هرآنچه از دنیای فولاد باید بدانیم...

در این سری مقالات هدف ما شناخت بیشتر انواع آهن آلات و فولاد است . معرفی فولاد و توضیحات تخصصی و خواص و سایر ریز مشخصه های آن را در چندین سری مقاله برای شما همراهان گرامی به تفضیل توضیح خواهیم داد. همراه ما باشید با بخش های مختلف این مقالات و در صورتی که در هر بخش سوالی دارید در قسمت نظرات بیان بفرمایید تا کارشناسان هلدینگ یکتا در اسرع وقت پاسخ شما را بدهند. برای اطلاع از قیمت ها و دریافت مشاوره رایگان میتوانید با شماره های درج شده در بخش تماس با مای سایت با کارشناسان فروش آهن استیل یکتا در ارتباط باشید.

مبانی فولاد و تعاریف اولیه (بخش اول)

فولاد Steel

آهن خالص بسیار نرم بوده و مورد استفاده صنعتی زیادی ندارد و افزودن عناصر آلیاژی به آهن می تواند موجب بهبود خواص مکانیکی آن شود.در میان عناصر، کربن مهمترین عنصری است که روی خواص مکانیکی آهن تاثیر مثبت داشته و در بسیاری موارد ، تعیین کننده خواص مکانیکی در آلیاژهای آهن می باشد.

فولادها، آلیاژهای آهن-کربنی هستند که میزان کربن آنها از بیست و پنج صدم تا دو درصد می تواند متغیر باشد و نیز علاوه بر کربن حاوی درصدی از برخی عناصر آلیاژی دیگر هم هستند.ترکیب شیمیایی عناصر موجود در فولاد و ساختار داخلی آن ، باعث می شود که فولادها خواص متفاوتی داشته باشند.علاوه بر آنکه میتوان به فولاد عناصر آلیاژی به میزان های متفاوت اضافه کرد، با عملیات مختلف مانند نرمالیزاسیون(یکی از روش های عملیات حرارتی) نیز میتوان ساختار داخلی آن را کنترل نموده و در زمان نیاز ویژگی های متفاوت به آن بخشید و ماهیتش را تا حدودی تغییر داد.

منگنز، فسفر، گوگرد و سیلیسیم به هنگام تولید فولاد و در میزان های متفاوت در فولاد موجود می باشند ولی سایر عناصر مانند کروم،نیکل و غیره به صورت فرو آلیاژ بوده و به مقدار خواسته شده به فولاد اضافه میگردد.

خصوصیات اساسی فولاد:

اکثر فولادها نسبت به عملیات حرارتی واکنش نشان می دهند. علاوه بر ترکیبات شیمیایی به وسیله عملیات حرارتی می توان خواص مکانیکی ،فیزیکی، الکتریکی و سختی دلخواه به فولاد بخشید و آن را در برابر حرارت بالا و کروزیون مقاوم ساخت.

اکثر فولادها را به وسیله روش های مختلف می توان با مواد فلزی و یا پلاستیکی روکش نمود و یا رنگ کرد. بر روی فولادهای دارای خاصیت شیمیایی مناسب، عملیات جوشکاری قابل انجام می باشد .اگر به فولادها به اندازه کافی حرارت داده شود، خاصیت شکل گیری در آنها بوجود خواهد آمد.

فولادسازی:

با توجه به مطالب ذکر شده در مقالات قبلی در مورد روش ها و مراحل استخراج آهن اکنون به روشهای تولید فولاد از آهن خام می پردازیم. آهن خارج شده از کوره های احیاء سنگ آهن(به صورت مستقیم یا کوره بلند) دارای مقدار زیادی کربن و عناصر ناخواسته و مضر دیگر نظیر گوگرد و فسفر می باشد. چنین آلیاژی قابلیت شکل پذیری ، چکش خواری و جوشکاری ندارد. بنابراین  لازم است عناصر اضافی و مزاحم به حد مناسبی کاهش یابد.

به طور کلی فولاد خام از دو روش زیر تولید میگردد:

روش اول:

تهیه آهن خام یا چدن مذاب در کوره بلند و تولید فولاد در کانورترهای اکسیژنی، نظیر ذوب آهن اصفهان.

روش دوم:

احیای مستقیم سنگ آهن و ذوب آهن اسفنجی و قراضه در کوره های الکتریکی از قبیل قوس الکتریکی نظیر فولاد خوزستان یا القایی، نظیر مجتمع فولاد جنوب.

لازم به ذکر است که تولید فولاد از روش های دیگری نظیر روش کوره باز (Open Heart) نیز انجام میگیرد که حجم تولید آن در جهان بسیار محدود است.

