صفر تا صد انواع فولاد از تفاوت و کاربرد تا طرز تولید
فولاد به عنوان یکی از اساسی‌ترین و پرکاربردترین مواد در صنایع مختلف، نقشی کلیدی در توسعه و پیشرفت تکنولوژی و زیرساخت‌های مدرن ایفا می‌کند. شناخت دقیق انواع فولاد، تفاوت‌های آنها، کاربردها و روش‌های تولید، برای مهندسان، طراحان و تولیدکنندگان اهمیت بالایی دارد. این مطلب از پاوان، به بررسی جامع و کامل انواع فولاد از جمله فولادهای کربنی، آلیاژی، ضد زنگ و ابزار فولادی پرداخته و تفاوت‌های اصلی میان آنها را توضیح می‌دهد.
فولاد چیست؟
فولاد (Steel) آلیاژی از آهن است که معمولاً با چند دهم درصد کربن برای بهبود استحکام و مقاومت در برابر ضربه در مقایسه با سایر اشکال آهن ساخته شده است. ممکن است در این میان از ترکیب برخی عناصر نیز در ساختار فولاد کمک گرفته شود. به عنوان مثال فولادهای ضد زنگ که در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاوم هستند، معمولاً به 11 درصد کروم اضافی نیاز دارند.
از نظر شیمیایی، فلز آهن بسته به دما و عملیات حرارتی، می‌تواند دو شکل کریستالی (اشکال آلوتروپیم یا دگرشکل) به خود بگیرد. بدین صورت که از برهم‌کنش آلوتروپ‌های آهن با عناصر آلیاژی، کربن اولیه، به فولاد تبدیل می‌شود. این تغییر چیدمان اتمی آهن علاوه بر تغییر حجم، تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی را به همراه دارد که بهبود آن از همین‌جا ناشی می‌شود.
در آهن خالص، ساختار کریستالی مقاومت نسبتاً کمی در برابر لغزش اتم‌های آهن از کنار یکدیگر دارد و بنابراین به آهن ویژگی انعطاف‌پذیرتری می‌دهد. در فولاد، مقادیر کمی کربن و سایر عناصر (در ترکیب با آهن) ساختار محکم‌تری می‌سازند که از لغزش اتم‌ها جلوگیری می‌کند.
بیشتر بخوانید: انواع قالب بندی سقف، از وافل تا عرشه فولادی، کدام بهترین است؟
تفاوت فولاد و آهن و چدن در چیست؟
همان‌طور که گفته شد آهن فلز پایه فولاد است و تفاوت آهن با فولاد در این است که ساختار اتمی هر دو متفاوت بوده زیرا فولاد با داشتن آلیاژهایی، رفتار مکانیکی و فیزیکی متفاوتی از آهن از خود نشان می‌دهد.
ترکیب آلیاژ فولاد چیست؟ فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که حاوی کمتر از ۲ درصد کربن و ۱ درصد منگنز و مقادیر کمی سیلیکون، فسفر، گوگرد و اکسیژن است. برای تولید فولاد ممکن است از دیگر آلیاژهایی چون وانادیم، کروم، تیتانیم، نیکل، مولیبدن، تنگستن یا فلزهای دیگر، هرکدام به مقاصد خاص استفاده شود.
ترکیب آلیاژ چدن چیست؟ چدن آلیاژی از کربن و سیلیسیم است که حاوی 2 تا 5.3 درصد کربن و 0.5 تا 3 درصد سیلیسیم و مقدار کمی منگنز، فسفر، گوگرد است که خصوصیات آن را تحت‌تأثیر منفی قرار می‌دهد.
وجه تمایز فولاد و چدن میزان درصد کربن موجود در آن‌هاست. به‌طوری‌که آلیاژ آهن تا 2 درصد کربن را فولاد و آلیاژ 2 تا 6 درصد کربن را چدن می‌نامند. کربن موجود در ساختار چدن به شکل گرافیت بوده درحالی‌که کربن موجود در فولاد به صورت ترکیب (دگرشکل) آهن در ساختار آن قرار دارد.
