انواع فولاد

فولاد ها کاربردهای گسترده ای درصنایع مختلف داشته و بسیاری از تولیدات صنعتی به طور مستقیم یا غیر مستقیم وابسته ی این فلز می باشند. دو استاندارد اصلی و مهم برای طبقه بندی و جداسازی فولاد ها ASTM و AISI است که مربوط به موسسه ی فولاد و آهن آمریکا است. این استانداردها به طبقه بندی کامل فولاد ها بر اساس عوامل و پارامترهای مختلفی می پردازد.  پارامترهای مهم طبقه بندی فولاد ها برای تمامی گریدها در انواع شکل ها و خواص گوناگون به شرح زیر می باشد:

طبقه بندی بر اساس ترکیبات شیمیایی

عنصر اصلی تشکیل دهنده ی تمام فولاد ها، آهن و کربن می باشد. در هر فولاد عناصر آلیاژی متفاوتی به همراه این دو نوع عنصر وجود دارند که بر اساس میزان کربن موجود و نوع آلیاژها یک فولاد متمایز با خواص منحصر به فرد خود تشکیل می شود. کلی ترین دسته بندی فولاد ها طبق این معیار شامل 4 نوع فولاد می باشد:

فولاد کربن دار، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار که فولاد ضد زنگ و فولاد ابزار زیر مجموعه ی فولاد آلیاژی می باشند.

در فولاد کربنی به جز کربن و عناصر سازنده ی معمول مانند منگنز، گوگرد، فسفر و … عنصر دیگری برای تعمیر گیربکس صنعتی به کار نرفته است. فولاد های کربنی خود به 4 دسته ی فولاد کم کربن یا فولاد نرم، فولاد کربن متوسط و فولاد کربن بالا تقسیم می شوند. لازم به ذکر است در فولاد های نرم و کربن متوسط می توان با عملیات حرارتی سمانتاسیون(یا کربورایزینگ)، درصد کربن موجود در ساختار فولاد و در نتیجه میزان سختی آن را افزایش داد.

فولادهای آلیاژی از اضافه کردن برخی عناصر به ساختار فولاد ساخته می شوند که باعث بهبود برخی خواص ساختاری در فولاد می شوند. به عنوان مثال با اضافه کردن درصد مناسبی از کروم به آهن، فولاد ضد زنگ تولید شده و منجر به بهبود خواصی از جمله مقاومت بالای فلز در برابر خوردگی می شود.

تاثیرات برخی از عناصر آلیاژی در فولادها

کروم(Cr): افزایش سختی و دوام ماده

منگنز(Mn): افزایش چکش خواری، افزایش سختی سطح، افزایش مقاومت به کرنش

نیکل(Ni): بهبود مقاومت در برابر خوردگی، افزایش استحکام و تافنس

مولیبدن(Mo): افزایش مقاومت به گرما، افزایش استحکام

تنگستن(W): افزایش سختی، بهبود دانه بندی، افزایش مقاومت در برابر گرما

طبقه بندی بر اساس ریز ساختار ها و ساختار مولکولی:

همان طور که می دانید خواص هر ماده به ریز ساختار و همچنین ساختار مولکولی و پیوندهای بین مولکولی آن وابسته است. ریزساختار مشخصات مشاهده شده از ساختار مواد توسط میکروسکوپ است که می تواند بر روی خواص فیزیکی ای مانند انعطاف پذیری، سختی، مقاومت در برابر خوردگی و سایش و … تاثیر بگذارد. با کنترل و تغییر ریزساختارها می توان خواص مختلف را بهبود بخشید.

طبقه بندی بر اساس پروسه ی تولید

بدیهی است که روش تولید فولاد و طراحی گیربکس صنعتی به طور چشمگیری بر کیفیت و خواص نهایی آن تاثیر گذار است. فولادها به روش های گوناگونی تولید می شوند. چند روش رایج در کل دنیا برای تولید فولاد وجود دارد که بسته به شرایط و امکانات موجود انتخاب می شود. روش های معمول در تولید فولاد شامل روش کوره سر باز، روش بسمر، کوره قوس الکتریکی و کوره اکسیژن قلیایی می باشد.

