فولاد ، این آلیاژ بی نظیر که از آن در صنایع مهمی چون نفت و پتروشیمی، خودرو سازی، کشتی سازی، چرم سازی و … استفاده می شود، طبق کاربرد محصول تولیدی می تواند خواصی متفاوت داشته باشد، درصد کربن و عناصر آلیاژی موجود در ترکیب فولاد تعیین کننده ی این خواص هستند. حتی با افزایش یا کاهش درصد یک عنصر خاص نیز ویژگی های متفاوتی در آلیاژ فولاد بروز می کند به عبارتی در قدم اول نوع عنصر آلیاژی و در قدم دوم درصد آن در ترکیب تعیین کننده ی خواص فولاد هستند. صنعتگران به کمک شناخت خوبی که نسبت به این عناصر و خواصشان در درصد های مختلف دارند محصول مورد نظر خود را تولید می کنند اما با توجه به این که خوب یا بد بودن خواص ایجاد شده کاملا نسبی و وابسته به کاربرد محصول تولیدی است نمی توان گفت یک آلیاژ بهتر از نوع دیگر است. علاوه بر آن به طور کلی نمی توان انتظار داشت یک نوع آلیاژ خاص بتواند تمام ویژگی ها و خواص مد نظر را آن هم به بهترین نحو از خود بروز بدهد چرا که تولید چنین محصولی هم دشوار و هم به شدت هزینه بر خواهد بود. در ادامه نخست انواع دسته بندی های فولاد را توضیح خواهیم داد و در قدم بعدی به بررسی خواص هر کدام از این عناصر در آلیاژ ها می پردازیم.
با توجه به ترکیب، فولاد را به سه روش می توان دسته بندی کرد:
1.فولاد کربنی:
فولاد کم کربن ( آلیاژی از فولاد حاوی کمتر از 0.25% کربن) :
به نسبت ارزان قیمت، شکل پذیر، نرم و منعطف است. برای تولید انواع ورق های فولادی چون ورق روغنی و ورق سیاه، قطعات ماشین آلات و خط لوله مورد استفاده قرار می گیرد.
فولاد کربن متوسط ( آلیاژی از فولاد حاوی مقداری در حدود 0.25% تا 0.55% کربن ) :
در مقایسه با فولاد کم کربن سخت تر و در نتیجه ایجاد تغییر شکل در آن دشوارتر است. به لطف استحکام خوب و مقاومت بالایی که در برابر سایش دارد برای ساخت انواع قطعات خودرو و ماشین آلات مثل بلبرینگ و چرخ دنده، قطعات فولادی راه آهن از ریل تا چرخ ها و تیرآهن های سازه های فولادی مورد استفاده قرار میگیرد.
فولاد پر کربن ( در این آلیاژ بیش از 0.55% از ترکیب فولاد می تواند کربن باشد ) :
این نوع فولاد به لطف درصد بالای کربنی که دارد مقاوم تر از دو نوع دیگر است و به کمک عملیات حرارتی امکان بهبود مقاومت آن نیز وجود دارد. در دمای بالا می توان از این نوع فولاد و محصولات ساخته شده از آن استفاده کرد اما شکننده هستند. برای ساخت انواع ابزار برشی چون تیغ، چاقو، پانچ، تیغ قیچی و… میخ های بزرگ صنعتی که حتی داخل سنگ هم فرو میرود، کاربردی است.
2.فولاد آلیاژی:
این نوع فولاد بر اساس میزان عناصر آلیاژی افزوده شده به دو گروه اصلی تقسیم می شود.
فولاد کم آلیاژ:
در ترکیب این گروه کمتر از 5% عناصر آلیاژی وجود دارد و به طور عمده برای تولید انواع لوله و پروفیل سبک و سنگین مورد استفاده قرار میگیرد، بسیار پرکاربرد بوده و بر اساس مواد تشکیل دهنده آن به چند دسته تقسیم می شوند.
فولاد پر آلیاژ :
در ترکیب این گروه بیش از 5% عناصر آلیاژی وجود دارد و برای ساخت انواع تجهیزات صنعتی، معدنی، شیمیایی و داروسازی مورد استفاده قرار می گیرد. فولاد ضد زنگ و فولاد ابزار، دو مورد از مهمترین نمونه های فولاد پرآلیاژ هستند.
