تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد

در این مقاله بررسی می کنیم که هر یک از عناصر آلیاژی چه تاثیری بر فولاد دارند؟

فولاد آلیاژی:
این نوع فولاد بر اساس میزان عناصر آلیاژی افزوده شده به دو گروه اصلی تقسیم می شود.

• فولاد کم آلیاژ: این نوع از فولاد در ترکیباتش کمتر از ۵% عناصر آلیاژی دارد. بسیار پرکاربرد است و برای تولید انواع لوله و پروفیل سبک و سنگین مورد استفاده قرار می گیرد.
• فولاد پرآلیاژ: در ترکیب این گروه بیش از ۵% عناصر آلیاژی وجود دارد و برای ساخت انواع تجهیزات صنعتی، معدنی، شیمیایی و داروسازی مورد استفاده قرار می گیرد. فولاد ضدزنگ و فولاد ابزار، دو مورد از مهمترین نمونه های فولاد پرآلیاژ هستند.

فولاد براساس عناصر آلیاژی موجود در ترکیب آن:

• فولاد ضدزنگ: در تولید انواع لوله و پروفیل استیل دکوراتیو، ساخت ابزار پزشکی و زیرساخت های صنایع حساسی چون صنایع دریایی و هوایی کاربرد دارد.
• فولاد منگنزی: در صنایع معدنی برای ساخت انواع خودروهای سنگین و صنعتی چون سنگ شکن، میکسر سیمان و تراکتور، همچنین در صنایع ایمنی برای ساخت گاو صندوق و کابین های ضد گلوله مورد استفاده قرار می گیرد.

تأثیر عناصر آلیاژی روی فولادها

عنصر آلیاژی، فلز یا نافلزاتی است که برای ساخت یک آلیاژ جدید به یک عنصر پایه اضافه می‌ شوند. همین عامل باعث بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی آن عنصر پایه می شود. در ادامه به بررسی انواع عناصر آلیاژی فولاد و تاثیر آنها بر خواص فولاد می پردازیم. این عناصر عبارتند از:

