فولاد

اطلاعات کلی در مورد فولاد :

بر مبنای یک تعریف قدیمی ،فولاد های آلیاژی از آهن و کربن هستند که در اکثر حالات دارای انعطاف و شکل پذیری مناسبی می باشند.مقدار کربن در فولاد  تا حدود ۷/۱ درصد متغیر بوده و از طرف دیگر عناصری نظیر منگنز و سیلیسیم در مقادیر کمتر از ۱ درصد و گوگرد  و فسفر در مقادیر جزیی به عنوان ناخالصی  در فولاد موجود هستند.

امروزه تعریف فوق نمی تواند تمام فولاد ها را شامل شود زیرا فولاد هایی وجود دارند که مقدار عناصر آلیاژی متشکله آنها گاه از مرز ۵۰ درصد نیز تجاوز می کند.

ترکیبی از استحکام بالا و قابلیت چکش خواری، فولاد ها را از دیگر آلیاژها و مواد فلزی متمایز می سازد.فولاد ها در مقابل اعمال تنش های متغیر و نیروهای ضربه ای بسیار مقاوم بوده و از طرف دیگر امکان استفاده از آنها در درجات حرارتی زیر صفر (۱۰۰- درجه سانتیگراد)و حرارتی بالا(تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد و گاه بالاتر از آن)وجود دارد.استفاده از عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کبالت،مولیبدن و تنگستن ، این خانواده از آلیاژهای صنعتی را برای مصرف در درجات حرارتی بالا مناسب نموده است.

چون تعداد و انواع فولاد ها بسیار زیاد است و خواص آنها اعم از : مکانیکی،فیزیکی،شیمیایی و متالورژیکی نیز بسیار متنوع می باشد و به علاوه با عملیات مختلف نظیر : ریخته گری،مکانیکی (شامل نورد،کشش،فشار و …)عملیات حرارتی(دوباره پخت،آب دادن ،برگشت و … )،عملیات شیمیایی (مانند سمانتاسیون،نیتروراسیون،سیانوره و … )،تغییر حالت می دهند،لذا مطالعه کامل فولاد ها بسیار مفصل و طولانی است به همین علت در این قسمت فقط به مطالعه فولاد های ریختگی که در متالورژی صنعتی از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند پرداخته می شود.

لازم به توضیح است که امروزه ریخته گری فولاد اهمیت زیادتری پیدا کرده است و تهیه بسیاری از قطعات فولادی که قبلا با آهنگری و پرس انجام می گرفت،اکنون با روش ریخته گری تولید می شود.فولاد ها ممکن است بر حسب :ترکیب شیمیایی(ساده کربنی،مخصوص،کم عیار و مخصوص پر عیار)،جنس و یا دقت در کنترل جنس (متوسط،خوب و عالی)،روش تهیه (زیمنس مارتن،بسمر،توماس،ال دی و الکتریکی)یا از نقطه نظر کاربرد تقسیم بندی شوند.از لحاظ کاربرد و مصرف فولاد ها را می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

ریختگی،ساختمانی،جوشکاری،خوش تراش،ابزار،ماشین سازی،فولاد های لوله های بدوندرز،نیتروراسیون،ساچمه،فنر،ضد زنگ،نسوز،مغناطیسی(سخت و نرم)،غیر مغناطیسی،آلیاژی مقاومت دار(الکتریکی)،مقاوم به ساییدگی،کاربردهای خاص(زنجیر،مفتول،کابل و … )،مقاوم به سرما و غیره.

قطعات ریختگی فولادی به دو دسته اصلی شمشهای ریختگی و شکلهای ریختگی فولادی تقسیم می شوند.شمش های فولادی مورد استفاده مستقیم نداشته بلکه پس از انجام عملیات بعدی نظیر کار مکانیکی(نورد،کوبش….)به محصولات تمام شده ای نظیر ورق،نبشی- سپری- تیرآهن و قطعات مهندسی نظیر میل لنگ،شاتون،اتصالات و شیرها ،گلوله های آسیاب و … تبدیل می گردند.فولاد هایی که صرف تولید شمشها می شوند نیاز به قابلیت تغییر شکل پذیری مکانیکی داشته به همین دلیل،فولاد های کارپذیر نامیده می شوند.شکلهای ریختگی فولادی که عموما واژه قطعات ریختگی فولادی در مورد آنها به کار می رود،قطعات ریختگی در شکلهای مختلف از ساده تا پیچیده بوده که روی آنها(بعد از ریخته گری)عملیات مکانیکی خاصی انجام نمی گیرد. یک حالت استثنا روش جدید تولید قطعات ریختگی (از جمله قطعات فولادی) از طریق فرآیند توام ریخته گری و کار مکانیکی در محفظه قالب می باشد.

