فولاد همه جا هست در اتاقی که در حال حاضر در آن نشسته اید به برخی از اشیاء نگاهی بیندازید و وجود فولاد در بسیاری از اشیاء اطراف شما تضمین شده است. تصور دنیای بدون فولاد سخت است.
ما فکر کردهایم که ارزش دارد به مردم کمک کنیم تا کمی بیشتر در مورد فولاد بیاموزند: از کجا میآید، چگونه ساخته میشود، انواع مختلف گزینههای فولادی، و البته همه کاربردهای مختلف فولاد. چه لوله فولادی باشد، چه میله فولادی یا ورق فولادی، ما به تولیدکنندگان اعتماد داریم که محصولی تقریباً غیرممکن قوی را در اختیار ما قرار دهند.
فولاد چیست؟
آهن فراوان ترین ماده معدنی موجود در هسته و گوشته زمین است، اگرچه در شکل خالص آن بسیار نرم است و باید به اکسید آهن تبدیل شود. استحکام و دوام ضعیف این فرم استفاده از آهن را به شدت دشوار می کند. برای افزایش این خواص، تا 2 درصد کربن به آهن خالص اضافه می شود و ماده بسیار بادوام و سختی به نام فولاد تولید می شود.
فولاد به دلیل استحکام کششی و استحکام بالایی که دارد برای ساخت همه چیز از سوزن های خیاطی گرفته تا تانکرهای نفت و همچنین ابزار مورد نیاز برای تولید آنها استفاده می شود. با این حال، انواع دیگری از فلزات اغلب به فولاد اضافه میشوند تا بسته به کاربرد مورد نظر، کیفیتهای متفاوتی را در خود جای دهند.
این افزودنیهای فلزی تاکنون 3500 نوع مختلف فولاد را تولید کردهاند که هر کدام دارای ویژگیها و ویژگیهای ساختاری، شیمیایی و فیزیکی متفاوتی هستند. شگفتانگیزتر این واقعیت است که بیش از 75 درصد از این تغییرات در دو دهه گذشته برای پاسخگویی به تقاضای صنعتی به سرعت در حال تغییر معرفی شدهاند.
انواع مختلف فولاد
بیایید متداول ترین انواع فولاد، خواص متمایز و کاربرد آنها را بررسی کنیم. 14 نوع اصلی فولاد وجود دارد که زیرمجموعه های مختلفی در این دسته بندی ها وجود دارد.
1. فولاد کربن
بیشتر فولاد جهان نوعی فولاد کربنی است. از آهن، کربن و مقادیر خاصی از عناصر آلیاژی دیگر تشکیل شده است. به عنوان عنصر آلیاژی اصلی فولادهای کربنی، کربن حدود 90 درصد از کل تولید فولاد را تشکیل می دهد.
این به ایجاد یک فلز قوی تر و بسیار سفت تر کمک می کند. این به این دلیل است که اتمهای موجود در کربن به آن اجازه میدهند تا شبکه بلوری آهن را طی کند، شبکه را کمی منحرف کرده و شکافهای بین اتمهای فلز را پر میکند.
با توجه به این ویژگی، محصولات فولاد کربنی به دست آمده بسیار سخت هستند. چیزی که این مقاومت را تعیین می کند، مقدار کربن موجود است و آن را بیشتر به سه دسته طبقه بندی می کند:
الف) فولاد با کربن بالا
فولاد پر کربن معمولاً دارای بین 0.61 درصد تا 1.5 درصد کربن است که در نتیجه فولاد قوی، شکننده و سخت است. برای بهبود مقاومت در برابر سایش، تحت یک عملیات حرارتی مناسب قرار می گیرد. علاوه بر استفاده برای سیم ها و فنرهای با مقاومت بالا، ماده ای مفید برای تولید ماشین آلات ضربه گیر است.
ب) فولاد کربن متوسط
این نوع دارای محتوای کربنی از {0}}.31 درصد تا 0.6 درصد است که در نتیجه فولاد کمی انعطاف پذیر با استحکام کششی بالاتر از فولاد کم کربن است. برای سفت شدن آن، معمولاً آن را با تمپر می کنند که نوعی عملیات حرارتی است.
از آنجایی که بسیار چکشخوار است و میتوان آن را به شکلها و اندازههای مختلف قالبگیری کرد، این نوع از این سه مورد بیشترین استفاده را دارد. از آسمانخراشها گرفته تا بیلبوردها و پلها و خانهها، همه جا استفاده از آن را خواهید دید.
