ماشين آلات صنعتي

فولاد آلياژي (به انگليسي: Alloy steel) فولادي است كه با عنصرهاي گوناگون به صورت آلياژ درآمده، براي بهبود ويژگي‌هاي مكانيكي فولاد مي‌توان از ۱٫۰ تا ۵۰٪ از وزن آن را آلياژ كرد. آلياژهاي فولاد دو دسته‌اند: فولاد كم‌آلياژ و فولاد پُرآلياژ. تفاوت ميان اين دو، مي‌توان گفت، قراردادي است: اسميت و هاشمي تفاوت اين دو را در ۴٫۰٪ دانسته‌اند در حالي كه گروه دگرمو آن را در ۸٫۰٪ مي‌دانند.[۱][۲] در حالت كلي وقتي صحبت از «آلياژ فولاد» مي‌شود منظور فولاد كم‌آلياژ است. فولاد تندبر خود فولاد در واقع نوعي آلياژ است. اما تمام گونه‌هاي فولاد را آلياژ نمي‌خوانند. ساده‌ترين نوع فولاد كه تقريباً مي‌توان گفت آهن است (نزديك به ۹۹٪) خود با عنصر كربن آلياژ شده‌است (بسته به نوع فولاد از ۰٫۱٪ تا ۱٪). بنابراين منظور از آلياژ فولاد، تركيبي از فولاد، كربن و ديگر عنصرها است. عنصرهايي كه بيشتر براي اين هدف كاربرد دارند، عبارتند از: منگنز (پركاربردترين)، نيكل، كروم، موليبدن، واناديم، سيليسيم و بور. و عنصرهاي كم كاربردتر عبارتند از: آلومينيم، كبالت، مس، سريم، نيوبيم، تيتانيم، تنگستن، قلع، روي، سرب و زيركونيم. فولاد سرد كار از تركيب عنصرهاي بالا با فولاد و آلياژسازي، برخي ويژگي‌هاي فولاد كربن مانند مقاومت، سختي، چقرمگي، سايش، سخت شدگي و سختي در دماي بالا به گونهٔ درخور توجهي بهبود مي‌يابد. براي دستيابي به بعضي از اين ويژگي‌ها بايد عمليات حرارتي روي فلز انجام شود.

ويژگي‌هاي يادشده در بالا در كاربردهاي ويژه‌اي چون پرّه‌هاي توربين، موتور جت، فضاپيماها و رآكتورهاي هسته‌اي بسيار مورد نياز است. به دليل ويژگي‌هاي فرومغناطيس آهن، بعضي آلياژهاي فولاد و پاسخي كه اين آلياژها در محيط مغناطيسي مي‌دهند، اهميت ويژه‌اي پيدا مي‌كند. در موتورهاي الكتريكي و ترانسفورماتورها نيز چنين است.

فولاد كم‌آلياژ

از فولاد كم‌آلياژ بيشتر براي دستيابي به توان سخت شدگي استفاده مي‌شود. چون با رسيدن به اين ويژگي ديگر ويژگي‌هاي مكانيكي هم بهبود مي‌يابند. همچنين آن‌ها براي مقاومت در برابر خوردگي در شرايط خشن هم كاربرد دارند.[۳]

اگر درجهٔ كربن فولاد كم‌آلياژ متوسط يا بالا باشد، فرايند جوش در آن‌ها دشوار مي‌شود. با كاهش كربن و قرار دادن آن در بازهٔ ۰٫۱۰٪ تا ۰٫۳۰٪ و همچنين كاهش ديگر عنصرهاي آلياژي توان جوش پذيري و شكل‌پذيري فولاد را افزايش مي‌دهيم. چنين فولادي در ردهٔ فولاد كم‌آلياژ پراستحكام قرار مي‌گيرد.

چند مورد از فولادهاي كم‌آلياژ عبارتند از:

D6AC

300M

256A

فولاد يا پولاد (به انگليسي: Steel) آلياژي از آهن است كه بين ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آن كربن است. خواص فولاد به كمك تغيير در درصد كربن، عناصر آلياژي و عمليات حرارتي قابل كنترل است.

براي ساخت فولاد، دو روش عمده وجود دارد. روش اول استفاده از آهن اسفنجي و كوره‌هاي قوس الكتريكي براي ذوب آهن اسفنجي و سپس آلياژسازي است. روش دوم استفاده از آهن خام (آهن توليد شده در فرايند احياي غيرمستقيم) و سوزاندن كربن اضافي آن است. طي اين فرايند ميزان كربن آهن خام از بازهٔ ۵٫۳ تا ۶ به ۲٫۰ تا ۱٫۵ درصد وزني كاهش مي‌يابد، سپس عناصر ديگر در آن افزوده مي‌شوند تا تركيب مورد نظر بدست آيد.

استحكام فولاد با «ميزان كربن محلول» به شدت افزايش مي‌يابد اما از طرفي اين افزايش استحكام باعث كاهش قابليت جوشكاري و افزايش احتمال شكست ترد مي‌شود. استحكام فولادهاي فريتي (فرومغناطيس) رابطه معكوسي با شكل‌پذيري دارد. تلفيق استحكام و شكل‌پذيري با پايدارسازي فاز آستنيت (پارامغناطيس) در فولادهاي مدرن چندفازي قابل بهبود است.

آهن معمولاً به صورت سنگ معدني مانند مگنتيت و هماتيت در پوسته زمين يافت مي‌شود. فولاد را با سوزاندن كربن آهن خام سفيد و همجوش كردن آن با كمي كربن و اندازه كردن عنصر‌هاي ديگر در آن، به دو روش خميري كردن و ذوب كردن توليد مي‌كنند.

روش خميري

در آغاز صنعت فولادسازي، فولاد به اين روش ساخته مي‌شد. در اين روش آهن خام را در تشت كوره‌ي شعله‌اي گذاشته مي‌شود و روي آن شعله دميده مي‌شود تا مذاب شود. آهن‌خام مذاب شده به هم زده مي‌شود تا كربن آن با تماس با اكسيژن هوا بسوزد. پس از آن كه كربن آن به مقدار قابل توجهي به صورت گاز {displaystyle {ce {CO2}}} {displaystyle {ce {CO2}}}از آن جدا شد، دماي ذوب آن بالا مي‌رود و به صورت خميري درمي‌آيد. خمير فولاد به صورت تكه‌تكه با گازانبر از كوره بيرون آورده مي‌شود و با پتك روي آن مي‌كوبند تا سرباره تشكيل شده از آن جدا شود و يكپارچه شوند. سپس از فولاد بدست آمده‌استفاده مي‌شود. اين روش به دليل آن كه ظرفيت توليد كافي نداشته و فولاد به دست آمده همواره كيفيت يكسانسي نداشت ديگر مورد استفاده قرار نمي‌گيرد.

روش ذوب

امروزه تقريباً تمامي فولاد جهان از طريق ذوب آهن به روش‌هاي مختلف به دست مي‌آيد. اين روش‌ها مي‌توانند شامل فولادسازي در كنورتور يا فولادسازي در كوره‌هاي EAF باشد.

در روش‌هايي كه از كنوروتور استفاده مي‌شود، آهن‌خام مذابي كه از كه فرايند كوره بلند به دست آمده‌است درون كنورتور ريخته مي‌شود تا با استفاده از دمش گاز اكسيژن كربن اضافي آن سوزانده شود. بدين ترتيب كربن فولاد به ميزان مورد نظر خواهد رسيد. سپس با اضافه كردن عناصر آلياژي به آن استحكام فولاد افزايش خواهد يافت.

در روش‌هايي كه از كوره‌هاي قوس الكتريكي استفاده مي‌كنند، ابتدا آهن اسفنجي توليد شده در فرايند احياي مستقيم درون كوره قوس الكتريكي ريخته مي‌شود تا ذوب گردد. دماي اين كوره‌ها به حدي است كه در همان ذوب اوليه فولاد با درصد كربن نسبتاً پايين توليد مي‌شود. سپس فولاد توليد شده درون كورهٔ پاتيلي ريخته مي‌شود تا در آنجا عمليات آلياژسازي انجام شود. اين عمليات شامل تنظيم كردن ميزان كربن، اضافه كردن عناصر آلياژي و يكدست‌سازي تركيب فولاد است.

پس از بدست آمدن تركيب شيميايي مورد نظر در فولاد، لازم است كه آن را به صورت مورد نياز ريخته‌گري كرد. در اكثر موارد فولاد بدست آمده به صورت تختال، تيرآهن يا ميلگرد ريختگري مداوم مي‌گردد.

فولادريزي

براي ساخت برخي قطعات فولادي كه شكل پيچيده يا تيراژ كمي دارند لازم است به صورت جداگانه ريختگري انجام شود كه در صنعت به آن فولادريزي گفته مي‌شود. فرايند ذوب‌ريزي فولاد همانند چدن‌ريزي مي‌باشد، چون فولاد مذاب هنگام سرد شدن و انجماد دچار انقباض مي‌شود، بايستي قطعات فولادي را از هر سو ۱٫۵٪ تا ۲٪ بزرگ‌تر ساخت تكه شكا پس از انجماد فولاد مذاب، تكهٔ فولادي به اندازهٔ ساخته شده درآيد.[۱] فولاد ابزاري سردكار حتي در يك بازه كوچك از غلظت‌هاي مختلف كربن و آهن كه فولاد را مي‌سازند، مي‌توان ساختارهاي ميكروسكوپي مختلف با خواصي كاملاً متفاوت ايجاد كرد. پايدارترين حالت آهن خالص در دماي اتاق معمولي ساختار مكعبي وسط-بدني (body-centered cubic) است كه alpha iron يا α-iron خوانده مي‌شود. آهن آلفا يك فلز نسبتاً نرم بوده و توان حل كردن كربن زيادي ندارد. افزودن كربن به α-iron باعث توليد فريت (ferrite) مي‌شود.[۲] در دماي ۹۱۰ درجه سلسيوس آهن خالص تبديل به ساختار مكعبي وسط-وجهي (FCC) مي‌شود كه gamma iron يا γ-iron خوانده مي‌شود. افزودن كربن به γ-iron باعث توليد آستنيت (austenite) مي‌شود.[۲]

آهنگري

آهنگري يا فورجينگ فرآيندي است كه در آن با استفاده از نيروي مكانيكي تغيرشكل لازم بر روي فولاد انجام مي‌شود. اين تغيير شكل روي فولاد مي‌تواند طي يك يا چند مرحله توسط پتك‌كاري يا پرس‌كاري انجام شود و شكل نهايي ايجاد گردد. براي افزايش قابليت شكل‌پذيري معمولاً به فولاد گرما مي‌دهند تا به حالت خميري درآيد، سپس آن را با پتك مي‌كوبند. يا چكش‌كاري مي‌كنند تا به شكل خواسته شده در آيد.[۳]

كاربرد انواع مختلف فولاد فولاد گرم كار از فولادي كه تا ۰٫۲ درصد كربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد كربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بكار مي‌برند. فولادي كه ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد كربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد

آهني كه از كوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود كه داراي مقادير قابل توجهي كربن، گوگرد، فسفر، سيليسيوم مي‌باشد.

افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اكسيژن به اكسيد تبديل مي‌شوند و با كمك ذوب مناسبي تركيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و كربن هم مي‌سوزد و مونوكسيد كربن (CO) يا دي‌اكسيد كربن (CO۲) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يك كمك ذوب اسيدي كه معمولاً دي‌اكسيد سيلسيم (SiO۲) است، بكار مي‌برند:

(MnO + SiO2 ----> MnSiO3(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است)، يك كمك ذوب بازي كه معمولاً اكسيد منيزيم (MgO) يا اكسيد كلسيم (CaO) است، اضافه مي‌كنند:

{displaystyle {ce {MgO + SiO2 <=>> MgSiO2}}}

{displaystyle {ce {MgO + SiO2 <=>> MgSiO2}}}

{displaystyle {ce {6MgO + P4O10 <=>> 2Mg3(PO4)2}}}

{displaystyle {ce {6MgO + P4O10 <=>> 2Mg3(PO4)2}}}

كوره توليد فولاد و جدا كردن ناخالصي‌ها

معمولاً جداره داخلي كوره‌اي را كه براي توليد فولاد بكار مي‌رود، توسط آجرهايي كه از ماده كمك ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اكسيدهايي را كه بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌كند. براي جدا كردن ناخالصي‌ها، معمولاً از روش كوره باز استفاده مي‌كنند. اين كوره يك ظرف بشقاب مانند دارد كه در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.

بالاي اين ظرف، يك سقف مقعر قرار دارد كه گرما را روي سطح فلز مذاب منعكس مي‌كند. جريان شديدي از اكسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌كشد، البته مقداري از آهن، اكسيد مي‌شود كه آن را جمع‌آوري كرده، به كوره بلند بازمي‌گردانند.

روش ديگر جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري كه از همين اصول شيميايي براي جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه وماده كمك ذوب در كوره‌اي بشكه مانند كه گنجايش ۳۰۰ تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اكسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌كنند و با كج كردن و چرخاندن بشكه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اكسيژن قرار مي‌دهند.

اكسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO۲ رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، به‌طوري‌كه آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي‌آنكه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريباً به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واكنش‌ها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي اين فرايند، در مدت يك ساعت يا كمتر كامل مي‌شود و معمولاً محصولي يكنواخت و داراي كيفيت خوب بدست مي‌آيد.

تبديل آهن به فولاد آلياژي

آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين كربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم، كروم، تيتانيم، منگنز و نيكل به فولاد تبديل مي‌كنند. فولادهاي ويژه ممكن است موليبدن، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند. اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد، آهن و كربن با يكديگر متحد شده، كاربيد آهن ( {displaystyle {ce {Fe3C}}} {displaystyle {ce {Fe3C}}})

به نام «سمنتيت» تشكيل مي‌دهند. اين واكنش، برگشت‌پذير و گرماگير است:

{displaystyle {ce {3Fe + C + q -> Fe3C}}}

{displaystyle {ce {3Fe + C + q -> Fe3C}}}

هرگاه فولادي كه داراي سمنتيت است، به كندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشكيل آهن و كربن، جابجا شده، كربن به صورت پولك‌هاي گرافيت جدا مي‌شود. اين مكانيزم در چدن‌ها كه درصد كربن در آن‌ها بيشتر است، اهميت بيشتري دارد. برعكس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، كربن عمدتاً به شكل سمنتيت باقي مي‌ماند. تجزيه سمنتيت در دماي معمولي به اندازه‌اي كند است كه عملاً انجام نمي‌گيرد. وباسرد كردن سمنتيت فولاد را به وجود مي‌آورند.

توليد فولاد در ايران

ظرفيت توليد فولاد در ايران در سال ۲۰۱۷ با رشد ۲۱٫۴ درصدي نسبت به سال ۲۰۱۶ از ۱۷٫۹ ميليون تن به حدود ۲۱٫۷ ميليون تن در سال رسيده‌است. با اين افزايش ظرفيت ايران را در جايگاه چهاردهم كشورهاي توليدكننده فولاد قرار گرفته‌است. ايران قصد دارد در افق ۱۴۰۴ اين رقم را به ۵۵ ميليون تن در سال برساند.[۵]

در كشور ايران از روش‌هاي احياي مستقيم و كوره بلند براي توليد فولاد استفاده مي‌شود.

فولادهاي استاندارد

فولادهاي متداول داراي كربن با درصد وزني حدود چند هزارم درصد تا يك درصد مي‌باشند. همچنين تمامي فولادها مقادير متغيري از عناصر ديگر بخصوص منگنز را دارا مي‌باشند. منگنز علاوه بر كاهش اكسيژن مذاب، توانايي كار گرم فولاد را نيز افزايش مي‌دهد. سيليسيم، فسفر و سولفور نيز همواره، در اندازه‌هايي گرچه كوچك، وجود دارند. مواد ديگر نيز مي‌توانند در مقادير بسيار كم به علل مختلف همچون طبيعت فرايند توليد فولاد يا ايجاد خواص مطلوب وجود داشته باشند.

فولادها مي‌توانند به صورت ريخته، شمش يا مي‌توان با گرم كردن مجدد، بر روي آن كار گرم با استفاده از يكي از روشهاي نورد، اكستروژن، فورج يا ديگر روش‌هاي ديگر توليد شكل داده شود. براي كاربردهاي مهندسي فولادهاي شكل داده شده، با داشتن فرم، كيفيت سطحي، استحكام و دماي كاري متنوع، بيشترين مواد مورد استفاده هستند.

خلاصه اي درباره فولادها

فولادها را مي توان به روش زير تقيسم بندي كرد:

فولادهاي ساختماني عمومي

منظور از اين فولادها طبق DIN 17 100 فولادهايي هستند كه عمليات حرارتي

براي آن ها پيش بيني نشده است. مهمترين مشخصه اين فولادها خواص

مكانيكي ( مثلا استحكام ، تنش تسليم و ازذياد طول نسبي ) ، گروه كيفي و

ويژگي آن ها جهت شكل دادنه مي باشد.

حداقل استحكام كششي از ۳۱۰ N / MM2 براي فولاد sT 33 تا ۶۹۰ N/ mm2

براي فولاد St 70-2 مي باشد.

تنش تسليم بستگي به ضخامت محصول دارد. مثلا در فولاد ساختماني

St50-2 با ضخامت ۱۶mm تنش تسليم ۲۹۵ N/mm2 و در ضخامت ۶۰-۸۰mm

فقط ۲۶۵ N/mm2 است.

ازدياد طول نسبي با افزايش استحكام كاهش مي يابد، يعني فولاد شكننده

مي شود.

فولاد St37-2 و St70-2 به ترتيب داراي ۲۵% و ۱۰% ازدياد طول نسبي است.

كاربرد

فولادهاي ساختماني عمومي براي قطعاتي استفاده مي شود كه تحت

سايش نبوده و نباز به سختكاري ندارد.مثلا دنباله قالب،پشت بندها،دسته ها

و غيره.

ورق ها و تسمه ها از فولاد غيرآلياژي و نرم و غالبا به روش نورد سرد توليد

مي شود. در ضخامت هاي ۰٫۵-۳ mm (كه ورق ظريف ناميده مي شود) براي

شكل دادن (مثلا كشش عميق) به كار مي رود. بسته به كاربرد بعدي ، ورق

ظريف از نظر نوع سطح و ظاهر و گروه كيفي تقسيم بندي مي شود.

فولادهاي خوش تراش (اتومات)

فولادهاي خوش تراش فولادهاي كيفي غيرآلياژي يا كم آلياژ هستند كه مقدار

گوگرد و فسفر يا منگنز و يا افزوده سرب بالايي دارند.

اين فولادها اكثرا براي قطعات سري سازي (توليد انبوه) روي دستگاه هاي

تراش اتومات به كار مي رود. افزوده هاي آلياژي، گوگرد يا سرب باعث خرد

شدن براده ها شده كه نتيجتا موجب افزايش سرعت براده برداري مي شود.

فولادهاي كربوره

فولادهاي كربوره براي اجزايي به كار مي رود كه بيشتر تحت سايش و خمش

قرار مي گيرد،بدين جهت بايد سطحي سخت و مقاوم به سايش و مغزي نرم

چقرمه با استحكام بالا داشته باشد. فولادهاي كربوره به دو نوع فولاد كربوره

غيرآلياژي با مقدار كربن كمتر از ۰٫۲% (مثلا CK 15، CK 10، C 15 و C 10) و

فولاد كربوره آلياژي؛ آغلياژسازي با منگنز، كرم، موليبدن يا نيكل

(مثلا ۱۶ MnCr 5، ۲۰ CrMo 4، ۲۲ CrMoS 35) تقسيم بندي مي شود.

