فولاد کربنی

کربن به اشکال مختلفی وجود دارد و استفاده‌های مختلفی از آن می‌شود. گرافیت، الماس و گاز کربن دی اکسید، تعدادی از مواردی هستند که این عنصر از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده‌ آن‌ها است.

پس از اینکه کاربردهای مختلفی از کربن شناخته شد، رفته‌رفته صنعتگران آن را وارد صنایع مختلفی کردند، تا از مزایای آن استفاده کنند. با پیشرفت صنعت و گسترش استفاده از آهن، نیازهای جدیدی پیدا شد. گاهی اوقات افراد نیاز داشتند تا قطعه‌ای سخت‌تر از آهن در اختیار داشته باشند. اما چون وجود نداشت، با مشکل مواجه می‌شدند. پس از سال‌ها ترکیبی از آهن و کربن، آلیاژی به نام فولاد را ساخت. البته عناصر دیگری هم در تولید فولاد نقش دارند، اما نقش اصلی مربوط به دو عنصری است که نام برده شد.

فولاد کربنی چیست؟

درصد کربن موجود در آلیاژ فولاد متغیر است، اما اگر از حداکثر مقدار درصد آن استفاده شود، فولاد کربنی به وجود خواهد آمد. این نوع فولاد در حال حاضر به گروه مهمی در صنعت تبدیل شده است. فولاد کربنی در واقع معرف طیف گسترده‌ای از فولادها است که کربن به عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن شناخته می‌شود. در فولادهای کربنی، عناصر دیگری هم وجود دارند، اما کربن و آهن به عنوان عناصر پایه این آلیاژ شناخته می‌شوند. خواص فولاد به مقدار کربن موجود در آن وابستگی زیادی دارد.

انواع فولاد کربن

به طور معمول، سه نوع فولاد کربنی شامل فولاد کم کربن(محتوای کربن کمتر از ۰.۳%) فولاد کربن متوسط (محتوای کربن ۰.۳% – ۰.۶۰٪) فولاد پرکربن (محتوای کربن بیشتر از ۰.۶۰٪) وجود دارند.

۱. فولاد کم کربن

فولاد کم کربن، با نسبت کربن کمتر مشخص می‌شود. هزینه تولید آین فولاد نسبت به فولاد پرکربن پایینتر است. علاوه بر هزینه کم، انعطاف‌پذیری بیشتری دارد که ممکن است کارایی آن را برای کاربردهای خاص بهبود بخشد و در عین حال کارایی آن را برای سایر کاربردها کاهش دهد.

از آنجایی که ساختار فولاد کم کربن دارای استحکام، سختی کم، انعطاف‌پذیری و سفتی خوبی است، شکل‌پذیری سرد خوبی دارد. شکل‌دهی سرد را می‌توان با روش‌هایی مانند چین، خمش یا پرس انجام‌داد. فولاد کم‌کربن با محتوای کربن بسیارکم، دارای سختی کم و ماشینکاری ضعیف‌است و عملیات عادی‌سازی آن می‌تواند ماشین‌کاری را بهبودبخشد.
عملکرد جوش‌فولاد عمدتا به ترکیب‌شیمیایی آن بستگی‌دارد. تاثیرگذارترین عنصر آن کربن است، به این معنی که مقدار کربن‌فلز می‌تواند جوش‌پذیری آن را تعیین‌کند. به طورکلی، جوشکاری فولاد کم‌کربن خوب است و به فرآیندهای‌خاصی نیازندارد.

کاربرد فولاد کم‌کربن

فولاد کم‌کربن معمولا قبل از استفاده تحت عملیات‌حرارتی قرارنمی‌گیرد. عموما برای ساخت اجزای مختلف ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های‌کوره و ماشین‌آلات‌کشاورزی، لوله‌فولادی قیمت‌مناسب، نوارفولادی یا ورق‌فولادی نورد استفاده‌می‌شود. فولادکم‌کربن با کیفیت‌بالا در یک صفحه‌نازک نوردمی‌شود تا در محصولاتی مانند کابین‌خودرو و روکش‌موتور بکاربرود. همچنین برای تولید قطعات‌مکانیکی که به استحکام‌پایین نیازدارند، نوردمی‌شود.

