر ترک، استفاده کرد و اقدامات پیش گرمایشی و پس گرمایشی برای کاهش تمایل به ایجاد ترک را انجام داد.

کاربرد فولاد کربن متوسط

از این فولاد عمدتا برای ساخت قطعات متحرک با استحکام بالا استفاده می‌شود. برخی از این‌ها عبارتند از: کمپرسورهای هوا، پیستون‌های پمپ، پروانه‌های توربین بخار، چرخ دنده‌ها و قطعات سایش سطحی، میل لنگ، دوک‌های ماشین ابزار، غلتک‌ها، ابزارهای نیمکت، انواع پنجره ساختمانی و … .

۳. فولاد پرکربن

فولاد پرکربن بالاترین نسبت کربن را دارد. با وجود محتوای کربن بالا، فولاد قوی‌تر و سخت‌تر است. اما انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به فولاد کم کربن دارد. توجه به این نکته مهم است که همه انواع فولاد کربنی از کربن و آهن تشکیل شده‌اند ولی معمولا عناصر دیگری هم دارند. فولاد پرکربن عملکرد جوشکاری ضعیفی دارد. چکش‌ها، میله‌ها و … از فولاد با کربن ۰.۷۵٪ ساخته شده‌اند. ابزارهای برش مانند مته‌ها و شیرها را با فولاد با محتوای کربن ٪۰.۹۰ تا ۱.۰۰٪ می‌سازند.

هنگامی که فولاد پرکربن جوش داده می‌شود، به دلیل محتوای کربن بالای این فولاد، تنش زیادی در حین جوشکاری به وجود می‌آید. تمایل به سخت شدن و ترک سرد در این ناحیه، متاثر از حرارت جوشکاری بیشتر است و بخش جوش نیز مستعد ترک‌های داغ است.

فولاد پرکربن در هنگام جوشکاری بیشتر از فولاد کم کربن در معرض ترک‌های داغ است، بنابراین این نوع فولاد بدترین جوش‌پذیری را دارد. در نتیجه در سازه‌های جوشکاری عمومی استفاده نمی‌شود و فقط برای جوشکاری تعمیری یا روکش ریخته‌گری به کار می‌رود.

کاربرد فولاد پر کربن

فولاد پرکربن دارای استحکام و سختی بالایی است. همچنین حد الاستیک بالاتری نسبت به فولاد کم کربن دارد. به دلیل مقدار کربن بالا، در هنگام سرد شدن آب، به راحتی ترک برمی‌دارد. بنابراین اغلب از سرد کردن دو مایع استفاده می‌کنند و اغلب برای قطعات با مقطع کوچک، از سخت شدن روغن استفاده می‌شود. فولاد کربنی عمدتا در ساخت فنرها، قطعات سایش و ابزارهای سختی بالا به کار می‌رود.

عملیات حرارتی

هدف از انجام عملیات حرارتی بر روی این فولاد، تغییر خواص مکانیکی فولاد است به‌خصوص شکل‌پذیری، سختی، مقاومت تسلیم و مقاومت در برابر ضربه. توجه داشته باشید که هدایت الکتریکی و حرارتی فقط کمی تغییر می‌کند. همه روش‌های عملیاتی حرارتی فولاد در حقیقت تبادل انعطاف‌پذیری و استحکام است به این معنا که برای به‌دست‌آوردن استحکام بیشتر، انعطاف‌پذیری کاهش می‌یابد و بالعکس.

در زیر لیستی از انواع عملیات حرارتی ممکن آمده است:

• کروی کردن

اسفرویدیت زمانی تشکیل می شود که فولاد کربنی به مدت بیش از 30 ساعت تا دمای 700 درجه سانتیگراد گرم شود. اسفرویدیت می تواند در دماهای پایین تر تشکیل شود. اما  از آنجایی که این واکنش به شدت وابسته به نفوذ است، زمان مورد نیاز به شدت افزایش می یابد. نتیجه این عملیات حرارتی، تشکیل استوانه ها و کره های سمانتیتی فاقد فاز اولیه است.

هدف از این عملیات نرم کردن فولاد با استحکام بالا است تا قابلیت شکل پذیری را بهبود ببخشد.فرآورده این واکنش نرم ترین و شکل پذیر ترین نوع فولاد است.

• آنیل کامل

در این فرآیند تمام فریت به آستنیت تبدیل می شود. (در صورتی که درصد کربن بالا باشد، ممکن است همچنان سمانتیت در ساختار باقی بماند.) سپس فولاد باید به آرامی و با نرخ تقریبا 20 درجه سانتی گراد بر ساعت، سرد شود. گاهی برای سرد کردن تنها کوره را خاموش می کنند و می گذارند تا فولاد داخل کوره خاموش، سرد شود. این کار موجب تشکیل ساختار پرلیتی خشن می شود. فرآورده واکنش آنیل کامل، نرم و شکل پذیر است. تنها فولاد اسفریدیت از این نوع فولاد نرم تر است.

• فرآیند آنیل کردن

فرآیندی که برای کاهش تنش در فولاد کربن سرد کار شده با درصد کربن کمتر از 0.3 درصد استفاده می شود. معمولا فولاد را به مدت یک ساعت در دمای 550 تا 650 درجه سانتی گراد نگه می دارند، اما گاهی اوقات دما را تا 700 درجه سانتی گراد هم می رسانند.

