فولاد فلز مقاومی است که از آهن بدست می آید، ساده ترین روش ساخت فولاد ریختن آهن گداخته و مذاب داخل کوره تبدیل و دمیدن هوای گرم و اکسیژن روی آن که بخش عمده کربن موجود در آهن با استفاده از این روش می سوزد و در نهایت آهن تبدیل به فولاد خواهد شد.

فولاد یا پولاد به آلیاژهای آهن که بین 25 0/۰ تا حدود ۲ درصد کربن دارند گفته می شود، فولادهای آلیاژی غالبا با فلزهای دیگری نیز همراهند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

برای ساختن سیم، لوله و ورق از فولاد استفاده می‌شود.

فولاد متوسط ۲/0 تا ۶/0 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند.

فولاد سخت  ۶/0 تا 5/1

درصد کربن دارد، و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

1. سوزاندن ناخالصی‌های چدن

2. افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن .

فولادها از نظر آلیاژی به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند:

1- فولادهای ساده کربنی

2- فولادهای کم آلیاژ

3- فولادهای متوسط آلیاژ

4- فولادهای پر آلیاژ

در فولادهای ساده کربنی، کربن اصلی ترین عنصر آلیاژی بوده و عناصری مانند منگنز و سیلیسیوم و آلومینیوم به مقدار جزیی و برای گاز زدایی به آن ها اضافه می شود. میزان کربن این فولادها نقش اصلی در میزان افزایش استحکام آنها پس از عملیات حرارتی دارد.

این فولادها به سه گروه کم کربن، کربن متوسط و پر کربن تقسم می شوند:

1- فولادهای کم کربن  با حداکثر 0.25 درصد کربن    Low Carbon Steel

2- فولاد کربن متوسط با 0.55-0.25 درصد کربن     Medium carbon steel

3- فولاد پر کربن با 0.5 >درصد کربن                High carbon steel

 پس از فولادهای کربنی، فولادهای کم آلیاژ و متوسط آلیاژ بوده که میزان منگنز و سیلیسیوم آنها بیشتر از مقدار لازم برای اکسیژن زدایی می باشد و عناصر دیگری مثل نیکل، کرم و مولیبدن نیز به آنها اضافه شده است. عناصری مانند تیتانیوم، نیوبیوم، مس و بر نیز در صورت لزوم و به میزان جزیی ممکن است به آنها اضافه شود. افزودن این عناصر آلیاژی به فولادها جهت بهبود عملیات حرارتی پذیری آنها و افزایش برخی خواص فیزیکی و مکانیکی می باشد.

لازم به ذکر است که جهت طبقه بندی فولادهای کم آلیاژ، متوسط آلیاژ و پر آلیاژ محدودیتی وجود نداشته و عموما به فولادهای حاوی بیش از 10% عناصر آلیاژی، فولادهای پرآلیاژ می گویند.

دیاگرام آهن – کربن

دیاگرام فازی دوتایی آهن – کربن، دیاگرامی تعادلی از کربن در محلول جامد آهن است که نشان دهنده تغییرات ساختاری آلیاژهای آهن – کربن نسبت به درجه حرارت می باشد. این دیاگرام بر حسب درصد کربن آلیاژ، درجه حرارت، سرد کردن یا گرم کردن بسیار آهسته رسم شده و به همین علت به آن دیاگرام تعادلی آهن – کربن می گویند.

از آنجایی که آهن و کربن تشکیل یک ترکیب واسطه به نام سمنتیت Fe3C می دهد، این دیاگرام را دیاگرام آهن – سمانتیت نیز می نامند.

آهن ماده ای آلوتروپیک (چند ساختاری) بوده و در حین انجماد از حالت مذاب تا رسیدن به دمای محیط، تبدیل به ساختارهای مختلف می شود. در نمودار آهن – کربن سمانتیت، آستنیت، لدبوریت، آهن آلفا، آهن گاما و آهن بتا دیده می شود.

در نمودار آهن-کربن سه نوع فولاد با ترکیب و ریزساختار مختلف دیده می شود (یوتکتوئیدی، هیپویوتکتوئیدی، هایپریوتکتوئیدی) که توضیحات آن در لینک زیر به تفصیل آمده است.

فولادهای ساده کربنی

فولادهای ساده کربنی مهمترین گروه آلیاژهای مهندسی هستند. این فولادها به علت هزینه نسبتا کم تولید و داشتن گستره وسیعی از خواص در بین مواد مهندسی در درجه اول اهمیت قرار دارند. کاربرد فولادهای ساده کربنی نامحدود بوده و می تواند شامل ورق، نوار، میله، سیم، محصولات لوله ای، شکل های ساختمانی، آهنگری شده، ریخته گری و … باشد.