فولادهاي كربوره آلياژي استحكام كششي بالايي دارد. مثلا فولاد ۱۶ MnCr 5

داراي استحكام كششي ۷۸۰-۱۰۸۰ N/mm2 است در صورتيكه اين مقدار در

فولاد كربوره غير آلياژي C10 برابر ۴۹۰-۶۳۰ N/mm2 است.

فولادهاي بهسازي

فولادهاي بهسازي براي اجزايي به كار مي رود كه تحت بارگزاري هاي شديد

كششي، خمشي و پيچشي از نوع بارهاي ناگهاني است.با عمليات حرارتي

ويژه اي اين فولادها داراي استحكام كششي خيلي بالا و چقرمگي (قابليت

جذب انرژي) بالا مي گردد.

فولاد بهسازي غير آلياژي براي اجزايي با استحكام پايين و سطح مقطع كوچك

(مثلا C 60، CK 45، C35) و فولادهاي بهسازي آلياژي كرم، موليبدن، نيكل و

واناديوم براي اجزاء تحت بارگذاري بالا با سطح مقطع بزرگ

(مثلا ۳۴ CrNiMo 6، ۴۲ CrMo 4، ۳۸ Cr 2) به كار مي رود.

استحكام كششي مي تواند تا حدود ۱۳۰۰ N/mm 2 افزايش يابد، در صورتي

كه ازدياد طول نسبي مربوطه ۹% مي باشد.

فولادهاي بهسازي:

⇐ در وضعيت بهسازي شده با حرف V

⇐ در وضعيت بازپخت نرمال شده با حرف N

⇐ در وضعيت بازپخت نرم شده با حرف G

⇐ در وضعيت عمليات حرارتي شده جهت ماشينكاري بهتر با حرف B مشخص

مي شود.

فولاد نيتروره

فولادهاي نيتروره براي اجزايي كه خاصه تحت بارهاي سايشي و بالاي متغير

قرار دادند و نيز با توجه به اينكه در عمليات حرارتي تقريبا نبايد از نظر ابعادي

تغيير كند و يا دچار تابيدگي شود به كار مي رود. با نفوذ نيتروژن به سطح

قطعه كار لايه ضدسايش ويژه نيتريد آهن به وجود مي آيد.

فولادهاي نيتروره فولادهاي كم آلياژي مي باشند كه نيتريد ساز آن ها عناصر

آلومينيم، كرم و واناديوم است. (مثلا ۳۱ CrMo، ۲۱ G يا ۳۴ CrAIMo 5 V)

البته فولادهاي كربوره، بهسازي كم آلياژ، چدن خاكستري گرافيت ورقه اي

و گرافيت كروي و نيز فولادهاي گرم كار و سردكار قابل نيتروره كردن مي باشد.

فولادهاي ويژه

اين فولادها شامل فولادهاي فنر (مثلا C 75 ; 66 Si 7)، فولادهاي مقاوم به

دماي بالا (مثلا X 4 NiCrTi 25 15)، فولادهاي نسوز (مثلا X15 CrNiSi 25 20)

، فوالادهاي زنگ نزن (مثلا X 5 CrNi 18 8) و فولادهاي نگير (غيرمغناطيسي)

(مثلا X 40 MnCr 18) مي باشد.

فولادهاي ابزاري غيرآلياژي

فولادهاي ابزاري غيرآلياژي جهت ساخت ابزارهايي استفاده مي شود كه

تحت تنش حرارتي بالا قرار نمي گيرد . اين فولادها سختي مغزي يا عمقي

ندارد و سختي بالاي سطحي خود را در دماي حدود ۲۰۰C از دست مي دهد.

بارهاي سنگين به واسطه مغز چقرمه آن تحمل مي شود. مقدار كربن اين

فولادها ۰٫۵ – ۱٫۵ % است . هر قدر مقدار كربن بالا باشد به همان ميزان

حداكثر سختي پذيري بيشتر مي شود . عناصر آلياژي Cr، W، Mn، Mo و Ni

باعث مي شود كه اين فولادها حتي در مقاطع بزرگ سختكاري مغزي شده

دچار تابيدگي شديد نگردند.

فولادهاي سردكار

فولادهاي سردكار قبل از هر چيزي بايد مقاومت سايشي بالا و نيز استحكام

فشاري _ و چقرمگي _ بالا داشته باشد. در حالت بازپخت شده قابليت

ماشينكاري خوبي دارد و هنگام عمليات حرارتي كمتر دچار تغيير ابعادي و

تابيدگي مي شود.

فولادهاي گرم كار

استحكام، سختي و مقاومت به سايش فولادهاي گرم كار حتي در دماهاي

بالا فقط خيلي كم تغيير مي كند. اين ويژگي ها و نيز افزايش _ استحكام

گرمايي ، _ چقرمگي گرمايي،_ مقاومت برگشت و _ مقاومت نوسانات دما

به واسطه عناصر آلياژي كرم، واناديم، تنگستن، نيكل و موليبدن مي باشد.

همه چيز درباره فولاد

فولاد يا پولاد به آلياژهاي آهن كه بين 25 0/۰ تا حدود ۲ درصد كربن دارند گفته مي شود، فولادهاي آلياژي غالبا با فلزهاي ديگري نيز همراهند. خواص فولاد به درصد كربن موجود در آن، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد.

براي ساختن سيم، لوله و ورق از فولاد استفاده مي‌شود.

فولاد متوسط ۲/0 تا ۶/0 درصد كربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بكار مي‌برند.

فولاد سخت ۶/0 تا 5/1

درصد كربن دارد، و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي‌شود.

آهني كه از كوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود كه داراي مقاديري كربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

1. سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن

2. افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن .

فولادها از نظر آلياژي به چهار گروه اصلي تقسيم مي شوند:

1- فولادهاي ساده كربني

2- فولادهاي كم آلياژ

3- فولادهاي متوسط آلياژ

4- فولادهاي پر آلياژ

در فولادهاي ساده كربني، كربن اصلي ترين عنصر آلياژي بوده و عناصري مانند منگنز و سيليسيوم و آلومينيوم به مقدار جزيي و براي گاز زدايي به آن ها اضافه مي شود. ميزان كربن اين فولادها نقش اصلي در ميزان افزايش استحكام آنها پس از عمليات حرارتي دارد.

اين فولادها به سه گروه كم كربن، كربن متوسط و پر كربن تقسم مي شوند:

1- فولادهاي كم كربن با حداكثر 0.25 درصد كربن Low Carbon Steel

2- فولاد كربن متوسط با 0.55-0.25 درصد كربن Medium carbon steel

3- فولاد پر كربن با 0.5 >درصد كربن High carbon steel

پس از فولادهاي كربني، فولادهاي كم آلياژ و متوسط آلياژ بوده كه ميزان منگنز و سيليسيوم آنها بيشتر از مقدار لازم براي اكسيژن زدايي مي باشد و عناصر ديگري مثل نيكل، كرم و موليبدن نيز به آنها اضافه شده است. عناصري مانند تيتانيوم، نيوبيوم، مس و بر نيز در صورت لزوم و به ميزان جزيي ممكن است به آنها اضافه شود. افزودن اين عناصر آلياژي به فولادها جهت بهبود عمليات حرارتي پذيري آنها و افزايش برخي خواص فيزيكي و مكانيكي مي باشد.

لازم به ذكر است كه جهت طبقه بندي فولادهاي كم آلياژ، متوسط آلياژ و پر آلياژ محدوديتي وجود نداشته و عموما به فولادهاي حاوي بيش از 10% عناصر آلياژي، فولادهاي پرآلياژ مي گويند.

دياگرام آهن - كربن

دياگرام فازي دوتايي آهن – كربن، دياگرامي تعادلي از كربن در محلول جامد آهن است كه نشان دهنده تغييرات ساختاري آلياژهاي آهن – كربن نسبت به درجه حرارت مي باشد. اين دياگرام بر حسب درصد كربن آلياژ، درجه حرارت، سرد كردن يا گرم كردن بسيار آهسته رسم شده و به همين علت به آن دياگرام تعادلي آهن – كربن مي گويند.

از آنجايي كه آهن و كربن تشكيل يك تركيب واسطه به نام سمنتيت Fe3C مي دهد، اين دياگرام را دياگرام آهن – سمانتيت نيز مي نامند.

آهن ماده اي آلوتروپيك (چند ساختاري) بوده و در حين انجماد از حالت مذاب تا رسيدن به دماي محيط، تبديل به ساختارهاي مختلف مي شود. در نمودار آهن - كربن سمانتيت، آستنيت، لدبوريت، آهن آلفا، آهن گاما و آهن بتا ديده مي شود.

در نمودار آهن-كربن سه نوع فولاد با تركيب و ريزساختار مختلف ديده مي شود (يوتكتوئيدي، هيپويوتكتوئيدي، هايپريوتكتوئيدي) كه توضيحات آن در لينك زير به تفصيل آمده است.

فولادهاي ساده كربني

فولادهاي ساده كربني مهمترين گروه آلياژهاي مهندسي هستند. اين فولادها به علت هزينه نسبتا كم توليد و داشتن گستره وسيعي از خواص در بين مواد مهندسي در درجه اول اهميت قرار دارند. كاربرد فولادهاي ساده كربني نامحدود بوده و مي تواند شامل ورق، نوار، ميله، سيم، محصولات لوله اي، شكل هاي ساختماني، آهنگري شده، ريخته گري و ... باشد.

