انواع فولاد، روش های تولید و کاربرد آن

فولاد چیست؟

شاید تا به امروز تعریف ذهنی شما از فولاد، یک فلز بسیار محکم و یا نوعی آهن مستحکم بوده است. اما آیا واقعاً فولاد یک فلز است؟ خیر! فولاد نوعی فلز نیست بلکه یک آلیاژ است. آلیاژ به ترکیبی از فلزات و نافلزات گفته می‌شود که در آن‌ها حداقل دو جزء با یکدیگر ترکیب‌ شده اند.

پیشنهاد مقاله ؛ فولاد ساختمانی چیست و کاربردهای آن

در تعریف دقیقتر، فولاد آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن بین 0.002 تا 2.1 درصد می باشد و سایر عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، منگنز و… به مقدار متفاوت در ترکیب انواع فولادها وجود دارند. آهن، عنصر آلیاژی اصلی در فولادها می باشد و درنتیجه، فولادها یک خانواده بزرگ از آلیاژهای آهنی را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که میزان کربن موجود در فولادها مهم‌ترین فاکتور محسوب می‌شود، بنابراین انواع فولادها براساس ترکیب شیمیایی و میزان کربن، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که در ادامه آن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

اما نکته مهم اینجاست که اگر میزان کربن در فولاد بیش از 2 درصد شود، دیگر آن آلیاژ فولاد نیست! آلیاژی از آهن و کربن که بیش از 2 درصد کربن دارد را چدن می‌گویند. بنابراین، این کربن است که تعیین می‌کند یک آلیاژ همچون فولاد آن‌قدر مستحکم و بادوام باشد یا اینکه با تبدیل به چدن، سخت و شکننده شود.

فولاد و کربن

استحکام فولاد، با میزان کربن محلول به شدت افزایش می‌یابد اما از طرفی این افزایش سختی باعث کاهش قابلیت جوشکاری و افزایش احتمال شکست ترد می‌شود. پس کربن فولاد را ترد میکند و به تاب کششی آن می‌افزاید. مرز تناسب میان تنش و انبساط  فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را افزایش میدهد. هر چه کربن در فولاد کمتر باشد، جنس آن نرم تر و چکش خوری آن بیشتر است. استحکام فولادهای فریتی (فرومغناطیس) رابطه معکوسی با شکل‌پذیری دارد. تلفیق استحکام و شکل‌پذیری با پایدارسازی فاز آستنیت (پارامغناطیس) در فولادهای مدرن چندفازی قابل بهبود می باشد.

پیشنهاد مقاله ؛ نبشی و ناودانی و کاربردهای آنان در صنعت ساختمان

تفاوت فولاد و آهن چیست؟

همانطور که گفته شد، فولاد یک آلیاژ بر پایه آهن است که توانسته به کمک کربن و سایر عناصر آلیاژی، استحکام و کاربرد خود را گسترش دهد. در حالی که آهن، تنها یکی از عناصر جدول تناوبی مندلیف است که استحکام لازم برای کاربردهای مهندسی را نداشته و نمی‌تواند به تنهایی مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع تمامی مقاطع آهنی موجود در بازار، فولادهای آلیاژی و استنلس استیل نوعی فولاد می‌باشند که میزان کربن و نوع عناصر آلیاژی آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. لازم به ذکر است در تمامی فولادهای ساخته شده در دنیا، میزان کربن موجود در ساختار، کمتر از ۲/۱ درصد می‌باشد. استفاده از کربن بیش از این مقدار، منجر به تولید چدن بجای فولاد می‌شود.

روشهای توليد فولاد چیست؟

روش خمیری

تولید فولاد به روش خمیری یک قدیمی می باشد که در حال حاضر دیگر کاربردی ندارد. در این روش آهن خام در تشت کوره‌ی شعله‌ای گذاشته می‌شود و روی آن شعله دمیده می‌شود تا مذاب شود. آهن‌خام آب شده را به هم می زدند تا کربن آن با تماس با اکسیژن هوا بسوزد، کم‌کم که کربن آهن خام می سوخت، درجه ذوب شدنش بالا می‌رفت و خمیری می‌شد. خمیر فولاد به صورت تکه‌تکه با گازانبر از کوره بیرون آورده می‌شود و با پتک روی آن می‌کوبند تا سرباره شان بریزد و یکپارچه شوند. این روش به دلیل اینکه فولاد بدست آمده کیفیت یکسانی نداشت مورد استفاده قرار نمیگیرد.