طبقه بندی فولادهای ساده کربنی

فولادهای ساده کربنی بسته به نوع و کاربردشان در چند سیستم مختلف دسته بندی می شوند و دسته بندی منحصر به فردی که در مورد تمامی فولادهای ساده کربنی به کار رود، وجود ندارد. دو سیستم مختلفی که در این زمینه بیشترین کاربرد را دارند عبارتند از: ASTM و AISI-SAE

 سیستم دسته بندی AISI-SAE برای فولادهای ساده کربنی

این سیستم در مورد میلگردهای نورد سرد و نورد گرم شده، سیم ها، میله ها و لوله های بدون درز و محصولات نیمه تمام برای آهنگری به کار برده می شود. از آنجا که در فولادهای ساده کربنی، درصد کربن نقش اصلی و تعیین کننده میزان استحکام آنها می باشد، در این سیستم از درصد کربن برای شناسایی فولادهای مختلف استفاده می شود.

برای نامگذاری از چهار عدد استفاده شده که دو عدد اول 10 مشخص کننده فولاد ساده کربنی است. دو رقم بعدی مشخص کننده صدم درصد کربن است.

به عنوان مثال؛ عدد 1020 مشخص کننده فولاد ساده کربنی با 0.2% اسمی کربن است.

اثر عناصر آلیاژی بر فولادهای ساده کربنی

فولادهای ساده کربنی ، علاوه بر کربن حاوی عناصر زیر نیز می باشند:

منگنز تا 1%

گوگرد تا 0.05%

فسفر تا 0.04%

سیلیسیم تا 0.3%

منگنز

محدوده استفاده از منگنز در فولادهای ساده کربنی می تواند از حداکثر 0.35% در فولاد 1005 تا حداکثر 1% در فولادهای 1085 AISI متغیر باشد. منگنز با گوگرد موجود در فولاد ترکیب شده و سولفید منگنز را ایجاد می کند. منگنز با ریزکردن پرلیت و ایجاد محلول جامد با فریت موجب افزایش استحکام تسلیم فولادهای ساده کربنی می شود.

گوگرد

گوگرد می تواند حداکثر تا 0.05% در فولاد ساده کربنی وجود داشته باشد. معمولا با منگنز ترکیب شده و تشکیل آخال MnS می دهد. اگر گوگرد با آهن ترکیب شود، تشکیل FeS داده که معمولا در مرزدانه ها رسوب می کند. از آنجایی که FeS ترکیبی سخت بوده و دارای نقطه ذوب پایینی می باشد، لذا ممکن است در حین کارسرد و یا کارگرم فولاد ایجاد ترک کند. به همین دلیل و برای جلوگیری از تشکیل این ترکیب نامطلوب می بایست نسبت منگنز به گوگرد فولادها حدود 5 به 1 باشد.

فسفر

از آنجایی که فسفر ترکیب خیلی تردی با آهن تشکیل می دهد(Fe3P)، لذا میزان فسفر فولادهای کربنی در حد 0.04% محدود می باشد.

سیلیسیم

سیلیسیم به عنوان اکسیژن زدا، حین فولادسازی به مذاب اضافه شده و تشکیل آخال های SiO2 می دهد. میزان سیلیسیم فولاد ساده کربنی می تواند از 0.1 تا 0.3% متغیر باشد.

در مقایسه با فولادهای کم کربن عملیات حرارتی ناپذیر که کربنی بین 0.06 تا 0.1 درصد دارند، فولادهای دسته اول دارای سختی و استحکام بیشتری بوده ولی شکل پذیری سرد کمتری دارند. استحکام این دسته فولادها را می توان با عملیات حرارتی بالا برد اما این روش اقتصادی نمی باشد. جهت افزایش سختی این فولادها، آنها را کربوره کرده یا به طور سطحی سخت می کنند. برای کربوره کردن معمولا فولادهای AISI 1016,1018,1019 انتخاب شده و برای مقاطع بزرگتر، فولادهای AISI1015,1020,1022 به کار می رود.

دسته دوم، فولادهای کربن متوسط، کربن بیشتری داشته و معمولا با کوئنچ و تمپر (آب دهی و برگشت)، استحکام می یابند. اگر انتخاب محلول و دمای کوئنچ (آبدهی) مناسب باشد، می توان محدوده وسیعی از خواص مکانیکی را بدست آورد. در بین این سه گروه از فولادهای ساده کربنی سختی پذیر، دسته دوم بیشترین و وسیع ترین کاربرد را داشته و بیشتر قطعات خودرو از این فولادها ساخته می شوند.

