فولادهای آلیاژی

فولاد‌های آلیاژی انواعی از فولادها هستند که با عناصر مختلفی مانند مولیبدن، منگنز، نیکل، کروم، وانادیم، سیلسیم و بور آلیاژسازی شده‌اند. این عناصر جهت افزایش خواصی همچون استحکام، سختی، مقاومت به سایش و چقرمگی به فولاد اضافه می‌شود.

مقادیر عناصر آلیاژی افزوده شده به فولاد می‌تواند از 1 تا 50 درصد وزنی آلیاژ متغیر باشد.

فولادهای آلیاژی به دو گروه فولادهای کم‌آلیاژ و پرآلیاژ طبقه‌بندی می‌شوند. مرز میان فولاد‌‌های کم‌آلیاژ و پرآلیاژ 5 درصد وزنی از عناصر آلیاژی افزوده‌شده، در نظر گرفته می‌شود.

علاوه بر فولادهای آلیاژی، فولادهای ساده کربنی نیز از مجموعه فولادهای پرکاربرد در صنعت است. در این نوشته، به ارائه توضیحاتی در ارتباط با انواع فولادهای کاربردی در صنعت پرداخته می‌شود.

فولادهای ساده کربنی:

فولاد ساده کربنی، آلیاژی است که آهن، عنصر سازنده اصلی آن است و همراه آن کربن (معمولا کمتر از 2/5 درصد) وجود دارد. فولادهای کربنی از مواد پرکاربرد در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز است. حداقل 80 درصد از مواد به کار برده شده در صنایع نفت و گاز، از جنس فولادهای کربنی است. چرا که این فولادها، ارزان، در دسترس و با قابلیت تولید آسان هستند.

فولادهای پر آلیاژ

در فولادهای پر آلیاژ، مجموع عناصر آلیاژی آن‌ها بیش از 5 درصد وزنی است . در فولادهای ضدزنگ، عنصر آلیاژی کروم ممکن است حتی تا 11 درصد بیشتر از درصد وزنی را به خود اختصاص دهد. یکی از مهم‌ترین خواص فولاد پر آلیاژ، مقاومت بسیار بالای آن‌ها در برابر خوردگی است. افزودن نیکل و مولیبدن نیز می‌تواند باعث بالارفتن چنین مقاومتی در برابر خوردگی شود. یکی دیگر از ویژگی فولادهای پرآلیاژ قابلیت عناصر آلیاژی برای ایجاد یک فاز چندگانه خاص و تثبیت آن‌ها است.

فولادهای کم‌آلیاژ

فولادهای کم­‌آلیاژ به آن دسته از فولادها اطلاق می‌­شود که مجموع عناصر آلیاژی آن­‌ها عمدتا کمتر از 5 درصد است و معمولا در هنگام تولید تحت فرآیندهای عملیات حرارتی، نرمالیزاسیون و برگشت قرار می‌­گیرند. همچنین این دسته از فولادها، قابلیت جوشکاری نیز دارند ولی انجام عملیات حرارتی منطقه‌­ جوش برای جلوگیری از ایجاد ترک­‌های جوشکاری ضروری است. برای اکثر فولادهای کم‌­آلیاژ کم‌­کربن، اولین هدف از افزودن عناصر آلیاژی، افزایش سختی‌­پذیری و بهینه‌سازی خواص مکانیکی و چقرمگی پس از عملیات حرارتی است.

برخی از خواص قابل توجه فولادهای کم‌­آلیاژ به شرح زیر است:

• استحکام تسلیم بالا
• توانایی تحمل دمای بالا
• استحکام خستگی خوب
• مقاوم به اکسیداسیون
• مقاوم به واکنش با هیدروژن
• شکل­‌پذیری در دماهای پایین

دسته­‌بندی فولادهای کم آلیاژ

به طور کلی فولادهای کم‌­آلیاژ بر دو اساس قابل طبقه­‌بندی هستند:

الف) بر اساس ترکیب شیمیایی مانند فولادهای نیکل­‌دار، فولادهای نیکل – کروم، فولادهای مولیبدن‌دار و فولادهای کروم – مولیبدن.

ب) بر اساس عملیات حرارتی مانند فولادهای کم­‌آلیاژ کوئنچ – تمپرشده ، فولادهای نرماله – تمپرشده و فولادهای کم­‌آلیاژ آنیل شده.