ج) فولاد کم کربن
فولاد کم کربن (یا فولاد ملایم) تا {0}}.3 درصد کربن دارد. فولاد کم کربن اگرچه چکشخواری و شکلپذیری بسیار خوبی را ارائه میکند، اما مشخصه آن استحکام کششی کم است که میتواند با فرآیند نورد سرد بهبود یابد.
این شامل نورد فولاد بین دو غلتک جلا تحت شرایط فشار بالا است. از رایج ترین مصارف آن می توان به تولید صفحات، جعبه، لوله، زنجیر، سیم، جعبه، پرچ، قاب خودرو و ... اشاره کرد.
2. فولاد آلیاژی
فولاد آلیاژی علاوه بر آهن از مقادیر متفاوتی از فلزات مختلف نیز تشکیل شده است. این اضافات به دستکاری خواص فولاد برای خدمت به کاربردهای خاص کمک می کند. فلزاتی مانند آلومینیوم، نیکل، سیلیکون، کروم، منگنز، تیتانیوم و مس تا حدودی استفاده می شود.
استفاده از این فلزات باعث ایجاد ویژگی هایی می شود که در فولاد کربنی یافت نمی شود. تغییرات مطلوب در استحکام فولاد، شکل پذیری، مقاومت در برابر خوردگی، شکل پذیری و سختی پذیری رخ می دهد. فولاد آلیاژی اغلب برای ساخت لوله ها، قطعات خودرو، ژنراتورهای برق، ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی استفاده می شود.
فولاد آلیاژی به طور کلی به انواع مختلف درمان پاسخ بهتری می دهد و در صنایع تخصصی تر مانند لوازم خانگی، کشتی سازی و خودروسازی استفاده می شود. این می تواند به اشکال قوی تر یا لمسی تر، آنهایی که مقاومت بالایی در برابر اکسیداسیون دارند، یا آنهایی که برای جوشکاری مناسب تر هستند، وجود داشته باشد.
الف) فولاد کم آلیاژ
فولاد کم آلیاژ گروهی از فلزات آهنی است که برای بهبود خواص مکانیکی کلی یک ماده، اغلب بسیار قویتر از فولاد کربنی ساده، ترکیب میشوند.
عناصری مانند مولیبدن، نیکل و کروم برای بهبود شکل پذیری و سختی مواد اضافه می شوند که در غیر این صورت بسیار ضعیف تر و نرم تر خواهند بود. فولاد کم آلیاژ اغلب برای ورق فلز، قطعات خودرو و اشکال ساختاری استفاده می شود.
ب) فولاد با آلیاژ بالا
فولاد پر آلیاژ از فلزات آهنی مختلفی تشکیل شده است که با عناصر آلیاژی ترکیب می شوند تا فازهای خاصی را ایجاد کرده و آنها را تثبیت کنند. آلیاژهای فولادی ضد زنگ فولادهای با آلیاژ بالا هستند.
به لطف عناصری مانند نیکل و مولیبدن، فولاد پر آلیاژ این توانایی را دارد که به طور بی عیب و نقصی قوی و در برابر خوردگی بسیار مقاوم باشد.
بسته به ترکیب عناصر آلیاژی، فولادهای آلیاژی تغییرات مختلفی را در بر می گیرند. ما پر استفاده ترین انواع را جمع آوری کرده ایم:
3. فولاد تنگستن
تنگستن، که به عنوان تنگستن نیز شناخته میشود، اساساً یک فلز نقرهای مات است که بالاترین نقطه ذوب را نسبت به هر فلزی در خالصترین شکل خود دارد. چیزی که آن را از سایر انواع فلز متمایز می کند، استحکام و توانایی آن در تحمل دمای بالا است. با توجه به این ویژگی ها، آلیاژهای مختلف فولاد از این فلز برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی و سایش استفاده می کنند.
همچنین، نازل های موتور موشک از فولاد تنگستن برای مقاومت در برابر حرارت بالا استفاده می کنند. هنگامی که با کبالت، نیکل و آهن ترکیب می شود، فولاد تنگستن می تواند برای ساخت پره های توربین برای بسیاری از انواع هواپیما استفاده شود. همچنین بسیاری از ماشین ها و ابزارهای دیگر به مقاومت حرارتی بالایی نیاز دارند، بنابراین از فولاد تنگستن استفاده می کنند.
