فولاد علی‌رغم تصور عموم، انواع مختلفی دارد. یکی از خاص‌ترین نمونه‌های آن فولاد فنر یا فنری است. فولاد فنر محبوب‌ترین ماده‌ای است که برای ساخت انواع فنر استفاده می‌شود. معمولاً با ویژگی منحصر به فردی شناخته می‌شود که به عنوان قدرت تسلیم بالا شناخته می‌شود که به توانایی یک ماده برای تحمل خمش یا پیچش قابل توجه و بازگشت به شکل اولیه خود بدون اعوجاج (کجی و خمیدگی) اشاره دارد. از این رو، هر محصولی که از این ماده ساخته شده باشد، میتواند فشار، خمش و پیچش مداوم زیادی را بدون از دست دادن شکل اولیه خود تحمل کند. این خاصیت دیدنی فولاد فنر از ترکیب خاص آن و فرآیند سخت شدن آلیاژ فولاد ناشی می‌شود. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا با ذکر جزئیات به بررسی این نوع خاص و البته کاربردی از فولاد بپردازیم.
فهرست مطالب
فولاد فنری چیست؟
فولاد فنری (به انگلیسی Spring Steel) به گروهی از انواع فولاد با کربن بالا گفته می‌شود که به طور خاص برای داشتن انعطاف‌پذیری و خاصیت ارتجاعی بسیار خوب طراحی شده‌اند. به این نوع خاص از فولاد، فولاد فنری می‌گویند چرا که باتوجه به ویژگی‌هایش معمولاً از آن برای ساخت فنر استفاده می‌شود. این نوع فولاد به خوبی میتواند انرژی را جذب و ذخیره کند و به طور مکرر خم و فشرده شده و مجدداً به شکل اولیه خود دربیاید.
تولید فولاد فنر شامل چندین مرحله برای تبدیل مواد اولیه به محصول نهایی با خواص و ویژگی‌های مورد نیاز است. گرچه شکل دقیق فرآیند تولید بستگی به رده و شکل دقیق محصول نهایی دارد اما در ادامه فرآیند کلی تولید این مقاطع را توضیح خواهیم داد.
1. تهیه مواد اولیه
بدیهی است که فرآیند تولید با انتخاب مواد اولیه مناسب، عموماً فولاد با کیفیت و درصد کربن بالا، آغاز می‌شود. در این مرحله مناسب‌ترین شکل فولاد به شکل شمش تهیه می‌شود.
2. حرارت‌دهی
شمش در کوره تا رسیدن به محدوده دمایی مناسب حرارت می‌بیند. این مرحله شکل‌پذیری فولاد را بهبود می‌بخشد و آن را آماده‌ی مراحل بعدی می‌کند.
3. نورد گرم
بعد از حرارت‌دهی، فولاد از میان مجموعه‌ای از غلتک‌ها تا رسیدن به ضخامت مناسب عبور می‌کند. این مرحله نورد گرم نامیده می‌شود که تحت آن، فشار وارده بر شمش باعث می‌شود به ورقی نازک و طویل تبدیل شود.
4. نورد سرد
در بعضی مواقع علاوه‌بر نورد گرم در مرحله‌ی بعد فولاد تحت نورد سرد هم قرار می‌گیرد. طی نورد سرد فولاد برای رسیدن به ابعاد، خواص مکانیکی و کیفیت سطحی مطلوب، مجدد از میان مجموعه‌ای از غلتک‌ها عبور می‌کند این بار اما در دمای اتاق. نورد سرد استحکام و سختی فولاد را بهبود می‌بخشد.
5. عملیات حرارتی
عملیات حرارتی با هدف بهبود خواص مکانیکی به ویژه قدرت و کشش انجام می‌شود. این عملیات عموماً شامل دو مرحله است. اول کوئنچینک که به سرعت قطعه را به منظور بالا بردن سختی خنک می‌کند و سپس تمپرینگ که مجدد به فولاد تا رسیدن به دمایی مشخص حرارت می‌دهد تا سخت‌تر شده و شکنندگی آن کمتر شود.
