فولاد آلیاژی چیست و چه مشخصات فنی دارد؟
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
فولاد یکی از مهمترین فلزات در جهان است. این فلز با داشتن صرفه اقتصادی و قابلیت هماهنگ شدن با همه صنایع از جایگاه ویژه ای در جهان برخوردار شده است. کمتر صنعتی در جهان وجود دارد که با فولاد و محصولات آن سروکار نداشته باشد. فولاد می تواند خواص برخی از عناصر را جذب و ویژگی های چشمگیری پیدا کند که به این نوع فولاد، فولاد آلیاژی گفته می شود. در واقع اگر بپرسیم آلیاژ فولاد چیست باید گفت ترکیبی مهندسی شده از آهن، کربن و عناصر آلیاژی است که برای دستیابی به خواص مکانیکی و شیمیایی خاص تولید می شود. با توجه به نوسانات بازار مواد اولیه، اطلاع از قیمت آهن نیز در انتخاب نوع فولاد و برنامه ریزی پروژه های صنعتی اهمیت زیادی دارد. فولاد آلیاژی در صنایعی همچون نفت، پتروشیمی، هواپیماسازی، خودروسازی، کشتی سازی، ساخت قطعات مختلف و غیره کاربرد دارد. در ادامه این مبحث به بررسی این فولاد، انواع و نحوه ساخت آن اشاره خواهد شد.
فولاد آلیاژی چیست؟
فولاد خود یک آلیاژ است که از ترکیب آهن و کربن به وجود می آید. بسیاری از افراد می پرسند آیا فولاد آلیاژی از آهن است؟ پاسخ مثبت است؛ پایه اصلی تمام فولادها آهن بوده و با افزودن عناصر مختلف، خواص آن تغییر می کند. این آلیاژ مهم به دلیل استحکام، مقرون به صرفه، ارزان و در دسترس بودن، راحتی در استخراج و تولید بسیار حائز اهمیت و پرکاربرد است. از این جهت فولاد تقریبا در تمامی صنایع دیده می شود. اما چیزی که فولاد را نسبت به بقیه آلیاژها و فلزات منحصر به فرد کرده امکان ساخت انواع فولاد آلیاژی با اضافه کردن برخی عناصر به آن است. به بیان ساده تر اگر بپرسیم فولاد آلیاژ چیست، باید گفت فولادی است که علاوه بر کربن، عناصر دیگری برای بهبود عملکرد به آن افزوده شده است.
به هنگام تولید فولاد و در مرحله ذوب، عناصر مختلفی را به هدف تولید فولاد با قابلیت های بیشتر اضافه می کنند. مهمترین این عناصر کربن بوده که تعیین کننده میزان سختی و نرمی آن است. به طوریکه هر چقدر میزان کربن بیشتر باشد حالت سختی، شکنندگی و جوش ناپذیری آن نیز افزایش می یابد. از همین رو کربن را به میزان متعادل در فولاد به کار می برند تا جایی که هم فولاد سخت شود و هم خاصیت جوش پذیری مناسبی پیدا کند.
برای تولید فولاد آلیاژی، در کنار کربن از عناصر دیگر نظیر منگنز، بور، وانادیم، کروم، منگنز، سیلیسیم، تنگستن و غیره استفاده می کنند. هر کدام از این عناصر نوع خاصی از فولاد آلیاژی را با قابلیت ها و خواص ویژه به وجود می آورند که در ادامه این مقاله با آنها آشنا خواهید شد. بنابراین فولاد آلیاژی فولادی است که در ترکیب خود علاوه بر کربن یک یا چند تا از عناصر فوق الذکر را داشته باشد. در منابع بین المللی از این نوع فولاد با عنوان alloy steel چیست یاد می شود که همان مفهوم فولاد آلیاژی را بیان می کند.
انواع فولاد آلیاژی
انواع فولاد آلیاژی به طور کل در دو دسته فولاد کم آلیاژ و فولاد پر آلیاژ قرار دارند. فولاد کم آلیاژ به آن نوع از فولاد آلیاژی اطلاق می شود که کمتر از ۸ درصد عناصر آلیاژی در محتوای خود داشته باشند. فولاد پر آلیاژ برخلاف دسته قبلی بیشتر از ۸ درصد عناصر آلیاژی در آنها وجود دارد. فولاد ضدزنگ در همین دسته فولاد پر آلیاژ قرار می گیرد. فولادهای آلیاژی کم نیستند ولی در اینجا هفت مورد از بهترین های این فولاد را بررسی می کنیم.
