فولاد کربنی چیست و چه کاربردی در صنعت دارد؟

کربن در شکل‌های مختلفی وجود دارد و استفاده‌های مختلفی از آن می‌شود. کربن، عنصر ششم جدول تناوبی مندلیف است که با نماد C شناخته شده است. ریشه نام این عنصر از واژهٔ لاتین کربو به معنای زغال‌سنگ یا زغال چوب گرفته شده‌است. کشف کربن به دوران پیش از تاریخ بر می‌گردد و استفاده از آن به صورت دوده و زغال چوب در زندگی نخستین تمدن‌های بشری مشهور بود. پس از اینکه صنعتگران متوجه شدند که کاربردهای مختلفی از کربن وجود دارد، رفته‌رفته آن را وارد صنایع مختلفی کردند، تا از مزایای بیشمار آن استفاده کنند. با پیشرفت صنعت و گسترش استفاده از آهن، نیازهای جدیدی پیدا شد. گاهی اوقات افراد نیاز داشتند تا قطعه‌ای بسیار سخت‌تر و مقاوم‌تر از آهن در اختیار داشته باشند. 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. با افزایش درصد کربن در فولادها، امکان سختکاری و افزایش استحکام آن نیز از طریق عملیات حرارتی افزایش می‌یابد، ولی از طرفی این کار باعث کاهش شکل‌پذیری آن می‌شود. حال که به نحوه ساخت و اهمیت فولاد کربنی پی بردید، با صباپروفیل همراه باشید تا این فولاد پرکاربرد را به صورت کامل برای شما شرح دهیم.

فولاد کربنی چیست؟

فولاد کربنی (Carbon Steel) همان‌طور که از نامش پیداست، در واقع معرف طیف گسترده‌ای از فولادها است که کربن به عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن‌ شناخته می‌شود. به زبان ساده، فولاد را می‌توان آلیاژی دانست که آهن، عنصر پایه و کربن عنصر آلیاژی اصلی آن است. درصد وزنی کربن در این نوع فولاد بین 0.05 تا 2.1 درصد می‌باشد. اکثر فولادها حداقل مقداری کربن دارند اما انواع فولاد کربنی معمولاً بر اساس محتوا و میزان کربن آن دسته‌بندی می‌شود.

فولادهای کربنی معمولاً در حالت آنیل و یا نرمالیزه به‌کار می‌روند ولی در موارد خاص در حالت سخت کاری و تمپر شده نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مشخصاتی که یک فولاد باید داشته باشد تا به آن فولاد کربنی بگوییم عبارتند از:

• هیچ حداقل مقداری برای عناصر کروم، کبالت، مولیبدن، نیکل، نیوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، وانادیم، زیرکونیم مشخص نشده باشد.
• حداقل میزان مس مشخص شده از 0.4 درصد جرمی بیشتر نباشد.
• حداکثر درصد جرمی عناصر ذکر شده از این مقادیر بیشتر نباشد: منگنز 1.65 درصد، سیلیکن 0.6 درصد، مس 0.6 درصد.

همان‌طور که در بالا مشاهده می‌نمایید، یک فولاد کربنی علاوه بر کربن می‌تواند شامل چندین نوع عنصر آلیاژی دیگری نیز باشد. این عناصر به ۳ طریق زیر می‌توانند در فولاد وجود داشته باشند:

1. عناصری که وجود آن‌ها برای فولاد مناسب نیست و به‌صورت اتفاقی وارد ترکیبات فولاد شده‌اند. این عناصر باید در حداقل میزان ممکن نگه داشته شوند زیرا باعث افت خواص مکانیکی فولاد خواهند شد. گوگرد، اکسیژن، فسفر، نیتروژن و هیدروژن از این دسته عناصر هستند.
2. عناصری که به‌صورت اتفاقی وارد ترکیبات فولاد شده و وجود آن‌ها قابل قبول است. منگنز و سیلسیم از این دسته هستند.
3. عناصری که یک ویژگی خاص مانند سختی، استحکام، افزایش مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت خزشی و … به ترکیبات فولاد اضافه می‌کنند. نیکل، مولیبدن، وانادیم، کروم و آلومینیوم از این دسته هستند.