4. فولاد نیکل
فولاد آلیاژی نیکل یکی از پرمصرف ترین آلیاژهای فولادی در جهان است. علاوه بر محتوای نیکل بالا، حدود 3.5 درصد، حاوی تقریباً 0.35 درصد کربن است. ویژگی آن این است که افزودن نیکل فولاد سازه را بدون کاهش متناسب شکل پذیری تقویت می کند. این افزایش چقرمگی به مقاومت در برابر شکستگی هایی که می تواند در اثر ضربه، ضربه و بارهای زیاد ایجاد شود کمک می کند.
همچنین در زمان سرد شدن، نیکل مقدار اعوجاج فولاد را کاهش می دهد. فولاد نیکل واکنشی باورنکردنی به عملیات حرارتی ارائه می دهد زیرا افزودن نیکل دمای فولاد را کاهش می دهد و آن را برای عملیات حرارتی ایده آل می کند.
5. فولاد منگنز
فولاد منگنز یک فولاد سخت کاری است که دارای منگنز 11 تا 14 درصد است. فولاد منگنز به دلیل ویژگی های سخت کاری عالی و مقاومت به سایش، در ساخت خطوط راه آهن پیچیده استفاده می شود. از دیگر کاربردهای فعلی می توان به سطل های بیل، کابینت های انفجار، خراش ها، صفحات ایمنی ضد مته و غیره اشاره کرد.
6. فولاد وانادیوم
فولاد وانادیوم به دلیل خواص مقاوم در برابر خوردگی و همچنین توانایی جذب ضربه شناخته شده است. فولاد وانادیوم علاوه بر استفاده برای لوله ها و لوله هایی که مواد شیمیایی را حمل می کنند، به صورت لایه نازک برای اتصال تیتانیوم به فولاد در کاربردهای هوافضا استفاده می شود.
تنها 1 درصد وانادیم و کروم برای دستیابی به مقاومت در برابر ضربه و لرزش کافی است و آن را برای کاربردهای خودرویی ایده آل می کند.
7. فولاد کروم
افزودن کروم سرعت سرد شدن بحرانی را کاهش می دهد و مقاومت در برابر پوسته شدن، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر دمای بالا فولاد را افزایش می دهد. این عمدتا برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شود. فولاد کروم با خاصیت ارتجاعی و استحکام کششی بالا، اغلب برای ساخت ماشین آلات و قطعات خودرو، سنگ شکن ها و گاوصندوق ها استفاده می شود.
8. فولاد کروم وانادیوم
فولاد کروم وانادیوم از کروم و وانادیوم استفاده می کند و ویژگی های هر کدام را با هم ترکیب می کند. با استحکام کششی بسیار بالا، فولاد را می توان به راحتی برش داد اما شکننده نیست. رایج ترین موارد استفاده از آن عبارتند از: چرخ دنده ها، محورها، شاتون ها، قاب خودرو و غیره.
9. فولاد سیلیکونی
وقتی صحبت از نیروی مغناطیسی می شود، فولاد سیلیکونی مهمترین ماده ای است که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد. در حالی که مقادیر کمی از فولاد سیلیکونی در ترانسفورماتورهای پالس و رله های کوچک استفاده می شود، کاربردهایی مانند موتورهای بزرگ و ژنراتورها از تن فولاد سیلیکونی استفاده می کنند.
از جمله خواص آن، کاهش اشباع، مقاومت، مغناطیس انقباض و ناهمسانگردی مغناطیسی کریستالی بسیار ارزشمند است. با افزودن سیلیکون تنها 1 تا 2 درصد، این فولاد بیشترین استفاده را برای تولید آهنرباهای دائمی دارد.
10. فولاد مولیبدن
به عنوان یک عامل آلیاژی با ارزش برای فولادها، مولیبدن به بهبود چقرمگی، جوش پذیری و مقاومت در برابر خوردگی فولاد کمک می کند. این امر آن را برای استفاده در فولادهای سازه ای ایده آل می کند و بنابراین به طور گسترده در برنامه های کاربردی در محیط های دریایی استفاده می شود. خطوط لوله نفت و گاز و بلبرینگ ها نیز از فولاد مولیبدن استفاده می کنند.
11. فولاد کبالت
آلیاژهای کبالت مقاومت فوق العاده ای در برابر خوردگی، سایش، دماهای بالا و خواص مغناطیسی دارند. برخی از سخت ترین کاربردهای کبالت پره ها و ملاقه های توربین گازی هستند. با این حال، این نوع فولاد بیشتر برای ساخت ابزارهای برش استفاده می شود.