6. پرداختکاری سطحی
بسته به مورد مصرف فولاد فنری و خواص مورد نیاز برای این مورد مصرف، امکان دارد قطعه تحت انواع پرداختکاریهای سطحی چون اسیدشویی و آبکاری قرار بگیرد. با پرداختکاری، ناخالصی‌ها، رسوب و خوردگی‌ها از بین می‌رود.
7. ساخت و شکل‌دهی
بعد از اتمام همه مراحل و آماده‌سازی‌های اولیه، تحت انواع تکنیک‌های خاص، فولاد به شکل دلخواه می‌رسد. این مرحله میتواند شامل برش، خم، ماشین‌کاری و … باشد.
8. سنجش کیفیت
طی فرآیند تولید به منظور کسب اطمینان از درست و دقیق بودن تمام مراحل باید سنجش کیفیت انجام بشود. سنجش کیفیت میتواند شامل سنجش خواص مکانیکی، ابعاد، کیفیت سطحی و سایر پارامترهای مرتبط باشد.
انواع فولاد فنر
فولاد فنری انواع بسیار مختلفی دارد. این انواع مختلف را می‌توان بر اساس گرید یا رده‌ی آنها که خود تابعی از خواص فیزیکی، شیمیایی و شرایط محیطی است، شناسایی و دسته‌بندی نمود. در ادامه به هفت گروه مختلف از فولادهای فنری آنیل شده اشاره خواهیم کرد که دسته‌بندی یا به عبارت دقیق‌تر آنالیز فولاد فنر آنها براساس عناصر موجود در ترکیباتشان انجام شده‌اند.
فولاد فنر کربنی
کاربردی‌ترین و بهترین فولاد فنر است. نمونه‌ای کم آلیاژ و پرکربن است که مستحکم و ارتجاعی است. از این نوع عموماً برای ساخت فنرهای سیم‌پیچ، فنرهای مسطح و قطعات مختلف در انواع صنایع استفاده می‌شود.
فولاد فنر آلیاژی
این نوع شامل عناصر آلیاژی بیشتری چون کروم، وانادیوم، سیلیکون و منگنز است. به لطف این عناصر ویژگی‌های مطلوب و کاربردی چون سختی و مقاومت دربرابر زنگ‌زدگی به قطعه افزوده می‌شود. از این نوع اغلب در مواقعی استفاده می‌کنند که فولاد باید عملکردی بهتر داشته باشد یا قرار است در شرایط محیطی خاصی مورد استفاده قرار بگیرد.
فولاد فنر استیل
فولاد فنر زنگ نزن به واسطه‌ی مقاومت بالایی که دربرابر خوردگی دارد در صنعت شهرت پیدا کرده است. همین ویژگی باعث شده عمده کاربرد فولاد ضد زنگ در محیط‌هایی باشد که احتمال زنگ‌زدگی و اکسایش یا خوردگی با مواد شیمیایی بیشتر است. فولاد فنر استیل به طور خاص در صنعت خودروسازی، پزشکی و غذایی کاربرد دارد.
فولاد فنر کروم – وانادیوم
نوعی فولاد آلیاژی است که در ترکیبات خود کروم و وانادیوم هم دارد. بسیار مستحکم است و مقاومت خوبی دربرابر خستگی دارد. بیشتر در زمینه ساخت سیستم تعلیق خودرو و ساخت ابزار دستی کاربرد دارد.
فولاد فنر سیلیکون – منگنز
از مزایای استفاده از سیلیکون و منگنز در ترکیبات فولاد برای بهبود دوام، استحکام و ایستایی است. برای تولید فنر سوپاپ، فنر کلاچ و هر ابزاری که تحت فشار بار داینامیک دارد، مناسب است.
فولاد فنر کروم – سیلیکون
این نوع از فولاد فنری، کروم و سیلیکون را علاوه بر عناصر آلیاژی اولیه خود دارد. بسیار مقاوم است، دربرابر حرارت پایدار باقی می‌ماند و عمر مفید آن طولانی است.
مشخصات فولاد فنر
فولاد فنری، خواص و ویژگی‌های منحصر به فردی دارد که آن را مناسب تولید فنر و سایر محصولات مشابه کرده است.
1. تابآوری
تابآوری یا مقاومت کششی فولاد فنری بسیار زیاد است. این به این معنا است که این نوع فولاد تحمل تغییر شکل بدون ایجاد تغییر شکل دائمی را دارد و بعد از خم و کشش بدون هیچ مشکلی مجدد به شکل اولیه خود باز می‌گردد.
