فولاد آلیاژی و کاربرد آن در صنایع مختلف

فولاد (به انگلیسی: Steel)، از مهم‌ترین فلزاتی محسوب می‌شود که تاکنون مورد استفاده انسان قرار گرفته‌اند. این نوع از فلزات، صرفه اقتصادی دارند و با برخورداری از قابلیت استفاده شدن در همه صنایع جهان، کاربردی‌ترین محصول شناخته می‌شوند. اگر کمی به این موضوع فکر کنید، متوجه خواهید شد که کم‌تر صنعتی در دنیا وجود دارد که در آن از فولاد استفاده نشود. از طرفی، فولاد این قابلیت را دارد که بعضی از عناصر را به خود جذب و ویژگی‌های منحصربه‌فردی را پیدا کند. در این شرایط، چیزی با عنوان فولاد آلیاژی (alloy steel) شکل می‌گیرد که موضوع اصلی این مقاله در وب سایت گرفت است.

فولاد آلیاژی یا alloy steel چیست؟

فولاد، در اصل یک نوع فلز آلیاژی است که ترکیب عناصر آهن و کربن، ساختار آن را شکل می‌دهند. این نوع آلیاژ از مقاومت، استحکام و دوام قابل توجهی برخوردار است و با قیمتی مقرون‌به‌صرفه تولید می‌شود. ضمناً استخراج آن آسان است و کاربردهای بسیاری هم در صنایع مختلف دارد. مهم‌ترین ویژگی فولاد آلیاژی که آن را از سایر آلیاژها متمایز می‌کند، امکان اضافه شدن بسیاری از عناصر به ساختار آن هستند.

به‌همین دلیل است که در حین پروسه تولید فولاد و دقیقاً در مرحله ذوب، عناصری (از جمله کربن) را به آن اضافه می‌کنند. کربن، تعیین‌کننده مقدار سختی و یا نرمی فولاد است و اگر مقدار آن بیشتر شود، آلیاژ مورد نظر از سختی، شکنندگی و جوش‌ناپذیری قابل توجهی برخوردار می‌شود. به‌خاطر همین است که همیشه در اضافه کردن مقدار کربن به فولاد، تعادل را رعایت می‌کنند تا هم سخت شود و هم قابلیت جوش‌پذیری آن در حد مناسب باشد. البته برای خلق نوع آلیاژی فولاد از عناصر دیگری هم استفاده می‌شود که به‌جز کربن عبارت‌اند از:

• منگنز
• وانادیم
• کروم
• بور
• سیلیسیم
• تنگستن
• مولیبدن
• کبالت
• نیکل
• وانادیم

 آشنایی با 7 نوع مختلف فولاد آلیاژی

فولادهای آلیاژی بسته به نوع عنصری که به آن‌ها اضافه می‌شوند، دسته‌بندی و نام‌گذاری خواهند شد. در حالت کلی، به فولادهای آلیاژی که کم‌تر از 8 درصد عناصر آلیاژی دارند، فولاد کم‌آلیاژ گفته می‌شود و بالعکس. برای مثال، استینلس استیل (stainless steel) یا فولادهای ضد زنگ در دسته‌بندی فولادهای  پرآلیاژ قرار می‌گیرند. در ادامه به 7 نوع مهم و کاربردی از انواع فولادهای دارای آلیاژ اشاره خواهیم کرد.

1. فولاد آلیاژدار با عنصر کروم

همان‌طور که از عنوان این فولاد پیداست، مقدار کروم اضافه‌شده به این فلز نسبت به سایر عناصر بیشتر است. برای تولید این فولاد، عنصر کروم را به فولاد ذوب‌شده اضافه می‌‎کنند و این عنصر هم باعث افزایش مقاومت فلز در برابر اکسیداسیون می‌شود. طبیعی است که هرچقدر مقدار کروم در این فولاد آلیاژی بیشتر باشد، خاصیت ضد زنگی آن هم بیشتر می‌شود.

افزایش مقاومت فولاد کرومی در برابر خوردگی و مواد اسیدی/قلیایی، ویژگی تورق و مفتول شدن آن را کاهش می‌دهد. با این اوصاف، از این نوع فولادهای آلیاژی نمی‌توان برای مصارفی که در آن نیاز به خمش و تورق وجود دارد استفاده کرد. فولاد استینلس 304 و 316 از جمله آلیاژهای کروم‌دار هستند که نسبت به سایر گریدها کاربرد بیشتری دارند.

