فولاد یکی از پرکاربردترین فلزات در سطح جهانی است. برای مردم فولاد همیشه به منزله شمشیر بران در دوران گذشته و ستونهای فلزی در پلهای شهری بوده است، اما حقیقت آن است که فولاد نیز خود، یک نوع آلیاژ است. آلیاژی که از ترکیب آهن و کربن به دست میآید.
گذر سالها و پیشرفت تکنولوژی دانشمندان را به این نتیجه رساند که با کم و زیاد کردن کربن، در زمان ذوب سنگ آهن، میتوان به فولادی سختتر و قابلانعطافتر دست پیدا کرد. کشف عناصری چون نیکل و کروم و ترکیب با آن با آهن و کربن امکان تولید فولاد زنگنزن را به وجود آورد. خیلی زود مهندسان مواد متوجه شدند، امکان تولید دیگری از فولاد را دارند که به آن فولاد آلیاژی میگفتند.
فولاد آلیاژی یکی از انواع فولاد است؛ این نوع از فولاد که به آن Alloy Steel گفته میشود، خانواده بزرگی از تولیدات فولادی را امکانپذیر کرده است. در این مقاله درباره این گروه از فلزات بیشتر آشنا خواهیم شد و درباره کاربرد و نوع ترکیب بیشتر خواهیم آموخت.
فولاد آلیاژی شاخهای از فولاد بوده که علاوه بر کربن با عناصر دیگری ترکیب شده و نسبت به نوع کربنی، معمولا در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان میدهند.
فولاد آلیاژی چیست؟
فولاد آلیاژی شاخهای از فولاد بوده که علاوه بر کربن با عناصر دیگری مانند منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم، سیلسیوم و بور ترکیب شده و وزن این عناصر در ترکیب از ۱ تا ۵ درصد متغیر است. از عناصری که کمتر رایج هستند، میتوان به آلومینیوم، کبالت، مس، سریم، نیوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، قلع، روی، سرب و زیرکونیوم اشاره کرد. محصولات تولید شده از این مواد مانند لوله مسی، نیز به تنهایی خاصیت ضد خورندگی دارند.
وجود این مواد اضافی در آلیاژ فولاد باعث خواص مکانیکی متفاوتی میشود. فولادهای آلیاژشده معمولا نسبت به فولادهای کربنی در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان میدهند.
در کنار مزایا آلیاژ فولادی دارای معایبی نیز بوده که عبارت است از:
- قابلیت جوشکاری کمتر
- شکلپذیری کمتر
- قابلیت تراش کمتر
این سه عیب موجب میشود از آلیاژ فولادی در صنایعی استفاده شود که نیاز کمتری به جوشکاری دارد. جدول زیر درصد وزنی بعضی از عناصر در آلیاژهای فولادی را نوشته و تاثیر آن عنصر را در ترکیب ساختمانی فولاد بیان کرده است.
انواع فولاد آلیاژی
همانطور که اشاره کردیم، فولادهای آلیاژی نوع دیگری از طبقهبندی فولادها هستند که بر اساس مقدار عناصر در ترکیب شیمیایی فولاد انجام میشود. فولادهای آلیاژی ارزانتر از دیگر فولادها تولید شده و بسته به درصد عناصر به دو گروه زیر تقسیم میشود:
- فولاد کمآلیاژ
- فولاد پرآلیاژ
هدف از آلیاژ فولادی وجود مواد اولیهای است که در برابر خوردگی و نیروهای مکانیکی مقاومت بیشتری داشته باشد. در این نوع از فولاد عناصری مانند آلومینیوم، مس، سیلیسیوم، نیکل و کروم به کربن و آهن اضافه خواهد شد.
هر کدام از این عناصر موجب یک ترکیب ویژه و یک کاربرد خاص خواهد شد. به طور مثال وجود سیلیسیم در ترکیب فولاد موجب تشکیل فولادهای تریپ میشود. فولاد تریپ در صنایع اتومیبلسازی کاربرد دارد.
وجود تنگستن و کبالت موجب میشود فولاد آلیاژی در گروه فولاد ابزار نیز استفاده شود. ترکیب آهن و کربن با آلومینیوم باعث تشکیل فولاد ساختمانی خواهد شد که به عنوان مصالح ساختمانی از آن استفاده میشود. به این ترتیب عناصر مختلف باعث تولید شکل خاصی از فولاد خواهد شد. همانطور که قبلتر نیز عنوان شد فولاد آلیاژی به دو گروه مختلف تقسیم میشوند که با این دو گروه آشنا میشویم. برای خرید یا اقدام به خرید کلیه مقاطع فولادی لازم است تا از آخرین قیمت آهن مطلع شوید.