عناصر آلیاژی مختلف و تاثیر آن‌ها بر خواص فولاد کربنی

کربن: اصلی‌ترین عنصری است که خواص مکانیکی را در فولادهای کربنی رقم می‌زند. می‌توانیم بگوییم که ساختار فولادهای کربنی، تابع مقدار کربن استفاده شده در آن‌ها است. با افزایش کربن، سختی فولادهای کربنی افزایش می‌یابد.

هیدروژن: یکی از مضرترین عناصر گازی که در فولاد وجود دارد، هیدروژن است. این عنصر به دلیل سرعت نفوذ بالایی که دارد، در داخل ساختار نفوذ کرده و باعث ایجاد ترک‌هایی مویی یا ورقه‌ای می‌شود.

سیلیسیوم: سیلیسیوم در مقادیر مختلف در تمامی فولادها وجود دارد. اضافه کردن این عنصر در قالب فروسیلیس باعث اکسیژن زدایی فولاد و کاهش تاثیرات نامطلوب آن می‌شود. این عنصر با انحلال در فاز فریت باعث افزایش استحکام فولاد از طریق تشکیل محلول جامد می‌شود.

اکسیژن: اکسیژن در ترکیب با آهن، منگنز، سیلیسیوم و آلومینیوم آخال‌های اکسیدی غیرفلزی ایجاد می‌کند که پیوستگی ساختار را از بین می‌برد و باعث ایجاد خواص جهت‌دار در آن می‌شود. این عنصر همچنین دمای انتقال را در فولاد افزایش داده و باعث کاهش انعطاف پذیری و چقرمگی آن می‌شود.

منگنز: این عنصر در تمامی فولادها حضور دارد و اصلی‌ترین نقش آن نیز اکسیژن زدایی از فولاد است. این عنصر با گوگرد فولاد ترکیب شده و سولفید منگنز را تشکیل می‌دهد که یک ترکیب دیرگداز است. به علاوه منگنز، نقطه تسلیم فولاد را بالا برده و استحکام کششی و چقرمگی آن را افزایش می‌دهد. اگر که مقدار این عنصر از حد مجاز بیشتر شود، باعث ترک در فولاد می‌شود.

گوگرد: این عنصر معمولاً در فولادها به صورت سولفید آهن یا سولفید منگنز یافت می‌شود. در صورتی که گوگرد به صورت سولفید آهن در ساختار حضور یابد، با رسوب در مرزدانه‌ها خواص مکانیکی فولاد را به شدت تضعیف می‌کند. در صورتی که عملیات نورد یا آهنگری بر روی این فولاد در دمای بالای 1000 درجه سانتی‌گراد انجام شود، سولفید آهن ذوب شده و در مرزدانه ایجاد پارگی داغ می‌کند.

فسفر: فسفر معمولاً در فولاد ساده کربنی به صورت فاز فسفید آهن (Fe3C) وجود دارد. تشکیل این فاز باعث ایجاد ترک‌های سطحی در حین عملیات کار مکانیکی فولاد شده که به پارگی سرد (Cold shortness) شناخته می‌شود. این عنصر استحکام کششی و استحکام تسلیم فولاد را بالا برده اما کاهش شدیدی در انعطاف پذیری آن به وجود می‌آورد.

نیتروژن: منبع نیتروژن اتمسفر هوا است. بنابراین برای کنترل مقدار نیتروژن فولاد، باید کنترل مناسبی روی اتمسفر بالای آن داشته باشیم. مهمترین تاثیر این عنصر، افزایش نقطه تسلیم فولاد با تشکیل باندهای لودر است. همچنین هنگام اکسیژن زدایی توسط آلومینیوم، نیترید آلومینیوم (AlN) تشکیل می‌شود که با محدود ساختن رشد دانه، سبب ریزدانگی فولاد می‌شود.