دسته سوم فولادهای ساده کربنی که کربنی بالاتر از 0.55% دارند، نسبت به فولادهای کربن متوسط کاربرد کمتری دارند زیرا هزینه تولید و ساخت آنها گران تر بوده و قابلیت جوشکاری و شکل پذیری کمتری دارند. و چون کربن بیشتری دارند در اثر فرایند آبدهی، حداکثر سختی را به دست می آورند.

فولادهای آلیاژی

اگرچه تولید فولادهای ساده کربنی ارزان می باشد اما در کاربردهای مختلف مهندسی، این فولادها همیشه جوابگو نیستند. فولادهای آلیاژی اگرچه از لحاظ قیمت گران تر از فولادهای ساده کربنی هستند اما در عمل استفاده از آنها در صنعت اقتصادی تر می باشد. عناصر آلیاژی که در تولید فولادهای آلیاژی استفاده می شود عبارتند از: نیکل، کرم، مولیبدن، منگنز، سیلیسیم و وانادیم. در بعضی موارد عناصری دیگری مثل کبالت، مس و سرب نیز اضافه می شود.

عناصر آلیاژی جهت حصول خوا ص متالورژیکی مطلوب به فولادها اضافه می شود که بعضی از مهم ترین آنها عبارتند از:

1- بهبود خواص مکانیکی در دماهای مختلف

2- افزایش دمای باز پخت با حفظ استحکام و بهبود شکل پذیری

3- بهبود مقاومت به خوردگی در دماهای بالا

و سایر موارد.

طبقه بندی فولادهای آلیاژی

در تعریف کلی، فولادهای حاوی تا 50% عناصر آلیاژی را فولاد آلیاژی می گویند. اما از از نقطه نظر فنی، فولاد آلیاژی به فولادهای ماشین سازی و ساختمانی عملیات حرارتی پذیر که حاوی 1 تا 4 درصد عناصر آلیاژی هستند، اطلاق می شود.

این فولادها در ایالات متحده امریکا عموما با سیستم نامگذاری AISI-SAE مشخص می شوند. در این سیستم برای نامگذاری هر فولاد آلیاژی از یک عدد چهار رقمی استفاده شده که دو رقم اول مشخص کننده عنصر آلیاژی اصلی یا گروه عناصر آلیاژی و دو رقم آخر مشخص کننده تقریبی درصد اسمی کربن در آلیاژ است.

کاربرد انواع مختلف فولاد

از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار می‌برند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

ناخالصی‌های آهن و تولید فولاد

آهنی که از کوره بلند خارج می‌شود، چدن نامیده می‌شود که دارای مقادیری کربن، گوگرد، فسفر، سیلیسیم، منگنز و ناخالصی‌های دیگر است. در تولید فولاد دو هدف دنبال می‌شود:

سوزاندن ناخالصی‌های چدن

افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن

منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل می‌شوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج می‌شوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره می‌شود و کربن هم می‌سوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید کربن (CO۲) در می‌آید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دی‌اکسید سیلسیم (SiO۲) است، بکار می‌برند:

(MnO + SiO۲ ——-> MnSiO۳(l

و چنانچه ناخالصی اصلی سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولاً چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولاً اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه می‌کنند:

(MgO + SiO۲ ——-> MgSiO۲(l

MgO + P۴O۱۰ ——-> ۲Mg۳(PO۴)۲(l

کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصی‌ها

معمولاً جداره داخلی کوره‌ای را که برای تولید فولاد بکار می‌رود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شده‌اند، می‌پوشانند. این پوششی مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب می‌کند. برای جدا کردن ناخالصی‌ها، معمولاً از روش کوره باز استفاده می‌کنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن ۱۰۰ تا ۲۰۰ تن آهن مذاب جای می‌گیرد. بالای این ظرف، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس می‌کند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور می‌دهند تا ناخالصی‌های موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع می‌آیند و عمل تصفیه چند ساعت طول می‌کشد، البته مقداری از آهن، اکسید می‌شود که آن را جمع‌آوری کرده، به کوره بلند باز می‌گردانند.

روش دیگر جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن

در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصی‌ها از آهن استفاده می‌شود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمک ذوب در کوره‌ای بشکه مانند که گنجایش ۳۰۰ تن بار را دارد، می‌ریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت می‌کنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه، همواره سطح تازه‌ای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار می‌دهند. اکسایش ناخالصی‌ها بسیار سریع صورت می‌گیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO۲ رها می‌شوند، توده مذاب را به هم می‌زنند، بطوری که آهن ته ظرف، رو می‌آید. دمای توده مذاب، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریباً به دمای جوش آهن می‌رسد و در چنین دمایی، واکنشها فوق‌العاده سریع بوده، تمامی‌ این فرایند، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل می‌شود و معمولاً محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست می‌آید.