بیشتر بخوانید: راهنمای جامع سقف عرشه فولادی در اسکلت فلزی از اجرا و جزئیات تا حداکثر دهانه و ضخات
انواع فولاد کدامند؟
انواع فولاد بر اساس ترکیب شیمیایی آن طبقه‌بندی می‌شود، همان‌طور که آهن با کربن و هر تعداد عنصر دیگر برای رسیدن به یک هدف خاص ذوب می‌شود. چهار نوع اصلی فولاد عبارت‌اند از:
- فولاد کربنی
- فولاد ضد زنگ
- فولاد آلیاژی
- فولاد ابزار
گروه اول: فولاد کربنی
تمام فولادها حاوی کربن هستند، اما انواع فولاد کربنی به دلیل عدم وجود عناصر دیگر در ترکیب آن منحصربه‌فرد است. اگرچه فقط حاوی ۲ درصد کربن یا کمتر است، اما ماهیت عنصری آن، فولاد کربنی را به ماده‌ای قوی و بادوام تبدیل می‌کند که برای استفاده‌های متعدد ایدئال است.
فولاد کربنی گاهی اوقات با چدن اشتباه گرفته می‌شود، درحالی‌که چدن حاوی بیش از 2 درصد کربن است و بافت آن خشن و ماهیت شکننده‌تری دارد. فولاد کربنی حدود 90 درصد از کل تولید فولاد را تشکیل می‌دهد.
انواع فولاد کربنی
خود فولاد کربنی را می‌توان به سه دسته فولاد کربنی کم‌کربن، با کربن متوسط و کربن زیاد تقسیم کرد. هرکدام از این نوع استحکام ذاتی کربن را دارا هستند، اما هدف آنها با افزایش مقدار کربن، متفاوت از یکدیگر می‌شود.
گروه اول: کم‌کربن
این گروه با داشتن 0.04 تا 0.3 درصد کربن، رایج‌ترین و کم‌هزینه‌ترین نوع فولاد کربنی است. به دلیل انعطاف‌پذیری بالا و توانایی ذاتی آن در کشیده شدن، به راحتی شکل می‌گیرد. سیم‌ها، پیچ‌ها و لوله‌ها از این نوع فولاد هستند.
چند مورد استفاده متداول از فولاد کم‌کربن عبارت‌اند از:
- زیر ساخت‌ها
- دستگاه‌ها صنعتی
- انواع لوله
- لوازم‌خانگی
- قطعات خودرو
- وسایل جراحی
- تجهیزات پزشکی
- سیم‌ها
- پیچ‌ومهره و…
گروه دوم: کربن متوسط
این گروه دارای کربن بین 0.31 تا 0.60 درصد است و بدین‌گونه استحکام بالاتر و شکل‌پذیری کمتری نسبت به انواع کم‌کربن دارد. کربن‌های متوسط در چرخ‌دنده‌ها و خطوط راه‌آهن استفاده می‌شوند.
چند کاربرد متداول برای فولاد کربن متوسط عبارت‌اند از:
- قطعات ماشین‌آلات
- سازه‌های تحت فشار
- میل‌لنگ
- چرخ‌دنده‌ها
- خطوط راه‌آهن و..
گروه سوم: پر کربن
این گروه سخت‌ترین عضو گروه است که حاوی بیش از 0.61 درصد کربن است و 0.2 درصد کربن بیشتر ندارد. اغلب برای تولید میخ‌ها و ابزارهای برش تیز مانند تیغه‌های ترنچر (تیغه‌های خندق کن) استفاده می‌شود.
چند کاربرد متداول برای فولاد کربن بالا عبارت‌اند از:
- راه‌آهن
- انواع میله، نرده و تیر
- فولاد فنری (دسته‌ای از فولادهای آلیاژی)
- پلاک خودرو و…
در جدول زیر خواص انواع فولاد کم‌کربن، کربن متوسط و پر کربن را مشاهده می‌کنید.
| کم‌کربن | کربن متوسط | کربن زیاد |
| سختی کم | سختی کمتر | سختی بالا |
| قدرت خفیف | شکل‌پذیری متوسط | شکل‌پذیری کم |
| ماشین‌کاری بالا | چقرمگی متوسط | کاهش قابلیت جوش |
| چقرمگی بسیار بالا | استحکام متوسط | ماشین‌کاری کم |
| شکل‌پذیری بالا | جوش‌پذیری متوسط | چقرمگی بالا |
| جوش‌پذیری بالا | ماشین‌کاری متوسط | استحکام بالا |
گروه دوم: فولاد ضد زنگ
این گروه از فولاد معمولاً به دلیل نقشش در تولید تجهیزات و لوازم پزشکی شناخته شده است، اما دامنه استفاده از آن به‌مراتب بیشتر از محدوده گاز آشپزخانه است. کروم آلیاژی است که فولاد ضد زنگ را متمایز می‌کند و درخششی متمایز به آن می‌بخشد.
