انواع مختلفی از عناصر آلیاژی وجود دارد که هر یک خواص خاصی را به متریال اضافه میکنند. افزودن هر عنصر آلیاژی، با هدف بهبود ویژگی خاصی مانند استحکام، مقاومت در برابر خوردگی یا قابلیت ماشینکاری صورت میگیرد. در این مقاله، به بررسی عناصر آلیاژی خواهیم پرداخت.
کربن (C)
کربن، عنصر اصلی در تعیین سختی و استحکام فولاد است. میتوان گفت کربن، اصلیترین عنصر در فولاد است و نقش تعیینکنندهای در خواص آن دارد. افزایش کربن، سختی، استحکام فشاری و قابلیت سخت شدن فولاد را افزایش میدهد. این به معنای مقاومت بیشتر فولاد در برابر سایش، خراش و تغییر شکل است. اما این افزایش، با کاهش انعطافپذیری، نقطه ذوب، قابلیت جوشکاری و آهنگری همراه است.
فولاد با کربن بالا، سختتر خواهد بود اما در عین حال، شکنندهتر میشود و به راحتی خم نمیشود. بنابراین، میزان کربن باید با توجه به کاربرد مورد نظر به دقت کنترل شود. برای مثال، در ساخت تیغههای چاقو از فولاد با کربن بالا استفاده میشود تا تیزی و ماندگاری لبه برنده آن افزایش یابد. در مقابل، در ساخت قطعاتی که نیاز به انعطافپذیری دارند، مانند بدنه خودرو، از فولاد با کربن کمتر استفاده میشود.
منگنز (Mn)
منگنز، عنصری اکسیژنزدا و خنثیکننده اثرات مضر گوگرد در فولاد است. این عنصر، با ترکیب با گوگرد، سولفور منگنز (MnS) را تشکیل میدهد و از پدیده سرخشکنی که نوعی شکنندگی در دمای بالا است، جلوگیری میکند. منگنز همچنین قابلیت سخت شدن، مقاومت در برابر ضربه و سایش را افزایش میدهد. درواقع، این به معنای مقاومت بیشتر فولاد در برابر ضربات ناگهانی و سایش در طول زمان است. اما افزایش منگنز میتواند قابلیت ماشینکاری را کاهش دهد، یعنی تراشیدن و شکل دادن به فولاد دشوارتر میشود.
سیلیسیم (Si)
سیلیسیم، در فولادهای معمولی و آلیاژی بهکار میرود. این عنصر، سیالیت مذاب را افزایش میدهد، یعنی فولاد مذاب بهراحتی جریان مییابد و میتوان آن را به شکلهای مختلف ریخت. همچنین، سیلیسیم مقاومت به خوردگی فولاد آلیاژی را افزایش میدهد، یعنی فولاد در برابر زنگزدگی و فرسایش مقاومتر میشود. اما سیلیسیم میتواند خواص انعطافپذیری، الاستیسیته، استحکام کششی، قابلیت جوشکاری و آهنگری را کاهش دهد.
گوگرد (S)
گوگرد، عنصری است که قابلیت ماشینکاری و برادهبرداری فولاد را افزایش میدهد. یعنی فرآیند تراش و شکلدهی فولاد آسانتر میشود. گوگرد با ایجاد ترکیباتی در ساختار فولاد، باعث میشود که برادهها به راحتی از سطح فولاد جدا شوند. اما در عین حال، گوگرد شکنندگی فولاد را در حالت داغ و سرد افزایش میدهد و مقاومت در برابر ضربه را کاهش میدهد.
بنابراین، میزان گوگرد در فولاد باید به دقت کنترل شود تا تعادل مناسبی بین ماشینکاری و خواص مکانیکی فولاد حفظ شود. در فولادهای خوشتراش، که برای ساخت قطعاتی که نیاز به ماشینکاری زیاد دارند استفاده میشود، میزان گوگرد به صورت عمدی افزایش داده میشود.
فسفر (P)
فسفر، مانند سیلیسیم، سیالیت مذاب و قابلیت ماشینکاری فولاد را افزایش میدهد. اما فسفر همچنین شکنندگی در حالت سرد را افزایش میدهد، یعنی فولاد در دمای پایین مستعد شکست میشود. همچنین، فسفر استحکام فولاد را در حالت گرم افزایش میدهد، اما مقاومت در برابر ضربه را کاهش میدهد. بنابراین، میزان فسفر در فولاد باید به دقت کنترل شود تا از شکنندگی بیش از حد فولاد جلوگیری شود.
