فولاد آلیاژی چیست و چه کاربردی در صنعت دارد؟

با پیشرفت صنعت و گسترش استفاده از آهن، نیازهای جدیدی برای بشر پیدا شد. گاهی اوقات انسان نیاز داشت تا قطعه‌ای بسیار سخت‌تر و مقاوم‌تر از آهن در اختیار داشته باشد. پس از سال‌ها دانشمندان توانستند با ترکیبی از آهن و کربن، آلیاژی به نام فولاد را بسازند. اکنون فولاد پر مصرف‌ترین ماده صنعتی پس از نفت خام و صنعت آن از مهمترین صنایع مادر هر کشوری محسوب می‌شود. پس فولاد نیز خود یک نوع آلیاژ است. آلیاژی که از ترکیب آهن و کربن به دست می‌آید. کشف عناصری چون نیکل و کروم و ترکیب آن‌ها با آهن و کربن، امکان تولید فولاد مقاوم در برابر زنگ زدن را به وجود آورد. در ادامه مهندسان مواد متوجه شدند، امکان تولید انواع دیگری از فولاد را دارند که به آن فولاد آلیاژی می‌گفتند. فولاد آلیاژی شاخه‌ای از فولاد بوده که علاوه بر کربن با عناصر دیگری نیز ترکیب می‌شود. برای اینکه بدانید فولاد آلیاژی چگونه ساخته می‌شود و چه استفاده‌هایی دارد، در ادامه با صباپروفیل همراه باشید.

فولاد آلیاژی چیست؟

فولاد آلیاژی (Alloy steel) یک ماده بر پایه آهن است که علاوه بر کربن، حاوی یک یا چند عنصر اضافۀ دیگر نیز می‌باشد. فولاد آلیاژی یکی از انواع فولاد است که علاوه بر کربن با عناصر گوناگون دیگر به صورت آلیاژ درآمده است. این عناصر دیگر عبارتند از کروم، وانادیم، نیکل، مولیبدن، سیلسیوم و بور که بین 1 تا 5 درصد وزن این نوع فولاد را تشکیل می‌دهند. وجود این مواد اضافی در آلیاژ فولاد باعث خواص مکانیکی متفاوتی می‌شود و یک یا چند ویژگی فیزیکی و/یا مکانیکی آن را بهبود می‌بخشند، مانند: سختی، استحکام، چقرمگی، عملکرد در دمای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش.

فولاد آلیاژ شده معمولاً نسبت به فولاد کربنی در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد. در ترکیب فولاد آلیاژی ممکن است از ترکیبات دیگری مانند آلومینیوم، کبالت، مس، سریم، نیوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، قلع، روی، سرب و زیرکونیوم نیز استفاده شود. این عناصر مختلف در مرحله ذوب به فولاد افزوده می‌شوند. مهمترین این عناصر کربن بوده که تعیین کننده میزان سختی و نرمی آن است.

فولاد آلیاژی به دلیل داشتن ویژگی‌‌هایی مانند سختی، چقرمگی، مقاومت به سایش و خوردگی، شکل ‌پذیری و غیره برای ساخت موتور جت، پره‌های توربین، راکتورهای هسته ‌ای، فضاپیماها مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولادهای آلیاژی پاسخ‌های مختلفی در محیط‌‌های مغناطیسی می‌‌دهند و از این جهت برای ساخت موتورهای الکتریکی و مبدل‌‌ها بسیار پرکاربرد هستند.

فولادهای کم آلیاژ به دلیل استحکام، ماشین کاری و مقرون به صرفه بودن در بخش‌های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها را می‌توان در کشتی‌ها، خطوط لوله، مخازن تحت فشار، سکوهای حفاری نفت، وسایل نقلیه نظامی و تجهیزات ساختمانی یافت. از سوی دیگر، تولید فولادهای پر آلیاژ می‌تواند گران و کار کردن با آن‌ها چالش برانگیز باشد. با این حال، آن‌ها به دلیل استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی بالا برای کاربردهای خودرو، پردازش شیمیایی و تجهیزات تولید برق مناسب هستند.

