همه چیز درباره فولاد کربنی

همه چیز درباره فولاد کربنی به عنوان یک ماده تولیدی

فولاد کربنی اساساً آهن با سطوح مختلف کربن به عنوان عنصر اصلی آلیاژی است. فولاد کربنی به دلیل شکل‌پذیری، جوش‌پذیری، استحکام و قابلیت عملیات حرارتی برای اصلاح دقیق خواص مکانیکی، یکی از پرمصرف‌ترین مواد تولیدی است. به غیر از کربن، مقدار اضافی منگنز نیز در اکثر آلیاژها موجود است. گوگرد و فسفر نیز وجود دارند، اما اینها معمولاً نامطلوب هستند و به عنوان ناخالصی دیده می شوند.

در این مقاله چیستی، انواع مختلف و مزایا، معایب و خواص فیزیکی آنها توضیح داده خواهد شد و حداکثر دمای عملیاتی و ذوب فولاد کربنی نیز بررسی خواهد شد.

فولاد کربنی، انواع مختلف فولاد کربنی و مزایا، معایب و خواص فیزیکی آنها توضیح داده خواهد شد. حداکثر دمای عملیاتی و ذوب فولاد کربنی نیز بررسی خواهد شد. میله های فولاد کربنی ۱۰۲۰ در شکل ۱ در زیر نشان داده شده است:

فولاد کربن چیست؟

فولاد کربنی مجموعه ای از آلیاژهای آهن است که عنصر آلیاژی اصلی آن کربن است. فولادهای کربنی تقریباً در هر صنعتی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند و به طور کلی به انواع کم، متوسط ​​و پر کربن طبقه بندی می شوند. محتوای کربن تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی فولاد دارد. با افزایش محتوای کربن، فولاد معمولاً دارای استحکام بالاتر و شکل پذیری کمتری خواهد بود. فولاد متوسط ​​و کربن بالا به آسانی عملیات حرارتی می شود که می تواند خواص مکانیکی آنها را بیشتر بهبود بخشد.

فولاد کربنی از آهن آلیاژ شده با مقادیر کمی کربن (معمولاً کمتر از ۱٪) تشکیل شده است، منگنز و سیلیکون که گوگرد و فسفر عمدتاً به صورت ناخالصی وجود دارد. هر عنصر اضافه شده به فولاد کربنی ساده نقش خاصی در خواص نهایی دارد. به عنوان مثال، منگنز در درجه اول برای کمک به گوگرد زدایی فولاد اضافه می شود.

با این حال، می توان آن را در مقادیر کمی بیشتر، تا ۱٪، به عنوان یک املاح جایگزین برای کمک به تقویت فولاد اضافه کرد. از سوی دیگر، سیلیکون در درجه اول به عنوان یک اکسید زدا اضافه می شود و در درجه اول به عنوان یک عنصر باقی مانده وجود دارد، اگرچه می توان آن را در مقادیر کم برای تقویت اضافه کرد.

انواع فولادهای کربنی

فولادهای کربنی ساده اغلب بر اساس درصد وزنی کربن موجود در آلیاژ به عنوان فولادهای کم، متوسط ​​یا پر کربن طبقه بندی می شوند. سطوح دقیق کربن برای این سه دسته به طور جهانی پذیرفته نشده است و سازمان‌های صادرکننده استانداردهای مختلف مرزهای دسته‌بندی را کمی متفاوت تعریف می‌کنند. با این حال، این مقاله با تقسیم بندی های تعریف شده توسط ASM International است:

فولاد کم کربن: فولاد کم کربن به هر فولادی گفته می شود که میزان کربن آن کمتر از ۰.۲ درصد باشد. فولاد کم کربن که به آن فولاد ملایم نیز گفته می شود، یکی از رایج ترین گریدهای فولاد کربنی است. این گرید را نمی توان عملیات حرارتی کرد و فقط با کار سرد سخت می شود. فولاد کم کربن به راحتی جوش داده می شود. بسیار انعطاف پذیر است، که می تواند ماشین کاری را به دلیل گاز زدن (نوعی سایش ناشی از چسبندگی بین سطوح لغزنده) و تشکیل براده های بلند دشوار کند. افزودن مقدار کمی گوگرد کنترل شده می تواند ماشین کاری آن را افزایش دهد.

فولاد کربن متوسط: فولاد کربن متوسط ​​به فولادی اطلاق می شود که میزان کربن آن بین ۰.۲ تا ۰.۵ درصد باشد. فولاد با کربن متوسط ​​تعادل خوبی بین استحکام، شکل پذیری و مقاومت در برابر سایش دارد. این درجه را می توان برای استحکام بیشتر تحت عملیات حرارتی قرار داد. هر چه محتوای کربن بیشتر باشد، آلیاژ قابلیت عملیات حرارتی بیشتری دارد. همچنین می توان آن را جوش داد. با این حال، برای جلوگیری از تشکیل مارتنزیت شکننده در ناحیه متاثر از حرارت فولادهای با کربن متوسط، روش‌های جوشکاری ویژه قبل و بعد از حرارت مورد نیاز است.