۲. فولاد کربن‌متوسط

فولاد کربن‌متوسط عملکرد پردازش‌حرارتی و برش‌خوبی دارد، اما عملکردجوشکاری آن ضعیف‌است. بنابراین قبل از جوشکاری به پیش‌گرمایش نیازدارد. استحکام و سختی آن بالاتر از فولادکم‌کربن است و انعطاف‌پذیری و سفتی کمتری دارد. مواد نورد سرد را می‌توان مستقیما بدون عملیات‌حرارتی استفاده‌کرد و همچنین می‌تواند پس از عملیات‌حرارتی بکار گرفته‌شود.

فولاد با کربن‌متوسط درحین جوشکاری تمایل به تَرک‌سرد دارد. هرچه مقدارکربن بیشترباشد، تمایل به سخت‌شدن ناحیه متاثر از گرما بیشتراست، همچنین تمایل به ترک سرد بیشتر و جوش‌پذیری آن بدترمی‌شود.

با افزایش مقدارکربن فلزپایه، محتوای کربن فلزجوش نیز برهمین اساس افزایش‌خواهدیافت. همراه با اثرنامطلوب گوگرد، ایجاد ترک‌های‌داغ در جوش‌آسان است. بنابراین در جوشکاری فولادکربن‌متوسط، باید از الکترودهای‌قلیایی مقاوم دربرابر ترک، استفاده‌کرد و اقدامات پیش‌گرمایشی و پس‌گرمایشی برای کاهش تمایل به ایجادترک را انجام‌داد.

کاربرد فولادکربن متوسط

از این فولاد عمدتا برای ساخت قطعات‌متحرک با استحکام‌بالا استفاده‌می‌شود. برخی از این‌ها عبارتنداز: کمپرسورهای‌هوا، پیستون‌های‌پمپ، پروانه‌های توربین‌بخار، چرخ‌دنده‌ها و قطعات سایش سطحی، میل لنگ، دوک‌های ماشین‌ابزار، غلتک‌ها، ابزارهای نیمکت، انواع پنجره‌ساختمانی و … .

۳. فولاد پرکربن

فولاد پرکربن بالاترین نسبت کربن را دارد. باوجود محتوای کربن‌بالا، فولاد قوی‌تر و سخت‌تر است. اما انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به فولاد کم‌کربن دارد. توجه به این نکته مهم‌است که همه انواع فولادکربنی از کربن و آهن تشکیل‌شده‌اند ولی معمولا عناصردیگری هم دارند. فولادپرکربن عملکرد جوشکاری ضعیفی دارد. چکش‌ها، میله‌ها و … از فولاد با کربن ۰.۷۵٪ ساخته‌شده‌اند. ابزارهای برش مانند مته‌ها و شیرها را با فولاد با محتوای کربن ٪۰.۹۰ تا ۱.۰۰٪ می‌سازند.

هنگامیکه فولادپرکربن جوش داده‌می‌شود، به دلیل محتوای کربن بالای این فولاد، تنش‌زیادی درحین جوشکاری بوجود‌می‌آید. تمایل به سخت‌شدن و ترک سرد در این ناحیه، متاثر از حرارت‌جوشکاری بیشتر است و بخش جوش نیز مستعد ترک‌های‌داغ است.

فولادپرکربن درهنگام جوشکاری بیشتر از فولاد کم‌کربن درمعرض ترک‌های‌داغ است، بنابراین این نوع فولاد بدترین‌جوش‌پذیری را دارد. درنتیجه در سازه‌های جوشکاری‌عمومی استفاده‌نمی‌شود و فقط برای جوشکاری‌تعمیری یا روکش ریخته‌گری به کار می‌رود.

کاربرد فولادپرکربن

فولادپرکربن دارای استحکام و سختی‌بالایی است. همچنین حد الاستیک بالاتری نسبت به فولاد کم‌کربن دارد. به دلیل مقدارکربن بالا، در هنگام سردشدن آب، به راحتی ترک‌برمی‌دارد. بنابراین اغلب از سرد‌کردن دو مایع استفاده‌می‌کنند و اغلب برای قطعات با مقطع‌کوچک، از سخت‌شدن روغن استفاده‌می‌شود. فولادکربنی عمدتا در ساخت فنرها، قطعات‌سایش و ابزارهای سختی‌بالا بکار می‌رود.