فولادهای کمآلیاژ
فولادهای کمآلیاژ مانند فولادهای کمکربن دارای ساختار فریتی هستند و از گرید آستنیتی متمایز میشوند. آنها دارای محتوای آلیاژی کمی هستند. ریزساختار این نوع از فولاد کاملا متنوع است و محدود به فریت نمیشود. فولادهای کمآلیاژ با افزودن کروم، مولیبدون و دربعضی موارد نیکل از دیگر فولادهای آلیاژی متمایز میشوند. این عناصر در غلظتهای بسیار کم به فولاد اضافه میشوند که مقدار آن از 5 درصد گفته شده، کمتر است. فولادهای کمآلیاژ به گروههای زیر تقسیم میشوند.
- فولادهای کمآلیاژ پراستحکام
High Strength Low Alloy که به فولاد HSLA نیز معروف است، در زبان فارسی با عنوان فولاد کمآلیاژ پر استحکام از آن یاد میشود. این نوع از فولاد دارای آلیاژهای وانادیوم، کلمبیم و تیتانیوم است و به دلیل استحکام بالای این فولاد، تولید قطعات ظریف که نیاز به استحکام بالا است، با این فولاد انجام میشود. طبق استاندارد ASTM آمریکا جدول ترکیب فولاد کمآلیاژ پراستحکام به قرار زیر است.
خطوط تیره در جدول فوق به نشانه عدم وجود عنصر در آن نوع از فولاد است.
- فولاد کمآلیاژ کروم_مولیبدن
این سری فولاد کمآلیاژ حاوی مقدار کروم ۰/۵ تا نه درصد و مولیبدن نیز ۰/۵ تا یک درصد است. محتوای کمکربن در این آلیاژ باعث بالا رفتن قابلیت جوشکاری و سختکارشدن فولاد کروم مولیبدن میشود. همچنین مقدار بیشتر مولیبدن در آلیاژ مقاومت در برابر کشش را افزایش میدهد.
سالهای زیادی است که در صنعت فولاد از عنصر Mo برای تولید فولاد مقاوم در برابر خزش استفاده شده که موجب میشود تحمل دمایی فولاد تا ۵۳۰ درجه بالا برود. همچنین مولیبدن از تشکیل کاربیدها در دمای بالا جلوگیری میکند. وجود همین دو ویژگی، تناسب دمای بالا و مقاومت در برابر خزش باعث شده است که از فولاد مولیبدن در ساخت نیروگاههای حرارتی و پتروشیمی استفاده شود.
ترکیب مولیبدن با کروم و تولید فولاد کروملی یک ویژگی خاص به این فولاد داد که در دیگر فولادها کمتر شاهد آن هستیم. فولاد کمآلیاژ کروم_مولیبدن دارای مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی دارد؛ کروم موجب میشود فولاد دارای نفوذناپذیری بسیار بالایی شود که باعث مقاومت در برابر خوردگی بهخصوص خوردگی در برابر گوگرد میشود.
مقاومت در برابر خوردگی CrMo این واقعیت را بیان میکند که زمانی از این آلیاژ استفاده میکنیم که کربن موجود در فولاد توان مقابله با خوردگی را ندارد و بهتر است در مراکز خاص مثل نیروگاههای حرارتی با دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد یا در پالایشگاههای پتروشیمی از آن استفاده شود. از آنجا که در گروه کرومولی تعداد آلیاژها بسیار زیاد است تنها یک نمونه از آلیاژهای این خانواده را بررسی میکنیم.
Mo40
این فولاد کمآلیاژ مولیبدن کرومی، در استاندارد AISI با شماره Steel 4140 شناخته میشود.این فولاد دارای خواص فوقالعادهای در برابر نیروی مکانیکی است و مقاومت بسیار خوبی در برابر تنشها از خود نشان میدهد، برای همین در ساخت تیر، ستون و چرخدنده از آن استفاده میشود.
وجود کروم در این فولاد موجب شده تا سرد شدن در دمای اتاق صورت گیرد و نیاز به روغن نداشته باشد که مقاومت در برابر خوردگی را بالا میبرد. مقاومت در برابر سایش و برش نیز به دلیل وجود حداکثری کروم در ترکیب آلیاژ است.
ماکزیمم عنصز سیلیسیم در ترکیب باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد میکند و ماکزیمم مقدار منگنز باعث افزایش مقاومت در برابر سایش میشود.
