فولاد آلیاژی و انواع آن
فولاد یکی از پرکاربردترین فلزات در سطح جهانی است. برای مردم فولاد همیشه به منزله شمشیر بران در دوران گذشته و ستون‌های فلزی در پل‌های شهری بوده است، اما حقیقت آن است که فولاد نیز خود، یک نوع آلیاژ است. آلیاژی که از ترکیب آهن و کربن به دست می‌آید.
گذر سال‌ها و پیشرفت تکنولوژی دانشمندان را به این نتیجه رساند که با کم و زیاد کردن کربن، در زمان ذوب سنگ آهن، می‌توان به فولادی سخت‌تر و قابل‌انعطاف‌تر دست پیدا کرد. کشف عناصری چون نیکل و کروم و ترکیب با آن با آهن و کربن امکان تولید فولاد زنگ‌نزن را به وجود آورد. خیلی زود مهندسان مواد متوجه شدند، امکان تولید دیگری از فولاد را دارند که به آن فولاد آلیاژی می‌گفتند.
فولاد آلیاژی یکی از انواع فولاد است؛ این نوع از فولاد که به آن Alloy Steel گفته می‌شود، خانواده بزرگی از تولیدات فولادی را امکان‌پذیر کرده است. در این مقاله درباره این گروه از فلزات بیشتر آشنا خواهیم شد و درباره کاربرد و نوع ترکیب بیشتر خواهیم آموخت.
فولاد آلیاژی چیست؟
فولاد آلیاژی شاخه‌ای از فولاد بوده که علاوه بر کربن با عناصر دیگری مانند منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم، سیلسیوم و بور ترکیب شده و وزن این عناصر در ترکیب از ۱ تا ۵ درصد متغیر است. از عناصری که کمتر رایج هستند، می‌توان به آلومینیوم، کبالت، مس، سریم، نیوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، قلع، روی، سرب و زیرکونیوم اشاره کرد. محصولات تولید شده از این مواد مانند لوله مسی، نیز به تنهایی خاصیت ضد خورندگی دارند.
وجود این مواد اضافی در آلیاژ فولاد باعث خواص مکانیکی متفاوتی می‌شود. فولادهای آلیاژشده معمولا نسبت به فولادهای کربنی در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند.
در کنار مزایا آلیاژ فولادی دارای معایبی نیز بوده که عبارت است از:
- قابلیت جوشکاری کمتر
- شکل‌پذیری کمتر
- قابلیت تراش کمتر
این سه عیب موجب می‌شود از آلیاژ فولادی در صنایعی استفاده شود که نیاز کمتری به جوشکاری دارد. جدول زیر درصد وزنی بعضی از عناصر در آلیاژهای فولادی را نوشته و تاثیر آن عنصر را در ترکیب ساختمانی فولاد بیان کرده است.
انواع فولاد آلیاژی
همانطور که اشاره کردیم، فولادهای آلیاژی نوع دیگری از طبقه‌بندی فولادها هستند که بر اساس مقدار عناصر در ترکیب شیمیایی فولاد انجام می‌شود. فولادهای آلیاژی ارزان‌تر از دیگر فولادها تولید شده و بسته به درصد عناصر به دو گروه زیر تقسیم می‌شود:
- فولاد کم‌آلیاژ
- فولاد پرآلیاژ
هدف از آلیاژ فولادی وجود مواد اولیه‌ای است که در برابر خوردگی و نیروهای مکانیکی مقاومت بیشتری داشته باشد. در این نوع از فولاد عناصری مانند آلومینیوم، مس، سیلیسیوم، نیکل و کروم به کربن و آهن اضافه خواهد شد.
هر کدام از این عناصر موجب یک ترکیب ویژه و یک کاربرد خاص خواهد شد. به طور مثال وجود سیلیسیم در ترکیب فولاد موجب تشکیل فولادهای تریپ می‌شود. فولاد تریپ در صنایع اتومیبل‌سازی کاربرد دارد.
وجود تنگستن و کبالت موجب می‌شود فولاد آلیاژی در گروه فولاد ابزار نیز استفاده شود. ترکیب آهن و کربن با آلومینیوم باعث تشکیل فولاد ساختمانی خواهد شد که به عنوان مصالح ساختمانی از آن استفاده می‌شود. به این ترتیب عناصر مختلف باعث تولید شکل خاصی از فولاد خواهد شد.
فولادهای کم‌آلیاژ
فولادهای کم‌آلیاژ مانند فولادهای کم‌کربن دارای ساختار فریتی هستند و از گرید آستنیتی متمایز می‌شوند. آن‌ها دارای محتوای آلیاژی کمی هستند. ریزساختار این نوع از فولاد کاملا متنوع است و محدود به فریت نمی‌شود. فولادهای کم‌آلیاژ با افزودن کروم، مولیبدون و دربعضی موارد نیکل از دیگر فولادهای آلیاژی متمایز می‌شوند. این عناصر در غلظت‌های بسیار کم به فولاد اضافه می‌شوند که مقدار آن از 5 درصد گفته شده، کمتر است. فولادهای کم‌آلیاژ به گروه‌های زیر تقسیم می‌شوند.