دسته بندی فولاد آلیاژی

آلیاژ فولادی به دلیل استحکام، مقرون‌به‌صرفه‌‌تر بودن، ارزان‌تر و‌ در دسترس‌تر بودن، راحتی در استخراج و تولید، بسیار حائز اهمیت و پرکاربرد است. آلیاژهای فولاد به دو دسته کم آلیاژ و پر آلیاژ تقسیم‌بندی می‌شوند.

هدف از آلیاژ فولادی وجود مواد اولیه‌ای است که در برابر خوردگی و نیروهای مکانیکی مقاومت بیشتری داشته باشد. در این نوع از فولاد عناصری مانند آلومینیوم، مس، سیلیسیوم، نیکل و کروم به کربن و آهن اضافه خواهد شد. هر کدام از این عناصر موجب یک ترکیب ویژه و یک کاربرد خاص خواهد شد.

فولاد کم آلیاژ چیست؟

فولاد کم آلیاژ نوعی فولاد آلیاژی است که خواص آن در مقایسه با فولاد کربنی افزایش یافته است. به عنوان مثال، این آلیاژ دارای خواص مکانیکی بهتر و مقاومت در برابر خوردگی بیشتر از فولاد کربنی است. محتوای کربن فولاد کم آلیاژ کمتر از 0.2٪ است. عناصر آلیاژی غیر از کربن عبارتند از Ni، Cr، Mo، V، B، W و Cu.

در اکثر مواقع، فرآیند تولید این فولادهای آلیاژی شامل عملیات حرارتی و تمپر می‌شود. همچنین تقریباً تمام مواد فولادی کم آلیاژ قابل جوش هستند. با این حال، مواد گاهی اوقات نیاز به عملیات قبل یا بعد از جوش (برای جلوگیری از ترک خوردن) دارند.

برخی از مزایای فولاد کم آلیاژ شامل موارد زیر است:

• قدرت خزش
• مقاومت در برابر اکسیداسیون
• مقاومت در برابر هیدروژن
• شکل پذیری در دمای پایین

علاوه بر این، این ماده در صنایع بسیار مفید است، اما در دمای کمتر از 580 درجه سانتی‌گراد. اگر دما بالاتر از آن باشد، این ماده به دلیل عدم مقاومت کافی در برابر اکسیداسیون برای مقابله با دماهای بالا، دیگر مناسب نیست.

فولاد آلیاژی بالا چیست؟

فولاد پر آلیاژ نوعی فولاد آلیاژی است که بیش از 5 درصد فولاد آلیاژی دارد. برخلاف فولاد کم آلیاژ، عناصر آلیاژی برای فولاد پر آلیاژ کروم و نیکل هستند. یکی از نمونه‌های شناخته شده این نوع مواد، فولاد ضد زنگ است.

تفاوت بین فولاد کم آلیاژ و فولاد پر آلیاژ

تفاوت اصلی بین فولاد کم آلیاژ و فولاد پر آلیاژ این است که فولادهای کم آلیاژ کمتر از 0.2٪ عنصر آلیاژی دارند، در حالی که فولادهای پر آلیاژ بیش از 5٪ عنصر آلیاژی دارند. آلیاژ مخلوطی از دو یا چند عنصر است. این ماده از اختلاط فلز با برخی عناصر دیگر (فلزات یا نافلزات یا هر دو) برای به دست آوردن ماده‌ای تولید می‌شود که خواص بیشتری نسبت به فلز اصلی دارد. فولاد کم آلیاژ و پر آلیاژ دو نوع آلیاژ آهن هستند.

میزان کربن در فولاد آلیاژی

میزان کربن فولاد آلیاژی به نوع فولاد آلیاژی مورد استفاده بستگی دارد. بیشتر فولادها دارای محتوای کربن زیر 0.35 درصد وزنی کربن هستند. فولاد کم کربن که برای کاربردهای جوشکاری طراحی شده است، به عنوان مثال، دارای محتوای کربن زیر 0.25 درصد وزنی است و اغلب، محتوای کربن زیر 0.15 درصد وزنی است. با این حال، فولادهای ابزار نوعی فولاد آلیاژی با محتوای کربن بالا، معمولا بین 0.7 تا 1.5 هستند.