- فولاد آلیاژی کروم دار
این نوع فولاد آلیاژی در کنار کربن و برخی عناصر دیگر دارای درصد قابل توجهی عنصر کروم است. این عنصر درون آهن ذوب شده و گداخته، ریخته می شود و در مجاورت کربن تبدیل به کربور ساده و مضاعف از آهن و کربن می گردد. عنصر کروم خاصیت بی نظیر ضدزنگ زدگی را به این فولاد آلیاژی می دهد. هر چقدر درصد کروم بیشتر باشد این خاصیت ضد خورندگی و ضدزنگ در فولاد آلیاژی افرایش می یابد. روش مقاومت فولاد آلیاژی کروم دار به خوردگی به این صورت است که وقتی این آلیاژ در مجاورت اکسیژن قرار بگیرد، عنصر کروم اولین ماده ای است که اکسید می شود و این اکسید شدن منجر به تولید لایه ای می شود که بقیه قسمت های آلیاژ را از خوردگی محافظت می کند.
در کل، اضافه کردن عنصر کروم به فولاد آلیاژی باعث افزایش مقاومت آن به خوردگی و مواد اسیدی و قلیایی می شود ولی همین عنصر خاصیت تورق و مفتول شدن را در آلیاژ کاهش می دهد بنابراین فولاد آلیاژی کروم دار برای چنین مصارفی مناسب نخواهد بود. از نمونه های فولاد آلیاژی کروم دار میتوان به فولاد ابزار مدل D2 و فولاد ضد زنگ ۳۰۴ و ۳۱۶ اشاره کرد.
- فولاد آلیاژی وانادیوم دار
وانادیوم یکی از عناصری است که به فولاد ویژگی های خاصی اضافه می کند. این عنصر به آهن گداخته اضافه می شود و کاربیدهای آن شروع به دانه سازی می کنند. این کار به دانه های فولاد اجازه بزرگ شدن نداده و آنها را کنترل می کند. فولاد آلیاژی وانادیوم دار دارای بافتی ریزدانه و ظریف است و شکل پذیری خوبی دارد. در برخی فولادهای آلیاژی که میزان وانادیوم ۰.۱۵ الی ۰.۲ درصد است، کاربیدهای این عنصر در کنار کنترل اندازه دانه ها به استحکام کششی فولاد و سختی فولاد می افزایند. این نوع فولاد آلیاژی برای ساخت میل لنگ، قطعات لوکوموتیو و غیره مورداستفاده قرار می گیرد. از نمونه های فولاد آلیاژی وانادیوم دار میتوان به فولاد vg10 و M390 اشاره کرد که برای ساخت تیغه کاربرد دارند. همچنین فولادهای آلیاژی A3 ، A9 و 01 دارای مقادیر قابل توجهی عنصر وانادیوم در محتوای خود هستند.
- فولاد آلیاژی تنگستن دار
وقتی که فولاد کربن دار ساده با تنگستن ادغام شود، نوعی فولاد آلیاژی تولید می شود که خاصیت قابل توجهی پیدا می کند. این فولاد آلیاژی سختی بسیار بالا و برندگی زیاد دارد و برای ساخت انواع تیغه و مته، ابزار برنده، قلم تراش و غیره بهره گرفته می شود. تنگستن باعث ثبات ترکیب شیمیایی فولاد پرکربن شده و به همین جهت برای ساخت آهنربا از آن بهره می گیرند. آهنرباهایی که با فولاد آلیاژی تنگستن دار ساخته می شوند هیچ وقت خاصیت آهنربایی خود را از دست نمی دهند.
- فولاد آلیاژی منگنزدار
منگنز یکی دیگر از عناصری است که اضافه کردن آن به فولاد به آن خواص ویژه ای می بخشد. این عنصر وقتی به فولاد افزوده شود مانع تشکیل ذرات آستنیت Austenite شده و شکل پذیری فولاد را بیشتر می کند. 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 بگیرد و اگر این فرآیند زودتر یا دیرتر از آن بازه زمانی انجام شود باعث بی ثباتی فولاد می شود.
در اینجا با اضافه کردن عنصر منگنز فرایند کوئنچ کردن بدون اینکه زمان روی آن تاثیر بگذارد به خوبی اجرا شده و ضمن اینکه فولاد آلیاژی مستحکم می شود، فرم پذیری خوبی هم پیدا می کند. نمونه ای از فولاد آلیاژی منگنزدار فولاد ابزار O2، فولاد A10 و A4 است که حاوی مقادیر زیادی منگنز هستند. البته نوعی فولاد ضدزنگ با نام فولاد ۲۰۱ نیز وجود دارد که باز هم مقدار زیادی منگنز در محتوای خود دارا است.
- فولاد آلیاژی کبالت دار
عنصر کبالت در فولاد باعث می شود که ذرات آستنیت در آن شکل نگیرند و در نتیجه سختی فولاد حتی در دماهای بسیار بالا و بحرانی تغییر نکند. معمولا برای اینکه سختی و استحکام فولاد کبالت دار بیشتر شود مقداری تنگستن هم به آن اضافه می کنند. از فولاد آلیاژی کبالت دار برای ساخت ابزار تندبر HSS بهره می گیرند.