عملیات‌حرارتی

هدف از انجام عملیات‌حرارتی بر روی این فولاد، تغییر خواص‌مکانیکی‌فولاد است به‌خصوص شکل‌پذیری، سختی، مقاومت‌تسلیم و مقاومت دربرابر ضربه. توجه داشته‌باشید که هدایت‌الکتریکی و حرارتی فقط کمی تغییرمی‌کند. همه روش‌های عملیات‌حرارتی‌فولاد در حقیقت تبادل انعطاف‌پذیری و استحکام است به این معنا که برای به‌دست‌آوردن استحکام‌بیشتر، انعطاف‌پذیری کاهش‌می‌یابد و بالعکس.

در زیر لیستی از انواع عملیات‌حرارتی ممکن آمده‌است:

• کروی‌کردن

اسفرویدیت زمانی تشکیل‌می‌شود که فولادکربنی به مدت بیش از 30ساعت تا دمای 700درجه سانتیگراد گرم‌شود. اسفرویدیت می‌تواند در دماهای پایین‌تر تشکیل‌شود. اما از آنجایی که این واکنش به شدت وابسته به نفوذ است، زمان موردنیاز به شدت افزایش‌می‌یابد. نتیجه این عملیات‌حرارتی، تشکیل استوانه‌ها و کره‌های سمانتیتی فاقد فازاولیه است.

هدف از این عملیات نرم‌کردن فولاد با استحکام‌بالا است تا قابلیت‌شکل‌پذیری را بهبودببخشد. فرآورده این واکنش نرم‌ترین و شکل‌پذیرترین نوع فولاد است.

• آنیل کامل

در این فرآیند تمام فریت به آستنیت تبدیل‌می‌شود. (درصورتیکه درصدکربن بالاباشد، ممکن‌است همچنان سمانتیت درساختار باقی‌بماند.) سپس فولاد باید به آرامی و با نرخ تقریبا 20درجه سانتی‌گراد بر ساعت، سردشود. گاهی برای سردکردن تنها کوره را خاموش‌می‌کنند و می‌گذارند تا فولاد داخل کوره‌خاموش، سردشود. این کار موجب تشکیل ساختار پرلیتی خشن‌می‌شود. فرآورده واکنش آنیل کامل، نرم و شکل‌پذیر است. تنها فولاداسفریدیت از این نوع فولاد نرم‌تر است.

• فرآیند آنیل‌کردن

فرآیندی که برای کاهش‌تنش در فولادکربن‌سرد کارشده با درصدکربن کمتر از 0.3درصد استفاده‌می‌شود. معمولا فولاد را به مدت یک‌ساعت در دمای 550 تا 650درجه سانتی‌گراد نگه‌می‌دارند، اما گاهی‌اوقات دما را تا 700درجه سانتی‌گراد هم می‌رسانند.

• آنیل هم‌دما

در این فرآیند فولاد هیپویوتکتوئیدی تا دمای بالاتر از دمای‌بحرانی بالا گرم‌می‌شود. در این دما برای مدتی نگهداری می‌شود و سپس به دمای پایین‌تر از دمای‌بحرانی پایین کاهش‌می‌یابد و مجددا در آن دما نگهداشته می‌شود. سپس تا دمای‌اتاق سردمی‌شود. این روش هرگونه گرادیان‌ها و تغییرات شدید دمایی را ازبین می‌برد.

• نرمالایزینگ

این فرآیند با هدف افزایش‌استحکام انجام‌می‌شود و سایز دانه را کاهش‌می‌دهد و منجر به تولید ساختاریکنواخت با دانه‌های‌ریز می‌شود. در این فرآیند ابتدا دمای‌فولاد را 30 تا 40درجه سانتی‌گراد بالاترازخط GSK برده تا همه‌ی ساختار به آستنیت تبدیل‌شود. پس از سردشدن با هوا با نرخ 38درجه بردقیقه، موجب رخ‌دادن تبلور مجدد، افزایش تعداد دانه‌ها و کاهش سایز دانه می‌شود.

به دلیل افزایش مرزدانه‌ها، حرکت نابه‌جایی‌ها سخت‌تر و استحکام‌فولاد بیشترمی‌شود. این نوع فولاد استحکام و سختی‌بیشتری نسبت به فولادهای آنیل‌شده دارد.

