فولاد کابن چیست؟
موسسه آهن و فولاد آمریکا (AISI) فولاد کربنی را اساساً بر اساس ترکیب آن، به ویژه محتوای کربن آن تعریف می‌کند. طبق تعریف AISI، فولاد کربنی فولادی است که عمدتاً از آهن با کربن (C) به عنوان عنصر آلیاژی اصلی تشکیل شده است و معمولاً حاوی عناصر آلیاژی بسیار کم یا بدون عناصر آلیاژی است، مگر اینکه برای بهبود خواص خاص به آن اضافه شوند.
محتوای کربن: فولاد کربنی معمولاً دارای محتوای کربنی از 0.05% تا 2.0% است. بر اساس محتوای کربن، فولاد کربن به فولاد کم کربن، فولاد کربن متوسط و فولاد کربن بالا تقسیم می شود:
- فولاد کم کربن: محتوای کربن بین 0.05% و 0.25%.
- فولاد کربن متوسط: محتوای کربن بین 0.25% و 0.60%.
- فولاد کربن بالا: محتوای کربن بین 0.60% و 2.0%.
عناصر آلیاژی: طبق AISI، فولاد کربنی حاوی عناصر آلیاژی کمی است، مانند سیلیکون، منگنز، کروم، مولیبدن، و غیره.
فولاد غیر آلیاژی: طبق استانداردهای AISI، اگر آلیاژ فولادی حاوی مقادیر قابل توجهی از عناصر دیگر (مانند کروم، نیکل، مولیبدن و غیره) فراتر از نسبت مشخص باشد، دیگر فولاد کربنی در نظر گرفته نمی شود، بلکه به عنوان فولاد آلیاژی طبقه بندی می شود.
ویژگی های فولاد کربنی
فولادهای کربنی AISI معمولاً دارای ویژگی های زیر هستند:
- جوش پذیری خوب: فولاد کم کربن به ویژه برای جوشکاری مناسب است.
- استحکام بالا: فولادهای کربن متوسط و بالا دارای استحکام و سختی بالاتری هستند.
- هزینه نسبتا کم: فولاد کربنی معمولاً در مقایسه با سایر فولادهای آلیاژی ارزان‌تر است.
اثرات عناصر مختلف آلیاژی بر فولاد کربنی و محدوده مجاز آنها
اثرات عناصر آلیاژی مختلف بر روی فولاد کربنی عمدتاً بر بهبود خواص مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد در دمای بالا متمرکز است.
هر عنصر آلیاژی تأثیر مشخصی بر فولاد کربنی دارد و افزودن آنها به نیازهای کاربردی خاص بستگی دارد. در زیر برخی از عناصر آلیاژی رایج، اثرات آنها بر فولاد کربنی و محدوده محتوای مجاز آنها آورده شده است.
| عنصر آلیاژی | اثر | محدوده محتوای مجاز |
| منگنز (Mn) | افزایش استحکام (تسلیم و استحکام کششی) جوش پذیری را بهبود می بخشد اکسیده می شود (اکسیژن را حذف می کند، تخلخل و ترک را کاهش می دهد) | 0.30% تا 1.00% در فولادهای کربنی فولادهای پرمنگنز (مانند AISI 1310): 10% تا 14% |
| سیلیکون (Si) | اکسید زدا (اکسیژن را از بین می برد، منافذ را کاهش می دهد) استحکام را به خصوص در دماهای بالا افزایش می دهد سختی را به خصوص در شرایط سرد کاری افزایش می دهد | 0.10% تا 0.50% در فولادهای کربنی فولادهای سیلیکونی بالا: 1.0% تا 2.0% |
| کروم (کروم) | مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد (لایه اکسید محافظ را تشکیل می دهد) استحکام در دمای بالا را بهبود می بخشد مقاومت در برابر سایش را بهبود می بخشد | 0.3% تا 1.0% در فولادهای کم آلیاژ فولادهای پر کروم: 5% تا 12% |
| نیکل (Ni) | چقرمگی و شکل پذیری را به خصوص در محیط های با دمای پایین افزایش می دهد افزایش مقاومت در برابر خوردگی (به ویژه در محیط های شیمیایی و دریایی) | 0.30% تا 3.0% در فولادهای کربنی نیکل در فولادهای ضد زنگ: 8% تا 20% |
| مولیبدن (Mo) | در برابر شکنندگی در دمای پایین مقاومت می کند بهبود عملکرد در دمای بالا (مقاومت در برابر اکسیداسیون) افزایش مقاومت در برابر خوردگی (در محیط های اسیدی) مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد | 0.10% تا 0.50% فولادهای پرمولیبدن: 0.5% تا 5.0% |
| وانادیوم (V) | سختی و استحکام را به ویژه پس از عملیات حرارتی افزایش می دهد مقاومت در برابر سایش را بهبود می بخشد ساختار دانه را اصلاح می کند و خواص کلی را بهبود می بخشد | 0.05% تا 0.15% فولادهای هایوانادیوم: 0.5% یا بیشتر |
| مس (مس) | مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد (به ویژه در محیط های مرطوب یا اسیدی) مقاومت به سایش را افزایش می دهد (به ویژه در محیط های دریایی) | 0.20% تا 0.50% مس در فولادهای مقاوم در برابر خوردگی: تا 0.75% |
| گوگرد (S) | ماشین کاری را بهبود می بخشد (مناسب برای ماشین کاری) چقرمگی و جوش پذیری را به خصوص در دماهای پایین کاهش می دهد | 0.01% تا 0.05% فولادهای پر گوگرد: تا 0.10% |
| فسفر (P) | استحکام را به ویژه در فولادهای کم کربن افزایش می دهد چقرمگی ضربه را کاهش می دهد (ممکن است فولاد را شکننده کند، به ویژه در دماهای پایین) | 0.04% تا 0.08% فولادهای با مقاومت بالا: زیر 0.02% کنترل می شود |
فرآیند تولید فولاد کربنی
فرآیند تولید فولاد کربنی شامل مراحل مختلفی است، از آماده سازی مواد خام و ذوب تا تکمیل.