روش ذوب

در حال حاضر تقریباً تمامی فولادها از طریق ذوب آهن به روش‌های مختلف بدست می آیند، که در ادامه به توضیح سه روش خواهیم پرداخت.

كوره های القايی (IF : Induction Furnace)

در روش کوره القایی آهن قراضه و آهن اسفنجی به کمک انرژی الکتریکی به فولاد تبدیل می شود. در این روش از جریان های متناوب برای ایجاد گرمای لازم، برای ذوب فلز استفاده می شود. پوشش آنها از موادی مانند آلومینا، سیلیس و منیزیم ساخته شده است. این کوره ها برای ذوب فلزات مانند آهن و همچنین فلزات غیر آهنی به خوبی کار می کنند. درون کوره القایی کویل های مس قرار دارد که با آب سرد می شوند.

قاعده کلی ذوب القایی این است که یک منبع الکتریکی با ولتاژ بالا از کویل اولیه یک جریان بالا با ولتاژ پایین، در فلز یا کویل ثانویه را ایجاد می کند. گرمایش القایی به سادگی یک روش انتقال انرژی گرمایی می باشد. کوره های القایی برای ذوب و آلیاژ کردن انواع مختلف فلزات با حداقل هدر رفتگی ذوب ایده آل می باشد. با این حال، می توان فلز را کمی تصفیه کرد.

كوره اكسيژنی كنورتور (Bos : Basic Oxygen Furnace)

در روش‌هایی که از کنوروتور استفاده می‌شود، آهن‌خام مذابی که از فرآیند کوره بلند به دست آمده‌است را درون کنورتور ریخته تا با استفاده از دمش گاز اکسیژن کربن اضافی آن سوزانده شود. بدین ترتیب کربن فولاد به میزان مورد نظر خواهد رسید. سپس با اضافه کردن عناصر آلیاژی به آن استحکام فولاد افزایش خواهد یافت.

كوره قوس الكتريكی (EAF : Electric Arc Furnace)

مواد شارژی این کوره جهت تولید فولاد بیشتر قراضه آهن(Scrap Steel) یا مخلوطی از قراضه و آهن اسفنجی می باشد. در ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرآیند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شود تا ذوب شود. دمای این کوره‌ها به حدی است که در همان ذوب اولیه، فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید می‌شود. سپس فولاد تولید شده درون کوره پاتیلی ریخته می‌شود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدست‌سازی ترکیب فولاد می باشد.

پس از بدست آمدن ترکیب شیمیایی مورد‎‎‌‌ نظر، لازم است آن را به صورت مورد نیاز ریخته‌گری کرد. در اکثر موارد فولاد بدست آمده به صورت تختال، تیرآهن و یا میلگرد ریختگری مداوم می‌گردد.

مقالات تخصصی در حوزه مواد و مصالح ساختمانی را مطالعه نمایید.

مهمترین خواص فولادها کدامند؟

مهم‌ترین خواص فولادها شامل موارد زیر می‌شوند:

• استحکام کششی بسیار بالا
• سختی و مقاومت به سایش بالا
• مقاومت به خوردگی بسیار خوب (گریدهای فولاد ضدزنگ)
• دوام و پایداری خیلی خوب در شرایط بارگذاری مختلف
• فراوانی و در دسترس بودن منابع تولید
• شکل‌پذیری بسیار خوب و قابلیت چکش‌خواری
• هزینه تولید کم

انواع فولادها کدام اند؟

فولادها براساس فاکتورهای مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. برخی از مهم‌ترین این فاکتورها شامل طبقه‌بندی براساس ترکیب شیمیایی، روش تولید، نوع ریزساختار و … می‌شوند. در مقاله انواع فولاد، بیشتر با این دسته‌بندی‌ها آشنا شوید.