به دلیل طیف گسترده‌­ ترکیبات شیمیایی ممکن و این واقعیت که برخی از این فولادها در بیش از یک دسته از گروه­‌های عملیات حرارتی قرار می‌­گیرند، در بعضی موارد تداخلی میان این گروه‌­بندی‌­ها اتفاق می‌­افتد. در این مطلب چند گروه اصلی از فولادهای کم‌­آلیاژ بررسی می‌­شود و در انتها به بیان مثالی از هر گروه عنوان شده پرداخته می‌­شود.

فولادهای دارای کروم-مولیبدن ( Chromium-Molybdenum Steels )

این دسته از آلیاژها، معروف به فولادهای کم‌­آلیاژ مقاوم به حرارت و دارای 9 – 0/5 درصد کروم و 0/5 تا 1 درصد مولیبدن هستند. میزان کربن این دسته از فولادها معمولا کمتر از 0/2 درصد است. عنصر کروم مقاومت به خوردگی را بهبود می­‌بخشد در حالیکه افزودن مولیبدن استحکام در دماهای بالا را افزایش می‌­دهد. این فولادها معمولا در شرایط نرماله – تمپرشده، کوئنچ – تمپرشده و یا حالت آنیل تولید می‌­شوند. فولادهای کروم – مولیبدن به صورت گسترده در صنایع نفت و گاز ، سوخت­‌های فسیلی و نیروگاه‌­های هسته‌­ای مورد استفاده قرار می‌­گیرند.
در حال حاضر، گروه صنعتی فولاد کاربین در حال تولید این گروه از فولادها مانند گریدهای  1/7258 (24CrMo5) و 1/8070 است که از فولادهای پرکاربرد در صنایع هوایی، مخازن تحت فشار و چرخ­‌دنده‌­ها هستند.

فولادهای نیکل دار ( Nickel Steels)

فولادهای نیکل‌­دار، فولادهایی هستند که در دماهای پایین­‌تر، استحکام بالاتر ولی شکل­‌پذیری و چقرمگی کمتری از خود نشان می­‌دهند و همین موضوع سبب افزایش احتمال شکست ترد آن­‌ها می‌­شود. به طور کلی، فولادهای نیکل­‌دار، فولادهای مناسبی برای کاربردهای دما پایین هستند و برای افزایش چقرمگی آن­‌ها در دماهای پایین، 2/5 تا 3/5 درصد نیکل به فولادهای کربنی افزوده می‌­شود. نیکل می­‌تواند استحکام فاز فریت زمینه را از طریق تشکیل دانه‌های ریز، در دماهای کمتر از دمای شروع استحاله آستنیت، افزایش دهد. قابل ذکر است که علاوه بر انجام عملیات نرمالیزاسیون در هنگام تولید فولادهای کم‌­آلیاژ دما پایین، عملیات حرارتی کوئنچ – تمپر نیز برای افزایش خواص مکانیکی آن­‌ها صورت می­‌گیرد.

فولادهای فنر ( Alloy spring steel )

از فولادهای فنر در بارگذاری­‌های ضربه­‌ای و ناگهانی و هم‌چنین در هنگام واردشدن تنش­‌های بالا به قطعه استفاده می­‌شود. این دسته از فولادها قابلیت تحمل گستره‌­ی دمایی بالاتری نسبت به فولادهای فنر پرکربن دارند و تحت عملیات حرارتی­‌های آنیل و یا پیش- تمپر مورد استفاده قرار می‌­گیرند. سیلسیم عنصر اساسی در فولادهای فنر آلیاژی است. به عنوان مثال، فولادهای فنر 1/7103، 1/7176، 1/8159 که دارای ویژگی­‌هایی از قبیل قابلیت ایجاد چقرمگی و استحکام بالا در شرایط عملیات حرارتی‌­شده با حفظ استحکام خستگی خوب هستند، در گروه صنعتی فولاد کاربین تولید و به بازار عرضه می­‌گردند. به عنوان مثال ترکیب شیمیایی یک فولاد فنر آلیاژی در جدول زیر آمده است:

Manganese	Silicon	Carbon
1 – 0/7 %	1.8 – 1.5  %	0.6 – 0.52 %

فولادهای آلیاژی ساختمانی ( Constructional alloy Steels )

این فولادهای آلیاژی دارای مقادیر کمی عناصر آلیاژی هستند. مجموع عناصر آلیاژی در این فولادها در محدوده­‌ی 6 – 0/‌‌25 درصد است. این گروه از فولادها در صنایعی هم­‌چون ساختمان­‌سازی، کشتی‌­سازی، راه‌­سازی و … استفاده می‌­شوند. هم­چنین از آنها در تولید تجهیزات و قطعات اتومبیل مانند شفت، چرخ­‌دنده، پیچ، فنر،پیستون و لوله‌­های اتصالی بهره می­‌برند. به عنوان مثال از این گروه فولادها می­‌توان گریدهایی مانند St37، St52 و St44 و … نام برد که در حال حاضر از جمله فولادهای تولیدی در گروه صنعتی فولاد کاربین است.