از روش کوره الکتریکی فولادهای بسیار با کیفیتی به دست می آید اما هزینه ی این فرآیند نسبت به سایر روش ها بسیار بیشتر است. فولاد ضد زنگ و فولاد ابزار با این روش تولید می شوند. رایج ترین روش تولید فولاد، روش کوره اکسیژن قلیایی است و می توان گفت حدود %70 از فولاد جهان به این روش تولید می شوند.

روش کوره ی سرباز

روش بسمر

روش بسمر پیش ار روش کوره ی سرباز به وجود آمد و جزو فرآیندهای تولید انبوه فولاد از آهن بوده که به نسبت ارزان قیمت می باشد. هدف اصلی فرآیند بسمر حذف آلاینده های آهن از طریق اکسیداسیون است.

با دمیدن هوا در داخل محفظه و ورود اکسیژن به داخل آهن مذاب، ناخالصی های موجود اکسید می شوند. این اکسیدها یا به صورت یک لایه سرباره ی جامد جدا از مواد مذاب قرار می گیرند یا به صورت گاز خارج می شوند.

روش کوره ی قوس الکتریکی

در این روش برای ذوب ضایعات فلز و تبدیل آن به مذاب از کوره های الکتریکی با جریان بالا استفاده می شود. مراحل فرآیند کوره ی قوس الکتریکی به شرح زیر می باشد:

شارژ کوره

ذوب فلزات

بازیابی

سرباره زدایی

چرخش کوره

طبقه بندی بر اساس تمام کاری نهایی(پرداخت):

تمام کاری نهایی یا پرداخت فولاد به روش مناسب هم باعث حفظ کیفیت و بهبود برخی خواص در فولاد می شود و هم در شکل گیری سطح تمام شده ی با کیفیت تر موثر است. در ادامه به چند روش پرداختکاری رایج در فولادها اشاره می کنیم:

روش نورد گرم: در این فرآیند فلز داغ را از بین دو غلتک که در خلاف جهت یکدیگر حرگت می کنند عبور می دهند. فولادهای تولید شده به این روش، در مواردی که دقت بالایی لازم است استفاده می شوند.

روش نورد سرد: همان روش نورد گرم است با این تفاوت که فولاد ابتدا تا دمای اتاق خنک شده و سپس از میان غلتک ها عبور داده می شود. نورد سرد منجر به کاهش تنش و بالا رفتن استحکام تسلیم و سختی می شود.

کشش سرد: در این روش فولاد در دمای اتاق کشیده شده و منجر به بهبود کیفیت سطح در آن می شود.

طبقه بندی بر اساس شکل محصول

فولاد ها مانند فلزات دیگر، در اشکال مختلف در صنعت استفاده می شوند. اولین شکلی که فولادها به خود می گیرند، شمش فولادی است.

• طبقه بندی بر اساس استحکام: اساسی ترین هدف تولید فولاد، دستیابی به فلزی با استحکام بالاتر از آهن می باشد. در واقع استحکام بالا یکی از اصلی ترین دلایل کاربرد گسترده ی فولاد در صنعت است.
• طبقه بندی بر اساس روش اکسیژن زدایی:

اکسیژن موجود در فلز مذاب حین تولید می تواند باعث اکسیده شدن فلز شود لذا لازم است تا میزان اکسیژن موجود در مذاب را کاهش داد. به تمام فرآیندهایی که باعث کاهش محتوای اکسیژن موجود در در مذاب فولاد شود اکسیژن زدایی گفته می شود. با توجه به میزان اکسیژن زدایی چهار نوع فولاد تولید می شود:

فولاد آرام، فولاد نیمه آرام، فولاد نا آرام، فولاد سردار

طبقه بندی بر اساس نوع عملیات حرارتی:

عملیات حرارتی فرآیندی مهم در فولادها به شمار می رود. به منظور تغییر و بهبود خواص مکانیکی فولادها در راستای نیاز و نوع کاربرد آن ها از عملیات حرارتی های گوناگونی استفاده می شود.

