فولاد کربنی چیست؟ + انواع کربن استیل

با اضافه کردن کربن به آهن می‌توان فلزی سخت‌تر و مقاوم‌تر به دست آورد. از همین جهت برای بسیاری از صنایع ساختمانی و تولیدی، فولاد بر آهن معمولی ارجحیت دارد چون این عنصر خواص مورد نیاز را تامین می‌کند. استیل‌ها درصد کربن (C) یکسانی ندارند و همین موضوع موجب تنوع محصولات در کاربردهای منحصر به فرد شده است که در ادامه مقاله بیشتر در این خصوص بحث و بررسی می‌کنیم. فولاد اساس آلیاژهای صنعتی است و در بسیاری از صنایع نقش مهمی بر عهده دارد. برای درک اهمیت این آلیاژ همین قدر باید دانست که پس از نفت خام، استیل در صنایع مادر پر مصرف‌ترین ماده صنعتی است.

 carbon steel چیست؟

فولاد ساده کربنی، آلیاژی است که اصلی ترین عنصر سازنده آن کربن (C) است و نماینده خانواده گسترده‌ای از استیل‌ها است. سه ویژگی اصلی که موجب می‌شود این آلیآژ از سایر موارد مشابه متمایز شوند این است که اولا حداقل مقدار مس موجود در آن زیر ۰.۰۴ درصد نباشد. دوم این که مقدار عنصر منگنز آن بیشتر از ۱.۶۵ درصد نباشد و دیگر اینکه سیلیسیوم آن کمتر از ۰.۶ درصد باشد.

ضمنا باید توجه داشت که هیچ محدودیتی برای عناصر آلومینیوم، کبالت، نیکل، مولیبدن، تنگستن، کروم، تیتانیوم، وانادیوم، زیرکونیوم و نیوبیوم و عناصری از این دست که با هدف تاثیر گذاشتن آلیاژی مطلوب افزوده می‌شود، تعیین نشده است.

ترکیب شیمیایی فولاد کربنی

همانگونه که اشاره شد کربن استیل علاوه بر آهن و کربن می‌تواند در ترکیب شیمیایی خود درصدهای متفاوتی از عناصر مختلف نیز به همراه داشته باشد. از این رو تغییرات قیمت آهن بر قیمت این محصول موثر است. فولادهای پر کربن دارای گوگرد هستند که به همین علت به آن‌ها فولادهای گوگرد دار نیز گفته می‌شود. اگر چه در بیشتر استیل‌ها گوگرد را ناخالصی نامطلوب به حساب می‌آورند ولی در فولاد پر کربن جهت تشکیل ترکیبات سولفید منگنز به آنها گوگرد اضافه می‌شود و باعث می‌شود قابلیت ماشین کاری این محصولات نسبت به سایرین بسیار بهتر باشد. دلیل آن هم این است که سولفید منگنز به عنوان روان‌کار موجب خوب تراشیده شدن قطعه می‌گردد. به همین جهت است که به این استیل‌ها فولاد خوش‌تراش نیز می‌گویند.

درصد کربن فولاد

این موضوع که چند درصد C در کربن استیل به کار رفته است آن را به سه گروه تقسیم می کندفولاد کم کربن که محتوای C آن کمتر از ۰.۳ درصد است، فولاد کربن متوسط که C آن بین ۰.۳ درصد تا ۰.۶ درصد است، و فولاد پر کربن که بیشتر از ۰.۶ درصد کربن در ساختار آن استفاده شده است.

استانداردهای فولاد ساده کربنی

برای تعریف محصولات آلیاژی نظیر فولاد پر کربن استاندارد‌های متفاوتی وجود دارد. در استاندارد بریتانیایی نرم اروپا (British Standard European Norm) مشخصات فیزیکی مثل شکل، ظاهر، ابعاد و کیفیت سطح اساس تعریف محصول است. در نام گذاری به روش BS EN 10027-1:1992 این استاندارد نام گرید با علامت C مشخص شده که همراه آن عدد دو رقمی ذکر می‌شود که آن نمایانگر درصد کربن ضرب در ۱۰۰ است (جهت پرهیز از نمایش اعشار در نام). به عنوان مثال اگر ۰.۵۶ درصد وزن کل کربن استیل برای C باشد آنگاه نام آن C۵۶ خواهد بود.