مس (Cu)
مس، مقاومت به خوردگی فولاد را افزایش میدهد و باعث مقاومت بیشتر فولاد در برابر زنگزدگی و فرسایش در محیطهای مختلف میشود. مس همچنین سختی فولاد را از طریق مکانیزم رسوب سختی بهبود میبخشد. اما افزایش مس میتواند قابلیت جوشکاری فولاد را کاهش دهد. البته، در فولادهایی که نیاز به جوشکاری دارند، میزان مس باید محدود شود.
سرب (Pb)
سرب، قابلیت ماشینکاری و برادهبرداری فولاد را افزایش میدهد. این عنصر، با ایجاد یک لایه روانکننده بین ابزار و براده، اصطکاک را کاهش میدهد و فرآیند ماشینکاری را آسانتر میکند. اما استفاده از سرب در فولاد با چالشهای زیستمحیطی همراه است، زیرا سرب یک فلز سنگین است و میتواند برای سلامت انسان و محیط زیست مضر باشد. همچنین، در هنگام عملیات حرارتی فولاد حاوی سرب، گازهای سمی متصاعد میشود که باید مورد توجه قرار گیرد.
آلومینیوم (Al)
آلومینیوم، باعث ریز شدن دانههای فولاد میشود. این ریزدانگی، بهصورت مستقیم سختی فولاد را افزایش میدهد. به عبارت دیگر، با افزایش تعداد مرزهای دانه در واحد حجم، مقاومت در برابر تغییر شکل و در نتیجه سختی افزایش مییابد. با این حال، افزایش بیش از حد آلومینیوم (بیش از 0.02 درصد در فولادهای معمولی) میتواند اثرات منفی بر سایر خواص مکانیکی فولاد داشته باشد. برای مثال، استحکام کششی، انعطافپذیری و قابلیت جوشکاری کاهش مییابد. اما در فولادهای مقاوم به حرارت، به دلیل تشکیل ترکیبات بین فلزی پایدار در دماهای بالا، و در المنتهای برقی، به دلیل افزایش مقاومت الکتریکی، میزان آلومینیوم میتواند تا 6 درصد نیز افزایش یابد. علاوهبراین، آلومینیوم به دلیل تمایل شدید به ترکیب با اکسیژن، به عنوان یک اکسیژنزدای مؤثر در فرآیند فولادسازی استفاده میشود.
بور (B)
بور، عنصری غیرفلزی است که حتی در مقادیر بسیار کم (هزارم درصد)، تاثیر زیادی بر سختیپذیری فولاد دارد. بور با قرار گرفتن در مرز دانهها، از نفوذ کربن در حین عملیات حرارتی جلوگیری میکند و باعث تشکیل مارتنزیت در لایههای سطحی میشود. این مکانیزم، سختیپذیری فولاد را افزایش میدهد. با این حال، مقدار بور نباید از 0.006 درصد بیشتر شود، زیرا بور اضافی میتواند باعث تشکیل ترکیبات بورید شکننده در مرز دانهها شود و تردی فولاد را افزایش دهد.
کروم (Cr)
کروم با تشکیل محلول جامد با آهن، ساختار کریستالی فولاد را تقویت میکند و سختی آن را افزایش میدهد. همچنین، با تشکیل یک لایه اکسید کروم (Cr2O3) پایدار و چسبنده روی سطح فولاد، از واکنش آهن با محیط جلوگیری کرده و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش میدهد. اما افزایش کروم میتواند قابلیت جوشکاری، انبساطپذیری و انعطافپذیری فولاد را کاهش دهد.
کروم در مجاورت کربن، کاربیدهای کروم (Cr23C6, Cr7C3) سخت و شکننده تشکیل میدهد که میتواند تردی فولاد، بهخصوص در حین و پس از جوشکاری را افزایش دهد. به همین دلیل، افزودن کروم به فولادهای کمکربن توصیه میشود. مقدار کروم در فولادهای معمولی حداکثر 0.5 درصد است، اما در فولادهای زنگنزن، به دلیل نیاز به مقاومت به خوردگی بالا، میتواند تا 30 درصد نیز برسد.
کبالت (Co)
کبالت، عنصری است که سختی، دوام برندگی، مقاومت در برابر سایش، و خواص مغناطیسی فولاد را افزایش میدهد. کبالت با تشکیل محلول جامد با آهن، سختی و استحکام فولاد را افزایش میدهد. همچنین، کبالت باعث بهبود پایداری مغناطیسی فولاد در دماهای بالا میشود. اما افزایش کبالت میتواند مقاومت در برابر ضربه و حرارت، و قابلیت جوشکاری فولاد را کاهش دهد. زیرا کبالت میتواند باعث تشکیل کاربیدهای درشت و ناپایدار شود که تردی فولاد را افزایش میدهند.