عنصر کروم در برابر اکسیداسیون مقاوم است و با جلوگیری از زنگ زدن فلز، طول عمر آن را افزایش می‌دهد. به طور معمول، فولاد ضد زنگ دارای بیش از 10.5 درصد کروم و گاهی اوقات 30 درصد در کاربردهای خاص است.
با افزایش مقدار کروم در فولاد به طور مستقیم به سطح براق‌تری هنگام پرداخت و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی می‌رسیم. علاوه بر این زمانی که کروم بر روی فلز دیگری آبکاری می‌شود تا یک پوشش سخت و صیقلی تولید شود، بسیار متفاوت‌تر از زمانی است که فولادی با ویژگی ضدزنگی تولید می‌شود؛ بنابراین هر محصول در آشپزخانه شما صراحتاً از فولاد ضدزنگ نیست.
بیشتر بخوانید: [راهنمای جامع] انواع فولاد کدامند؟ معرفی 20 نوع فولاد معروف
انواع فولاد ضد زنگ کدامند؟
رایج‌ترین کاربردهای این گروه در آشپزخانه، پزشکی و خودروسازی است، اما فولاد ضد زنگ برای سایر مصارف نیز ارزش زیادی دارد که به چهار زیرمجموعه گروه‌بندی می‌شود که هرکدام هدف متفاوتی را دنبال می‌کنند.
آلیاژهای مارتنزیتی: چقرمگی ویژگی بارز آلیاژهای مارتنزیتی است، اما آنها مستعد خوردگی هستند. آنها توسط یک فرایند خنک‌کننده سریع تشکیل می‌شوند که آنها را برای عملیات حرارتی ایدئال می‌کند. این گروه در ابزار پزشکی، کارد و چنگال و انبردست یافت می‌شوند.
آلیاژهای فریتی: فولادهای ارزان قیمت با مقادیر کم‌کربن و نیکل هستند. صنعت خودروسازی به دلیل استحکام و درخشندگی ناشی از کروم، مقصد نهایی متداول آلیاژهای فریتی هستند.
• آلیاژهای آستنیتی: آلیاژهای آستنیتی دارای محتوای کروم و نیکل بالاتری هستند که مقاومت آنها در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد و باعث ایجاد ویژگی غیر مغناطیسی در آنها می‌شود. این گروه در لوازم آشپزخانه وجود دارند و بسیار محبوب و بادوام هستند و تمیزکردن آنها آسان است.
آلیاژهای دوبلکس: ترکیبی از آلیاژهای آستنیتی و فریتی منجر به یک آلیاژ دوبلکس می‌شود که خواص هر دو را به ارث می‌برد درحالی‌که استحکام را دوبرابر می‌کند. همچنین به دلیل داشتن کروم نسبتاً بالا، انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر خوردگی هستند.
گروه فولاد ضدزنگ، به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و استحکام آنها در صنعت ساخت‌وساز بسیار موردتوجه قرار می‌گیرند. مخزن مواد مشتعل و سمی چون رنگ‌ها و حلال‌ها، پاک‌کننده‌های خانگی، چاه بازکن‌ها، آفت‌کش‌ها، مخازن گاز فشرده (مانند پروپان و اکسیژن)، باتری‌های خودرو، روغن خودرو و… از دیگر قبیل استفاده‌های فولادهای ضد زنگ هستند.
گروه سوم: فولاد آلیاژی
فولاد آلیاژی به‌عنوان یک گروه‌بندی شامل طیف متنوعی از آلیاژها است که هرکدام ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود را در محصول نهایی دارند. برای مثال در تولید کانتینرهای حمل‌ونقل از چند ترکیب چند فلز استفاده شده است.