مس: حضور این عنصر تا حدود 0.04%، خواص مکانیکی فولاد را به‌طور قابل توجه تحت تاثیر قرار نمی‌دهد، اما مقاومت در برابر خوردگی به خصوص در اتمسفر را بهبود می‌بخشد.

انواع فولاد کربنی

فولادهای کربنی از یک دیدگاه بر اساس مقدار کربن موجود، دسته‌بندی می‌شوند. از لحاظ درصد کربن موجود در فولاد، اگر میزان درصد کربن موجود کمتر از 0.2 درصد باشد، به آن فولاد کم‌کربن (Low Carbon Steel)، اگر درصد آن بین 0.2 تا 0.6 درصد باشد، فولاد کربن‌متوسط (Medium Carbon Steel) و اگر بالای 0.6 درصد باشد، فولاد پرکربن (High Carbon Steel) می‌گویند.

فولاد کم کربن

این نوع از فولاد دارای کمترین میزان کربن نسبت به دو نوع دیگر است و هزینه تولید آن نسبت به فولاد پرکربن پایین‌تر است. طبق جدول بالا، این فولاد کمتر از 0.2 درصد کربن دارد. به‌دلیل وجود کربن کمتر در این نوع فولاد، انعطاف‌پذیری آن نسبت به فولاد کربن متوسط و پر کربن بسیار بیشتر است و با توجه به اینکه می‌توان آن را به راحتی به اشکال مختلف در آورد، کارایی و کاربرد آن در بعضی از مصارف، بسیار بالا است. البته به همان نسبت، کارایی این فولاد در مصارفی که نیاز به فولاد مقاوم و با استحکام بسیار بالا است نیز کمتر می‌شود. شکل‌پذیری سرد فولاد کم کربن (Low Carbon Steel) که با روش‌هایی مانند چین، خمش یا پرس انجام می‌شود، بسیار مناسب و راحت است. به طور کلی، جوشکاری فولاد کم کربن خوب است و به فرآیندهای خاصی نیاز ندارد. جوشکاری با الکترودهای قلیایی فقط در مواقعی که دمای پایین و صفحات ضخیم نیاز است، صورت می‌گیرد.

این نوع فولاد معمولاً قبل از استفاده تحت عملیات حرارتی قرار نمی‌گیرد و برای ساخت اجزای مختلف ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های کوره و ماشین‌آلات کشاورزی، لوله فولادی قیمت مناسب، نوار فولادی یا ورق فولادی نورد استفاده می‌شود. فولاد کم کربن با کیفیت بالا در یک صفحه نازک نورد می‌شود تا در محصولاتی مانند کابین خودرو و روکش موتور به کار برده شود. همچنین برای تولید قطعات مکانیکی که به استحکام پایین نیاز دارند، نورد می‌شود. همچنین فولادهای کم کربن بدلیل خواص هدایت مغناطیسی کاربرد زیادی در صنعت برق دارند.

فولاد کربن متوسط

میزان کربن در این نوع از فولاد بین 0.2 تا 0.6 درصد است و عملکرد پردازش حرارتی و برش خوبی دارد، اما در مقابل عملکرد جوشکاری آن ضعیف است. بنابراین قبل از جوشکاری به یک مرحله اضافه‌تر به نام پیش گرمایش نیاز است. از نظر استحکام و سختی باید گفت که این فولاد در رتبه بالاتری از فولاد کم کربن قرار می‌گیرد اما در مقابل، انعطاف‌پذیری و سفتی کمتری نسبت به آن دارد. مواد نورد سرد را می‌توان مستقیماً بدون عملیات حرارتی استفاده کرد و همچنین می‌تواند پس از عملیات حرارتی به کار گرفته شود. فولاد با کربن متوسط (Medium Carbon Steel) در حین جوشکاری تمایل به تَرک سرد دارد. هر چه مقدار کربن بیشتر باشد، تمایل به سخت شدن ناحیه متاثر از گرما بیشتر است، همچنین تمایل به ترک سرد بیشتر و جوش‌پذیری آن بدتر می‌شود. با افزایش مقدار کربن فلز پایه، محتوای کربن فلز جوش نیز بر همین اساس افزایش خواهد یافت. بنابراین در جوشکاری فولاد کربن متوسط، باید از الکترودهای قلیایی مقاوم در برابر ترک، استفاده کرد و اقدامات پیش گرمایشی و پس گرمایشی برای کاهش تمایل به ایجاد ترک را انجام داد.