• سردکردن سریع(کوئنچ)

فولادکربنی باحداقل 0.4 درصد وزنی C تا دمای‌عادی گرم‌می‌شود و سپس به سرعت در آب، آب‌نمک یا روغن خنک‌می‌شود تا به دمای‌بحرانی برسد. دمای بحرانی به محتوای کربن بستگی‌دارد، اما بعنوان یک قانون‌کلی با افزایش محتوای‌کربن، دمای بحرانی کاهش‌می‌یابد. این فرآیند منجر به ساختارمارتنزیتی می‌شود.

این فولاد به شدت مستحکم اما تردوشکننده است. در حدی که برای کاربردهای‌صنعتی، عملا مناسب‌نیست. چرا که تردبودن و وجود استرس‌های‌داخلی موجب بروزترک و رشدترک است. معمولا این فولاد سه تا چهاربرابر سخت‌تر از فولاد نرمالایز است.

• مارتمپرینگ(مارکوئنچینگ)

مارتمپرینگ درواقع یک روش تمپرینگ نیست، از این رو اصطلاح marquenching به آن تعلق‌می‌گیرد. در حقیقت یک نوع عملیات‌حرارتی هم دما است که پس از کوئنچ‌اولیه، در حمامی از نمک‌مذاب انجام‌می‌شود. درصنعت از این فرآیند برای برقراری نوعی تعادل میان شکل‌پذیری و سختی ماده استفاده‌می‌شود.

چنانچه زمان‌فرآیند را طولانی‌کنیم، شکل‌پذیری بیشترمی‌شود. قطعه داخل حمام نمک‌مذاب باقی‌می‌ماند تا زمانیکه دمای قسمت‌های داخلی و خارجی آن یکسان‌شود. سپس فولاد با سرعت‌متوسط خنک‌می‌شود تا گرادیان دما در حداقل بماند. این فرآیند نه تنها تنش‌های پسماند داخل‌قطعه را کاهش‌می‌دهد، بلکه مقاومت دربرابر ضربه را نیز افزایش‌می‌دهد.

• تمپرینگ

این فرآیند، رایج‌ترین عملیات‌حرارتی است که با آن مواجه‌می‌شویم، زیرا ویژگی‌های‌نهایی را می‌توان دقیقاً با دما و زمان تمپر تعیین‌کرد. تمپر، شامل گرم‌کردن مجدد فولاد سردشده تا دمای کمتر از دمای یوتکتوئید و سپس خنک‌شدن مجدد آن است.

افزایش‌دما اجازه‌می‌دهد تا مقادیر بسیارکمی از اسفروئیدیت تشکیل‌شود که موجب بازیابی شکل‌پذیری‌فولاد و البته کاهش‌سختی آن می‌شود. دما و زمان تمپر برای هر ترکیب با دقت انتخاب‌می‌شوند.

• آستمپرینگ

آستمپرینگ تقریبا مشابه مارتمپرینگ است. با این تفاوت که سردشدن سریع متوقف‌شده و فولاد به مدت‌طولاتی در حمام‌نمک مذاب با دمای 205 تا 540درجه سانتیگراد می‌ماند. بعد از آن با نرح متوسطی سردمی‌شود.

نتیجه این فرآیند را بینایت می‌گویند که یک ریز ساختار سوزنی در فولاد است که استحکام بلا(همچنان کمتر از مارتنزیت)، شکل‌پذیری‌مطلوب، مقاومت به سایش زیاد و اعوجاج کمتری نسبت به مارتنزیت دارد. عیب این فرآیند این‌است که تنها برای فولادهای‌خاصی قابل پیاده‌سازی است و نیاز به حمام نمک خاصی دارد.

استانداردهای فولادکربنی

فولادساده‌کربنی هم مثل دیگر محصولات‌صنعتی نیازمند رعایت‌نکاتی است که باید به تایید استانداردهای مختلف برسد. برخی از استانداردها ملی هستند و تنها جهت‌استفاده در همان کشور استفاده‌می‌شوند.

برخی‌دیگر از استانداردها بین‌المللی هستند و در تمامی‌کشورها به‌عنوان مرجع استفاده‌می‌شوند. تعدادی از مهم‌ترین استانداردهای‌جهانی به شرح‌زیر هستند:

• استاندارد انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM)
• استاندارد انجمن ریخته‌گران فولاد آمریکا (AISI)
• سیستم واحد نامگذاری (UNS)
• موسسه استاندارد آلمان (DIN)
• موسسه استاندارد بریتانیا انگلیس (BN)