فولادهای سخت‌­شونده سطحی  ( Case hardening Steels )

فولادهای سخت­‌شونده سطحی دارای کربن نسبتا کمی در محدوده­ 0/3 – 0/1 درصد هستند. از این فولادها در کاربردهایی که نیاز به سختی بالا در سطح قطعه است، استفاده می‌شود.  فرآیند سخت‌­کاری سطحی این فولادها شامل سه مرحله به ترتیب زیر است:

1- کربن­‌دهی/ نیتریددهی

2- سخت­‌کاری (کوئنچ)

3- بازگشت (تمپر)

در این فولادها برای افزایش درصد کربن سطح تا تقریبا 0/8 درصد، از فرآیندهای نفوذی استفاده می‌­شود. سختی سطح و خواص مغز قطعه از طریق عملیات سخت­‌کاری و تمپر حاصل می‌­شود. در نهایت، این عملیات منجر به ایجاد سطحی سخت و مقاوم به سایش می­‌شود که در برابر ضربه هم مقاوم است. فولاد کاربین با قابلیت تولید گریدهای مختلفی از این نوع فولادها مانند 1/7131 ، 1/7147 ، 1/6587 و …. که در ساخت قطعاتی همچون پیچ و مهره، پیستون و ابزار برش بسیار پرکاربرد هستند، آماده­‌ی ارائه این محصولات به مشتریان است.

فولادهای کم‌کربن کوئنچ-تمپر

این دسته از فولادها دارای ترکیبی از خواص مانند استحکام تسلیم بالا ( MPa 350-1350 )، استحکام کششی بالا به همراه چقرمگی خوب، شکل‌­پذیری، مقاومت به خوردگی و جوش­‌پذیری مناسب هستند. قابل ذکر است که برخی از این فولادها از طریق آهنگری یا ریخته­‌گری نیز تولید می­‌شوند. فولادهای کم­‌آلیاژ معمولا بدون عملیات حرارتی مناسب مورد استفاده قرار نمی‌­گیرند. ترکیبات و مقادیر مختلفی از منگنز، سیلسیم، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم و بور برای افزایش خواص فولادهای کوئنچ – تمپر به این فولادها افزوده می­‌شود. ریزساختار این فولادها که متشکل از مارتنزیت تمپرشده و یا بینیت است از طریق عملیات حرارتی کوئنچ – تمپر فولادهای کم‌­آلیاژ حاصل شده و منجر به تولید فولادی با چقرمگی مناسب می‌­شود که این ویژگی قابلیت تغییرشکل بدون شکست را به همراه می­‌آورد. میزان سختی و استحکام این ساختارها، تابعی از درصد کربن این فولادها است. فولاد 1/0044 در این گروه از فولادها قرار دارد.

فولادهای کربن‌متوسط با استحکام بسیار بالا ( Medium Carbon ultra high strength steel )

این دسته از فولادها، گروهی از فولادها هستند که می‌­توانند استحکام تسلیم بیش از MPa 1380 داشته باشند. محصولات به دست آمده از این دسته از فولادها به شکل تسمه، میلگرد، ورق، لوله، قطعات فورج‌شده و سیم­‌های جوشکاری تولید می­‌شوند. فولادهای کربن متوسط با استحکام بالا برای عملیات فورج داغ در محدوده دمایی 1230 – 1065 درجه سانتیگراد قابل استفاده هستند. برای جلوگیری از ترک­‌های تنشی ناشی از سردشدن قطعه در هوا، قطعات حاصل از فورج به آرامی در کوره سرد می‌­شوند. قبل از شروع ماشین‌کاری این فولادها، معمولا عملیات نرمالیزاسیون در دمای 925-870 درجه سانتیگراد یا عملیات برگشت (تمپر) در دمای 675-650 درجه سانتیگراد و یا عملیات آنیل در کوره در دمای 845-815 درجه سانتیگراد انجام می­‌شود. فرآیندهای ذکر شده منجر به ایجاد ریزساختاری سخت از پرلیت با اندازه‌­دانه متوسط تا ریز می­‌شود و نرخ ماشین‌کاری آن را تا  حدود 50 درصد فولادهای خوش­‌تراش افزایش می­‌دهد.