• آنیل هم دما

در این فرآیند فولاد هیپویوتکتوئیدی تا دمای بالاتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود. در این دما برای مدتی نگه داری می شود و سپس به دمای پایین تر از دمای بحرانی پایین کاهش می یابد و مجددا در آن دما نگه داشته می شود. سپس تا دمای اتاق سرد می شود.این روش هرگونه گرادیان ها وتغییرات شدید دمایی را از بین می برد.

• نرمالایزینگ

این فرآیند با هدف افزایش استحکام انجام میشود و سایز دانه را کاهش می دهد و منجر به تولید ساختار یکنواخت با دانه های ریز می شود. در این فرآیند ابتدا دمای فولاد را 30 تا 40 درجه سانتی گراد بالاتر از خط GSK برده تا همه ی ساختار به آستنیت تبدیل شود. پس از سرد شدن با هوا با نرخ 38 درجه بر دقیقه، موجب رخ دادن تبلور مجدد، افزایش تعداد دانه ها و کاهش سایز دانه می شود.

به دلیل افزایش مرزدانه ها، حرکت نابه جایی ها سخت تر و استحکام فولاد بیشتر می شود. این نوع فولاد استحکام و سختی بیشتری نسبت به فولادهای آنیل شده دارد.

• سرد کردن سریع(کوئنچ)

فولاد کربنی با حداقل 0.4 درصد وزنی C تا دمای عادی گرم می شود و سپس به سرعت در آب، آب نمک یا روغن خنک می شود تا به دمای بحرانی برسد. دمای بحرانی به محتوای کربن بستگی دارد، اما به عنوان یک قانون کلی با افزایش محتوای کربن، دمای بحرانی کاهش می یابد. این فرآیند منجر به ساختار مارتنزیتی می شود.

این فولاد به شدت مستحکم اما ترد و شکننده است. در حدی که برای کاربرد های صنعتی، عملا مناسب نیست. چرا که ترد بودن و وجود استرس های داخلی موجب بروز ترک و رشد ترک است. معمولا این فولاد سه تا چهاربرابر سخت تر از فولاد نرمالایز است.

• مارتمپرینگ(مارکوئنچینگ)

مارتمپرینگ در واقع یک روش تمپرینگ نیست، از این رو اصطلاح marquenching به آن تعلق می گیرد. در حقیقت یک نوع عملیات حرارتی هم دما است که پس از کوئنچ اولیه، در حمامی از نمک مذاب انجام می شود. در صنعت از این فرآیند برای برقراری نوعی تعادل میان شکل پذیری و سختی ماده استفاده می شود.

چنانچه زمان فرآیند را طولانی کنیم، شکل پذیری بیشتر می شود. قطعه داخل حمام نمک مذاب باقی می ماند تا زمانی که دمای قسمت های داخلی و خارجی آن به یکسان شود. سپس فولاد با سرعت متوسط خنک می شود تا گرادیان دما در حداقل بماند. این فرآیند نه تنها تنش های پسماند داخل قطعه را کاهش می دهد، بلکه مقاومت در برابر ضربه را نیز افزایش می دهد.

• تمپرینگ

این فرآیند، رایج‌ترین عملیات حرارتی است که با آن مواجه می‌شویم، زیرا ویژگی‌های نهایی را می‌توان دقیقاً با دما و زمان تمپر تعیین کرد. تمپر، شامل گرم کردن مجدد فولاد سرد شده تا دمای کمتر از دمای یوتکتوئید و سپس خنک شدن مجدد آن است.

افزایش دما اجازه می دهد تا مقادیر بسیار کمی از اسفروئیدیت تشکیل شود که موجب بازیابی شکل پذیری فولاد و البته کاهش سختی آن می شود. دما و زمان تمپر برای هر ترکیب با دقت انتخاب می شوند.

• آستمپرینگ

آستمپرینگ تقریبا مشابه مارتمپرینگ است. با این تفاوت که سرد شدن سریع متوقف شده و فولاد به مدت طولاتی در حمام نمک مذاب با دمای 205 تا 540 درجه سانتی گراد می ماند. بعد از آن با نرح متوسطی سرد می شود.

نتیجه این فرآیند را بینایت می گویند که یک ریز ساختار سوزنی در فولاد است که استحکام بلا(همچنان کمتر از مارتنزیت)، شکل پذیری مطلوب، مقاومت به سایش زیاد و اعوجاج کمتری نسبت به مارتنزیت دارد. عیب این فرآیند این است که تنها برای فولادهای خاصی قابل پیاده سازی است و نیاز به حمام نمک خاصی دارد.

استانداردهای فولاد کربنی

فولاد ساده کربنی هم مثل دیگر محصولات صنعتی نیازمند رعایت نکاتی است که باید به تایید استانداردهای مختلف برسد. برخی از استانداردها ملی هستند و تنها جهت استفاده در همان کشور استفاده می‌شوند.

برخی دیگر از استانداردها بین‌المللی هستند و در تمامی کشورها به‌عنوان مرجع استفاده می‌شوند. تعدادی از مهم‌ترین استانداردهای جهانی به شرح زیر هستند:

• استاندارد انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM)
• استاندارد انجمن ریخته‌گران فولاد آمریکا (AISI)
• سیستم واحد نامگذاری (UNS)
• موسسه استاندارد آلمان (DIN)
• موسسه استاندارد بریتانیا انگلیس (BN)