نحوه ساخت فولاد آلیاژی

فولاد آلیاژی از ذوب آلیاژهای پایه در یک کوره الکتریکی در دمای بیش از 1600 درجه سانتی‌گراد به مدت 8 تا 12 ساعت ساخته می‌شود. سپس در دمای بیش از 500 درجه سانتی‌گراد آنیل می‌شود تا خواص شیمیایی و فیزیکی را تغییر داده و ناخالصی‌ها را حذف کند. فلس آسیاب (تولید شده از طریق بازپخت) با استفاده از اسید هیدروفلوئوریک از سطح جدا می‌شود. آنیل و رسوب زدایی تا زمانی که فولاد ذوب شود تکرار می‌شود. فولاد ذوب شده بسته به ابعاد مورد نیاز برای نورد و شکل دادن به فرم نهایی ریخته‌گری می‌شود.

به‌طور کلی، فولاد با استفاده از یکی از دو فرآیند ایجاد می شود: کوره قوس الکتریکی (EAF) یا کوره بلند. کوره بلند فرآیند اولیه تبدیل اکسیدهای آهن به فولاد است. آهن خام در کوره بلند با استفاده از کک، سنگ آهن و سنگ آهک تولید می شود. تفاوت EAF با کوره بلند در این است که با ذوب ضایعات فولادی، آهن احیا مستقیم و/یا آهن خام با استفاده از جریان الکتریکی، فولاد مذاب ایجاد می‌کند.

بیشتر بدانید: فولاد چگونه ساخته می شود؟

معایب فولاد آلیاژی

در کنار مزایا، آلیاژ فولادی دارای معایبی نیز می‌باشد که عبارتند از:

• قابلیت جوشکاری کمتر
• شکل‌پذیری کمتر
• قابلیت تراش کمتر

این سه نقطه ضعف موجب شده که از آلیاژ فولادی در صنایعی استفاده شود که نیاز کمتری به جوشکاری دارد.

انواع فولادهای آلیاژی

بسته به خواص مورد نظر ماده، فولاد آلیاژی می‌تواند دارای طیف گسترده و مقادیر متغیری از عناصر آلیاژی باشد. هر یک از این عناصر برای دستیابی به برخی خواص ویژه سختی یا مقاومت در برابر خوردگی اضافه می‌شود.

فولاد آلیاژی تنگستن‌ دار

وُلفرام یا تنگستن (Tungsten) عنصری شیمیایی است که بالاترین نقطه ذوب را در بین تمام فلزات دارد و به همین دلیل برای تقویت سایر فلزات با آن‌ها آلیاژ می‌شود. وقتی که فولاد کربن‌‌دار ساده با تنگستن ادغام شود، نوعی فولاد آلیاژی تولید می‌‌شود که سختی بسیار بالا و برندگی زیاد دارد و برای ساخت انواع تیغه و مته، ابزار برنده، قلم تراش و غیره از آن بهره گرفته می‌‌شود. تنگستن باعث ثبات ترکیب شیمیایی فولاد پرکربن شده و به همین جهت برای ساخت آهنربا از آن بهره می‌گیرند. لازم است بدانید که آهنرباهایی که با فولاد آلیاژی تنگستن‌‌دار ساخته می‌شوند هیچ‌گاه خاصیت آهنربایی خود را از دست نمی‌‌دهند.

فولاد آلیاژی کروم ‌دار

کروم (Chromium) فلزی است که رنگی خاکستری و سطحی براق داشته، و سخت و شکننده است. کروم افزودنی اصلی در تولید فولاد زنگ نزن است که باعث خاصیت ضد خوردگی آن می‌شود. فولاد آلیاژی کروم ‌دار، در کنار کربن و برخی عناصر دیگر دارای درصد قابل‌توجهی عنصر کروم است. هر چقدر درصد کروم بیشتر باشد، خاصیت ضد خورندگی و ضد زنگ در فولاد آلیاژی افرایش می‌یابد. روش مقاومت فولاد آلیاژی کروم ‌دار به خوردگی به این صورت است که وقتی این آلیاژ در مجاورت اکسیژن قرار بگیرد، عنصر کروم اولین ماده‌ای است که اکسید می‌شود و این اکسید شدن منجر به تولید لایه‌ای می‌شود که بقیه قسمت‌های آلیاژ را از خوردگی محافظت می‌کند.