در روش اول که روش سنتی تولید است ، از احیای غیر مستقیم آهن استفاده گردیده، سنگ آهن دانه درشت پس از فراوری و تبدیل به آگلومره به همراه اهک و کک وارد کوره بلند شده، آهن خام یا چدن مذاب(Pig Iron) به دست می آید. در مرحله بعد آهن خام در یک کانورتر به فولاد مذاب تبدیل شده، کربن و ناخالصی های دیگر آن به کمک اکسیژن خارج و فولاد خام (Crude Steel) تولید می گردد.

روش دوم تولید فولاد، استفاده از کوره های الکتریکی و ذوب مجدد قراضه آهن و فولاد می باشد. به دلیل کمبود منابع قراضه در جهان و نیز رشد فزاینده قیمت آن در طول سال های گذشته، در این روش می توان به همراه قراضه از آهن اسفنجی نیز برای ذوب در کوره استفاده نمود.

آهن اسفنجی محصول عملیات احیای مستقیم سنگ آهن است که دارای عیار بالای آهن بوده، جایگزین مناسب برای قراضه جهت ذوب است. تولید آهن اسفنجی از سنگ آهن، عموما به دو روش گازی (Gas Based) یا استفاده از زغال سنگ(Coal Based)، برای احیای آهن صورت می پذیرد. معمولا در کشورهایی که دارای ذخایر گاز هستند، از روش گازی استفاده میگردد.

کانون های اصلی مصرف فولاد:

به طور کلی بیشتر از 70 درصد آهن و فولاد در کشورهای صنعتی در سه گروه صنایع حمل و نقل، ساختمان و ماشین سازی به مصرف می رسد.

طبقه بندی فولادها:

دسته بندی های گوناگونی بر اساس سیستم های مختلف برای فولادها وجود دارد.

این دسته بندی ها ممکن است بر اساس موارد زیر باشد:

-ترکیب شیمیایی

-روش تولید

-روش پرداخت

-شکل محصول

-عملیات اکسیژن زدایی

-ساختار میکروسکوپی

-سطح استحکام مورد نیاز

-عملیات حرارتی

-کیفیت مورد نظر

طبقه بندی فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی

1-فولادهای کربنی ساده

2-فولادهای آلیاژی

فولادهای ساده کربنی: Plain Carbon Steel

به آن دسته از فولادها اطلاق میشود که کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی آن بوده و دارای حداکثر 1.65 درصد منگنز و همچنین سیلیسیم و آلومینیوم به مقدار جزئی و فقط به منظور عملیات کیفی به آن افزوده میگردند. فولادهای ساده کربنی مهمترین گروه آلیاژهای مهندسی هستند. این فولادها به علت هزینه نسبتا کم تولید و داشتن گستره وسیعی از خواص در بین مواد مهندسی در درجه اول اهمیت قرار دارند.

کاربرد فولادهای ساده کربنی نامحدود بوده و میتواند شامل ورق، نوار، میله،سیم، محصولات لوله ای،شکل های ساختمانی، آهنگری شده، ریخته گری و غیره باشد.

میزان کربن در این فولادها نقش اصلی در میزان افزایش استحکام آنها پس ار عملیات حرارتی دارد. این فولادها به سه گروه کم کربن، کربن متوسط و پر کربن تقسیم می شوند.

1-فولادهای کم کربن Low Carbon Steel  با حداکثر 25 صدم درصد کربن:

این نوع فولاد با نام فولاد ساختمانی نیز شناخته می شوند. این فولادها بصورت محصولات کار شده مانند ورق،لوله، نبشی، تیرآهن و ... تولید می شوند، قابلیت شکل پذیری و جوش پذیری خوبی دارند، ضمنا از استحکام و سختی قابل قبولی نیز برخوردارند.

2-فولادهای کربن متوسط با 0.25 الی 0.50 درصد کربن، فولادهای ماشین سازی Medium Carbon Steel:

این فولادها هم بصورت محصولات کار شده و هم بصورت محصولات ریختگی تولید می شوند و شکل پذیری و جوش پذیری متوسطی دارند.سختی و استحکام آنها از فولادهای کم کربن بیشتر است.در ضمن قابلیت پذیرش عملیات حرارتی را به خوبی دارا می باشند.

3-فولاد پر کربن با بیش از 0.50 درصد کربن ، فولادهای سایشی و ابزار کربنی:

این فولادها عمدتا بصورت محصولات ریختگی تولید می شوند. قابلیت شکل پذیری و جوش پذیری کمی دارند و از سختی و استحکاک بالاتری نسبت به فولادهای کربن متوسط برخوردارند.