1. تاثیر کربن بر فولاد:بالاترین تاثیر را در ساختار فولاد دارد و مهمترین و موثرترین عنصر آلیاژی در آن به شمار می رود. با افزایش میزان کربن استحکام، سختی پذیری فولاد بیشتر می شود اما چکش خواری و قابلیت جوشکاری و ماشینکاری (با استفاده از ماشین های برش) کاهش می یابد. این عنصر عملا هیچ تاثیری بر مقاومت خوردگی در آب، اسید و گازهای گرم ندارد.
2. تاثیر کروم بر فولاد:رایج ترین عنصر موجود در آلیاژ فولاد، کروم است. مقاومت به خوردگی مهمترین ویژگی این عنصر است. حدود ۱۲% کروم در ترکیب فولاد برای ضد زنگ کردن آن کافی است. این عنصر با کاربیدهایی که در فولاد ایجاد می کند، هرچند سختی آلیاژ را افزایش می دهد؛ اما منجر به کاهش شکل پذیری فولاد می ‌شود.
3. تاثیر نیکل بر فولاد:عنصر نیکل حدود ۵% وزن فولاد را ممکن است تشکیل بدهد. این عنصر بر خلاف کروم و کربن می تواند سختی و استحکام فولاد را بدون کاهش شکل پذیری و چقرمگی آن افزایش بدهد. نیکل به طور گسترده در فولاد ضد زنگ وجود دارد و از آن به عنوان افزایش دهنده مقاومت فولاد برای کاربردهای دما پایین نیز یاد می ‌شود.
4. تاثیر منگنز بر فولاد:از خواص منگنز در فولاد می توان به چگالی بالا چیزی حدود 96 الی 97 درصدی اشاره کرد که موجب افزایش استحکام و کاهش شکل پذیری فولاد می شود. این عنصر از طریق واکنش با گوگرد موجود در ترکیب فولاد، قابلیت چکش خواری را افزایش می ‌دهد. به لحاظ خواص مکانیکی نیز، موجب بهتر شدن استحکام و جوش پذیری فولاد می شود، در عین حال خاصیت شکل پذیری آن را کاهش می دهد اما وجود گوگرد در ترکیب و واکنش آن با منگنز باعث کمتر شدن این اثر و بهبود انعطاف پذیری و شکل پذیری فولاد می شود.
5. تاثیر گوگرد بر فولاد:با توجه به اینکه گوگرد، یک عنصر آلیاژی نامطلوبی است و موجب شکننده بودن فولاد می شود؛ با منگنز ترکیب می کنند تا این خاصیت به حداقل برسد. وجود گوگرد موجب تسهیل ماشین کاری می شود.
6. تاثیر مولیبدن بر فولاد:دو علت اصلی تاثیر مولیبدن بر فولاد را می توان؛ افزایش استحکام خزشی فریت و دیگری بالا بردن دمای تبلور مجدد بعد از سخت کاری دانست. مولیبدن، مقاومت حرارتی را بهبود می بخشد و خواص تمامی عناصر آلیاژی را بیشتر می کند به همین خاطر به تنهایی درون آلیاژ کاربردی ندارد و با سایر عناصر آلیاژی استفاده می شود. ترکیب مولیبدن و کربن موجب ایجاد کاربید می شود و فولاد را سخت تر می کند به همین خاطر از فولادی که حاوی کاربید باشد برای ساخت ابزار استفاده می شود.
7.  تاثیر کبالت بر فولاد:هنگامی ‌که هر عنصر آلیاژی در حالت محلول جامد قرار دارد، کبالت می‌ تواند از طریق تقویت محلول جامد، استحکام را بهبود بخشد. همچنین، حلالیت کربن در کبالت نسبت به نیکل بیشتر است که این امر تا حدودی آسیب ناشی از کربورسازی را به حداقل می‌رساند. استحکام در دمای بالا را بهبود می‌بخشد و توزیع این رسوب را ریز تر کند.
8. تاثیر سیلیکون بر فولاد:سیلیکون پایدار کننده فریت است که یک ساختار فریتی BCC را تشکیل می دهد. این عنصر منجر به افزایش مقاومت به اکسیداسیون در فولادها چه در دماهای بالا و چه در دماهای پایین می‌شود. سیلیسیوم از طریق اکسیدزدایی، به بهبود استحکام فولاد کمک می‌کند.
9. تاثیر وانادیوم بر فولاد:عنصر وانادیوم موجب افزایش استحکام و چقرمگی فولاد از طریق پالایش دانه ها در شرایط نوردی می شود. وجود این عنصر در فولادها منجر به تشکیل کاربیدها و نیتریدها می شود و ساختار فریتی را نیز ایجاد خواهد کرد. وانادیوم در دستیابی به ‌سختی بالاتر در حالت تمپر پس از فرآیند کوئنچ-تمپر نقش دارد. این عنصر فقط در فولادهای ضد زنگ که قابلیت سخت‌ کاری دارند استفاده می‌ شود.
10. تاثیر مس در فولاد:مس پایدارکننده آستنیت با ساختار FCC است. این عنصر برای افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود استحکام به فولادها اضافه می ‌شود. تاثیر مس بر چقرمگی و قابلیت سخت شدن فولاد خیلی کم است اما مقاومت به خوردگی جوی را تا حد بسیار زیادی بهبود می ‌بخشد.
11. تاثیر بور در فولاد:نقش بور در افزایش سختی فولادهای کم‌ کربن است به ‌گونه ‌ای که افزودن مقدار بسیار کمی از آن، سختی قابل ‌توجهی را به همراه دارد. تاثیر افزایش سختی بور در فولاد وقتی دوچندان می‌ شود که این عنصر با عناصری همچون مولیبدن، تیتانیم و وانادیوم ترکیب شود.
12. تاثیر نیوبیوم بر فولاد:وجود نیوبیوم به میزان 1 تا 1.75 درصد در فولادهای PH به حد کربوره کردن و نیز افزایش مقاومت به فرسایش کمک می ‌کند. این عنصر که به آن کلمبیوم هم گفته می شود، یک کاربیدساز قوی و پایدارکننده فریت است که با تشکیل ساختارهای همگن منشور فشرده یا HCP، در استحکام دهی به روش رسوب سختی مورداستفاده قرار می‌گیرد.
13. تاثیر نیتروژن در فولاد:عنصر نیتروژن در فولادهای ضدزنگ بیشتر کاربرد دارد. در پایداری آستنیت و کاهش رسوبات فاز میانی تاثیرگذار است و استحکام کششی و تسلیم را بدون کاهش شکل ‌پذیری افزایش می ‌دهد و مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ ای و شکافی را افزایش می ‌دهد. البته باید توجه داشت که وجود نیتروژن اضافی بیش از 0.1 تا 0.2 درصد بسته به آلیاژ، منجر به تخلخل خواهد شد.
14. تاثیر آلومینیوم بر فولاد:افزودن مقدار مشخصی از آلومینیوم، مقاومت به اکسیداسیون را در آلیاژها افزایش می ‌دهد. به همین دلیل، از آن در مواد مقاوم در برابر حرارت استفاده می ‌شود. افزودن آلومینیوم در فولادهای رسوب سخت شونده، منجر به تشکیل ترکیبات بین فلزی می ‌شود که افزایش استحکام را از طریق فرآیند پیرسازی به همراه دارد.
15. تاثیر تنگستن در فولاد:تنگستن موجب افزایش سختی در دماهای بالا از طریق تشکیل کاربیدهای پایدار و ریز کردن سایز دانه ‌ها می ‌شود. تنگستن را می ‌توان در برخی گریدهای مخصوص نظیر آلیاژ 686 و گرید فوق دوفازی 4501 یافت که مقاومت به خوردگی بالایی دارند. چگونگی انتخاب فولاد آلیاژی مناسب با توجه به کاربرد و خواص مدنظر، یکی از مهم ‌ترین چالش ‌ها به‌ منظور استفاده بهینه و صحیح از فولادهاست.

نکته پایانی:
با توجه به موارد گفته شده می توان نتیجه گیری کرد که فولاد از ترکیب آهن، کربن و درصدی عناصر آلیاژی دیگر تولید می شود. منشا آهن موجود در این ترکیب می تواند سنگ آهن و یا آهن قراضه باشد. عناصر آلیاژی نقش مهم و کلیدی در تعیین خواص فولاد ایفا می کنند. طی دو دهه گذشته مصرف فولاد و آلیاژ های آن برای ساخت و تولید انواع محصولات رشد فزاینده ای داشته است.