3.فولاد براساس عناصر آلیاژی موجود در ترکیب آن:
فولاد ضدزنگ :
در تولید انواع لوله و پروفیل استیل دکوراتیو ، ساخت ابزار پزشکی و زیر ساخت های صنایع حساسی چون صنایع دریایی و هوایی کاربرد دارد.
فولاد منگنزی :
در صنایع معدنی برای ساخت انواع خودرو های سنگین و صنعتی چون سنگ شکن، میکسر سیمان و تراکتور، همچنین در صنایع ایمنی برای ساخت گاو صندوق و کابین های ضد گلوله مورد استفاده قرار می گیرد.
انواع عناصر آلیاژی فولاد و تاثیر آن ها بر خواص فولاد :
1.کربن: عنصر اصلی موجود در ترکیبات فولاد است که خواص مکانیکی آلیاژ مثل استحکام، سختی و مقاومت مکانیکی را بهبود می بخشد، این عنصر استحکام کششی را فقط تا حد مشخصی می تواند افزایش دهد. افزایش درصد کربن، چکش خواری و شکل پذیری فولاد را سخت تر میکند یا به عبارتی فولاد با افزایش درصد کربن شکننده می شود. همچنین آهنگری و جوش پذیری آلیاژ با درصد کربن بالا نیز کاهش می یابد.
2.کروم: رایج ترین عنصری است که در آلیاژ فولاد وجود دارد. به لطف لایه ی درخشان اکسید کرومی که در سطح ایجاد می شود این عنصر می تواند فولاد را ضد زنگ کند. چیزی در حدود 12% کروم در ترکیب فولاد برای ضد زنگ کردن آن کافی است. کروم با کاربید های تولید شده سختی آلیاژ را نیز افزایش میدهد. این عنصر درست مثل کربن با افزایش مقاومت کششی و حرارتی شکل پذیری فولاد را کاهش می دهد.
3.نیکل: امکان دارد تا 5% وزن فولاد را تشکیل بدهد. این عنصر بر خلاف کروم و کربن می تواند سختی و استحکام فولاد را بدون کاهش شکل پذیری آن افزایش بدهد. در آلیاژ استیل، به طور گسترده از نیکل استفاده می شود.
4.منگنز: خواص مکانیکی، استحکام و جوش پذیری فولاد را بهبود می بخشد، در عین حال خاصیت شکل پذیری آن را کاهش می دهد اما وجود گوگرد در ترکیب و واکنش آن با منگنز باعث کمتر شدن این اثر و بهبود انعطاف پذیری و شکل پذیری فولاد می شود. میزان سختی که ترکیب منگنز در فولاد ایجاد می کند بستگی به میزان کربن آن دارد.
5.گوگرد: به طور کلی عنصر آلیاژی نامطلوبی است زیرا باعث می شود فولاد شکننده بشود اما این خاصیت در واکنش با منگنز به حداقل می رسد. گوگرد باید در این ترکیب باشد زیرا ماشین کاری را تسهیل می کند.
6.مولیبدن: برای بهبود شکنندگی فولاد حاوی کروم و نیکل استفاده می شود. مقاومت حرارتی را بهبود می بخشد و خواص تمامی عناصر آلیاژی را بیشتر میکند به همین خاطر به تنهایی درون آلیاژ کاربردی ندارد و همراه با سایر عناصر آلیاژی از آن استفاده می شود. از ترکیب مولیبدن و کربن کاربید ایجاد می شود و همان طور که پیشتر هم به آن اشاره کردیم کاربید فولاد را سخت تر می کند به همین خاطر از فولادی که حاوی کاربید باشد برای ساخت ابزار استفاده می شود.
به طور کلی فولاد از ترکیب آهن ، کربن و درصدی عناصر آلیاژی دیگر تولید می شود. منشا آهن موجود در این ترکیب می تواند سنگ آهن و یا آهن قراضه باشد. عناصر آلیاژی نقش مهم و کلیدی در تعیین خواص فولاد ایفا می کنند. طی دو دهه ی گذشته مصرف فولاد و آلیاژ های آن برای ساخت و تولید انواع محصولات رشد فزاینده ای داشته است.