سیلیکون اغلب به‌عنوان جزئی از فولاد در نظر گرفته نمی‌شود، اما خواص مغناطیسی این پلیمر با فولاد، آن را به یک جزء عالی برای بیشتر ماشین‌آلات بزرگ تبدیل می‌کند. آلیاژ آلومینیوم از این گروه که هم سبک و هم بسیار بادوام است به‌عنوان مصالح ساختمان‌سازی مدرن و پایدار استفاده می‌شود.
انواع فولاد آلیاژی
ظرفیت متنوع فولاد آلیاژی استفاده فراوان آن را برای کاربردهای خاص را فراهم می‌کند. با این حال، ازآنجایی‌که عناصر ثانویه (آلیاژها) همیشه به راحتی به دست نمی‌آیند، آلیاژهای خاص قیمت بالایی دارند. برخی از رایج‌ترین آلیاژها عبارت‌اند از:
• آلومینیوم: آلیاژ فولاد این گروه سبک وزن، مقاوم در برابر حرارت و انعطاف‌پذیر است. به‌علاوه کار با آن آسان است و اغلب در سیستم‌های اگزوز داغ و ژنراتورهای برق استفاده می‌شود.
• مس: آلیاژ فولاد این گروه مقاوم در برابر خوردگی، رسانای گرما و یک انتخاب عالی برای سیم‌کشی برق و مبدل‌های حرارتی صنعتی است.
• منگنز: آلیاژ فولاد این گروه مقاوم در برابر ضربه و سخت است که می‌توان آن را در درهای ضدگلوله، صفحات ضد خش و غیرقابل نفوذ و گاوصندوق‌های با استحکام بالا یافت.
• مولیبدن: آلیاژ فولاد این گروه قابل جوش و مقاوم در برابر خوردگی است و همچنین تحت فشار بالا عمل می‌کند که آن را برای ساخت‌وسازهای زیر آب یا خطوط لوله نفت و گاز مناسب می‌کند.
• سیلیکون: آلیاژ فولاد این گروه با ماهیت نرم و چکش خواری خوب به‌علاوه خواص مغناطیس در تولید آهنرباهای دائمی قوی استفاده می‌شود که در ترانسفورماتورهای الکتریکی کاربرد دارد.
• وانادیوم: آلیاژ فولاد این گروه دارای ویژگی ضربه‌گیری بالا و مقاوم در برابر لرزش است که اغلب در قطعات خودرو مانند فنرها یافت می‌شود.
از میان آلیاژها و دسته‌بندی‌های گفته شده، آلیاژ مس و آلیاژ آلومینیوم به دلیل وزن کم و خواص رسانایی بسیار محبوب هستند.
گروه چهارم: فولاد ابزار
از این گروه بیشتر برای ماشین‌آلاتی مانند برش و دریل استفاده می‌شود. این گروه از فولاد ابزاری را ایجاد می‌کند که بسیار سخت و مقاوم در برابر حرارت است. آنها معمولاً در دستگاه‌های ضربه‌ای و سایشی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انواع فولاد ابزار
انواع مختلف ابزار هستند که برای تولید آنها به انواع مختلفی از فولاد ابزار نیاز است. فولاد ابزار به روش‌های مختلفی استفاده می‌شود تا نیازهای تولید یک ابزار خاص را به بهترین نحو برآورده کند. عناصر اضافه شده در این گروه مشخص می‌کند که برای کدام یک از ابزار مناسب است. درواقع این اهداف خاص هستند که ترکیب فولاد ابزار را می‌سازند.
• سخت‌کاری با هوا: محتوای بالای کروم موجود در این فولاد به آن اجازه می‌دهد تا در معرض دمای بالا بدون اعوجاج قرار گیرد. بیشترین کاربرد آن در ریخته‌گری بلوک‌ها (قطعات) است.
• سخت‌کاری با آب: این فولاد در حین استفاده با آب کوئنچ (به سردکردن سریع قطعه فولادی در آب یا روغن کوئنچ می‌گویند) می‌شود. این مقرون به‌صرفه‌ترین نوع ابزار است و برای ساخت انواع ابزارها استفاده می‌شود.
• سخت‌کاری با روغن: این فولاد با روغن کوئنچ شده و به طور استثنایی در برابر لغزش مقاوم است و برای تولید چاقو و قیچی استفاده می‌شود.