طبقه بندي فولادهاي ساده كربني

فولادهاي ساده كربني بسته به نوع و كاربردشان در چند سيستم مختلف دسته بندي مي شوند و دسته بندي منحصر به فردي كه در مورد تمامي فولادهاي ساده كربني به كار رود، وجود ندارد. دو سيستم مختلفي كه در اين زمينه بيشترين كاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE

سيستم دسته بندي AISI-SAE براي فولادهاي ساده كربني

اين سيستم در مورد ميلگردهاي نورد سرد و نورد گرم شده، سيم ها، ميله ها و لوله هاي بدون درز و محصولات نيمه تمام براي آهنگري به كار برده مي شود. از آنجا كه در فولادهاي ساده كربني، درصد كربن نقش اصلي و تعيين كننده ميزان استحكام آنها مي باشد، در اين سيستم از درصد كربن براي شناسايي فولادهاي مختلف استفاده مي شود.

براي نامگذاري از چهار عدد استفاده شده كه دو عدد اول 10 مشخص كننده فولاد ساده كربني است. دو رقم بعدي مشخص كننده صدم درصد كربن است.

به عنوان مثال؛ عدد 1020 مشخص كننده فولاد ساده كربني با 0.2% اسمي كربن است.

اثر عناصر آلياژي بر فولادهاي ساده كربني

فولادهاي ساده كربني ، علاوه بر كربن حاوي عناصر زير نيز مي باشند:

منگنز تا 1%

گوگرد تا 0.05%

فسفر تا 0.04%

سيليسيم تا 0.3%

منگنز

محدوده استفاده از منگنز در فولادهاي ساده كربني مي تواند از حداكثر 0.35% در فولاد 1005 تا حداكثر 1% در فولادهاي 1085 AISI متغير باشد. منگنز با گوگرد موجود در فولاد تركيب شده و سولفيد منگنز را ايجاد مي كند. منگنز با ريزكردن پرليت و ايجاد محلول جامد با فريت موجب افزايش استحكام تسليم فولادهاي ساده كربني مي شود.

گوگرد

گوگرد مي تواند حداكثر تا 0.05% در فولاد ساده كربني وجود داشته باشد. معمولا با منگنز تركيب شده و تشكيل آخال MnS مي دهد. اگر گوگرد با آهن تركيب شود، تشكيل FeS داده كه معمولا در مرزدانه ها رسوب مي كند. از آنجايي كه FeS تركيبي سخت بوده و داراي نقطه ذوب پاييني مي باشد، لذا ممكن است در حين كارسرد و يا كارگرم فولاد ايجاد ترك كند. به همين دليل و براي جلوگيري از تشكيل اين تركيب نامطلوب مي بايست نسبت منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 باشد.

فسفر

از آنجايي كه فسفر تركيب خيلي تردي با آهن تشكيل مي دهد(Fe3P)، لذا ميزان فسفر فولادهاي كربني در حد 0.04% محدود مي باشد.

سيليسيم

سيليسيم به عنوان اكسيژن زدا، حين فولادسازي به مذاب اضافه شده و تشكيل آخال هاي SiO2 مي دهد. ميزان سيليسيم فولاد ساده كربني مي تواند از 0.1 تا 0.3% متغير باشد.

در مقايسه با فولادهاي كم كربن عمليات حرارتي ناپذير كه كربني بين 0.06 تا 0.1 درصد دارند، فولادهاي دسته اول داراي سختي و استحكام بيشتري بوده ولي شكل پذيري سرد كمتري دارند. استحكام اين دسته فولادها را مي توان با عمليات حرارتي بالا برد اما اين روش اقتصادي نمي باشد. جهت افزايش سختي اين فولادها، آنها را كربوره كرده يا به طور سطحي سخت مي كنند. براي كربوره كردن معمولا فولادهاي AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و براي مقاطع بزرگتر، فولادهاي AISI1015,1020,1022 به كار مي رود.

دسته دوم، فولادهاي كربن متوسط، كربن بيشتري داشته و معمولا با كوئنچ و تمپر (آب دهي و برگشت)، استحكام مي يابند. اگر انتخاب محلول و دماي كوئنچ (آبدهي) مناسب باشد، مي توان محدوده وسيعي از خواص مكانيكي را بدست آورد. در بين اين سه گروه از فولادهاي ساده كربني سختي پذير، دسته دوم بيشترين و وسيع ترين كاربرد را داشته و بيشتر قطعات خودرو از اين فولادها ساخته مي شوند.

دسته سوم فولادهاي ساده كربني كه كربني بالاتر از 0.55% دارند، نسبت به فولادهاي كربن متوسط كاربرد كمتري دارند زيرا هزينه توليد و ساخت آنها گران تر بوده و قابليت جوشكاري و شكل پذيري كمتري دارند. و چون كربن بيشتري دارند در اثر فرايند آبدهي، حداكثر سختي را به دست مي آورند.

فولادهاي آلياژي

اگرچه توليد فولادهاي ساده كربني ارزان مي باشد اما در كاربردهاي مختلف مهندسي، اين فولادها هميشه جوابگو نيستند. فولادهاي آلياژي اگرچه از لحاظ قيمت گران تر از فولادهاي ساده كربني هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادي تر مي باشد.

عناصر آلياژي كه در توليد فولادهاي آلياژي استفاده مي شود عبارتند از: نيكل، كرم، موليبدن، منگنز، سيليسيم و واناديم. در بعضي موارد عناصري ديگري مثل كبالت، مس و سرب نيز اضافه مي شود.

عناصر آلياژي جهت حصول خوا ص متالورژيكي مطلوب به فولادها اضافه مي شود كه بعضي از مهم ترين آنها عبارتند از:

1- بهبود خواص مكانيكي در دماهاي مختلف

2- افزايش دماي باز پخت با حفظ استحكام و بهبود شكل پذيري

3- بهبود مقاومت به خوردگي در دماهاي بالا

و ساير موارد.

طبقه بندي فولادهاي آلياژي

در تعريف كلي، فولادهاي حاوي تا 50% عناصر آلياژي را فولاد آلياژي مي گويند. اما از از نقطه نظر فني، فولاد آلياژي به فولادهاي ماشين سازي و ساختماني عمليات حرارتي پذير كه حاوي 1 تا 4 درصد عناصر آلياژي هستند، اطلاق مي شود.

اين فولادها در ايالات متحده امريكا عموما با سيستم نامگذاري AISI-SAE مشخص مي شوند. در اين سيستم براي نامگذاري هر فولاد آلياژي از يك عدد چهار رقمي استفاده شده كه دو رقم اول مشخص كننده عنصر آلياژي اصلي يا گروه عناصر آلياژي و دو رقم آخر مشخص كننده تقريبي درصد اسمي كربن در آلياژ است.

كاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادي كه تا ۰٫۲ درصد كربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد كربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بكار مي‌برند. فولادي كه ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد كربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد

آهني كه از كوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود كه داراي مقاديري كربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن

افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اكسيژن به اكسيد تبديل مي‌شوند و با كمك ذوب مناسبي تركيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و كربن هم مي‌سوزد و مونوكسيد كربن (CO) يا دي‌اكسيد كربن (CO۲) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يك كمك ذوب اسيدي كه معمولاً دي‌اكسيد سيلسيم (SiO۲) است، بكار مي‌برند:

(MnO + SiO۲ ——-> MnSiO۳(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است)، يك كمك ذوب بازي كه معمولاً اكسيد منيزيم (MgO) يا اكسيد كلسيم (CaO) است، اضافه مي‌كنند:

(MgO + SiO۲ ——-> MgSiO۲(l

(۶MgO + P۴O۱۰ ——-> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

كوره توليد فولاد و جدا كردن ناخالصي‌ها

معمولاً جداره داخلي كوره‌اي را كه براي توليد فولاد بكار مي‌رود، توسط آجرهايي كه از ماده كمك ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند.

اين پوششي مقداري از اكسيدهايي را كه بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌كند. براي جدا كردن ناخالصي‌ها، معمولاً از روش كوره باز استفاده مي‌كنند. اين كوره يك ظرف بشقاب مانند دارد كه در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد. بالاي اين ظرف، يك سقف مقعر قرار دارد كه گرما را روي سطح فلز مذاب منعكس مي‌كند. جريان شديدي از اكسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌كشد، البته مقداري از آهن، اكسيد مي‌شود كه آن را جمع‌آوري كرده، به كوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري كه از همين اصول شيميايي براي جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و كمك ذوب در كوره‌اي بشكه مانند كه گنجايش ۳۰۰ تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اكسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌كنند و با كج كردن و چرخاندن بشكه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اكسيژن قرار مي‌دهند. اكسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO۲ رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري كه آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي آنكه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريباً به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واكنشها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي‌ اين فرايند، در مدت يك ساعت يا كمتر كامل مي‌شود و معمولاً محصولي يكنواخت و داراي كيفيت خوب بدست مي‌آيد.

فولاد آلياژي (به انگليسي: Alloy steel) فولادي است كه با عنصرهاي گوناگون به صورت آلياژ درآمده، براي بهبود ويژگي‌هاي مكانيكي فولاد مي‌توان از ۱٫۰ تا ۵۰٪ از وزن آن را آلياژ كرد. آلياژهاي فولاد دو دسته‌اند: فولاد كم‌آلياژ و فولاد پُرآلياژ. تفاوت ميان اين دو، مي‌توان گفت، قراردادي است: اسميت و هاشمي تفاوت اين دو را در ۴٫۰٪ دانسته‌اند در حالي كه گروه دگرمو آن را در ۸٫۰٪ مي‌دانند.[۱][۲] در حالت كلي وقتي صحبت از «آلياژ فولاد» مي‌شود منظور فولاد كم‌آلياژ است. فولاد تندبر خود فولاد در واقع نوعي آلياژ است. اما تمام گونه‌هاي فولاد را آلياژ نمي‌خوانند. ساده‌ترين نوع فولاد كه تقريباً مي‌توان گفت آهن است (نزديك به ۹۹٪) خود با عنصر كربن آلياژ شده‌است (بسته به نوع فولاد از ۰٫۱٪ تا ۱٪). بنابراين منظور از آلياژ فولاد، تركيبي از فولاد، كربن و ديگر عنصرها است. عنصرهايي كه بيشتر براي اين هدف كاربرد دارند، عبارتند از: منگنز (پركاربردترين)، نيكل، كروم، موليبدن، واناديم، سيليسيم و بور. و عنصرهاي كم كاربردتر عبارتند از: آلومينيم، كبالت، مس، سريم، نيوبيم، تيتانيم، تنگستن، قلع، روي، سرب و زيركونيم. فولاد سرد كار از تركيب عنصرهاي بالا با فولاد و آلياژسازي، برخي ويژگي‌هاي فولاد كربن مانند مقاومت، سختي، چقرمگي، سايش، سخت شدگي و سختي در دماي بالا به گونهٔ درخور توجهي بهبود مي‌يابد. براي دستيابي به بعضي از اين ويژگي‌ها بايد عمليات حرارتي روي فلز انجام شود.