چند نمونه از این فولاد عبارتند از:

• استیل ۴۳۴۰
• استیل ۴۱۴۵
• ۴۱۴۰
• EN26
• EN25
• ۳۰۰M

فولاد کربن متوسط معمولاً برای ساخت قطعات متحرک با استحکام بالا استفاده می‌شود. کمپرسورهای هوا، ابزارهای نیمکت، پیستون‌های پمپ، غلتک‌ها، پروانه‌های توربین بخار، چرخ دنده‌ها و قطعات سایش سطحی، میل لنگ، دوک‌های ماشین ابزار، انواع پنجره ساختمانی و … از این دست می‌باشند.

فولاد پرکربن

فولاد پرکربن (High Carbon Steel) بالاترین نسبت کربن را نسبت به دو نوع دیگر دارد و با وجود همین محتوای کربن بالا، فولاد پرکربن، قوی‌تر و سخت‌تر است. این فولاد دارای بیش از 0.6 درصد کربن است و در نتیجه خواص فیزیکی آن تغییر می‌کند. فولادهایی مانند 050A86، 080A86، AISI 1086 و BS 1407 از جمله مواردی هستند که در این دسته قرار می‌گیرند.

فولاد پرکربن انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به فولاد کم کربن دارد و خب واضح است که این موضوع به دلیل وجود کربن بیشتر در آن است. فولاد پرکربن عملکرد جوشکاری ضعیفی دارد. چکش‌ها، میله‌ها و … از فولاد با کربن ۰.۷۵٪ ساخته شده‌اند. ابزارهای برش مانند مته‌ها و شیرها را با فولاد با محتوای کربن ٪۰.۹۰ تا ۱.۰۰٪ می‌سازند. هنگامی که فولاد پرکربن جوش داده می‌شود، به دلیل محتوای کربن بالای این فولاد، تنش زیادی در حین جوشکاری به وجود می‌آید. تمایل به سخت شدن و ترک سرد در این ناحیه، متاثر از حرارت جوشکاری بیشتر است و بخش جوش نیز مستعد ترک‌های داغ است. فولاد پرکربن در هنگام جوشکاری بیشتر از فولاد کم کربن در معرض ترک‌های داغ است، بنابراین این نوع فولاد بدترین جوش‌پذیری را دارد. در نتیجه در سازه‌های جوشکاری عمومی استفاده نمی‌شود و فقط برای جوشکاری تعمیری یا روکش ریخته‌گری به کار می‌رود. روی هیچکدام از این فولادهای این دسته نمی‌توان سردکاری انجام داد، به دلیل اینکه درصد افزایش طول آن‌ها بسیار کم است و به سرعت دچار شکست می‌شوند.

فولاد پرکربنی عمدتاً در ساخت فنرها، سیم‌های مستحکم، ابزارآلات تراشکاری، قطعات سایش و ابزارهای با سختی بالا به کار می‌رود.

فولاد اولترا کربن

با وجود ۱٫۲۵-۲٫۰ درصد کربن از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است. از آن در ساخت پانچ، محورهای ماشین آلات خاص و چاقوهای نظامی استفاده می‌شود. اکثر فولادهای با محتوای کربن بیش از 2.5 درصد با استفاده از متالورژی پودر ساخته می‌شوند.