در استاندارد SAE برای نام‌گذاری عدد چهار رقمی مورد استفاده است که اولین رقم از سمت چپ نشان‌دهنده اولین عنصر آلیاژی است که در کربن استیلی این عدد همیشه یک است. عدد دوم دومین عنصر آلیاژی را نشان می‌دهد و دو رقم سمت راست میزان درصد C را بیان می‌کند.

در نام‌گذاری SAE عدد 10XX  فولاد پر کربن دارای حداکثر یک درصد منگنز، 11 XX کربن استیلی که گوگرد زدایی شده، 12XX  علاوه بر گوگردزدایی فسفرزدایی نیز شده و 15XX  کربن استیل با عنصر منگنز بین ۱ تا ۱.۶۵ درصد را نمایش می‌دهد. برای نمونه آلیاژ ۱۰۴۹ یک کربن استیلی ساده است که از وزن تشکیل دهنده آن ۰.۴۹ درصد به کربن اختصاص یافته است.

تاثیر کربن در فولاد

میزان کربن موجود در فلز از دو نظر می‌تواند حائز اهمیت باشد. یکی از لحاظ خواص فیزیکی محصول است که هر چقدر C کمتر باشد انعطاف بیشتر و سختی کمتری دارد ولی با افزایش این عنصر میزان شکنندگی و سختی آن افزایش می‌یابد. از طرفی این موارد موجب تفاوت قیمتی می‌شود.

مقاومت به خوردگی فولاد کربنی چگونه است؟

فولاد پر کربن چنانچه روکش یا آلیاژ پیشگیرانه از زنگ‌زدگی نداشته باشند به راحتی در مجاورت هوا و رطوبت زنگ می‌زند. لایه اکسید آهن در سطح آن که اصطلاحا زنگ نامیده می‌شود برخلاف برخی فلزات دیگر هیچ نقش محافظتی ایجاد نمی‌کند بلکه به دلیل شکننده بودن و تمایل به لایه برداری موجب نفوذ هر چه بیشتر زنگ به لایه‌های درونی‌تر استیل می‌گردد.

انواع فولاد کربنی

همانگونه که اشاره شد بسته به مقدار C، روش تولید و کاربردهایشان می‌توان روش‌های مختلفی برای دسته‌بندی انواع کربن استیل ارایه کرد.

در قسمت قبلی در خصوص دسته بندی استیل‌ها به سه دسته استیل با عنصر C کم، متوسط و فولاد پر کربن اشاره کردیم. اما روش دیگر گروه‌بندی برای کربن استیل در نظر گرفتن استحاله یوتکتوئید است.

این استحاله زمانی اتفاق می‌افتد که ضمن کاهش دما، فاز آسنیت به دو فاز فریت (آلفا) و سمنتیت (Fe3C) تجزیه شود. بر پایه همین معیار فولادهایی که درصد C کمتر از نقطه یوتکنوئید یعنی ۰.۷۶ درصد باشد را استیل هیپویوتکتوئید، و آن‌هایی که درصد کربن برابر با این مقدار داشته باشند یونکنوئید و نهایتا انواع کربن استیل هایی که بیش از این مقدار داشته باشند را استیل هایپریوتکتوئید می‌نامند.

کاربردهای فولاد ساده کربنی چیست؟

آلیاژهای ساده با کربن کم در ساخت قطعات مهندسی و نیز قطعات ناوگان‌های حمل و نقل مثل راه آهن و ساختمان کشتی‌ها مصرف می‌شود. همچنین به دلیل اینکه در این فلزات ناخالصی کمتر است و در نتیجه رسانایی خوبی دارند در ساخت قطعات هادی الکترونیکی و مغناطیسی از آنها بهره گرفته می‌شود.