اول، سنگ آهن و قراضه فولاد در یک کوره بلند ذوب می شوند تا آهن خام تولید شود، سپس در یک مبدل یا کوره الکتریکی برای حذف ناخالصی ها و تنظیم محتوای کربن تصفیه می شود.
بعد، فولاد مذاب به شکل شمش یا شمش ریخته می شود که سپس از طریق نورد گرم یا نورد سرد پردازش می شود تا به شکل مورد نظر برسد. فرآیندهای عملیات حرارتی (مانند نرمال کردن، بازپخت، خاموش کردن، و تمپر) برای بهبود خواص فولاد، تضمین سختی، استحکام و چقرمگی آن استفاده می شود.
در نهایت، عملیات سطحی (مانند پوشش، ترشی و فسفاته کردن) مقاومت به خوردگی فولاد را افزایش می دهد و مراحل نهایی برش، برش و بازرسی کیفیت تضمین می کند که محصولات فولاد کربنی استانداردهای لازم را برآورده می کنند.
مزایای فولاد کربنی
فولاد کربنی دارای استحکام کششی بالایی به خصوص فولادهای متوسط و پر کربن است که آن را برای قطعات سازه ای و مکانیکی که نیاز به تحمل بارهای زیاد دارند مناسب می کند.
مقرون به صرفه است و به طور گسترده در صنایعی مانند ساخت و ساز، خودروسازی، ماشین آلات، کشتی سازی و نفت و گاز استفاده می شود.
فولاد کم کربن قابلیت ماشین کاری خوبی دارد و آن را برای فرآیندهای مختلف تولید مناسب می کند، در حالی که فولاد با کربن متوسط استحکام و چقرمگی را متعادل می کند و آن را برای طیف وسیعی از کاربردهای ساختاری ایده آل می کند.
فولاد پرکربن، پس از عملیات حرارتی، مقاومت در برابر سایش عالی از خود نشان می‌دهد و برای ساخت ابزار و قطعات با سایش بالا استفاده می‌شود.
معایب فولاد کربنی
فولاد کربنی مقاومت خوردگی ضعیفی دارد، به ویژه فولاد کم کربن که مستعد زنگ زدگی است و نیاز به پوشش یا محافظت در برابر خوردگی دارد.
در حالی که فولاد پر کربن سختی بالاتری دارد، همچنین شکننده‌تر و مستعد شکستگی است، به ویژه در محیط‌های با دمای پایین.
عملکرد جوشکاری ضعیف است، به ویژه برای فولاد پر کربن، که به دلیل محتوای کربن بالاتر، مستعد ترک خوردن است.
استحکام و سختی فولاد کربنی در محیط های با دمای بالا کاهش می یابد و آن را برای استفاده در شرایط دمای بالا و خورنده نامناسب می کند.
به دلیل تمایل به زنگ زدگی، تجهیزات و اجزای فولاد کربنی نیاز به نگهداری منظم یا محافظت از پوشش دارند.
تأثیر عناصر کمیاب بر جوش پذیری فولاد کربنی
تأثیر عناصر کمیاب بر جوش‌پذیری فولاد کربنی بسیار مهم است، زیرا این عناصر مستقیماً بر خواص حوضچه مذاب، عملکرد مکانیکی اتصال جوش و کیفیت جوش تأثیر می‌گذارند.