فولاد آلیاژی وانادیوم دار

وانادیوم یکی از عناصری است که به فولاد ویژگی‌های خاصی مانند شکل‌ پذیری خوب، استحکام و سختی، اضافه می‌کند. این عنصر به آهن گداخته اضافه شده و کاربیدهای آن شروع به دانه سازی می‌کنند. این کار به دانه‌های فولاد اجازه بزرگ شدن نداده و آن‌ها را کنترل می‌کند. فولاد آلیاژی وانادیوم‌ دار دارای بافتی ریزدانه و ظریف است و شکل‌ پذیری خوبی نیز دارد. از فولاد آلیاژی وانادیوم‌دار برای ساخت میل ‌لنگ، تیغه، قطعات لوکوموتیو و غیره استفاده می‌شود. فولادهای آلیاژی A3 ، A9 و 01 دارای مقادیر قابل توجهی عنصر وانادیوم در محتوای خود هستند.

فولاد آلیاژی منگنزدار

منگنز زمانی که به فولاد افزوده شود مانع تشکیل ذرات آستنیت (Austenite) شده و شکل‌پذیری فولاد را بیشتر می‌کند. گاهی نیاز است که برای افزایش سختی و استحکام فولاد عملیات حرارتی به نام کوئینچ کردن روی آن اعمال شود. این فرآیند باید در یک بازه زمانی مشخص صورت گیرد تا از بی‌ثباتی فولاد جلوگیری شود. در اینجا با اضافه کردن عنصر منگنز فرآیند کوئینچ کردن بدون اینکه زمان روی آن تاثیر بگذارد به خوبی اجرا شده و ضمن اینکه فولاد آلیاژی مستحکم می‌شود، فرم‌پذیری خوبی هم پیدا می‌کند. نوعی فولاد ضد زنگ با نام فولاد ۲۰۱ وجود دارد که مقدار زیادی منگنز در محتوای خود دارد.

فولاد آلیاژی کبالت ‌دار

فلز کبالت سخت، براق، و به رنگ خاکستری-نقره ای است و در فولاد باعث می‌شود که ذرات آستنیت در آن شکل نگیرند و در نتیجه سختی فولاد حتی در دماهای بسیار بالا و بحرانی تغییر نکند. معمولاً برای اینکه سختی و استحکام فولاد کبالت ‌دار بیشتر شود مقداری تنگستن هم به آن اضافه می‌کنند.

فولاد آلیاژی نیکل ‌دار

عنصر نیکل باعث افزایش نیروی کششی و سختی فولاد می‌شود و این در حالی است که خاصیت شکل ‌پذیری آن را کاهش نمی‌دهد. معمولاً نیکل تا سطح ۳۵ درصد به فولاد اضافه می‌شود و وجود آن در این مقدار خواص فوق ‌العاده و مضاعف به فولاد می‌دهد. یکی از اصلی‌ترین ویژگی‌های فولاد آلیاژی نیکل ‌دار افزایش مقاومت فولاد در برابر زنگ ‌زدگی و خوردگی است. اگر به فولاد آلیاژی نیکل ‌دار، کروم هم اضافه شود، خواص فولاد تا چندین برابر افزایش پیدا می‌کند. از ویژگی‌های این نوع فولاد آلیاژی نیکل ‌دار می‌توان به قابلیت مفتول شدن و تورق، خاصیت ارتجاعی، افزایش نیروی کششی، سختی بالا، شکل‌ پذیری مناسب و از همه مهم‌تر افزایش مقاومت در برابر فرسودگی اشاره کرد.

فولاد آلیاژی مولیبیدن‌ دار

مولیبیدن عنصری است که به راحتی در آهن قابل حل شدن است. این عنصر بلافاصله بعد از حل شدن در آهن باعث آزاد شدن کربورهای مرکب و مضاعف می‌شود. عنصر مولیبیدن می‌تواند خواصی همچون مقاومت در برابر خوردگی، نیروی کششی و چقرمگی فولاد را چندین برابر افزایش دهد. شایان ذکر است که میزان مولیبیدن در فولاد بین ۰.۲۵ الی ۰.۵ درصد متغیر است و وجود آن مقاومت فولاد را در برابر سایش افزایش می‌دهد بنابراین برای ساخت انواع ابزار مربوط به ماشین ‌آلات مورد استفاده قرار می‌گیرد. مهمترین نمونه فولاد آلیاژی مولیبیدن‌ دار می‌توان به فولاد ابزار نوع A اشاره کرد.

پرسش و پاسخ