انواع فولاد و کاربرد آن ها

فولاد، آلیاژی تشکیل شده از آهن و کربن می باشد. عمده ترین بخش فولاد را عنصر آهن یا Fe تشکیل داده است و درصد وزنی کربن در فولاد از 0.2 تا 1.7 متغییر می باشد. اما عناصر دیگری نیز در تشکیل فولاد نقش دارند که عمده ترین آنها منگنز Mn، سلیسیوم، گوگرد S و فسفر می باشد.

علاوه بر این عناصر چند عنصر دیگر وجود داند که با مقدار بسیار پایین تأثیر بسیار بالایی بر خواص فولادمی گذارند و گاهی نامگذاری فولاد را تحت تأثیر خود قرار می دهند. این عناصر عبارتند از کروم Cr، نیکل Ni، مس Cu، بور B و وانادیوم V. خواصی نظیر استحکام بسیار بالا، قابلیت چکش خواری، شکل پذیری بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سایش، مقاومت در برابر کشش و نیروهای برشی از عمده ترین خواصی است که چنین آلیاژهایی برای فولاد مهیا می کنند.

نحوه تولید فولاد

دو روش عمده برای تولید فولاد وجود دارد که هر کدام با توجه به مواد خام متفاوت مورد توجه قرار گرفته اند:

تولید فولاد در کوره بلند ذوب آهن Blast Furnace

در این نوع تولید فولاد کانورتورهای اکسیژنی به کار گرفته می شوند. مواد خام مورد استفاده در این نوع نحوه تولید فولاد کنسانتره و گندله نام دارد. این محصولات با استفاده از سنگ آهن تولید می شوند. تولید این محصولات با به کار گیری فرآیندهای مغناطیسی و خشک صورت گرفته و مواد محتوی آهن بیشتر جداسازی شده و به صورت گندله یا کنسانتره آماده می گردند.

احیای مستقیم -Direct Reduction

در فرآیند تولید فولاد از روش احیای مستقیم بیشتر از آهن اسفنجی استفاده می کنند. این نوع فولاد در کوره های الکتریکی القایی و یا قوس الکتریکی با استفاده از دمش اکسیژن تولید می گردد. خود آهن اسفنجی از احیای سنگ آهن تولید می گردد.

مزیت آهن اسفنجی بالا تر بودن عیار آهن آن است. در روش احیای مستقیم از آهن قراضه هم استفاده می شود. این گزینه بیشتر در مواردی کاربرد دارد که منابع خوبی برای تامین آهن قراضه در دسترس باشد. در نقاطی که نزدیک به معادن سنگ آهن قرار دارند استفاده از آهن اسفنجی برای کارخانه های ذوب آهن با صرفه تر خواهد بود.

زدایش گاز و ناخالصی از فولاد Killing

در زمان تولید فولاد، گازها و ناخالصی هایی در مذاب وجود دارند که به همان صورت در فولاد پس از انجماد حضور می یابند. یکی از مراحل تولید فولاد زدودن این گازها و ناخالصی ها می باشد. این عمل برای فولاد با کاربردهای متفاوت به میزان متفاوتی صورت می گیرد.

به عنوان مثال در فولادهای Rst در مقایسه با فولادهای St زدایش بیشتری از این نوع ناخالصی ها صورت می گیرد. از این رو فولاد Rst برای مقاصد شکل دهی و کشش بیشتر استفاده می شود. فولاد به دست از آمده پس از فرآیند زدایش ناخالصی ها را فولاد نرم (آرام) یا Killed Steel می نامند.

نحوه نامگذاری فولاد ها

روش های متفاوتی برای نامگذاری فولادها وجود دارد. یکی از برجسته ترین این روشها نامگذاری فولاد بر اساس استاندارد DIN می باشد. استاندار DIN که متعلق به کشور آلمان می باشد یکی از پیشرو ترین استانداردها در زمینه متالورژی می باشد.

گستردگی این استاندارد از محصولات ابتدایی گرفته تا محصولات نهایی فولادی وسعت یافته است. نامگذاری استاندارد DIN با توجه به کاربرد فولاد، خواص فیزیکی و مکانیکی آن صورت گرفته است. در استاندارد DIN17006 به طور مفصل (البته به زبان آلمانی) نحوه نامگذاری فولاد ذکر شده است.برای تسهیل در شناسایی فولادهایی که بر اساس این استاندارد نامگذاری می شوند، لازم است حروف و کدهای زیر را در نظر گرفت:

فولاد St به معنی فولاد ساختمانی می باشد. معمولا پس از عبارت St یک عدد ذکر می گردد که این عدد در برگیرنده استحکام نهایی فولاد بر حسب کیلوگرم بر میلیمتر مربع می باشد که برای به دست آوردن آن بر حسب مگاپاسکال عدد را در 9.8 ضرب می نماییم.