2. سختی و استحکام
سختی فولاد فنر زیاد است به عبارت دیگر فولاد فنر مقاومت بسیار خوبی برای تحمل بارهای سنگین دارد و تحت فشار نیروی وزن، شکستگی هم در آن ایجاد نمی‌شود. علاوه‌بر آن این نوع فولاد برای مدت زمان طولانی میتواند دربرابر شکستگی و پارگی مقاومت کند. به طور کلی سختی و استحکام این نوع فولاد به خوبی با هم در تعادل هستند.
3. انعطاف‌پذیری
فولاد فنری در مقایسه با سایر انواع فولاد انعطاف‌پذیری بسیار زیادی دارد و به لطف این خاصیت بدون بروز مشکلی می‌توان آن را چندین بار خم کرد. توانایی جذب و ذخیره انرژی مکانیکی را دارد به همین خاطر بعد از تحمل حداکثری نیروهای خارجی، مجدداً میتواند به شکل اولیه خود برگردد.
4. مقاومت دربرابر زنگ‌زدگی
بعضی از انواع فولاد فنر ضد زنگ هستند. با مقاومت بالایی که در برابر زنگ‌زدگی دارد از آن می‌توان حتی در شرایط آب و هوایی نامساعد و در معرض مواد شیمیایی هم استفاده کرد.
5. مقاومت دربرابر حرارت
همانطور که توضیح دادیم عموماً برای بهبود خواص و ویژگی‌های فولاد فنری از عملیات حرارتی کمک می‌گیرند. عملیات حرارتی باعث می‌شود سختی، مقاومت و انعطاف‌پذیری فولاد بهبود پیدا کند.
6. جوش‌پذیری
فولاد فنر، جوش‌پذیر است اما باتوجه به ویژگی‌های خاصی که دارد جوشکاری آن با تکنیک‌هایی خاص و تحت ملاحظاتی باید انجام شود. درصد کربن در فولاد فنری در مقایسه با سایر انواع فولاد بیشتر است که میتواند جوشکاری فولاد را با چالش مواجه کند. اما به طور کلی جوش‌پذیر بودن فولاد فنری به این معنا است که جوشکاری فولاد فنر میتواند روشی مناسب برای ایجاد اتصالی دائمی بین قطعات مختلف آن باشد.
7. قابلیت انجام پرداخت سطحی
امکان انجام انواع پرداختکاریهای سطحی چون جلا، اسیدشویی، انواع آبکاری و… برای فولاد فنری وجود دارد. تمام انواع این پرداختکاری‌ها به ویژه آبکاری فولاد فنر ویژگی‌های مثبتی چون استحکام بیشتر، مقاومت بیشتر دربرابر زنگ‌زدگی و حرارت را به خواص معمول قطعه فولادی می‌افزاید.
کاربرد فولاد فنر
فولاد فنر به واسطه‌ی ویژگی‌های مطلوب و بی‌نظیرش در طیف گسترده‌ای از صنایع کاربرد دارد در ادامه به چند نمونه از آن اشاره می‌کنیم:
1. فنر
کاربرد اصلی این نوع فولاد همانطور که از نام آن نیز پیدا است بیشتر برای ساخت انواع مختلف فنر است. شامل فنر سیم پیچ که در سیستم تعلیق خودرو کاربرد دارد، فنر سوپاپ در موتور وسایل نقلیه، فنر مسطح در لوازم خانگی و الکترونیک، واشر فنری و هر آنچه برای ساخت، به ماده اولیه‌ای کشسان و انعطاف‌پذیر نیاز دارد.
بیشتر بدانید: فولاد چگونه ساخته می شود؟
2. صنعت خودروسازی
فولاد فنر به شکل گسترده در بخش‌های مختلف خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولاد فنر خودرو در کلاچ، ترمز، صندلی و اغلب اجزای خودرو استفاده می‌شود.
3. ابزار و تجهیزات
از این نوع فولاد برای ساخت ابزار و تجهیزاتی چون انبر، آچار، پیچ گوشتی، چکش و هر ابزار دیگری که نیاز به دوام و انعطاف‌پذیری بالا دارد، استفاده می‌شود. در زمینه ساخت ابزار برش، برقی و تیغه اره هم کاربردی است.