مولیبدن (Mo)
مولیبدن با تشکیل کاربیدهای مولیبدن (Mo2C) ریز و پراکنده، مقاومت در برابر سایش و خزش را افزایش میدهد. درواقع، عنصری است که سختی، استحکام، سختیپذیری، و استحکام کششی و خزشی انواع فولاد را بهبود میبخشد. همچنین، مولیبدن باعث افزایش سختیپذیری فولاد میشود و از رشد دانهها در دماهای بالا جلوگیری میکند. اما افزایش مولیبدن میتواند انبساطپذیری و قابلیت جوشکاری فولاد را کاهش دهد. فولادهای مولیبدندار در ساخت بلبرینگ، چرخدنده و قطعات مقاوم به سایش کاربرد دارند. مقدار مولیبدن در فولادهای معمولی بین 0.2 تا 0.5 درصد و در فولادهای ویژه تا 3 درصد است.
تنگستن (W)
تنگستن با تشکیل کاربیدهای تنگستن (WC) بسیار سخت و پایدار، مقاومت در برابر سایش و دمای بالا را توسعه میدهد. این کاربیدها در ماتریس فولاد پراکنده شده و مانع از تغییر شکل پلاستیک میشوند. همچنین، تنگستن با تشکیل محلول جامد با آهن، استحکام و سختی فولاد را افزایش میدهد. اما افزایش تنگستن میتواند انبساطپذیری و انعطافپذیری فولاد را کاهش دهد، زیرا کاربیدهای تنگستن میتوانند باعث ترد شدن فولاد شوند. مقدار تنگستن در فولادهای معمولی بسیار کم (هزارم تا صدم درصد) و در فولادهای ابزار و تندبر، به دلیل نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا، تا 18 درصد است.
وانادیوم (V)
وانادیوم، عنصری ارزشمند با خواص اکسیژنزدایی، کاربیدزایی، و جوانهزایی قوی است. این عنصر با تشکیل کاربیدهای وانادیوم (VC) بسیار سخت و ریز، سختی و مقاومت در برابر سایش فولاد را افزایش میدهد. همچنین، با ریز کردن دانههای فولاد، استحکام و مقاومت در برابر ضربه را بهبود میبخشد. علاوهبراین، وانادیوم با حذف اکسیژن و نیتروژن از مذاب فولاد، تمیزی و خواص مکانیکی فولاد را توسعه میدهد. اما افزایش این عنصر میتواند انبساطپذیری، شکلپذیری و قابلیت جوشکاری فولاد را به شدت کاهش دهد، زیرا کاربیدهای وانادیوم میتوانند باعث ترد شدن آلیاژ فولاد شوند. این عنصر در فولادهای معمولی و کربنی به ندرت استفاده میشود و مقدار آن معمولاً از هزارم یا صدم درصد بیشتر نمیشود. اما در فولادهای ابزار، به دلیل نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا، میزان وانادیوم میتواند تا 5 درصد نیز برسد.
زیرکونیوم (Zr)
زیرکونیوم با ریز کردن دانههای آستنیت، استحکام فولاد را افزایش میدهد. زیرکونیوم نیز به عنوان یک عنصر جوانهزا عمل میکند و باعث تشکیل تعداد زیادی هسته برای رشد دانههای آستنیت میشود. این موضوع، باعث ریز شدن دانهها و افزایش استحکام فولاد میشود. همچنین، زیرکونیوم میتواند قابلیت تراش، سختی و شکلپذیری فولاد را بهتر کند. این عنصر با تشکیل سولفیدها و نیتریدهای پایدار، تمیزی فولاد را افزایش داده و باعث بهبود قابلیت تراش میشود.
نیکل (Ni)
نیکل با تشکیل محلول جامد با آهن، ساختار فولاد را تقویت کرده و استحکام و سختی آن را افزایش میدهد. همچنین، نیکل با تغییر ساختار فولاد، مقاومت در برابر ضربه را توسعه میدهد. علاوهبراین، نیکل با تشکیل یک لایه اکسید محافظ روی سطح فولاد، مقاومت در برابر خوردگی را افزایش میدهد. اما افزایش نیکل میتواند انبساطپذیری و انعطافپذیری فولاد را کاهش دهد. مقدار این عنصر در فولادهای معمولی 1 تا 2 درصد و در فولادهای مقاوم به ضربه، حرارت، سایش، و زنگنزن، به دلیل نیاز به خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی بالا، تا 22 درصد است.