انواع فولاد بر حسب درصد کربن

یکی دیگر از دسته بندی های فولاد را بر اساس میزان درصد کربن موجود در آن تنظیم نموده اند. دلیل این امر تأثیر میزان درصد کربن در رفتار فولاد می باشد. همین تأثیرات در رفتار فولاد باعث شده است تا فولاد به عنوان محصولی با کاربرد بسیار متنوع مد نظر قرار گیرد. این دسته بندی به شرح زیر است:

فولادهای کم کربن

در فولاد کم کربن یا به اصطلاح Low carbon steel مقدار کربن موجود در فولاد عموما چیزی کمتر یا مساوی با 0.1 درصد وزنی می باشد. قابل ذکر اینکه هرچقدر درصد کربن در فولاد کم باشد، خصوصیت فاز آهنی فولاد یعنی فاز فریت بیشتر می شود. فریت عموما ماده ای نرم به حساب می آید از این رو فولاد کم کربن بسیار نرم و شکل پذیر است. استفاده از فولاد کم کربن برای ساختن سیم مفتول کششی دلیل این امر می باشد.

سیم مفتول با گرید SAE1006 به میزان 0.08 درصد کربن داشته و گرید SAE1008 دارای 0.1 درصد وزنی کربن می باشد. فولاد کم کربن با روش سرد به راحتی فرم دهی می شود. در این نوع فولاد کریستالهای فلزی به راحتی بر روی هم می لغزند و با ردیف های بعدی کریستالی پیوند جدید فلزی تشکیل می دهند. از این رو فولاد ضمن حفظ استحکام شکل جدید را به خوبی به خود می‌گیرد.

عبارت R که پیش از عبارت St قرار می گیرد نشان دهنده انجام مجدد زدایش ناخالصی ها و گازها از فولاد می باشد که نتیجه ی آن کیفیت بیشتر فولاد خواهد بود.در فولاد کم کربن که فولاد بسیار نرمی به حساب می آید علاوه بر اینکه فرمدهی خوبی قابل اعمال است به دلیل حرکت کریستالهای فلزی بر روی یک دیگر و ایجاد پیوندهای جدید، عملا خواص مکانیکی فولاد پس از شکل دهی بهبود می یابد. از این رو محصولاتی که از فولاد نرم تولید می شوند خواص مکانیکی قابل قبولی دارند.

فولاد های کربن متوسط

فولاد کربن متوسط نرم

فولادی که درصد کربن آن بین 0.1 تا 0.3 درصد باشد فولاد کربن متوسط یا Mild carbon steel نامیده می شود. با نگاهی به آنالیز شیمیایی محصولات فولادی ساختمانی که در بازار آهن و فولاد به آهن آلات ساختمانی معروف هستند، متوجه می شویم جنس فولاد این محصولات همگی فولادهای کربن متوسط می باشد.

محصولاتی نظیر میلگرد آجدار، انواع تیرآهن، ورق آهنی، انواع لوله و پروفیل ساختمانی و... همگی از فولاد کربن متوسط تولید می شوند. این نوع فولاد علاوه بر اینکه خصوصیت نرمی را همچنان حفظ نموده است با توجه به تأثیر کربن در استحکام فولاد، از استحکام کششی بیشتری نسبت به فولاد کم کربن برخوردار می باشد. در این نوع فولاد کربن به صورت میخهایی در فاز زمینه فولاد قرار گرفته و باعث استحکام بیشتر فولاد می گردد.

در فولادهایی که با کربن متوسط تولید می گردند عناصر آلیاژی دیگری نظیر منگنز، فسفر، گوگرد و سیلیسیوم نیز وجود دارند. این عناصر هر کدام به نوعی با عنصر کربن پیوند تشکیل داده و در استحکام فولاد نقش بازی می نمایند. البته هر کدام در خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد به طور جداگانه نیز نقش ایفا می نمایند. به عنوان مثال فسفر باعث بالا رفتن قابلیت تراش فولاد می شود و یا گوگرد باعث کاهش خاصیت جوش پذیری فولاد می گردد.

فولاد کربن متوسط نرمال

درصد کربن این نوع فولاد که همچنان به عنوان فولاد کربن متوسط معرفی می گردد مابین 0.3 تا 0.6 می باشد. در این نوع فولاد خواص مکانیکی متفاوتی نسبت به فولاد نرم و کربن متوسط مشاهده می گردد. این فولادها سختی پذیری بهتری دارند. به عبارتی با افزایش عناصر آلیاژی نظیر کروم و نیکل می توان فولادهای سختی از آنها تولید نمود. اما در عوض قابلیت شکل پذیری آنها به خوبی فولادهای نرم و کربن متوسط نیست.

فولاد پر کربن

فولادهایی که دارای درصد کربن بالایی در دامنه 0.6 تا 1.7 باشد به فولاد پر کربن یا high carbon steel موسوم است. نوع فولاد به دلیل داشتن کربن بالا ترد و شکننده است. موارد استفاده از این نوع فولاد بیشتر در کاربردهایی است که نیروهای فشاری مد نظر قرار می گیرند. زمانی که درصد کربن در فولاد افزایش می یابد استحکام کششی و مقاومت به ضربه خصوصا در دماهای پایین بسیار کم می شود و جوش پذیری فولاد نیز به طور محسوسی کاهش می یابد.