12. فولاد آلومینیوم
افزودن آلومینیوم به ترکیب توانایی بازتاب گرما کمک می کند. با چگالی حدود یک سوم فولاد آلومینیومی، در کاربردهایی که وزن کم و استحکام بالا ضروری است استفاده می شود.
بنابراین، فولادهای آلومینیومی به طور گسترده ای برای تولید سیستم های اگزوز موتورسیکلت و خودرو استفاده می شود. جدا از صنعت خودرو، فولاد آلومینیوم در تولید برق، معماری، تهیه غذا، بسته بندی، کاربردهای انتقال نیرو و غیره کاربردهای مختلفی دارد.
13. فولاد ابزار
فولادهای ابزار، انواع فولادهایی هستند که برای تولید انواع ابزار مورد استفاده در طیف وسیعی از اهداف، از جمله ابزار ضربه ای، ابزار برشی مانند ابزار چاقوسازی و غیره استفاده می شوند. آنها از آلیاژهای فلزاتی مانند تنگستن، کبالت، مولیبدن و وانادیم در مقادیر مختلف ساخته شده اند. آنها نه تنها سخت و بادوام هستند، بلکه در برابر حرارت بسیار مقاوم هستند.
بسته به نوع ابزاری که باید تولید شود، کیفیت فولاد ابزار متفاوت است و در نتیجه انواع مختلفی در دسته فولادهای ابزار وجود دارد:
الف) فولاد ابزار مقاوم در برابر ضربه
همانطور که از نام آن پیداست، این نوع فولاد ابزار به گونه ای طراحی شده است که مقاومت بالایی در برابر شوک در سطوح مختلف دما داشته باشد. با محتوای کم کربن، سیلیکون و مولیبدن، ساینده و نسبتاً مقاوم است. این فولاد عمدتاً برای ساخت ابزارهایی مانند پیچ گوشتی، پانچ، اسکنه و ابزارهای مورد استفاده در پرچ استفاده می شود.
ب) فولاد ابزار ویژه
این فولاد ابزار به طور خاص برای دستیابی به سختی و چکش خواری متوسط، با استفاده از فولاد کم آلیاژ طراحی شده است. آنها اغلب برای ساخت کلید، پیچ و مهره و شیر استفاده می شوند.
ج) فولاد ابزار داغ
فولاد ابزار کار گرم برای تولید ابزارهایی استفاده می شود که به مقاومت حرارتی بالا در دوره های زمانی طولانی نیاز دارند، مانند ابزارهایی که در فورج گرم، اکستروژن، پانچ، ریخته گری و تیغه های برش استفاده می شوند.
د) فولاد ابزار سخت کننده آب
فولاد ابزار سخت کننده آب به عنوان ارزان ترین نوع، بیشترین استفاده را در تولید ابزار دارد. برای افزودن سختی به اجسام یا ابزار، این فولاد را با آب خاموش می کنند. این فولاد که در برابر سایش سطحی بسیار مقاوم است، اغلب برای ساخت فایل ها، برش ها، چکش ها، تیغه ها و موارد مشابه استفاده می شود.
ه) فولاد ابزار با سرعت بالا
فولاد ابزار با سرعت بالا از آلیاژهای تنگستن، مولیبدن و فولاد وانادیوم ساخته شده است. این قطعات سخت هستند و در مواجهه با دمای بالا سختی خود را حفظ میکنند و به تولید فولادی عالی برای ماشینهای پرسرعت مانند متهها، ارهها، پانچها، شیرها و غیره کمک میکنند.
و) فولاد ابزار سرد
این نوع فولاد ابزار دارای محتوای کروم بالا برای خاصیت اعوجاج کم در هنگام سخت شدن است که می تواند توسط هوا یا روغن انجام شود. این ویژگی باعث می شود ابزارهای تولید شده به راحتی شکسته نشوند. فولاد ابزار سرد به عنوان یک فولاد بسیار قوی برای ساخت تیغه های چاقو، قالب های مهر زنی، ابزار سکه و غیره ایده آل است.
ز) فولاد برای قالب
فولاد قالب از فولادهای کربنی برای ساخت قالب های تزریق و فشرده سازی پلاستیک استفاده می کند. همچنین، یکی دیگر از کاربردهای رایج، ریخته گری روی می باشد.