- فولاد آلیاژی نیکل دار
نیکل عنصری بسیار مهم در بحث آلیاژسازی فولاد است. این عنصر باعث افزایش نیروی کششی و سختی فولاد شده و در عین حال منجر به کاهش خاصیت شکل پذیری آن نمی شود. معمولا نیکل تا سطح ۳۵درصد به فولاد اضافه می شود و وجود آن در این مقدار خواص فوق العاده و مضاعف به فولاد می دهد. یکی از مهمترین ویژگی های فولاد آلیاژی نیکل دار افزایش مقاومت فولاد در برابر زنگ زدگی و خوردگی است.
مساله ای که در این میان راجع به فولاد آلیاژی قابل توجه بوده امکان ادغام چند عنصر همزمان با هم است. به عنوان مثال اگر به فولاد آلیاژی نیکل دار کروم هم اضافه شود، خواص فولاد تا چندین برابر افزایش پیدا می کند. از ویژگی های 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 و تباه شدن اشاره کرد. نمونه فولادهای آلیاژی که میتوان از آن ها در اینجا یاد کرد شامل فولاد 25XX و 23XX هستند. در کنار این موارد باید گفت که همه فولادهای ضدزنگ آستینیتی در دسته فولاد آلیاژی نیکل دار قرار دارند.
- فولاد آلیاژی مولیبیدن دار
مولیبیدن عنصری است که به راحتی هم در آهن آلفا و هم در آهن گاما قابل حل شدن است. این عنصر بلافاصله بعد از حل شدن در آهن باعث آزاد شدن کربورهای مرکب و مضاعف می شود. این کربورها می توانند fe3cmoc2، fe3mo6c2، Mo2c یکی از این ترکیبات مولکولی باشند. برحسب میزان درصد مولیبیدن در فولاد این کربورها تولید و ساختمان مولکولی فولاد را تغییر می دهند.
عنصر مولیبیدن می تواند خواصی همچون مقاومت به خوردگی، نیروی کششی و چقرمگی فولاد را چندین برابر افزایش دهد. شایان ذکر است که میزان مولیبدن در فولاد بین ۰.۲۵ الی ۰.۵ درصد متغیر است و وجود آن مقاومت فولاد به سایش را افزایش می دهد بنابراین برای ساخت انواع ابزار مربوط به ماشین آلات مورداستفاده قرار می گیرد. مهمترین نمونه فولاد آلیاژی مولیبدن دار میتوان به فولاد ابزار نوع A اشاره کرد.
کاربرد فولاد آلیاژی
فولاد آلیاژی به دلیل داشتن ویژگی های همچون سختی، چقرمگی، مقاومت به سایش و خوردگی، شکل پذیری و غیره برای ساخت موتور جت، پره های توربین، رآکتورهای هسته ای، فضاپیماها مورداستفاده قرار می گیرد. لازم به ذکر است که فولادهای آلیاژی پاسخ های مختلفی در محیط های مغناطیسی می دهند و از این جهت برای ساخت موتورهای الکتریکی و مبدل ها کاربرد دارند.
علاوه بر این، فولاد آلیاژی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی نیز جایگاه ویژه ای دارد و در ساخت لوله های انتقال سیالات تحت فشار، مخازن ذخیره، تجهیزات حفاری و شیرآلات صنعتی استفاده می شود. در صنعت خودروسازی، بسیاری از قطعات حساس مانند میللنگ، چرخ دنده ها، محور های انتقال نیرو و قطعات سیستم تعلیق از فولادهای آلیاژی تولید می شوند تا دوام و مقاومت آن ها افزایش یابد. همچنین در صنایع ساختمانی و عمرانی، از برخی فولادهای کم آلیاژ برای ساخت سازه های مقاوم در برابر بارهای دینامیکی و شرایط محیطی سخت بهره گرفته می شود.
در حوزه ابزارسازی نیز فولادهای آلیاژی به دلیل سختی پذیری بالا و مقاومت مناسب در برابر سایش، برای تولید قالب ها، ابزارهای برشی، مته ها و تیغه های صنعتی کاربرد گستردهای دارند. به طور کلی، تنوع ترکیب شیمیایی این فولادها سبب شده بتوان آن ها را متناسب با شرایط کاری مختلف طراحی و تولید کرد و همین موضوع، دامنه کاربرد فولاد آلیاژی را در صنایع مدرن به شکل چشمگیری گسترش داده است.