- فولادهای کم‌آلیاژ پراستحکام
High Strength Low Alloy که به فولاد HSLA نیز معروف است، در زبان فارسی با عنوان فولاد کم‌آلیاژ پر استحکام از آن یاد می‌شود. این نوع از فولاد دارای آلیاژهای وانادیوم، کلمبیم و تیتانیوم است و به دلیل استحکام بالای این فولاد، تولید قطعات ظریف که نیاز به استحکام بالا است، با این فولاد انجام می‌شود. طبق استاندارد ASTM آمریکا جدول ترکیب فولاد کم‌آلیاژ پراستحکام به قرار زیر است.
تفاوت فولاد آلیاژی و غیرآلیاژی چیست؟
در گروه‌بندی بزرگ‌تر فولادها یعنی در مرحله اول درختی دو نوع فولاد آلیاژی و فولاد غیرآلیاژی وجود دارد. این دو نوع فولاد در موارد زیر با هم تفاوت دارند:
- گستره کاربری فولاد آلیاژی بسیار بیشتر از فولاد غیرآلیاژی است. فولادهای آلیاژی از آشپزخانه‌ها تا شاتل‌های فضایی امکان کاربری دارند؛ اما فولاد غیرآلیاژی کاربری محدودی داشته و بیشتر در صنعت ساختمان‌سازی از آن استفاده می‌شود.
- فولاد آلیاژی تنوع بسیار زیادی داشته و امکان تولید جدید با ترکیب خلاقانه‌تر ممکن است؛ اما در فولاد غیرآلیاژی دست مهندسین مواد بسته است و تنها با کم و زیاد کردن کربن امکان تولید فولاد دارند.
- فولاد آلیاژی از واردکردن عناصر به ترکیب فولاد در زمان ذوب ایجاد می‌شود؛ اما فولاد غیرآلیاژی تنها با ترکیب کربن و آهن ایجاد می‌شود. در فولاد آلیاژی مقدار کربن بسیار ناچیز است درحالی‌که در فولاد غیرآلیاژی مقدار کربن حداقل ۲۰ درصد است.
- فولاد آلیاژی خاصیت مقاومت به خوردگی دارد، اما فولاد غیرآلیاژی به راحتی با اکسیژن ترکیب شده و ایجاد اکسید آهن می‌کند.
- نوع پیشرفته‌تر فولاد آلیاژی، فولاد سوپرآلیاژی است. فولادهای سوپرآلیاژی در برابر بیش از یک سوم حرارت نقطه ذوب خود مقاوم هستند. این نوع از سوپرآلیاژها برای ساخت توربین‌های حرارتی ساخته می‌شوند. در حالی‌که در فولاد غیرآلیاژی تولید سوپرآلیاژ وجود ندارد.
فولادهای ساختمانی آلیاژی
یکی از موارد کاربرد فولادها استفاده در ساختمان‌ها به‌عنوان مصالح ساختمانی است. فولادهای ساختمانی که به فولادهای نرمه نیز معروف هستند. به دو شکل کربنی و آلیاژی در بازار وجود دارد. فولادهای کربنی، از گروه ساده کربن هستند که میزان کربن آن حدود ۳ درصد است. نوع دیگری از فولادهای ساختمانی فولادهای آلیاژی است؛ این نوع از فولاد که به دلیل ترکیب با دیگر عناصر خصوصیت فیزیکی آن‌ها بهبودیافته و کاربرد بیشتری در صنعت و ساختمان دارند.
فولادهای ساختمانی آلیاژی معمولا جز فولادهای HSLA هستند، فولادهای مقاوم، اما با آلیاژ کم که خاصیت چقرمگی و ضدخوردگی دارند.
این فولادها در کشورهای مختلف با استانداردهای متفاوت شناسایی می‌شوند. در کشور ایران رایج‌ترین استاندارد، استاندارد آلمان است که با DIN 17006 نام‌گذاری فولاد انجام می‌شود. ST کدی است که برای فولادها به کار می‌رود. از جمله معروف‌ترین و پرکاربردترین فولادها عبارت است از:
- ST37-2
- ST37-3
- ST44-2
- ST44-3
استاندارد دیگری که در فولادهای ساختمانی کاربرد زیادی دارد استاندارد آمریکایی یا ASTM است. در این استاندارد فولادها با کد A نمایش داده می‌شود و عددهای بعدی صرفا به کارآمدی و نوع کاربری ورق فولادی است که برای مهندسان و طراحان صنعتی استفاده می‌شود.
فولادهای زیر از نوع فولادهای آلیاژی HSLA هستند که در ساختمان‌سازی کاربرد دارند.
- A441
- A572
- A618
- A992
- A913
- A588