آلیاژ با کربن متوسط زمانی که استحکام بالا در ساخت قطعات متحرک نیاز است نقش ایفا می‌کند و در پروانه‌های توربین بخار، کمپرسور هوا، پیستون‌های پمپ و قطعاتی از اتومبیل مورد استفاده است.

وقتی که لازم است قطعات ریخته‌گری شده از سختی بالا همراه با مقاومت به سایش برخوردار باشند فولاد پر کربن به کار می‌آید. این محصول در ابزارهای سایشی و سختی بالا و در فنرسازی به کار می‌رود.

تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد ساده کربنی

تا به اینجا تاثیر عنصر C روی خواص مکانیکی فولاد پر کربن ساده مشخص گردید. در این قسمت چند عنصر دیگر بررسی می‌شود:

منگنز: خواه ناخواه این عنصر در تمامی فلزات پیدا می‌شود. البته میزان کنترل شده آن نقش مفیدی هم دارد چرا که باعث اکسیژن زدایی از فلز می‌گردد. ترکیب این عنصر با گوگرد سولفید منگنز را تشکیل می‌دهد که خاصیت دیرگدازی دارد. این عنصر موجب بالا رفتن نقطه تسلیم و افزایش استحکام کششی نیز می‌شود. ولی باید توجه داشت که مقدار بیش از حد آن بدفرمی و ترک برداشتن استیل را به همراه خواهد داشت.

مس: وجود حدود ۰.۰۴ درصد از این علاوه بر این که خواص مکانیکی آن را چندان تحت تاثیر قرار نمی‌دهد بلکه باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی نیز می‌شود.

فسفر:  وجود این عنصر موجب افزایش استحکام تسلیم و استحکام کششی می‌گردد ولی کاهش شدید در انعطاف پذیری از تبعات آن است.

سیلیسیوم: این عنصر نیز در میزان‌های مختلف در تمامی فلزات یافت می‌شود. در اکسیژن زدایی و کاهش تاثیرات نامطلوب موثر و مفید عمل می‌کند. علاوه بر افزایش استحکام استیل، با مانع شدن از تشکیل حفرات گازی بازدهی تولید قطعات سالم ریخته شده را بهبود می‌بخشد.

تفاوت کربن استیل و گالوانیزه

برای درک تفاوت آهن گالوانیزه و آهن استیل ابتدا به تعریف هر یک می‌پردازیم.

آهن گالوانیزه همان آهن معمولی است با این تفاوت که برای مقاوم شدن آن در مقابل زنگ زدگی و خوردگی به ویژه در محیط‌های آبی و در معرض رطوبت یک لایه روکش از جنس فلز روی دور تا دور و اطراف فلز آهن را می‌پوشاند و این امر موجب گالوانیزه شدن و محافظت در برابر خوردگی می‌شود. استنلس استیل یا همان استیل که با نام فولاد ضد زنگ نیز شناخته می‌شود آلیاژی از استیل است که برای دادن خواص ضد زنگی و ضد خورندگی به آن در ترکیبات آلیاژ درصدی از کروم و نیکل افزوده می‌شود.

در آهن گالوانیزه عنصر روی وجود دارد و در استیل، نیکل و کروم وجود دارد پس از لحاظ مواد شیمیایی استفاده شده متفاوت هستند. از لحاظ ظاهری و در برش عرضی گالوانیزه به شکل دو لایه ای دیده می‌شود ولی استیل یک لایه یکنواخت است. پس گالوانیزه که در آن عنصر روی و استیل که در آن نیکل و کروم اضافه شده هم از لحاظ مواد استفاده شده متفاوت هستند و هم از لحاظ ظاهر که گالوانیزه دولایه‌ای است در حالی که استیل ساختار آن در همه ابعاد یکنواخت است.