ويژگي‌هاي يادشده در بالا در كاربردهاي ويژه‌اي چون پرّه‌هاي توربين، موتور جت، فضاپيماها و رآكتورهاي هسته‌اي بسيار مورد نياز است. به دليل ويژگي‌هاي فرومغناطيس آهن، بعضي آلياژهاي فولاد و پاسخي كه اين آلياژها در محيط مغناطيسي مي‌دهند، اهميت ويژه‌اي پيدا مي‌كند. در موتورهاي الكتريكي و ترانسفورماتورها نيز چنين است.

فولاد كم‌آلياژ

از فولاد كم‌آلياژ بيشتر براي دستيابي به توان سخت شدگي استفاده مي‌شود. چون با رسيدن به اين ويژگي ديگر ويژگي‌هاي مكانيكي هم بهبود مي‌يابند. همچنين آن‌ها براي مقاومت در برابر خوردگي در شرايط خشن هم كاربرد دارند.[۳]

اگر درجهٔ كربن فولاد كم‌آلياژ متوسط يا بالا باشد، فرايند جوش در آن‌ها دشوار مي‌شود. با كاهش كربن و قرار دادن آن در بازهٔ ۰٫۱۰٪ تا ۰٫۳۰٪ و همچنين كاهش ديگر عنصرهاي آلياژي توان جوش پذيري و شكل‌پذيري فولاد را افزايش مي‌دهيم. چنين فولادي در ردهٔ فولاد كم‌آلياژ پراستحكام قرار مي‌گيرد.

چند مورد از فولادهاي كم‌آلياژ عبارتند از:

D6AC

300M

256A

فولاد يا پولاد (به انگليسي: Steel) آلياژي از آهن است كه بين ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آن كربن است. خواص فولاد به كمك تغيير در درصد كربن، عناصر آلياژي و عمليات حرارتي قابل كنترل است.

براي ساخت فولاد، دو روش عمده وجود دارد. روش اول استفاده از آهن اسفنجي و كوره‌هاي قوس الكتريكي براي ذوب آهن اسفنجي و سپس آلياژسازي است. روش دوم استفاده از آهن خام (آهن توليد شده در فرايند احياي غيرمستقيم) و سوزاندن كربن اضافي آن است. طي اين فرايند ميزان كربن آهن خام از بازهٔ ۵٫۳ تا ۶ به ۲٫۰ تا ۱٫۵ درصد وزني كاهش مي‌يابد، سپس عناصر ديگر در آن افزوده مي‌شوند تا تركيب مورد نظر بدست آيد.

استحكام فولاد با «ميزان كربن محلول» به شدت افزايش مي‌يابد اما از طرفي اين افزايش استحكام باعث كاهش قابليت جوشكاري و افزايش احتمال شكست ترد مي‌شود. استحكام فولادهاي فريتي (فرومغناطيس) رابطه معكوسي با شكل‌پذيري دارد. تلفيق استحكام و شكل‌پذيري با پايدارسازي فاز آستنيت (پارامغناطيس) در فولادهاي مدرن چندفازي قابل بهبود است.

آهن معمولاً به صورت سنگ معدني مانند مگنتيت و هماتيت در پوسته زمين يافت مي‌شود. فولاد را با سوزاندن كربن آهن خام سفيد و همجوش كردن آن با كمي كربن و اندازه كردن عنصر‌هاي ديگر در آن، به دو روش خميري كردن و ذوب كردن توليد مي‌كنند.

روش خميري

در آغاز صنعت فولادسازي، فولاد به اين روش ساخته مي‌شد. در اين روش آهن خام را در تشت كوره‌ي شعله‌اي گذاشته مي‌شود و روي آن شعله دميده مي‌شود تا مذاب شود. آهن‌خام مذاب شده به هم زده مي‌شود تا كربن آن با تماس با اكسيژن هوا بسوزد. پس از آن كه كربن آن به مقدار قابل توجهي به صورت گاز {displaystyle {ce {CO2}}} {displaystyle {ce {CO2}}}از آن جدا شد، دماي ذوب آن بالا مي‌رود و به صورت خميري درمي‌آيد. خمير فولاد به صورت تكه‌تكه با گازانبر از كوره بيرون آورده مي‌شود و با پتك روي آن مي‌كوبند تا سرباره تشكيل شده از آن جدا شود و يكپارچه شوند. سپس از فولاد بدست آمده‌استفاده مي‌شود. اين روش به دليل آن كه ظرفيت توليد كافي نداشته و فولاد به دست آمده همواره كيفيت يكسانسي نداشت ديگر مورد استفاده قرار نمي‌گيرد.

روش ذوب

امروزه تقريباً تمامي فولاد جهان از طريق ذوب آهن به روش‌هاي مختلف به دست مي‌آيد. اين روش‌ها مي‌توانند شامل فولادسازي در كنورتور يا فولادسازي در كوره‌هاي EAF باشد.

در روش‌هايي كه از كنوروتور استفاده مي‌شود، آهن‌خام مذابي كه از كه فرايند كوره بلند به دست آمده‌است درون كنورتور ريخته مي‌شود تا با استفاده از دمش گاز اكسيژن كربن اضافي آن سوزانده شود. بدين ترتيب كربن فولاد به ميزان مورد نظر خواهد رسيد. سپس با اضافه كردن عناصر آلياژي به آن استحكام فولاد افزايش خواهد يافت.

در روش‌هايي كه از كوره‌هاي قوس الكتريكي استفاده مي‌كنند، ابتدا آهن اسفنجي توليد شده در فرايند احياي مستقيم درون كوره قوس الكتريكي ريخته مي‌شود تا ذوب گردد. دماي اين كوره‌ها به حدي است كه در همان ذوب اوليه فولاد با درصد كربن نسبتاً پايين توليد مي‌شود. سپس فولاد توليد شده درون كورهٔ پاتيلي ريخته مي‌شود تا در آنجا عمليات آلياژسازي انجام شود. اين عمليات شامل تنظيم كردن ميزان كربن، اضافه كردن عناصر آلياژي و يكدست‌سازي تركيب فولاد است.

پس از بدست آمدن تركيب شيميايي مورد نظر در فولاد، لازم است كه آن را به صورت مورد نياز ريخته‌گري كرد. در اكثر موارد فولاد بدست آمده به صورت تختال، تيرآهن يا ميلگرد ريختگري مداوم مي‌گردد.

فولادريزي

براي ساخت برخي قطعات فولادي كه شكل پيچيده يا تيراژ كمي دارند لازم است به صورت جداگانه ريختگري انجام شود كه در صنعت به آن فولادريزي گفته مي‌شود. فرايند ذوب‌ريزي فولاد همانند چدن‌ريزي مي‌باشد، چون فولاد مذاب هنگام سرد شدن و انجماد دچار انقباض مي‌شود، بايستي قطعات فولادي را از هر سو ۱٫۵٪ تا ۲٪ بزرگ‌تر ساخت تكه شكا پس از انجماد فولاد مذاب، تكهٔ فولادي به اندازهٔ ساخته شده درآيد.[۱] فولاد ابزاري سردكار حتي در يك بازه كوچك از غلظت‌هاي مختلف كربن و آهن كه فولاد را مي‌سازند، مي‌توان ساختارهاي ميكروسكوپي مختلف با خواصي كاملاً متفاوت ايجاد كرد. پايدارترين حالت آهن خالص در دماي اتاق معمولي ساختار مكعبي وسط-بدني (body-centered cubic) است كه alpha iron يا α-iron خوانده مي‌شود. آهن آلفا يك فلز نسبتاً نرم بوده و توان حل كردن كربن زيادي ندارد. افزودن كربن به α-iron باعث توليد فريت (ferrite) مي‌شود.[۲] در دماي ۹۱۰ درجه سلسيوس آهن خالص تبديل به ساختار مكعبي وسط-وجهي (FCC) مي‌شود كه gamma iron يا γ-iron خوانده مي‌شود. افزودن كربن به γ-iron باعث توليد آستنيت (austenite) مي‌شود.[۲]

آهنگري

آهنگري يا فورجينگ فرآيندي است كه در آن با استفاده از نيروي مكانيكي تغيرشكل لازم بر روي فولاد انجام مي‌شود. اين تغيير شكل روي فولاد مي‌تواند طي يك يا چند مرحله توسط پتك‌كاري يا پرس‌كاري انجام شود و شكل نهايي ايجاد گردد. براي افزايش قابليت شكل‌پذيري معمولاً به فولاد گرما مي‌دهند تا به حالت خميري درآيد، سپس آن را با پتك مي‌كوبند. يا چكش‌كاري مي‌كنند تا به شكل خواسته شده در آيد.[۳]

كاربرد انواع مختلف فولاد فولاد گرم كار از فولادي كه تا ۰٫۲ درصد كربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد كربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بكار مي‌برند. فولادي كه ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد كربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد

آهني كه از كوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود كه داراي مقادير قابل توجهي كربن، گوگرد، فسفر، سيليسيوم مي‌باشد.

افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اكسيژن به اكسيد تبديل مي‌شوند و با كمك ذوب مناسبي تركيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و كربن هم مي‌سوزد و مونوكسيد كربن (CO) يا دي‌اكسيد كربن (CO۲) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يك كمك ذوب اسيدي كه معمولاً دي‌اكسيد سيلسيم (SiO۲) است، بكار مي‌برند:

(MnO + SiO2 ----> MnSiO3(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است)، يك كمك ذوب بازي كه معمولاً اكسيد منيزيم (MgO) يا اكسيد كلسيم (CaO) است، اضافه مي‌كنند:

{displaystyle {ce {MgO + SiO2 <=>> MgSiO2}}}

{displaystyle {ce {MgO + SiO2 <=>> MgSiO2}}}

{displaystyle {ce {6MgO + P4O10 <=>> 2Mg3(PO4)2}}}

{displaystyle {ce {6MgO + P4O10 <=>> 2Mg3(PO4)2}}}

كوره توليد فولاد و جدا كردن ناخالصي‌ها

معمولاً جداره داخلي كوره‌اي را كه براي توليد فولاد بكار مي‌رود، توسط آجرهايي كه از ماده كمك ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند. اين پوششي مقداري از اكسيدهايي را كه بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌كند. براي جدا كردن ناخالصي‌ها، معمولاً از روش كوره باز استفاده مي‌كنند. اين كوره يك ظرف بشقاب مانند دارد كه در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد.

بالاي اين ظرف، يك سقف مقعر قرار دارد كه گرما را روي سطح فلز مذاب منعكس مي‌كند. جريان شديدي از اكسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌كشد، البته مقداري از آهن، اكسيد مي‌شود كه آن را جمع‌آوري كرده، به كوره بلند بازمي‌گردانند.

روش ديگر جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري كه از همين اصول شيميايي براي جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه وماده كمك ذوب در كوره‌اي بشكه مانند كه گنجايش ۳۰۰ تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اكسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌كنند و با كج كردن و چرخاندن بشكه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اكسيژن قرار مي‌دهند.

اكسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO۲ رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، به‌طوري‌كه آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي‌آنكه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريباً به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واكنش‌ها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي اين فرايند، در مدت يك ساعت يا كمتر كامل مي‌شود و معمولاً محصولي يكنواخت و داراي كيفيت خوب بدست مي‌آيد.

تبديل آهن به فولاد آلياژي

آهن مذاب تصفيه شده را با افزودن مقدار معين كربن و فلزهاي آلياژ دهنده مثل واناديم، كروم، تيتانيم، منگنز و نيكل به فولاد تبديل مي‌كنند. فولادهاي ويژه ممكن است موليبدن، تنگستن يا فلزهاي ديگر داشته باشند. اين نوع فولادها براي مصارف خاصي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. در دماي زياد، آهن و كربن با يكديگر متحد شده، كاربيد آهن ( {displaystyle {ce {Fe3C}}} {displaystyle {ce {Fe3C}}})

به نام «سمنتيت» تشكيل مي‌دهند. اين واكنش، برگشت‌پذير و گرماگير است:

{displaystyle {ce {3Fe + C + q -> Fe3C}}}

{displaystyle {ce {3Fe + C + q -> Fe3C}}}

هرگاه فولادي كه داراي سمنتيت است، به كندي سرد شود، تعادل فوق به سمت تشكيل آهن و كربن، جابجا شده، كربن به صورت پولك‌هاي گرافيت جدا مي‌شود. اين مكانيزم در چدن‌ها كه درصد كربن در آن‌ها بيشتر است، اهميت بيشتري دارد. برعكس، اگر فولاد به سرعت سرد شود، كربن عمدتاً به شكل سمنتيت باقي مي‌ماند. تجزيه سمنتيت در دماي معمولي به اندازه‌اي كند است كه عملاً انجام نمي‌گيرد. وباسرد كردن سمنتيت فولاد را به وجود مي‌آورند.

توليد فولاد در ايران

ظرفيت توليد فولاد در ايران در سال ۲۰۱۷ با رشد ۲۱٫۴ درصدي نسبت به سال ۲۰۱۶ از ۱۷٫۹ ميليون تن به حدود ۲۱٫۷ ميليون تن در سال رسيده‌است. با اين افزايش ظرفيت ايران را در جايگاه چهاردهم كشورهاي توليدكننده فولاد قرار گرفته‌است. ايران قصد دارد در افق ۱۴۰۴ اين رقم را به ۵۵ ميليون تن در سال برساند.[۵]

در كشور ايران از روش‌هاي احياي مستقيم و كوره بلند براي توليد فولاد استفاده مي‌شود.

فولادهاي استاندارد

فولادهاي متداول داراي كربن با درصد وزني حدود چند هزارم درصد تا يك درصد مي‌باشند. همچنين تمامي فولادها مقادير متغيري از عناصر ديگر بخصوص منگنز را دارا مي‌باشند. منگنز علاوه بر كاهش اكسيژن مذاب، توانايي كار گرم فولاد را نيز افزايش مي‌دهد. سيليسيم، فسفر و سولفور نيز همواره، در اندازه‌هايي گرچه كوچك، وجود دارند. مواد ديگر نيز مي‌توانند در مقادير بسيار كم به علل مختلف همچون طبيعت فرايند توليد فولاد يا ايجاد خواص مطلوب وجود داشته باشند.

فولادها مي‌توانند به صورت ريخته، شمش يا مي‌توان با گرم كردن مجدد، بر روي آن كار گرم با استفاده از يكي از روشهاي نورد، اكستروژن، فورج يا ديگر روش‌هاي ديگر توليد شكل داده شود. براي كاربردهاي مهندسي فولادهاي شكل داده شده، با داشتن فرم، كيفيت سطحي، استحكام و دماي كاري متنوع، بيشترين مواد مورد استفاده هستند.

خلاصه اي درباره فولادها

فولادها را مي توان به روش زير تقيسم بندي كرد:

فولادهاي ساختماني عمومي

منظور از اين فولادها طبق DIN 17 100 فولادهايي هستند كه عمليات حرارتي

براي آن ها پيش بيني نشده است. مهمترين مشخصه اين فولادها خواص

مكانيكي ( مثلا استحكام ، تنش تسليم و ازذياد طول نسبي ) ، گروه كيفي و

ويژگي آن ها جهت شكل دادنه مي باشد.

حداقل استحكام كششي از ۳۱۰ N / MM2 براي فولاد sT 33 تا ۶۹۰ N/ mm2

براي فولاد St 70-2 مي باشد.

تنش تسليم بستگي به ضخامت محصول دارد. مثلا در فولاد ساختماني

St50-2 با ضخامت ۱۶mm تنش تسليم ۲۹۵ N/mm2 و در ضخامت ۶۰-۸۰mm

فقط ۲۶۵ N/mm2 است.

ازدياد طول نسبي با افزايش استحكام كاهش مي يابد، يعني فولاد شكننده

مي شود.

فولاد St37-2 و St70-2 به ترتيب داراي ۲۵% و ۱۰% ازدياد طول نسبي است.

كاربرد

فولادهاي ساختماني عمومي براي قطعاتي استفاده مي شود كه تحت

سايش نبوده و نباز به سختكاري ندارد.مثلا دنباله قالب،پشت بندها،دسته ها

و غيره.

ورق ها و تسمه ها از فولاد غيرآلياژي و نرم و غالبا به روش نورد سرد توليد

مي شود. در ضخامت هاي ۰٫۵-۳ mm (كه ورق ظريف ناميده مي شود) براي

شكل دادن (مثلا كشش عميق) به كار مي رود. بسته به كاربرد بعدي ، ورق

ظريف از نظر نوع سطح و ظاهر و گروه كيفي تقسيم بندي مي شود.

فولادهاي خوش تراش (اتومات)

فولادهاي خوش تراش فولادهاي كيفي غيرآلياژي يا كم آلياژ هستند كه مقدار

گوگرد و فسفر يا منگنز و يا افزوده سرب بالايي دارند.

اين فولادها اكثرا براي قطعات سري سازي (توليد انبوه) روي دستگاه هاي

تراش اتومات به كار مي رود. افزوده هاي آلياژي، گوگرد يا سرب باعث خرد

شدن براده ها شده كه نتيجتا موجب افزايش سرعت براده برداري مي شود.

فولادهاي كربوره

فولادهاي كربوره براي اجزايي به كار مي رود كه بيشتر تحت سايش و خمش

قرار مي گيرد،بدين جهت بايد سطحي سخت و مقاوم به سايش و مغزي نرم

چقرمه با استحكام بالا داشته باشد. فولادهاي كربوره به دو نوع فولاد كربوره

غيرآلياژي با مقدار كربن كمتر از ۰٫۲% (مثلا CK 15، CK 10، C 15 و C 10) و

فولاد كربوره آلياژي؛ آغلياژسازي با منگنز، كرم، موليبدن يا نيكل

(مثلا ۱۶ MnCr 5، ۲۰ CrMo 4، ۲۲ CrMoS 35) تقسيم بندي مي شود.

فولادهاي كربوره آلياژي استحكام كششي بالايي دارد. مثلا فولاد ۱۶ MnCr 5

داراي استحكام كششي ۷۸۰-۱۰۸۰ N/mm2 است در صورتيكه اين مقدار در

فولاد كربوره غير آلياژي C10 برابر ۴۹۰-۶۳۰ N/mm2 است.

فولادهاي بهسازي

فولادهاي بهسازي براي اجزايي به كار مي رود كه تحت بارگزاري هاي شديد

كششي، خمشي و پيچشي از نوع بارهاي ناگهاني است.با عمليات حرارتي

ويژه اي اين فولادها داراي استحكام كششي خيلي بالا و چقرمگي (قابليت

جذب انرژي) بالا مي گردد.