گوگرد
گوگرد عنصر مضری است که می تواند شکنندگی اتصال جوش را به خصوص در دماهای بالا به میزان قابل توجهی افزایش دهد. جوش پذیری فولاد را کاهش می دهد و منجر به عیوب جوش مانند ترک خوردن (به عنوان مثال، ترک داغ) و سایر عیوب جوش می شود.
منبع: https://www.researchgate.net/figure/Solidification-cracking-in-GMAW-Fig3-Hydrogen-induced-cracking-in-HY-80-steel_fig1_263656906
فسفر
فسفر نیز عنصر مضری است که چقرمگی فولاد را کاهش می‌دهد، به‌ویژه در محیط‌های با دمای پایین که تأثیر آن بیشتر است. فولاد با فسفر بالا در هنگام جوشکاری به ویژه در شرایط دمای پایین بیشتر مستعد ترک خوردن است.
منگنز
منگنز یکی از عناصر آلیاژی رایج در فولاد است و تاثیر مثبتی بر جوش پذیری فولاد کربنی دارد. منگنز توانایی اکسید زدایی فولاد را بهبود می بخشد و احتمال تخلخل و نقص جوش را در طول فرآیند جوش کاهش می دهد.
سیلیکون
سیلیکون، که معمولاً به عنوان یک عامل اکسید کننده در فولاد کربنی وجود دارد، عموماً در غلظت های پایین، معمولاً بین 0.1% و 0.3% یافت می شود. این به حذف اکسیژن از فلز جوش کمک می کند و سیالیت فلز جوش را بهبود می بخشد.
کاربردهای رایج فولاد کربنی در صنایع مختلف
فولاد کربنی عمدتاً به دلیل خواص مکانیکی عالی، سهولت پردازش و مقرون به صرفه بودن به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها استفاده می شود. در اینجا برخی از کاربردهای رایج فولاد کربنی آورده شده است:
مهندسی ساختمان و سازه: فولاد کربنی معمولاً در ساخت پل ها، قاب های ساختمانی، سازه های فولادی و سازه های نگهدارنده استفاده می شود.
لوله و اتصالات لوله: لوله های فولادی کربن بدون درز و جوش داده شده، مانند لوله های مطابق با استانداردهای ASTM A106 و ASTM A53، به طور گسترده برای حمل و نقل نفت، گاز و آب استفاده می شوند.
خودروسازی: فولاد کربن در قطعاتی مانند بدنه خودرو، اجزای موتور و شاسی استفاده می شود.
ساخت ماشین آلات: برای تولید قطعات مکانیکی، ابزار، چرخ دنده، شفت و سایر اجزاء استفاده می شود.
محصولات فولادی: صفحات فولادی، لوله‌ها، میله‌ها و سایر محصولات فولادی معمولاً برای ساخت انواع تجهیزات صنعتی و لوازم خانگی استفاده می‌شوند.
صنعت انرژی: لوله های کربن فولادی و لوله های دیگ بخار به طور گسترده در ساخت و بهره برداری نیروگاه های حرارتی، هسته ای و سایر نیروگاه ها استفاده می شود.
صنعت پتروشیمی: از آن برای ساخت راکتورها، مبدل های حرارتی، برج ها، مخازن تحت فشار و سایر تجهیزات استفاده می شود.
کشتی سازی و مهندسی دریا: فولاد کربنی در ساختار بدنه کشتی، سکوهای دریایی و سایر کاربردهای دریایی استفاده می شود.
حمل و نقل ریلی: فولاد کربنی برای خطوط راه آهن، واگن ها و سایر تجهیزات حمل و نقل استفاده می شود.
فولاد کربنی به دلیل استحکام بالا و جوش پذیری عالی، نقش مهمی در بسیاری از کاربردهای صنعتی دارد که در آن استحکام و قابلیت اطمینان ضروری است.
خلاصه
در این مقاله، ما چندین جنبه از فولاد کربنی، از جمله عناصر آلیاژی، فرآیندهای تولید و کاربردهای مختلف را بررسی کردیم.
ما در مورد چگونگی تاثیر عناصر آلیاژی مانند منگنز، سیلیکون، کروم و نیکل بر خواص مکانیکی فولاد کربن، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد در دمای بالا بحث کردیم. این مقاله همچنین فرآیند تولید فولاد کربنی را پوشش می‌دهد و مراحلی از آماده‌سازی مواد خام تا پردازش محصول نهایی را به همراه مزایا و معایب این ماده برجسته می‌کند.
علاوه بر این، ما کاربردهای رایج فولاد کربنی را در صنایعی مانند ساخت و ساز، خودروسازی، انرژی و کشتی سازی بررسی کردیم. تجزیه و تحلیل دقیق خواص و کاربردهای فولاد کربنی تطبیق پذیری و اهمیت آن را در بخش های مهندسی و صنعتی مدرن نشان می دهد.
منابع بیشتر：
https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_steel
FA 
EN 
DE 
RU 
ID