4. صنعت برق
در اتصالات الکترونیکی از فولاد فنر استفاده می‌شود جایی که نیرو و استحکام فنر و رسانایی فلز اهمیت دارد. برای سوئیچ‌های الکتریکی، اتصال‌دهنده‌ها و هرآنچه نیاز به اتصالی قابل اعتماد دارد می‌توان از فولاد فلزی استفاده کرد.
5. هوا فضا و صنایع دفاعی
در سیستم دنده‌های فرود هواپیما، موشک و انواع سیستم‌های تسلیحاتی، پره‌های ملخک هواپیما، مکانیسم‌های کنترل و سایر اجزا که به استحکام بالا نیاز دارد از فولاد فنر استفاده می‌کنند.
6. ابزار و تجهیزات پزشکی
برای ساخت انواع تجهیزات جراحی، پنس و انبرهای پزشکی، ایمپلنت‌های ارتوپدی و سایر ابزار و تجهیزاتی که باید انعطاف‌پذیر و بی‌اثر باشند، از فولاد فنری استفاده می‌شود.
7. تجهیزات صنعتی
سیستم‌های نقاله، شیرهای صنعتی، ماشین‌آلات کشاورزی، ربات‌های صنعتی و همه تجهیزات صنعتی که نیاز به کنترل حرکت و جذب لرزش دارند با فولاد فنری ساخته می‌شوند.
8. کالاهای مصرفی
فولاد فنری برای ساخت کالاهای مصرفی چون مبلمان، اسباب‌بازی، کالاهای ورزشی و لوازم خانگی هم استفاده می‌شود. از فولاد فنر برای چاقو، ساخت فنر ترامپولین، قفل در، پایه کشو و هر آنچه به دوام و انعطاف‌پذیری نیاز دارد، استفاده می‌شود.
مقایسه فولاد فنری و فولاد کربنی
در واقع فولاد فنری هم نوعی فولاد کربنی است که برای مواقعی طراحی شده که انعطاف‌پذیری و کشش‌پذیری زیاد نیاز است. در مقایسه با شکل معمول فولادهای کربنی مقاومت بسیار خوبی دربرابر تغییر شکل از خود نشان می‌دهد و دقیقاً همین ویژگی آن را به گزینه‌ای مناسب برای ساخت فنر و هر آنچه نیاز به تغییر شکل‌های پی‌در‌پی دارد، تبدیل کرده است. فولاد کربنی گروه بزرگی است که طیفی از فولاد با درصد کربن‌های متفاوتی را شامل می‌شود.
جمع‌بندی
همانطور که توضیح دادیم فولاد فنری، آلیاژی با درصد کربن بالاست که خواص مکانیکی بی‌نظیری چون دوام، استحکام و کشش‌پذیری دارد. فرآیند تولید این نوع فولاد شامل عملیات حرارتی خاصی است که میتواند ویژگی‌های مطلوب و مورد نیاز را برای آن فراهم آورد. فولاد فنری در طیف گسترده‌ای از صنایع و برای کاربردهای متفاوتی قابل استفاده است. گرید و استاندارد فولاد فنر بسیار متفاوت و متنوع است که هر کدام با ویژگی‌های خاصشان آن را به ماده‌ای همه کاره و مناسب تبدیل کرده‌اند. در مجموع فولاد فنری ماده‌ای با کیفیت است که عملکرد مناسبی تحت شرایط خاص دارد.
پرسش و پاسخ
ویژگی اصلی فولاد فنری چیست؟
انعطاف پذیری - فولاد فنری بسیار انعطاف پذیر است و میتواند پس از خم شدن یا کشیده شدن به شکل اولیه خود بازگردد.
ترکیب فولاد فنری چیست؟
فولادهای فنری با محتوای کربن متوسط تا زیاد، معمولاً 0.5 تا 1.0 درصد کربن دارند. آلیاژهای دیگری که به مخلوط اضافه می‌شوند عبارتند از منیزیم، کروم، وانادیم، مولیبدن، نیکل و سیلیکون با سیلیسیم که یک عنصر اصلی در ارائه استحکام تسلیم بالا است.