فولاد بهسازي غير آلياژي براي اجزايي با استحكام پايين و سطح مقطع كوچك

(مثلا C 60، CK 45، C35) و فولادهاي بهسازي آلياژي كرم، موليبدن، نيكل و

واناديوم براي اجزاء تحت بارگذاري بالا با سطح مقطع بزرگ

(مثلا ۳۴ CrNiMo 6، ۴۲ CrMo 4، ۳۸ Cr 2) به كار مي رود.

استحكام كششي مي تواند تا حدود ۱۳۰۰ N/mm 2 افزايش يابد، در صورتي

كه ازدياد طول نسبي مربوطه ۹% مي باشد.

فولادهاي بهسازي:

⇐ در وضعيت بهسازي شده با حرف V

⇐ در وضعيت بازپخت نرمال شده با حرف N

⇐ در وضعيت بازپخت نرم شده با حرف G

⇐ در وضعيت عمليات حرارتي شده جهت ماشينكاري بهتر با حرف B مشخص

مي شود.

فولاد نيتروره

فولادهاي نيتروره براي اجزايي كه خاصه تحت بارهاي سايشي و بالاي متغير

قرار دادند و نيز با توجه به اينكه در عمليات حرارتي تقريبا نبايد از نظر ابعادي

تغيير كند و يا دچار تابيدگي شود به كار مي رود. با نفوذ نيتروژن به سطح

قطعه كار لايه ضدسايش ويژه نيتريد آهن به وجود مي آيد.

فولادهاي نيتروره فولادهاي كم آلياژي مي باشند كه نيتريد ساز آن ها عناصر

آلومينيم، كرم و واناديوم است. (مثلا ۳۱ CrMo، ۲۱ G يا ۳۴ CrAIMo 5 V)

البته فولادهاي كربوره، بهسازي كم آلياژ، چدن خاكستري گرافيت ورقه اي

و گرافيت كروي و نيز فولادهاي گرم كار و سردكار قابل نيتروره كردن مي باشد.

فولادهاي ويژه

اين فولادها شامل فولادهاي فنر (مثلا C 75 ; 66 Si 7)، فولادهاي مقاوم به

دماي بالا (مثلا X 4 NiCrTi 25 15)، فولادهاي نسوز (مثلا X15 CrNiSi 25 20)

، فوالادهاي زنگ نزن (مثلا X 5 CrNi 18 8) و فولادهاي نگير (غيرمغناطيسي)

(مثلا X 40 MnCr 18) مي باشد.

فولادهاي ابزاري غيرآلياژي

فولادهاي ابزاري غيرآلياژي جهت ساخت ابزارهايي استفاده مي شود كه

تحت تنش حرارتي بالا قرار نمي گيرد . اين فولادها سختي مغزي يا عمقي

ندارد و سختي بالاي سطحي خود را در دماي حدود ۲۰۰C از دست مي دهد.

بارهاي سنگين به واسطه مغز چقرمه آن تحمل مي شود. مقدار كربن اين

فولادها ۰٫۵ – ۱٫۵ % است . هر قدر مقدار كربن بالا باشد به همان ميزان

حداكثر سختي پذيري بيشتر مي شود . عناصر آلياژي Cr، W، Mn، Mo و Ni

باعث مي شود كه اين فولادها حتي در مقاطع بزرگ سختكاري مغزي شده

دچار تابيدگي شديد نگردند.

فولادهاي سردكار

فولادهاي سردكار قبل از هر چيزي بايد مقاومت سايشي بالا و نيز استحكام

فشاري _ و چقرمگي _ بالا داشته باشد. در حالت بازپخت شده قابليت

ماشينكاري خوبي دارد و هنگام عمليات حرارتي كمتر دچار تغيير ابعادي و

تابيدگي مي شود.

فولادهاي گرم كار

استحكام، سختي و مقاومت به سايش فولادهاي گرم كار حتي در دماهاي

بالا فقط خيلي كم تغيير مي كند. اين ويژگي ها و نيز افزايش _ استحكام

گرمايي ، _ چقرمگي گرمايي،_ مقاومت برگشت و _ مقاومت نوسانات دما

به واسطه عناصر آلياژي كرم، واناديم، تنگستن، نيكل و موليبدن مي باشد.

همه چيز درباره فولاد

فولاد يا پولاد به آلياژهاي آهن كه بين 25 0/۰ تا حدود ۲ درصد كربن دارند گفته مي شود، فولادهاي آلياژي غالبا با فلزهاي ديگري نيز همراهند. خواص فولاد به درصد كربن موجود در آن، عمليات حرارتي انجام شده بر روي آن و فلزهاي آلياژ دهنده موجود در آن بستگي دارد.

براي ساختن سيم، لوله و ورق از فولاد استفاده مي‌شود.

فولاد متوسط ۲/0 تا ۶/0 درصد كربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بكار مي‌برند.

فولاد سخت ۶/0 تا 5/1

درصد كربن دارد، و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي‌شود.

آهني كه از كوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود كه داراي مقاديري كربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

1. سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن

2. افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن .

فولادها از نظر آلياژي به چهار گروه اصلي تقسيم مي شوند:

1- فولادهاي ساده كربني

2- فولادهاي كم آلياژ

3- فولادهاي متوسط آلياژ

4- فولادهاي پر آلياژ

در فولادهاي ساده كربني، كربن اصلي ترين عنصر آلياژي بوده و عناصري مانند منگنز و سيليسيوم و آلومينيوم به مقدار جزيي و براي گاز زدايي به آن ها اضافه مي شود. ميزان كربن اين فولادها نقش اصلي در ميزان افزايش استحكام آنها پس از عمليات حرارتي دارد.

اين فولادها به سه گروه كم كربن، كربن متوسط و پر كربن تقسم مي شوند:

1- فولادهاي كم كربن با حداكثر 0.25 درصد كربن Low Carbon Steel

2- فولاد كربن متوسط با 0.55-0.25 درصد كربن Medium carbon steel

3- فولاد پر كربن با 0.5 >درصد كربن High carbon steel

پس از فولادهاي كربني، فولادهاي كم آلياژ و متوسط آلياژ بوده كه ميزان منگنز و سيليسيوم آنها بيشتر از مقدار لازم براي اكسيژن زدايي مي باشد و عناصر ديگري مثل نيكل، كرم و موليبدن نيز به آنها اضافه شده است. عناصري مانند تيتانيوم، نيوبيوم، مس و بر نيز در صورت لزوم و به ميزان جزيي ممكن است به آنها اضافه شود. افزودن اين عناصر آلياژي به فولادها جهت بهبود عمليات حرارتي پذيري آنها و افزايش برخي خواص فيزيكي و مكانيكي مي باشد.

لازم به ذكر است كه جهت طبقه بندي فولادهاي كم آلياژ، متوسط آلياژ و پر آلياژ محدوديتي وجود نداشته و عموما به فولادهاي حاوي بيش از 10% عناصر آلياژي، فولادهاي پرآلياژ مي گويند.

دياگرام آهن - كربن

دياگرام فازي دوتايي آهن – كربن، دياگرامي تعادلي از كربن در محلول جامد آهن است كه نشان دهنده تغييرات ساختاري آلياژهاي آهن – كربن نسبت به درجه حرارت مي باشد. اين دياگرام بر حسب درصد كربن آلياژ، درجه حرارت، سرد كردن يا گرم كردن بسيار آهسته رسم شده و به همين علت به آن دياگرام تعادلي آهن – كربن مي گويند.

از آنجايي كه آهن و كربن تشكيل يك تركيب واسطه به نام سمنتيت Fe3C مي دهد، اين دياگرام را دياگرام آهن – سمانتيت نيز مي نامند.

آهن ماده اي آلوتروپيك (چند ساختاري) بوده و در حين انجماد از حالت مذاب تا رسيدن به دماي محيط، تبديل به ساختارهاي مختلف مي شود. در نمودار آهن - كربن سمانتيت، آستنيت، لدبوريت، آهن آلفا، آهن گاما و آهن بتا ديده مي شود.

در نمودار آهن-كربن سه نوع فولاد با تركيب و ريزساختار مختلف ديده مي شود (يوتكتوئيدي، هيپويوتكتوئيدي، هايپريوتكتوئيدي) كه توضيحات آن در لينك زير به تفصيل آمده است.

فولادهاي ساده كربني

فولادهاي ساده كربني مهمترين گروه آلياژهاي مهندسي هستند. اين فولادها به علت هزينه نسبتا كم توليد و داشتن گستره وسيعي از خواص در بين مواد مهندسي در درجه اول اهميت قرار دارند. كاربرد فولادهاي ساده كربني نامحدود بوده و مي تواند شامل ورق، نوار، ميله، سيم، محصولات لوله اي، شكل هاي ساختماني، آهنگري شده، ريخته گري و ... باشد.

طبقه بندي فولادهاي ساده كربني

فولادهاي ساده كربني بسته به نوع و كاربردشان در چند سيستم مختلف دسته بندي مي شوند و دسته بندي منحصر به فردي كه در مورد تمامي فولادهاي ساده كربني به كار رود، وجود ندارد. دو سيستم مختلفي كه در اين زمينه بيشترين كاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE

سيستم دسته بندي AISI-SAE براي فولادهاي ساده كربني

اين سيستم در مورد ميلگردهاي نورد سرد و نورد گرم شده، سيم ها، ميله ها و لوله هاي بدون درز و محصولات نيمه تمام براي آهنگري به كار برده مي شود. از آنجا كه در فولادهاي ساده كربني، درصد كربن نقش اصلي و تعيين كننده ميزان استحكام آنها مي باشد، در اين سيستم از درصد كربن براي شناسايي فولادهاي مختلف استفاده مي شود.

براي نامگذاري از چهار عدد استفاده شده كه دو عدد اول 10 مشخص كننده فولاد ساده كربني است. دو رقم بعدي مشخص كننده صدم درصد كربن است.