2. فولاد آلیاژدار با عنصر وانادیم

مهم‌ترین خاصیت عنصر وانادیم پس از اضافه شدن به فولاد گداخته این است که باعث دانه‌سازی در کاربیدهای فولاد می‌شود. پس از این پروسه، دانه‌های فولاد تحت کنترل قرار می‌گیرند و بزرگ نمی‌شوند. فولادهای آلیاژی با عنصر وانادیم، ساختاری ظریف دارند و شکل‌پذیری آن‌ها بسیار مطلوب است. در فولادهایی که مقدار عنصر وانادیم در آن‌ها بین 0.15 تا 0.2 درصد است، کاربیدها باعث افزایش مقاومت، سختی و استحکام آلیاژ هم می‌شوند. فولاد 7g10 و M390 که برای تولید تیغه‌های ضد زنگ استفاده می‌شوند، از جمله نمونه‌های کاربردی فولاد آلیاژی دارای وانادیم هستند. ضمناً فولادهای a9، a3 و 01 بیشتر مقدار وانادیم را در ساختار آلیاژی خود دارند.

 3. فولاد آلیاژدار با عنصر تنگستن

اضافه شدن عنصر تنگستن، باعث افزایش چشمگیر و قابل توجه سختی و خاصیت برندگی در فولاد می‌شود. به‌همین دلیل است که از فولادهای آلیاژی دارای تنگستن برای ساختن ابزار برنده، قلم‌تراش، مته و غیره استفاده می‌شود. عنصر تنگستن می‌تواند ثبات ترکیبات شیمیایی فولاد که از کربن پر شده‌اند را تأمین کند و به‌همین خاطر از آن برای ساختن آهنربا هم استفاده می‌شود.

4. فولاد آلیاژدار با عنصر منگنز

اضافه شدن عنصر تنگستن، از تشکیل شدن ذرات آستنیت (به انگلیسی: Austenite) می‌شود و خاصیت شکل‌پذیری را برای فولادهای آلیاژی به ارمغان می‌آورد. برای اینکه خاصیت عنصر منگنز در فولاد آلیاژی مؤثر واقع شود، باید پروسه‌ای با عنوان کوئینج کردن را انجام داد. اگر این پروسه، زودتر یا دیرتر و حتی در موقع مناسبی انجام نشود، نمی‌توان انتظار داشت که فولاد تولیدشده دارای ثبات باشد. نمونه‌های فولاد O2، A10 و A4 از جمله فولادهای آلیاژی دارای منگنز محسوب می‌شوند که دارای مقدار زیادی از این عنصر هستند.

5. فولاد آلیاژدار با عنصر کبالت

برخلاف منگنز، عنصر کبالت از تشکیل شدن ذرات آستنیت در فولادهای آلیاژی جلوگیری می‌کند و به‌همین دلیل است که فولاد می‌تواند در دماهای خیلی بالا هم دوام بیاورد. برای اینکه استحکام و مقاومت فولاد دارای عنصر کبالت افزایش پیدا کند، مقدار عنصر تنگستن هم به آن می‌افزایند. یکی از نمونه‌های موفقی که با استفاده از این فولاد آلیاژی ساخته می‌شود، ابزار تندبُر HSS است که خاصیت برندگی آن مثال‌زدنی است.

6. فولاد آلیاژدار با عنصر نیکل

اضافه شدن عنصر نیکل به فولادهای آلیاژی باعث بیشتر شدن نیروی کششی و افزایش سختی در فولاد می‌شود و البته خاصیت شکل‌پذیری آن را تحت تأثیر منفی قرار نمی‌دهد. برای اینکه فولادهای آلیاژی مناسبی تولید شوند، تا 35 درصد عنصر نیکل را به آن اضافه می‌کنند تا دوام لازم را در برابر زنگ آهن و خوردگی داشته باشد.

اگر به فولاد آلیاژی نیکل‌دار، عنصر کروم هم اضافه شود، خواص منحصربه‌فرد آن بیشتر می‌شوند و می‌توان روی قابلیت‌های آن از جمله سختی، شکل‌پذیری و خاصیت ارتجاعی حساب باز کرد. فولادهای 25XX و 23XX از جمله نمونه‌های موفق و پرفروش فولاد نیکل‌دار هستند که در دسته‌بندی فولادهای استینلس آستینیتی قرار می‌گیرند.

7. فولاد آلیاژدار با عنصر مولیبدن

یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد مولیبدن، قابلیت حل شدن در هر 2 آهن آلفا و گاماست. این عنصر پس از ذوب شدن در ساختار آهن‌های آلفا و گاما باعث آزاد شدن کربورهای مرکب و اضافه (از جمله Mo2c، fe3m06c2 و fe3cmoc2) می‌شود. از ویژگی‌های فولاد آلیاژی مولیبدن‌دار می‌توان به مقاومت در برابر خوردگی، برخورداری از نیروی کششی و چقرمگی اشاره کرد. مقدار مناسب عنصر مولیبدن برای اضافه شدن به فولادهای آلیاژی، بین 0.25 تا 0.5 درصد است که باعث ازایش مقاومت فولاد در برابر سایش می‌شود. عمده کاربرد این نوع از فولادهای آلیاژی مربوط به ساختن ماشین‌آلات و تجهیزات صنعتی می‌شود.