فولادهای کم‌آلیاژ با خواص دما بالا ( Low alloy steels with high temperature properties)

این گروه از فولادها دارای عناصری مانند نیکل، کروم، مولیبدن و وانادیم هستند. افزودن کروم و نیکل به آن‌­ها سبب پایداری حرارتی این دسته از فولادها در دمای بالا ­می‌­شود و همچنین امکان استفاده از آن­‌ها در کاربردهای دما بالا را فراهم می­‌آورد. فولاد ASTM A470 یک نمونه از فولادهای کم‌­آلیاژ است که به دلیل خواص آن در دمای بالا، در ساخت موتور توربین از آن استفاده می‌­شود. این گروه از فولادها در توربین‌­های تولید انرژی الکتریکی بسیار مورد استفاده قرار می‌­گیرند.

فولادهای کم­‌آلیاژ با قابلیت شکل‌­پذیری ( Low alloy steels with formability )

این دسته از فلزات برای بهینه­‌سازی شکل­‌پذیری طراحی شده­‌اند. در برخی از این فولادها که حاوی آلومینیم هستند، این عنصر با نیتروژن موجود در فولاد ترکیب شده و موجب تشکیل رسوب نیترید آلومینیم درحین آنیل می‌­شود. رسوبات نیترید آلومینیم موجب ایجاد یک بافت کریستالوگرافی مطلوب برای کشش عمیق می‌­شوند. در نوع دیگری از این فولادها که بسیار کم‌کربن هستند، اتم‌­های بین­‌نشین مانند کربن و نیتروژن، با عناصر کاربیدزا و نیتریدزا مانند تیتانیم و نیوبیم ترکیب می­‌شوند و عدم حضور این عناصر به صورت بین­‌نشین، موجب افزایش شکل‌­پذیری می­‌شود.

فولادهای با استحکام نهایی و استحکام تسلیم بالا  (High tensile and high yield strength Steels)

در این دسته از فولادها منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن و … به ترکیب شیمیایی افزوده می­‌شود. این عناصر موجب افزایش استحکام زمینه فریتی، سختی‌پذیری و کنترل بهتر اندازه دانه می‌­شود. این فولادها، الزامات و شرایط جوش مناسب مانند استحکام بالا، مقاومت به خوردگی، چقرمگی و خواص مکانیکی مناسب را فراهم می­‌کنند و دارای استحکام تسلیم در محدوده MPa 830 – 480 و استحکام کششی در محدوده MPa 1030 – 620 هستند.

فولادهای کم­‌آلیاژ استحکام بالا ( High-Strength Low-Alloy Steels )

فولادهای کم‌­آلیاژ استحکام بالا به منظور رسیدن به خواص مکانیکی بهتر و مقاومت به خوردگی بالاتر نسبت به فولادهای ساده کربنی  طراحی شده‌­اند.

این گروه از فولادها دارای 0/25 – 0/05 درصد کربن و حداکثر 2 درصد منگنز هستند و خواصی مانند جوش­‌پذیری و شکل­‌پذیری دارند. همچنین ممکن است مقادیر کمی کروم، نیکل، مولیبدن، مس، نیتروژن، وانادیم، نیوبیم، تیتانیم و زیرکونیم نیز در ترکیب شیمیایی آن­‌ها وجود داشته باشد.

دسته بندی فولادهای استحکام بالا کم‌آلیاژ

• فولادهای خود محافظ ( Weathering steels ) : فولادهای بسیار مقاوم در برابر خوردگی اتمسفری.
• فولادهای نوردی کنترل­‌شده ( Control-rolled steel ) : طراحی شده برای ایجاد یک ساختار آستنیتی که در هنگام خنک شدن به یک ساختار فریت هم محور و ظریف تبدیل می­‌شود.
• فولادهای پرلیت کاهش یافته ( Pearlite-reduced steel ) : فولادهای استحکام یافته از طریق دانه­‌های ریز فریت و رسوب سختی. اما این فولادها دارای مقادیر کمی کربن هستند بنابراین ریزساختار آن­‌ها می‌­تواند با مقادیر کمی پرلیت و یا حتی بدون پرلیت باشد.
• فولادهای میکروآلیاژ ( Micro alloyed steels ) : با افزودن مقادیر خیلی کم از عناصری مانند نیوبیم، وانادیم و تیتانیم برای بهبود اندازه دانه و رسوب سختی تولید می­‌شوند.
• فولادهای فریت سوزنی (Acicular ferrite steels ) : فولادهای بسیار کم‌کربن با سختی پذیری بالا و قابلیت تبدیل شدن ریزساختار در هنگام سرد شدن به فریت‌­های سوزنی بسیار ریز با استحکام بالا.
• فولادهای دوفازی ( Dual-phase steels) : تولیدشده برای ایجاد ریزساختار فریتی که دارای نواحی کوچک مارتنزیت پرکربن با توزیع یکنواخت است و منجر به تولید محصولی با استحکام تسلیم پایین و نرخ بالای کارسختی می­‌شود و در نتیجه فولادی با استحکام بالا و شکل‌پذیری عالی ارائه می‌کند.