انواع فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی آنها:

• فولادهای ساده کربنی
• فولادهای آلیاژی
• فولادهای ضدزنگ
• فولادهای ابزار

فولاد کربنی

فولادهای ساده کربنی حاوی مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مانند منگنز، سیلیکون و مس هستند. آن‌ها اغلب ازنظر ظاهری مات هستند و 90 درصد از کل فولاد را تشکیل می‌دهند. فولادهای ساده کربنی براساس میزان کربن موجود در ترکیب شیمیایی آن‌ها، به انواع زیر تقسیم می‌شوند:

• فولاد کم‌کربن: حاوی کمتر از 0.3 درصد کربن می باشد و رایج‌ترین فولاد کربنی است.
• فولاد کربن متوسط: حاوی 0.3 تا 0.6 کربن می باشد.
• فولاد پرکربن: این نوع فولاد بالای 0.6 درصد کربن دارد و محکم‌ترین فولاد کربنی است.

فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی حاوی مقادیر مختلفی از عناصر آلیاژی مانند آلومینیوم، کروم، مس، منگنز، نیکل، سیلیکون و تیتانیوم هستند. این عناصر آلیاژی خواص فولاد ازجمله استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌دهند. این فولادها معمولاً ارزان‌تر هستند و اغلب در قطعات خودرو، ژنراتورهای برق و خطوط لوله از آنها استفاده می‌شود.

فولاد ضد زنگ

فولادهای ضد زنگ دارای محتوای کربن کم هستند و معمولاً بین 10.5 تا 30 درصد کروم دارند. استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و حفظ استحکام در دماهای بالا ازجمله ویژگی‌های فولادهای ضدزنگ می باشد. انواع فولادهای ضدزنگ عبارت‌اند از:

• فولاد ضد زنگ فریتی (سری 400)
• فولاد ضد زنگ آستنیتی (سری 300)
• فولاد ضد زنگ مارتنزیتی (سری 400)
• فولاد ضد زنگ دوفازی (فریتی + آستنیتی)
• فولاد ضد زنگ رسوب سخت (PH)

فولاد ابزار

فولادهای ابزار حاوی مقادیر مختلفی از کبالت، مولیبدن، تنگستن و وانادیوم هستند، که آن‌ها را در برابر حرارت بسیار سخت، بادوام و مقاوم می‌کند. این فولادها برای ساخت ابزارهای فلزی ایده آل هستند و به همین دلیل به آن‌ها فولاد ابزار می‌گویند. استفاده بعنوان ابزار برش، انواع تیغه‌ها، ساخت چاقو و… از مهم‌ترین کاربردهای فولاد ابزار می باشد.

انواع فولاد ابزار عبارت‌اند از:

• فولاد ابزار سرد شده در آب (W)
• فولاد ابزار سرد شده در روغن (O)
• فولاد ابزار سرد شده در هوا (A)
• فولاد ابزار کربن بالا- کروم بالا (D)
• فولاد ابزار کارگرم (H)
• فولاد ابزار مقاوم به شوک (S)
• فولاد ابزار تندبر (M , T)
• فولاد ابزار قالب (P)
• فولاد ابزار مخصوص (L)

مقالات تخصصی در حوزه اجرائیات ساختمان را مطالعه نمایید.

کاربرد فولاد چیست؟

فولاد بطور گسترده در ساخت جاده‌ها، راه‌آهن، لوازم‌خانگی و ساختمان‌سازی استفاده می‌شود. اکثر سازه‌های مدرن بزرگ مانند استادیوم‌ها و آسمان خراش‌ها، پل‌ها و فرودگاه‌ها توسط یک اسکلت فولادی پشتیبانی می‌شوند. حتی آن‌هایی که ساختار بتنی دارند نیز از فولاد به شکل میلگرد، برای تقویت بتن استفاده می‌کنند.

مهم‌ترین کاربرد فولادها عبارت‌اند از:

• ساخت انواع مقاطع فولادی نظیر میلگرد، تیرآهن، لوله، نبشی، ناودانی و…
• استفاده در خودروسازی در ساخت بدنه خودرو، درها، موتور، سیستم تعلیق و داخل خودرو
• فولادهای ضد زنگ برای تولید سکوها و خطوط لوله دریایی، ساخت قاشق، چنگال و چاقو، وسایل جراحی
• ساخت لوازم‌خانگی با انواع ورق‌های فولادی مانند یخچال، تلویزیون، اجاق‌گاز، سینک و غیره
• تولید ابزارآلات صنعتی مانند وسایل نقلیه کشاورزی و ماشین‌آلات