به عنوان مثال؛ عدد 1020 مشخص كننده فولاد ساده كربني با 0.2% اسمي كربن است.

اثر عناصر آلياژي بر فولادهاي ساده كربني

فولادهاي ساده كربني ، علاوه بر كربن حاوي عناصر زير نيز مي باشند:

منگنز تا 1%

گوگرد تا 0.05%

فسفر تا 0.04%

سيليسيم تا 0.3%

منگنز

محدوده استفاده از منگنز در فولادهاي ساده كربني مي تواند از حداكثر 0.35% در فولاد 1005 تا حداكثر 1% در فولادهاي 1085 AISI متغير باشد. منگنز با گوگرد موجود در فولاد تركيب شده و سولفيد منگنز را ايجاد مي كند. منگنز با ريزكردن پرليت و ايجاد محلول جامد با فريت موجب افزايش استحكام تسليم فولادهاي ساده كربني مي شود.

گوگرد

گوگرد مي تواند حداكثر تا 0.05% در فولاد ساده كربني وجود داشته باشد. معمولا با منگنز تركيب شده و تشكيل آخال MnS مي دهد. اگر گوگرد با آهن تركيب شود، تشكيل FeS داده كه معمولا در مرزدانه ها رسوب مي كند. از آنجايي كه FeS تركيبي سخت بوده و داراي نقطه ذوب پاييني مي باشد، لذا ممكن است در حين كارسرد و يا كارگرم فولاد ايجاد ترك كند. به همين دليل و براي جلوگيري از تشكيل اين تركيب نامطلوب مي بايست نسبت منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 باشد.

فسفر

از آنجايي كه فسفر تركيب خيلي تردي با آهن تشكيل مي دهد(Fe3P)، لذا ميزان فسفر فولادهاي كربني در حد 0.04% محدود مي باشد.

سيليسيم

سيليسيم به عنوان اكسيژن زدا، حين فولادسازي به مذاب اضافه شده و تشكيل آخال هاي SiO2 مي دهد. ميزان سيليسيم فولاد ساده كربني مي تواند از 0.1 تا 0.3% متغير باشد.

در مقايسه با فولادهاي كم كربن عمليات حرارتي ناپذير كه كربني بين 0.06 تا 0.1 درصد دارند، فولادهاي دسته اول داراي سختي و استحكام بيشتري بوده ولي شكل پذيري سرد كمتري دارند. استحكام اين دسته فولادها را مي توان با عمليات حرارتي بالا برد اما اين روش اقتصادي نمي باشد. جهت افزايش سختي اين فولادها، آنها را كربوره كرده يا به طور سطحي سخت مي كنند. براي كربوره كردن معمولا فولادهاي AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و براي مقاطع بزرگتر، فولادهاي AISI1015,1020,1022 به كار مي رود.

دسته دوم، فولادهاي كربن متوسط، كربن بيشتري داشته و معمولا با كوئنچ و تمپر (آب دهي و برگشت)، استحكام مي يابند. اگر انتخاب محلول و دماي كوئنچ (آبدهي) مناسب باشد، مي توان محدوده وسيعي از خواص مكانيكي را بدست آورد. در بين اين سه گروه از فولادهاي ساده كربني سختي پذير، دسته دوم بيشترين و وسيع ترين كاربرد را داشته و بيشتر قطعات خودرو از اين فولادها ساخته مي شوند.

دسته سوم فولادهاي ساده كربني كه كربني بالاتر از 0.55% دارند، نسبت به فولادهاي كربن متوسط كاربرد كمتري دارند زيرا هزينه توليد و ساخت آنها گران تر بوده و قابليت جوشكاري و شكل پذيري كمتري دارند. و چون كربن بيشتري دارند در اثر فرايند آبدهي، حداكثر سختي را به دست مي آورند.

فولادهاي آلياژي

اگرچه توليد فولادهاي ساده كربني ارزان مي باشد اما در كاربردهاي مختلف مهندسي، اين فولادها هميشه جوابگو نيستند. فولادهاي آلياژي اگرچه از لحاظ قيمت گران تر از فولادهاي ساده كربني هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادي تر مي باشد.

عناصر آلياژي كه در توليد فولادهاي آلياژي استفاده مي شود عبارتند از: نيكل، كرم، موليبدن، منگنز، سيليسيم و واناديم. در بعضي موارد عناصري ديگري مثل كبالت، مس و سرب نيز اضافه مي شود.

عناصر آلياژي جهت حصول خوا ص متالورژيكي مطلوب به فولادها اضافه مي شود كه بعضي از مهم ترين آنها عبارتند از:

1- بهبود خواص مكانيكي در دماهاي مختلف

2- افزايش دماي باز پخت با حفظ استحكام و بهبود شكل پذيري

3- بهبود مقاومت به خوردگي در دماهاي بالا

و ساير موارد.

طبقه بندي فولادهاي آلياژي

در تعريف كلي، فولادهاي حاوي تا 50% عناصر آلياژي را فولاد آلياژي مي گويند. اما از از نقطه نظر فني، فولاد آلياژي به فولادهاي ماشين سازي و ساختماني عمليات حرارتي پذير كه حاوي 1 تا 4 درصد عناصر آلياژي هستند، اطلاق مي شود.

اين فولادها در ايالات متحده امريكا عموما با سيستم نامگذاري AISI-SAE مشخص مي شوند. در اين سيستم براي نامگذاري هر فولاد آلياژي از يك عدد چهار رقمي استفاده شده كه دو رقم اول مشخص كننده عنصر آلياژي اصلي يا گروه عناصر آلياژي و دو رقم آخر مشخص كننده تقريبي درصد اسمي كربن در آلياژ است.

كاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادي كه تا ۰٫۲ درصد كربن دارد، براي ساختن سيم، لوله و ورق فولاد استفاده مي‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد كربن دارد و آن را براي ساختن ريل، ديگ بخار و قطعات ساختماني بكار مي‌برند. فولادي كه ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد كربن دارد، سخت است و از آن براي ساختن ابزارآلات، فنر و كارد و چنگال استفاده مي‌شود.

ناخالصي‌هاي آهن و توليد فولاد

آهني كه از كوره بلند خارج مي‌شود، چدن ناميده مي‌شود كه داراي مقاديري كربن، گوگرد، فسفر، سيليسيم، منگنز و ناخالصي‌هاي ديگر است. در توليد فولاد دو هدف دنبال مي‌شود:

سوزاندن ناخالصي‌هاي چدن

افزودن مقادير معين از مواد آلياژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سيليسيم در چدن مذاب توسط هوا يا اكسيژن به اكسيد تبديل مي‌شوند و با كمك ذوب مناسبي تركيب شده، به صورت سرباره خارج مي‌شوند. گوگرد به صورت سولفيد وارد سرباره مي‌شود و كربن هم مي‌سوزد و مونوكسيد كربن (CO) يا دي‌اكسيد كربن (CO۲) در مي‌آيد. چنانچه ناخالصي اصلي منگنز باشد، يك كمك ذوب اسيدي كه معمولاً دي‌اكسيد سيلسيم (SiO۲) است، بكار مي‌برند:

(MnO + SiO۲ ——-> MnSiO۳(l

و چنانچه ناخالصي اصلي سيلسيم يا فسفر باشد (و معمولاً چنين است)، يك كمك ذوب بازي كه معمولاً اكسيد منيزيم (MgO) يا اكسيد كلسيم (CaO) است، اضافه مي‌كنند:

(MgO + SiO۲ ——-> MgSiO۲(l

(۶MgO + P۴O۱۰ ——-> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

كوره توليد فولاد و جدا كردن ناخالصي‌ها

معمولاً جداره داخلي كوره‌اي را كه براي توليد فولاد بكار مي‌رود، توسط آجرهايي كه از ماده كمك ذوب ساخته شده‌اند، مي‌پوشانند.

اين پوششي مقداري از اكسيدهايي را كه بايد خارج شوند، به خود جذب مي‌كند. براي جدا كردن ناخالصي‌ها، معمولاً از روش كوره باز استفاده مي‌كنند. اين كوره يك ظرف بشقاب مانند دارد كه در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جاي مي‌گيرد. بالاي اين ظرف، يك سقف مقعر قرار دارد كه گرما را روي سطح فلز مذاب منعكس مي‌كند. جريان شديدي از اكسيژن را از روي فلز مذاب عبور مي‌دهند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن بسوزند. در اين روش ناخالصيها در اثر انتقال گرما در مايع و عمل پخش به سطح مايع مي‌آيند و عمل تصفيه چند ساعت طول مي‌كشد، البته مقداري از آهن، اكسيد مي‌شود كه آن را جمع‌آوري كرده، به كوره بلند باز مي‌گردانند.

روش ديگر جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن

در روش ديگري كه از همين اصول شيميايي براي جدا كردن ناخالصي‌ها از آهن استفاده مي‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و كمك ذوب در كوره‌اي بشكه مانند كه گنجايش ۳۰۰ تن بار را دارد، مي‌ريزند. جريان شديدي از اكسيژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدايت مي‌كنند و با كج كردن و چرخاندن بشكه، همواره سطح تازه‌اي از فلز مذاب را در معرض اكسيژن قرار مي‌دهند. اكسايش ناخالصي‌ها بسيار سريع صورت مي‌گيرد و وقتي محصولات گازي مانند CO۲ رها مي‌شوند، توده مذاب را به هم مي‌زنند، بطوري كه آهن ته ظرف، رو مي‌آيد. دماي توده مذاب، بي آنكه از گرماي خارجي استفاده شود، تقريباً به دماي جوش آهن مي‌رسد و در چنين دمايي، واكنشها فوق‌العاده سريع بوده، تمامي‌ اين فرايند، در مدت يك ساعت يا كمتر كامل مي‌شود و معمولاً محصولي يكنواخت و داراي كيفيت خوب بدست مي‌آيد.