تولید فولاد های کار پذیر که بعدا تحت عملیات مکانیکی قرار می گیرند به مراتب بیشتر از قطعات ریختگی است.

قطعات فولادی بسیار متنوع و در وزن های ۱۵۰ گرمی تا ۲۰ تنی را در بر می گیرد و استحکام کششی آنها نیز از ۴۰۰ تا ۲۰۰۰ نیوتن بر میلیمتر مربع تغییر کرده و از انعطاف کافی نیز برخوردارند. امروزه فولادهای جدید بالاترین استحکام ممکن را در میان خانواده فلزات و آلیاژها به خود اختصاص داده اند.از این میان می توان فولادهای مارایجینگ (Maraging) را که محتوی نیکل – کبالت،مولیبدن،تیتانیم و آلومینیوم هستند نام برد که دارای استحکام کششی حدود ۲۱۰۰ نیوتن/ میلیمتر مربع می باشند.انواع جدیدتر فولاد های با استحکام بالا فولاد های TRIP و فولاد های اوس فورمد(Ausformed ) هستند که دارای استحکام شگفت آور ۳۵۰۰ نیوتن/میلیمتر مربع یعنی حدود ۷ برابر استحکام فولاد های معمولی می باشند.لذا هنگامی که تولید قطعات با استحکام های بسیار بالا مورد نظر باشد انتخاب فولاد تنها پاسخ مناسب به نیاز های صنایع خواهد بود.

قطعات ریختگی فولادی دارای موارد مصرف زیادی در صنایع ماشین سازی،خودروسازی ،صنایع کشاورزی ،راه آهن و راه سازی ، صنایع نفت ،پتروشیمی و شیمیایی، صنایع متالوژی نظیر واحد های آهن و فولاد ،نورد،صنایع معدنی و سیمان،صنایع دفاعی.. می باشد.مثال هایی در این زمینه: پوسته توربین ها – انواع چرخ دنده های کوچک و بزرگ ،چرخ قطار،اکسل خودروهای سنگین،ناخنک های ماشین های خاک بردار،فک سنگ شکنها، زره آسیابها ، مواد معدنی،مته های حفاری، غلطک های نورد،میل لنگ موتورهای دیزلی و … می باشد.

مصرف قطعات فولادی به علل قابلیت اطمینان و دوام بیشتر در شرایط کار حساس و امکان نازک کردن جداره قطعات ریختگی فولادی به علت بالا بودن استحکام آنها مرتبا در جهان رو به افزایش است.

یک مزیت شاخص فولاد به ویژه در مقایسه با چدن ها سهولت جوشکاری آنها است.در حقیقت فولاد ها را می توان بدون آن که مشخصات آنها تنزل یابد جوشکاری کرد. این خصوصیت ،ساخت آن دسته از قطعات صنعتی که قسمتی از آن ریختگی و قسمتی کار شده است را از طریق اتصال با روش جوشکاری  میسر یاخته است.تجربه نشان داده است که بسیاری از قطعات ریختگی فولادی در صورتی که عاری از حفره های انقباضی،گازی و ترکهای حرارتی باشند دارای خواص مکانیکی مشابه فولاد های کوبشی(آهنگری یا فورج شده)هستند،ضمن آن که قیمت پایین تری نیز دارا می باشند.این واقعیتی است که تولید قطعات فولادی عاری یا با حداقل معایب سطحی داخلی نیاز به کنترل شدید در فرآیند تولید،طراحی قطعه و انتخاب آلیاژ مناسب دارد.

قطعات ریختگی فولادی را می توان از طریق ترکیب شیمیایی ،ساختار قطعات،روش تولید و موارد مصرف آنها تقسیم بندی نمود.در زیر انواع روشهای تقسیم بندی فولاد های ریختگی تشریح شده است.