فولاد پرآلیاژ
فولادهای پرآلیاژ به طور گستردهای برای مقاومت در برابر خوردگی در محیطهای آبی و در محیطهایی که از گاز و مایعات با دمای بالای ۶۵۰ درجه سانتیگراد استفاده میشود. این آلیاژهای فولادی در ترکیب ساختمانی خود بیش از ۸ درصد دیگر عناصر را داشته و همین موجب تغییرات مکانیکی در آنها میشود.
خصوصیات مکانیکی این گریدها با عملیات حرارتی تفاوت خواهد کرد. البته در گریدهایی که آلیاژ نیکل و کروم بیشتر از ۲۰ و ۳۰ درصد است، تغییر خصوصیت مکانیکی به عملیات حرارتی بستگی نداشته و بسته به ترکیب و مقدار عناصر خصوصیات مکانیکی آنها متفاوت خواهد بود.
برای این که فولاد پرآلیاژ شناسایی شود باید به این نکته توجه داشت که میزان عناصر در ساختار فولاد بیش از ۸ درصد است. یکی از مهمترین و پرکاربردترین نوع فولاد پرآلیاژ فولاد زنگنزن است که شامل فولادهای کرومدار است.
- فولادهای آلیاژی کرومدار
وجود بیش از 13 درصد کروم در ترکیب فولاد موجب زنگنزن شدن فولاد میشود. فولاد کرومدار با مقدار بالا مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نسبت آلیاژ فولاد کربن ساده خواهد داشت. مجموع مقدار کروم و نیکل در این نوع فولاد باید بیشتر از ۲۰ درصد باشد. از جمله فولادهای پرکاربرد این گروه فولاد آلیاژی ۳۱۶ است. از این فولاد در مخازن شیمیایی و تولید لوله جهت سیستمهای لولهکشی استفاده میشود.
یکی از بیشترین استفادهها از فولاد کمآلیاژ Mo40 ساخت میلگرد در قطر ۱۰mm تا ۱۰۰۰mm است. از دیگر کاربردهای این فولاد استفاده در نیروگاههای حرارتی که دما بالای ۵۸۰ درجه سانتیگراد بوده است. ساخت تیر، سنگشکنهای معدنی، میلههای اتصال، غلتکهای صنایع سیمان و فولاد از دیگر کاربردهای این آلیاژ است.
- فولاد نیکل_مولیبدن
نوع دیگری از فولاد کمآلیاژ فولاد نیکل_مولیبدن است. این فولاد در دمای پایین مقاومت بیشتری از خود نشان میدهد، اما چقرمگی و شکنندگی بالایی از خود خواهد داشت. برای این که فولادی داشته باشیم که در دمای پایین مقاومت خوبی از خود نشان دهد، لازم است مقدار نیکل را از 2 درصد به 5/3 درصد در ترکیب وزنی افزایش دهیم.
در استاندارد ASTM این نوع از فولاد با سری FL نمایش داده میشود. برای درک بیشتر از ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی این فولاد مشخصات چند آلیاژ پرکاربرد را بیان میکنیم.
فولاد پرآلیاژ
فولادهای پرآلیاژ به طور گستردهای برای مقاومت در برابر خوردگی در محیطهای آبی و در محیطهایی که از گاز و مایعات با دمای بالای ۶۵۰ درجه سانتیگراد استفاده میشود. این آلیاژهای فولادی در ترکیب ساختمانی خود بیش از ۸ درصد دیگر عناصر را داشته و همین موجب تغییرات مکانیکی در آنها میشود.
خصوصیات مکانیکی این گریدها با عملیات حرارتی تفاوت خواهد کرد. البته در گریدهایی که آلیاژ نیکل و کروم بیشتر از ۲۰ و ۳۰ درصد است، تغییر خصوصیت مکانیکی به عملیات حرارتی بستگی نداشته و بسته به ترکیب و مقدار عناصر خصوصیات مکانیکی آنها متفاوت خواهد بود.
برای این که فولاد پرآلیاژ شناسایی شود باید به این نکته توجه داشت که میزان عناصر در ساختار فولاد بیش از ۸ درصد است. یکی از مهمترین و پرکاربردترین نوع فولاد پرآلیاژ فولاد زنگنزن است که شامل فولادهای کرومدار است.
- فولادهای آلیاژی کرومدار
وجود بیش از 13 درصد کروم در ترکیب فولاد موجب زنگنزن شدن فولاد میشود. فولاد کرومدار با مقدار بالا مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نسبت آلیاژ فولاد کربن ساده خواهد داشت. مجموع مقدار کروم و نیکل در این نوع فولاد باید بیشتر از ۲۰ درصد باشد. از جمله فولادهای پرکاربرد این گروه فولاد آلیاژی ۳۱۶ است. از این فولاد در مخازن شیمیایی و تولید لوله جهت سیستمهای لولهکشی استفاده میشود.