• سرعت بالا: این نوع فولاد به دلیل داشتن پایه مولیبدن بسیار ساینده و مقاوم در برابر ضربه است که در مته‌ها و اره‌های برقی یافت می‌شود.
• کار گرم: فولادهای این گروه اغلب با آلیاژی از کروم و تنگستن هستند که می‌توانند گرمای شدید را تحمل کند و استحکام خود را حفظ کنند. از این فولاد ابزار در آهنگری و ریخته‌گری استفاده می‌شود.
• مقاوم در برابر ضربه: مقادیر کمی کربن، سیلیکون و مولیبدن این فولاد را سخت می‌کند که برای ابزارهای پانچ و پرچ مناسب است.
رتبه‌بندی‌های مختلف فولاد
فولاد به دلیل خواص و کاربردهای وسیع دارای دو سیستم رتبه‌بندی جامع برای دسته‌بندی دقیق یک نوع خاص، حتی در زیر گروه‌ها است. این سیستم استاندارد شده مورد استفاده در سراسر صنایع است تا بتوان یکپارچگی محصول خروجی را بدین وسیله ضمانت کرد. دو سیستم رتبه‌بندی عبارت‌اند از:
• ASTM (انجمن آمریکایی برای آزمایش و مواد): طبقه‌بندی الفبایی عددی که طبقه‌بندی کلی و ویژگی‌های خاص فولاد را نشان می‌دهد.
• SAE (انجمن مهندسین خودرو): طبقه‌بندی عددی چهاررقمی که نوع فولاد و محتوای کربن را همراه با سایر عناصر آلیاژی آن تعریف می‌کند.
کاربرد فولاد چیست؟
به طور معمول از فولاد حاوی 0.2 درصد کربن برای ساختن سیم، لوله، ورق و از فولاد حاوی 0.2تا 0.6 درصد کربن برای ریل، دیگ بخار و زیرساخت ساختمان‌ها و از فولاد 0.6 تا 1.5 درصد کربن برای دیگر ابزارآلات موردنیاز صنعت استفاده می‌شود.
فولاد به طور گسترده در ساخت جاده‌ها، راه‌آهن، سایر زیرساخت‌ها، لوازم‌خانگی و ساختمان‌ها استفاده می‌شود. اکثر سازه‌های مدرن بزرگ مانند استادیوم‌ها و آسمان‌خراش‌ها، پل‌ها و فرودگاه‌ها توسط یک اسکلت فولادی پشتیبانی می‌شوند. حتی آنهایی که ساختار بتنی دارند برای تقویت سازه از فولاد استفاده می‌کنند.
فولاد تا حد زیادی پرمصرف‌ترین ماده برای ساخت زیرساخت‌ها و صنایع جهان فولاد است و تقریباً برای ساخت همه چیز از سوزن خیاطی گرفته تا تانکرهای نفت استفاده می‌شود. برخی دیگر از کاربردهای فولاد عبارت‌اند از:
- انواع مختلفی از فولادها در بدنه خودرو، درها، موتور، سیستم تعلیق و داخل خودرو استفاده می‌شود. به طور متوسط 50 درصد یک خودرو از فولاد ساخته شده است.
- فولاد به دلیل استحکام کششی بالا و هزینه کم آن در ساختمان‌ها و اسکلت‌بندی آنها، زیرساخت‌ها، ابزار، کشتی‌ها، قطارها، ماشین‌ها، وسایل الکتریکی و سلاح‌ها استفاده می‌شود.
- فولاد انتشار CO2 را کاهش می‌دهد. سازگار با محیط‌زیست و پایدار است و ماندگاری بالایی دارد.
- از فولادهای ضد زنگ برای خطوط لوله دریایی، کارد و چنگال، ایمپلنت‌های جراحی و سلول خورشیدی استفاده می‌شود.
- از فولادها برای بسته‌بندی و محافظت از کالاها در برابر قرارگرفتن در معرض آب، هوا و نور استفاده می‌شود.
سخن آخر
در این مطلب، به بررسی کامل انواع فولاد از جمله فولادهای کربنی، آلیاژی، ضد زنگ و ابزار فولادی پرداخته شد. تفاوت‌های کلیدی میان این انواع فولاد، از نظر ترکیبات شیمیایی، ویژگی‌های مکانیکی و کاربردها توضیح داده شد.