فولاد ها به دو دسته فولاد های کربنی و آلیاژی تقسیم می شوند.فولاد های کربنی خود به سه دسته:«فولاد های کم کربن (۹/۰ تا ۲/۰ درصد کربن)،فولاد های میان کربن(۲/۰ تا ۵/۰)و فولاد های پر کربن(بالای ۵/۰ درصد کربن)تقسیم می گردند.فولاد های آلیاژی نیز به ۳ گروه کم آلیاژی (تا حدود ۵/۲ درصد  عنصر آلیاژی)، میان آلیاژی (۵/۲ تا ۱۰ درصد) و پر آلیاژی (بالای ۱۰ درصد) تفکیک می شوند.توضیح آن که در بیشتر موارد فولاد های آلیاژی را به دو دسته کم آلیاژی (تا ۵/۰ درصد عناصر آلیاژی)و آلیاژی (بالای ۵%)تقسیم بندی می نمایند.

فولاد های ریختگی بر حسب نوع ساختار میکروسکوپی آنها به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

نوع هیپویوتکتوئید(فرو یوتکتوئید) که دارای فریت آزاد(نه فریتی که به همراه سمنتیت تشکیل پرلیت را می دهد)می باشد. چنین ساختاری ویژه فولاد های کربنی و کم آلیاژی است.ذکر این نکته ضروری است که مفهوم فوق آن نیست که در ساختار میکروسکوپی این نوع فولاد فقط فریت آزاد وجود دارد بلکه وجود فریت آزاد قطعی بوده و در کنار آن فاز های دیگری نظیر برلیت و … نیز وجود دارند.

نوع هیپریوتکتوئید(فرایوتکتوئید). در ساختار این نوع فولاد ،کاربید آزاد (نظیرFe3C)  که اصطلاحا کاربید ثانویه نامیده می شود وجود دارد.نظیر فولاد های پر کربن (۸۳/۰ تا ۷/۱ درصد کربن)،فولاد های میان آلیاژی و پر آلیاژی.

فولاد هایی که دارای ساختار کاملا فریتی و یا نیمه فریتی هستند محتوی مقادیر بالایی کرم،تنگستن،مولیبدن،وانادیم و سیلیسیم هستند.فولاد ها با ساختار و نیمه اوستنیتی دارای مقادیر زیادی منگنز،نیکل،کبالت و مولیبدن می باشند.اکثر قطعات فولادی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند.ساختار میکروسکوپی به دست آمده  از این عملیات مبنای تقسیم بندی قطعات قرار می گیرند.قطعات فولادی  عملیات حرارتی شده به صورت زیر طبقه بندی می شوند.

نوع پرلیتی که ویژه فولاد های کربنی،کم آلیاژی و میان آلیاژی است ،دارای ساختار میکروسکوپی مخلوط فریت و پرلیت است.نوع مارتنزیتی که از طریق سرد کردن قطعات در آب یا روغن به دست می آید شامل فولاد های پر کربن و فولاد های کم آلیاژی است.فولاد های مادفیلد(محتوی منگنز بالا)،فولاد های پر آلیاژی مقاوم در مقابل حرارت دارای ساختار میکروسکوپی اوستنیتی می باشند.

فولاد ها بر اساس روش تولید به انواع فولاد زیمنس مارتین(اسیدی و بازی)،فولاد های کنورتر و فولاد های کوره برقی(اسیدی و بازی) تقسیم بندی می گردند.

مذاب کوره های زیمنس مارتین به علت خواص خوب،قیمت پایین و ظرفیت زیاد کوره صرف تولید قطعات بزرگ و سنگین ریختگی می شود.فولاد های کوره برقی عموما از طریق ذوب در کوره های برقی قوسی تهیه شده و فولاد های پر آلیاژی در کوره های القایی تهیه می شوند.

بسته به نوع مصرف (نظیر اجزاء هیدرولیک،توربین ها،ماشین های الکتریکی،قطار ها،قالب و …)قطعات ریختگی را می توان به فولاد های ابزار(فولاد های پر کربن و فولاد های پر آلیاژی) و فولاد های مخصوص نظیر فولاد های مقاوم در مقابل خوردگی،سایش،حرارت و اکسایش،اسید ها و انواع دیگری که در خانواده فولاد های پر آلیاژی قرار می گیرند تقسیم بندی نمود.