تیتانیم (Ti)
تیتانیم، مانند آلومینیوم، خاصیت کاربیدزایی، جوانهزایی، و اکسیژنزدایی دارد و سختی فولاد را افزایش میدهد. تیتانیم با تشکیل کاربیدهای تیتانیم (TiC) بسیار سخت، مقاومت در برابر سایش فولاد را افزایش میدهد. همچنین، تیتانیم با ریز کردن دانههای فولاد، باعث افزایش سختی و استحکام آن میشود. علاوهبراین، با حذف اکسیژن از مذاب فولاد، تمیزی و خواص مکانیکی فولاد را بهبود میبخشد. در فولادهای زنگنزن کروم بالا، تیتانیم با تشکیل کاربید تیتانیم، اثر منفی کاربید کروم (که میتواند باعث تردی فولاد شود را خنثی میکند. مقدار تیتانیم در فولادهای معمولی حداکثر 1.5 تا 2 درصد است.
در پایان، بهصورت کامل سعی کردیم شما را با مفهوم عناصر آلیاژی و مهمترین آنها و همچنین، تاثیرات هر کدام روی فولاد، آشنا کنیم. مقدار هر عنصر در ترکیبات شیمیایی هر گرید فولاد متفاوت است و بسته به درصد آن، خواص فولاد تعیین میشود. شما میتوانید برای دریافت مشاوره تخصصی در این زمینه یا استعلام قیمت فولاد با کارشناسان ما تماس بگیرید.
چرا فولادها آلیاژ میشوند؟
فولاد کربنی معمولی، هر چقدر هم که خوب باشد، محدودیتهایی دارد؛ مثلا در محیطهای شیمیایی یا زیر بار و دمای بسیار بالا، عملکردش کافی نیست. هدف اصلی از آلیاژسازی این است که ساختار داخلی فولاد را طوری تنظیم کنیم که خواص آن، دقیقا همان چیزی باشد که برای یک کاربرد (مثلا قطعهای که قرار است سالها در آب دریا کار کند) نیاز داریم.
مهمترین مزایای افزودن عناصر آلیاژی به فولاد:
الف) افزایش سختی و استحکام
اولین و رایجترین دلیل، ساختن فولادی قویتر و سختتر است. با اضافه کردن عناصری مثل کروم، مولیبدن و وانادیم، کاربیدهای بسیار سخت (ترکیبات شیمیایی کربن و این فلزات) در ساختار فولاد تشکیل میشوند. این کاربیدها مانند موانعی محکم عمل میکنند و جلوی حرکت اتمها و لغزش لایههای فلزی را میگیرند. از این فرآیند فولادی بدست میآید که هم بسیار مقاوم است و هم در برابر سایش، سرسختی بالایی دارد.
ب) بهبود سختپذیری
سختپذیری به این معنی است که تا چه عمقی از یک قطعه فولادی میتوانیم به سختی مورد نظر برسیم. در فولادهای ساده، اگر قطعه ضخیم باشد و بخواهیم آن را سخت کنیم (آبدهی)، باید بسیار سریع سرد شود (مثلا در آب). این سرد شدن سریع، بیشتر باعث تاب برداشتن یا ترک خوردن قطعه میشود.
عناصر آلیاژی مانند منگنز، کروم و مولیبدن، به ما اجازه میدهند تا قطعه را آهستهتر سرد کنیم (مثلا در روغن یا حتی هوا) و تمام عمق قطعه به سختی لازم برسد.
ج) مقاومت به خوردگی و زنگزدگی
وقتی مقدار کروم را به حداقل تا در فولاد میرسانیم، یک لایه بسیار نازک و نامرئی از جنس اکسید کروم روی سطح فولاد تشکیل میشود. این لایه، شبیه به یک زره خودترمیمشونده است؛ یعنی اگر خراشیده شود، دوباره تشکیل میشود و نمیگذارد که آهن زیر آن با اکسیژن و رطوبت تماس پیدا کند. اینگونه، فولاد زنگ نزن به وجود میآید.
د) پایداری در دماهای بالا
در صنایعی مانند هوافضا، نیروگاهها و ساخت قالبهای ریختهگری داغ، فولاد باید در دمای بسیار بالا، نه نرم شود و نه استحکام خود را از دست بدهد. عناصری مثل مولیبدن و تنگستن با تشکیل کاربیدهای بسیار مقاوم در برابر حرارت، تضمین میکنند که حتی وقتی فولاد تا مرز قرمز شدن گرم میشود، همچنان ساختار قوی و سختی خود را حفظ کند.
ه) بهبود کارپذیری
گاهی اوقات، هدف این است که کار کردن با فولاد را آسانتر کنیم. مثلا برای سادهتر شدن فرآیند تراشکاری و سوراخکاری (ماشینکاری)، ممکن است مقدار کمی گوگرد کنترل شده اضافه کنیم. این گوگرد باعث میشود که برادههای فولاد راحتتر شکسته شوند و ابزار برش کمتر فرسوده شود. به همین ترتیب، عناصر دیگری مانند نیوبیوم و تیتانیوم به کنترل ریزساختار در طول فرآیندهای شکلدهی کمک میکنند.