14. فولاد ضد زنگ
اگرچه فولاد ضد زنگ از آلیاژهای فلزی مختلف ساخته شده است، اما کروم عنصر اصلی است و بین 10 تا 20 درصد از ترکیب کل فولاد را تشکیل می دهد. فولاد ضد زنگ که قبلاً به عنوان فولاد ضد زنگ شناخته می شد، به دلیل ظاهر و مقاومت بالا در برابر زنگ زدگی محبوب است. به طور دقیق، تقریباً 200 برابر بیشتر از سایر انواع فولاد در برابر اکسیداسیون مقاوم است، به خصوص زمانی که مقدار کروم بیشتر از 11 درصد باشد.
فولاد ضد زنگ به دلیل قابلیت مقاومت در برابر خوردگی بالا، گرانترین نوع فولاد است. فولادهای ضد زنگ به عنوان یک نوع بسیار بادوام، قادر به مقاومت در برابر سایش و پارگی ناشی از استفاده روزانه هستند. برای افزایش بیشتر مقاومت آن در برابر خراش و خوردگی، لایه نامرئی کروم از زنگ زدگی جلوگیری می کند. سایر اجزای فلزی فولاد ضد زنگ مولیبدن و نیکل هستند.
بسته به کاربرد، اندازه ها و درجه های فولاد ضد زنگ می تواند متفاوت باشد و می تواند به شکل ورق، میله، لوله، صفحه و سیم باشد. بسته به ساختار کریستالی و خواص مکانیکی فولاد ضد زنگ، می توان آن را به چند نوع طبقه بندی کرد:
الف) فولاد ضد زنگ فریتی
فولاد فریتی حاوی حدود {0}} درصد کروم، تا 0.1 درصد کربن، آثار نیکل و سایر فلزات آلیاژی در مقادیر کم مانند آلومینیوم، مولیبدن و تیتانیوم است. فولادهای فریتی سخت، مستحکم و مغناطیسی هستند و می توانند با کار سرد بیشتر تقویت شوند. با این حال، آنها به عملیات حرارتی پاسخ نمی دهند، به این معنی که با استفاده از این تکنیک نمی توان آنها را سخت کرد.
ب) فولاد زنگ نزن آستنیتی
فولادهای آستنیتی دارای محتوای کروم بسیار بالاتری نسبت به فولادهای ضد زنگ خود هستند. محتوای کروم در این نوع فولاد می تواند به 18 درصد برسد، در حالی که سایر عناصر نیکل که 8 درصد را تشکیل می دهد و کربن با 0.8 درصد است. اگرچه فولاد آستنیتی به عملیات حرارتی پاسخ نمی دهد، اما به دلیل خواص غیر مغناطیسی آن محبوبیت زیادی دارد، که آن را به یکی از پرمصرف ترین فولادها در جهان تبدیل می کند. برخی از مصارف متداول عبارتند از ساخت لوله، تجهیزات پردازش مواد غذایی و ظروف آشپزخانه.
ج) فولاد ضد زنگ مارتنزیتی
فولاد مارتنزیتی که از بین 11 تا 17 درصد کروم تشکیل شده است، تقریباً 1.2 درصد کربن و کمتر از 0.4 درصد نیکل دارد. فولادهای مارتنزیتی نه تنها به عملیات حرارتی پاسخ می دهند، بلکه دارای خواص مغناطیسی نیز هستند. ابزارهای دندانپزشکی و جراحی، چاقوها، تیغه ها و سایر ابزارهای برش از فولاد ضد زنگ مارتنزیتی استفاده می کنند.
د) فولاد ضد زنگ دوبلکس
فولاد دوبلکس به سادگی ترکیبی از فولادهای فریتی و آستنیتی است که در نتیجه فولادی بسیار قویتر از هر کدام به تنهایی است. این نه تنها قابل جوش است، بلکه در برابر خوردگی نیز مقاوم است. با این حال، از نظر مغناطیسی قوی نیست.
ه) فولاد ضد زنگ سخت شدن بارش
این فولاد از 17 درصد کروم و 4 درصد نیکل تشکیل شده است که در نتیجه انواع فولادهای سخت شده به وجود می آید. علاوه بر این، فلزات دیگری مانند آلومینیوم، مس و نیوبیم به مقادیر مختلف اضافه می شوند. این نوع را می توان به اشکال مختلف قالب گیری کرد و برای استفاده در اجزای موتور و ظروف زباله هسته ای ایده آل است. همچنین مقاومت متوسطی در برابر خوردگی دارد.