نگاهی به فولادهای کم‌آلیاژ

فولادهای کم‌آلیاژ، ویژگی‌هایی شبیه به فولادهای کم‌کربن دارند، دارای ساختار فریتی هستند و به‌همین دلیل جزو گرید آستنیتی طبقه‌بندی نمی‌شوند. فولادهای کم‌آلیاژ را می‌توان با اضافه کردن عناصر کروم، مولیبدن و حتی نیکل در کارخانه‌های فولادی تولید کرد. این نوع از فولادهای آلیاژی را می‌توان به چندین گروه مختلف تقسیم‌بندی کرد که عبارت‌اند از:

• فولادهای کم‌آلیاژ و مستحکم (High Strength Low Alloy) که به فولادهای HSLA هم مشهور هستند
• فولاد کم‌آلیاژ با ترکیبات کروم و مولیبدن که حاوی 0.5 تا 9 درصد کروم و 0.5 تا یک درصد مولیبدن است
• فولاد Mo40 که دارای ترکیبات مولیبدن و کروم است و در استاندارد AISA با شماره 4140 طبقه‌بندی شده است
• فولاد کم‌آلیاژ با ترکیبات نیکل و مولیبدن که در استاندارد ASTM با حرف FL نشان داده می‌شود
• فولاد کم‌آلیاژ هوازده (نیکل، فسفر و مس) با ترکیبات عناصر که در برابر خوردگی مقاوم است

فولاد پرآلیاژ چیست و انواع آن کدام‌اند؟

انواع فولاد آلیاژی که با عنوان فولاد پرآلیاژ شناخت می‌شوند، بهترین گزینه برای مقاومت در برابر خوردگی در شرایط با رطوبت بالا (مثل محیط‌های آبی) است. همچنین از این فولاد آلیاژی می‌توان در محیط‌هایی که از گاز و مایعات با دمای بیشتر از 650 درجه سانتی‌گراد هم استفاده کرد. کاربردی‌ترین و مشهورترین نوع فولادهای پرآلیاژ، فولاد ضد زنگ کروم‌دار است که مقدار آن معمولاً بیشتر از 8 درصد است. از جمله فولاد آلیاژی در این دسته‌بندی می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• فولاد کروم‌دار با بیش از 13 درصد عنصر کروم
• فولاد کروم‌دار SPK که با عنوان Steel 2080 هم شناخته می‌شود و نماد آن X210Cr12 است

5 تفاوت مهم و اساسی فولاد پرآلیاژ و کم‌آلیاژ

برای اینکه درک بهتری در مورد تفاوت انواع فولادهای آلیاژدار داشته باشید، می‌توانید ویژگی‌های فولاد پرآلیاژ و کم‌آلیاژ را مشاهده کنید:

فولاد پرآلیاژ

• گستره کاربرد بیشتری نسبت به فولادهای کم‌آلیاژ دارند
• در صنایع تجهیزات آشپزخانه و تولید شاتل فضایی استفاده می‌شود
• امکان اضافه شدن ترکیبات عناصر مختلف به ساختار آن وجود دارد
• مقدار کربن در آن ناچیز است
• دارای مقاومت قابل توجهی در برابر خوردگی و رطوبت است

فولاد کم‌آلیاژ

• عمده کاربرد آن در ساختمان‌سازی است
• فقط با کم و زیاد شدن عنصر کربن ساخته می‌شود
• مقدار کربن در آن حداقل 20 درصد است
• فقط با ترکیب کربن و آهن ساخته می‌شود
• به‌راحتی با اکسیژن ترکیب می‌شود و مقاومتی در برابر اکسیداسیون ندارد

کاربرد فولاد آلیاژی در صنایع مختلف

فولادهای آلیاژی کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف دارند و به‌علت ترکیبات منحصربه‌فرد خود، بسته به ویژگی‌هایی که دارند در صنایع سنگین و پروژه‌های معمولی استفاده می‌شوند. از جمله صنایعی که فولادهای آلیاژدار کاربرد دارند، صنایع اتمی، نفت و پتروشیمی، ساخت توربین، و رآکتورهای با دمای بالا هستند. در این مقاله با انواع فولادهای آلیاژی از جمله کم‌آلیاژ  و پرآلیاژ آشنا شدید. همچنین به عناصر شیمیایی مثل کبالت، نیکل، منگنز و غیره هم پرداختیم که می‌توانند به فولاد گداخته اضافه شوند و خواصی را برای آن به‌وجود بیاورند.

اگر در حوزه آهن‌آلات و مقاطع فولادی فعالیت می‌کنید و به‌دنبال یک مرجع برای بررسی قیمت روز محصولات و مقایسه قیمت هستید، می‌توانید روی سایت گرفت حساب ویژه‌ای باز کنید. با استفاده از وب سایت گرفت می‌توانید از آخرین قیمت آهن و سایر مقاطع فولادی مطلع شوید.