قابل ذکر است که انواع مختلف فولادهای کم‌­آلیاژ استحکام بالا می‌توانند مقادیر کمی از کلسیم یا زیرکونیم برای کنترل شکل ناخالصی‌­های سولفیدی داشته باشند.

فولادهای پرکاربرد در صنعت و تولید شده در گروه صنعتی فولاد کاربین

فولاد 1.7225 (42CrMo4) با نام تجاری MO40

این گرید، از جمله فولادهای عملیات­‌حرارتی­‌پذیر پرکاربرد در صنعت است که غالبا پس از انجام عملیات کوئنچ – تمپر مورد استفاده قرار می‌­گیرد. استحکام بالا، چقرمگی و سختی‌­پذیری مناسب، استحکام خستگی خوب، مقاومت در برابر ضربه در دماهای پایین از ویژگی­‌های قابل توجه این فولاد است. از این گرید می­‌توان برای ساخت قطعات خودرو، صنایع هوایی، چرخ‌­دنده، محورها و به خصوص محورهای تحت­ فشار استفاده کرد.

فولاد 1/6580 (30CrNiMo8) با نام تجاری VCN200

این فولاد، از جمله فولادهای عملیات­‌حرارتی‌­پذیر کم­‌آلیاژ است که حاوی نیکل، کروم و مولیبدن است و به دلیل چقرمگی بالای آن و قابلیت پوشش­‌دهی محدوده وسیعی از استحکام­ در شرایط عملیات­‌حرارتی­‌شده، از جمله فولادهای پراهمیت و پرکاربرد در صنعت است و از آن می­‌توان برای ساخت قطعات بزرگ تحت تنش دائمی در صنایع خودروسازی و مهندسی مکانیک استفاده کرد.

فولاد 1.6582 ( 34CrNiMo6 ) با نام تجاری VCN150

فولاد 1/6582 فولادی عملیات­‌حرارتی‌­پذیر و کم‌­آلیاژ است که به دلیل استحکام بالا در شرایط عملیات­‌حرارتی­‌شده با حفظ استحکام خستگی خوب بسیار موردتوجه قرار گرفته‌­است. برای ساخت چرخ­‌دنده‌­ها، شفت‌­ها و قطعات انتقال نیرو می‌توان از این گرید استفاده کرد.

فولاد 1.1191 (Ck45)

این فولاد، فولادی کربن متوسط (0/5 – 0/48 درصد کربن) است که دارای قابلیت جوش‌­پذیری و ماشین­‌کاری خوب، استحکام بالا و چقرمگی مناسب است ولی به دلیل عدم وجود عناصر آلیاژی مناسب در ترکیب شیمیایی آن، سختی­‌پذیری کمی دارد اما با این وجود، از طریق عملیات سخت­‌کاری القایی یا  شعله­‌ای، سختی سطح آن را می­‌توان به HRC 54 – 60 رساند. از این گرید فولاد، می‌­توان در ساخت قطعات خودرو و پیچ و مهره بهره برد.

فولاد1.7176 (55Cr3)

همانطور که پیش‌­تر گفته شد، این گرید از جمله فولادهای فنر است که دارای کروم، منگنز، فسفر، سیلسیم و گوگرد است و از آن برای ساخت فنر، تیغه‌های برش پلاستیک و سیستم­‌های تعادل وسایل نقلیه استفاده می‌­شود.

فولاد 1.7131 ( 16CrMn5 )

همانطور که در قسمت فولادهای سخت‌­شونده سطحی گفته شد، این فولاد از جمله فولادهای سخت­‌شونده سطحی ( سمانته ) است که سختی سطح و مقاومت به سایش بالا همراه با قابلیت ماشین‌کاری خوب ارائه می‌کند. استحکام کششی این فولاد MPa 600 است و در ساخت چرخ‌­دنده، پیچ و مهره، پیستون، میل‌­لنگ و اهرم‌­های مقاوم از آن استفاده می­‌شود.