مزایای فولاد آلیاژی
برای درک بهتر مزایا ابتدا باید بدانیم فولاد آلیاژی چیست؛ فولادی مهندسی شده که با افزودن عناصر مختلف، خواص مکانیکی و شیمیایی آن بهبود یافته است. مهم ترین مزیت فولاد الیاژی افزایش استحکام، سختی و مقاومت به سایش در مقایسه با فولاد ساده کربنی است. بسیاری از فولاد های آلیاژی در برابر خوردگی، حرارت و فشارهای بالا عملکرد بسیار مطلوبی دارند و در محیط های صنعتی سنگین قابل استفاده هستند. همچنین امکان تنظیم ترکیب شیمیایی باعث می شود خواص فولاد دقیقاً مطابق نیاز پروژه طراحی شود. به همین دلیل کاربرد آلیاژ فولاد در صنایع پیشرفته مانند نفت، گاز، خودروسازی و نیروگاهی بسیار گسترده است.
مشخصات فنی فولاد آلیاژی
مشخصات فنی فولاد الیاژی به ترکیب شیمیایی و درصد عناصر افزوده شده در آن بستگی دارد و همین موضوع تنوع گسترده ای در این گروه ایجاد کرده است. زمانی که بررسی می کنیم فولاد آلیاژی چیست، متوجه می شویم وجود عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن یا وانادیوم باعث تغییر در سختی پذیری، چقرمگی و مقاومت حرارتی می شود. فولاد های آلیاژی می توانند دارای استحکام کششی بالا، مقاومت به خستگی مناسب و قابلیت عملیات حرارتی کنترل شده باشند. از دیگر ویژگی های فنی آن ها می توان به بهبود مقاومت در برابر سایش و خوردگی اشاره کرد که نقش مهمی در افزایش طول عمر قطعات دارد. همین مشخصات فنی دقیق، دلیل اصلی توسعه کاربرد آلیاژ فولاد در تجهیزات صنعتی حساس و قطعات تحت تنش بالا است.
کار صنایع بدون فولاد و محصولات فولادی لنگ میماند و عملا کل جهان از حرکت باز می ایستد. فولاد آلیاژی نیز به عنوان جزئی از کل، پاسخگوی نیازهای بسیاری از صنایع است زیرا در کنار ویژگی های آهن، ویژگی های عناصر مختلف را نیز دارد و لذا میتوان از آن در همه صنایع بهره برد. فقط باید به این نکته دقت کرد که هر فولاد آلیاژی را نمیتوان برای هر صنعتی به کار گرفت. صنایع مختلف با توجه به نوع نیاز خود فولاد آلیاژی مناسب را انتخاب و استفاده می کنند.
سوالات متداول
فولاد آلیاژی نوعی فولاد است که علاوه بر آهن و کربن، عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن، منگنز، وانادیوم یا تنگستن به آن افزوده می شود. این عناصر برای بهبود خواصی مانند استحکام، مقاومت به خوردگی و سختی به ترکیب فولاد اضافه می گردند.
فولاد غیرآلیاژی عمدتاً از آهن و کربن تشکیل شده و عناصر دیگر در آن بسیار محدود است. در مقابل، فولاد آلیاژی دارای عناصر افزوده شده برای بهبود عملکرد مکانیکی و شیمیایی در شرایط خاص کاری است.
این فولاد در صنایع نفت و گاز، هوافضا، خودروسازی، نیروگاهی و ابزارسازی کاربرد گسترده دارد. قطعاتی مانند چرخ دنده، میل لنگ، پره توربین و تجهیزات تحت فشار معمولاً از فولادهای آلیاژی ساخته می شوند.
فولاد آلیاژی استحکام بالاتر، مقاومت بهتر در برابر سایش، خوردگی و حرارت و قابلیت عملیات حرارتی دقیق تری دارد. این ویژگی ها باعث افزایش طول عمر قطعات و بهبود عملکرد در شرایط سخت می شود.
از مهم ترین مشخصات آن می توان به استحکام کششی بالا، چقرمگی مناسب، سختی پذیری کنترلشده و مقاومت به خستگی اشاره کرد. ترکیب شیمیایی دقیق و قابلیت بهبود خواص از طریق عملیات حرارتی نیز از ویژگی های فنی مهم آن است.
وجود عناصری مانند کروم و نیکل باعث تشکیل لایه محافظ اکسیدی روی سطح فولاد می شود که از زنگ زدگی جلوگیری می کند. به همین دلیل در محیط های مرطوب، اسیدی یا دریایی عملکرد بهتری نسبت به فولاد ساده دارد.
مرکزآهن، مرجعی تخصصی و به روز برای کسب دانش و اطلاع از آخرین تحولات بازار آهن و فولاد است. با وبلاگ جامع ما، همیشه از آخرین اخبار و اطلاعات این صنعت آگاه باشید.