فولادهای ساده کربنی به صورت کلاسه بندی شده و بر اساس مقوله اکسیژن، به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

1-فولادهای ناآرام: یک نوع فولاد کم کربن اکسیژن زدایی نشده است.

2-فولاد ریختگی شبیه فولاد نیمه آرام

3-فولاد نیمه آرام: به این فولاد اکسیژن زداهایی از قبیل سیلیسیم به میزان کم در حدود 0.1 درصد اضافه می شوند.

4-فولاد آرام: فولادی که اکسیژن آن به طور کامل توسط منگنز و سیلیسیم و یا آلومینیوم از قبل از ریختن ، زدوده شود. عملیات اکسیژن زدایی و پروسه های ساخت فولاد بر روی مشخصات و خواص فولاد تاثیر میگذارد.

تغییرات اکسیژن زدایی و پروسه های ساخت فولاد بر روی خواص فولاد تاثیر میگذارد.

تغییرات مقدار کربن بیشترین تاثیر را بر روی خواص مکانیکی دارد. با افزایش مقدار کربن سختی و استحکام فولاد افزایش می یابد.

هدف از آلیاژسازی چیست؟

فولادهای ساده کربنی طیف وسیع فولادهای صنعتی را تشکیل می دهند ولی بسیاری از خواص آنها مانند مقاومت به خوردگی در مقابل اسیدها و بازهای رقیق، مقاومت در دمای بالا و مقاومت به سایش و ضربه ضعیف می باشند.لذا در اوایل قرن نوزدهم میلادی با اضافه کردن عناصر آلیاژی به این فولادها خانواده فولادهای آلیاژی توسعه پیدا کرد.

فولاد های آلیاژی:

فولاد آلیاژی را میتوان به عنوان فولادی تعریف کرد که خواص مشخصه آن از عنصر دیگری به غیر از کربن ناشی می شود.گرچه فولادهای ساده کربنی هم مقداری منگنز و سیلیسیم دارند ولی آنها را فولاد آلیاژی نمینامیم، چون این عنصرها برای اکسید زدایی به فولاد افزوده شده اند. کار این عنصرها ترکیب شدن با اکسیژن و گوگرد برای کاهش اثرات مضر آنهاست.

آلیاژسازی به چند منظور انجام میپذیرد:

1-افزایش سختی پذیری یا همان استحکام

2-کاهش اعوعاج ناشی از عملیات حرارتی

3-افزایش میزان چقرمگی در حالیکه سختی در یک حد ثابتی باشد.

4-افزایش مقاومت سایشی

5-افزایش سختی و استحکام در دمای بالا.

استحکام:

مقاومت ماده را در برابر تغییر شکل و تمایل آن را به حفظ نمودن شکل اولیه را استحکام می گویند.

سختی:

مقاومت ماده در برابر فرو رفتگی، خراش و سایش را سختی میگویند. سختی یک جسم معمولا بر حسب معیارهای برینل و راکول بیان می شود.

شکل پذیری:

میزان تغییر شکل ماده قبل از شکست را شکل پذیری می گویند.

چکش خواری:

به قابلیت تغییر شکل دائم یک فلز تحت نیروی فشاری بدون آنکه گسیخته شود، گفته می شود. به خاطر همین خاصیت است که میتوان فلزات را به صورت ورق های نازک چکش کاری و  نورد کرد. طلا، نقره،قلع و سرب از جمله فلزاتی هستند که قابلیت چکش خواری بالایی از خود نشان می دهند.

چقرمگی یا سفتی:

به مقاومت مواد در برابر شکست در اثر اعمال تنش چقرمگی گفته می شود.

شکنندگی یا تردی:

عدم قابلیت شکل پذیری ماده تا قبل از نقطه شکست را شکنندگی می گویند. بر خلاف قطعات چکش خوار مواد تند تا قبل از شکست نهایی تغییر شکل بسیار کمی از خود نشان می دهند.

انعطاف پذیری (قابلیت مفتول شدن) :

قابلیت مفتول شدن عبارتست از قابلیت پلاستیکی که بوسیله یک ماده تحت نیروی کششی نمایش داده می شود.این خاصیت را با مقداری که ماده می تواند به طور دائم ازدیاد طول پیدا کند ، اندازه گیری میکنند. این قابلیت به ازدیاد طول موجب می شود تا بتوان یک فلز را از یک اندازه بزرگتر به صورت یک سیم با اندازه کوچکتر کشید. مس و آلومینیوم قابلیت کشش زیادی دارند.

در بخش بعدی تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد را بررسی خواهیم کرد