به طور کلی عملیات حرارتی شامل گرما دادن فلز و خنک کردن آن تحت شرایط کنترلی می باشد که می توان از طریق آن ریزساختار فولاد را کنترل کرد و بهبود بخشید.

انواع فولاد سمانته

کلمه ی سمانته یا سمانتاسیون نوعی عملیات حرارتی به معنی سختکاری سطحی بوده که مخصوص فولادهای کم کربن می باشد. در این عملیات سطح قطعه سخت شده ولی مغز آن نرم باقی خواهد ماند. فولادهای سمانته به دو دسته ی کلی تقسیم می شوند. سمانته ی نوع اول یا نیکل دار و سمانته ی نوع دوم یا غیر نیکل دار.

فولاد سمانته ی نوع اول: در ساختار این نوع فولاد، نیکل و کروم بالایی وجود دارد که باعث مقاومت خوب در برابر  فشار و اصطکاک می شود. این فولاد برای ساخت انواع چرخدنده مناسب است.

فولاد سمانته ی نوع دوم: این فولاد دارای سطح سخت و مغز نرم یا به اصطلاح چقرمه می باشد. این فولاد نیز برای ساخت انواع چرخدنده، پینیون و کرانویل مناسب است.

فولادهای سمانته دارای گریدهای مختلفی است که هرکدام خواص و مشخصات متفاوتی دارند. رایج ترین فولادهای سمانته در صنعت گیربکس سازی 1.6587، 1.7131 می باشند. علاوه بر فولادهای سمانته فولادهای 1.6582، CK45 ، MO40 نیز در ساخت گیربکس پرکاربرد هستند.

فولاد 1.6587 (18CrNiMo7-6): در دسته ی فولادهای آلیاژی سمانتاسیون است. این فولاد دارای %0.18 کربن بوده و سایر عناصر تشکیل دهنده ی آن  سیلیسیوم(Si)، منگنز(Mn)، کروم(Cr)، نیکل(Ni) و مولیبدن(Mo) است. علاوه بر قطعات گیربکس، از این فولاد در خودروسازی و ساخت قطعت مکانیکی و ماشین آلات استفاده می شود.

فولاد 1.7137 (16MnCr5): در دسته ی فولادهای آلیاژی سمانتاسیون است. فولاد 1.7131 همان طور که از نامش نیز مشخص است، در دسته ی فولادهای کروم دار و با درصد کربن پایین است. میزان کربن موجود در ساختار آن %0.17 و سایر عناصر موجود شامل: سیلیسیوم(Si)، منگنز(Mn) و کروم(Cr) است که بیشترین مقدار مربوط به منگنز می باشد.

فولاد 1.6582(VCN150): فولاد 1.6582 در دسته ی فولادها با کربن متوسط است که استحکام بالایی دارد. ساختار این فولاد شامل %2 نیکل و %2 کروم می باشد. استحکام بالا این فولاد را برای ساخت شافت ها در گیربکس های صنعتی پرکاربرد کرده است. فولاد 1.6587 در صنعت به BOZ  نیز معروف است.

فولاد آلیاژی 4140(MO40): این فولاد یک فولاد کم آلیاژ بوده و دارای مقادیر مشخصی از عناصر منگنز(Mn)، مولیبدن(Mo) و کروم(Cr) می باشد.  مهم ترین ویژگی این فولاد، مقاومت به سختی فیزیکی و ساختاری آن است. به عبارتی این فولاد مقاومت زیادی در برابر سایش و ضربه دارد که باعث کاربرد گسترده ی آن در صنایع مختلف شده است.

فولاد 1.1191(CK45): نوعی فولاد آلیاژی است که در گروه فولادها با کربن متوسط جای می گیرد. در ساختار این فولاد %0.45 کربن وجود دارد و سایر عناصر موجود در آن منگنز(Mn)، و نیکل(Ni) می باشند. فولاد CK45 به دلیل خواص مکانیکی خوب و همچنین قیمت مناسب دارای کاربرد گسترده ای در صنایع مهندسی قطعه سازی است.