فولاد پر کربن: فولاد پرکربن به فولادی اطلاق می شود که محتوای کربن آن بیشتر از ۰.۵ درصد اما کمتر از ۱ درصد باشد. فولاد پر کربن، نوعی فولاد ابزار، دارای بالاترین سطح کربن است. این بدان معناست که بالاترین استحکام و سختی را در بین فولادهای کربنی ساده دارد. با این حال، این خواص به قیمت افزایش شکنندگی است. فولادهای پرکربن به دلیل تمایل به تشکیل مقادیر زیادی مارتنزیت شکننده در ناحیه متاثر از گرمای جوش، به سختی جوش می‌شوند و پتانسیل ترک خوردگی جوش را افزایش می‌دهند.

خواص فولاد کربنی

فولاد کربنی اصطلاحی است که برای توصیف طیف گسترده ای از ترکیبات فولادی استفاده می شود. خواص مکانیکی یک گرید خاص از هر دسته فولاد کربنی (فولاد کربنی نورد سرد) در جدول ۱ زیر با استفاده از قرارداد شماره گذاری AISI فهرست شده است:

کاربردهای فولاد کربنی

کاربردهای فولاد کربن تقریباً نامحدود است. هر صنعتی، از خودرو گرفته تا کالاهای مصرفی، از یک قطعه فولاد کربنی به شکلی استفاده می کند. چند نمونه قابل توجه از کاربردهای فولاد کربنی در زیر ذکر شده است:

1. شفت‌ها
2. کابل‌ها
3. اعضای ساختاری
4. سیم
5. بلبرینگ
6. کشتی سازی
7. لوله کشی
8. چشمه‌ها
9. مخازن تحت فشار
10. قرقره‌ها
11. چرخ دنده‌ها
12. ابزار برش
13. اتصال دهنده‌ها
14. استحکام فولاد کربنی

استحکام فولاد کربنی به محتوای کربن آن، میزان افزودن منگنز و سیلیسیم که می تواند تقویت کننده محلول جامد باشد و همچنین عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن بستگی دارد. هر چه میزان کربن بیشتر باشد، استحکام آن بیشتر است. به همین دلیل، فولاد پر کربن دارای بالاترین استحکام است. فولاد پر کربن به دلیل استحکام و سختی معمولاً برای برش یا شکل دادن ابزار استفاده می شود. با این حال، فولاد پر کربن شکننده است و در صورت قرار گرفتن در معرض بارهای ضربه ای می تواند ترک بخورد و بشکند.

مزایا و معایب فولاد کربنی

فولاد کربنی یکی از پرمصرف ترین فولادها به دلیل مزایای مختلفی است که در زیر ذکر شده است:

کم هزینه: فولاد کربنی از آهن و کربن کم هزینه تشکیل شده است، به عنوان مثال، فولاد کربنی به طور قابل توجهی ارزان تر از فولاد آلیاژی است. فولاد آلیاژی از عناصر گران‌تری مانند نیکل و کروم استفاده می‌کند.

قابل عملیات حرارتی: فولادهای متوسط ​​و با کربن بالا می توانند خواص خود را به طور قابل توجهی از طریق رژیم های مختلف عملیات حرارتی بهبود بخشند. عملیات حرارتی می تواند استحکام کششی نهایی، مقاومت در برابر سایش، شکل پذیری یا سختی را افزایش دهد.

جوش پذیری: فولادهای کربنی به ویژه فولادهای کم کربن به راحتی قابل جوش هستند. جوش‌پذیری را می‌توان با استفاده از گریدهای کربن پایین‌تر و پیروی از روش‌های مناسب (پیش گرم کردن، عملیات حرارتی کاهش تنش و غیره) برای درجه فولادی که جوش می‌شود، بهبود بخشید.

علیرغم شیوع فولاد کربنی، هنوز معایبی وجود دارد که قبل از استفاده از فولاد کربنی باید در نظر گرفته شود، که در زیر ذکر شده است:

مقاومت در برابر خوردگی ضعیف: فولادهای کربنی مقاومت در برابر خوردگی ضعیفی دارند و باید برای ایجاد مقاومت در برابر خوردگی، سطحی شوند. این عملیات سطح معمولاً رنگ آمیزی و گالوانیزه گرم است.

شکل پذیری ضعیف: فولاد با کربن بالا قوی اما شکننده است. شکل پذیری کاهش یافته آن باعث می شود که این درجه از فولاد کربنی به سختی شکل بگیرد.
غیر قابل عملیات حرارتی (فولادهای کم کربن): فولاد کم کربن به راحتی شکل می گیرد اما با عملیات حرارتی قابل تقویت نیست. با این حال، برای بهبود خواص آن می توان آن را به صورت سرد کار کرد.

دمای عملیاتی فولاد کربنی

فولادهای کربنی معمولاً حداکثر دمای عملیاتی ۴۲۷ درجه سانتیگراد دارند. بالاتر از این دما، فولادهای کربنی کاهش قابل توجهی از استحکام را به دلیل تردی ناشی از گرافیت شدن کاربیدها در فولاد تجربه می کنند. سرعت خوردگی نیز با دما افزایش می‌یابد، بنابراین فولادهای کربنی که در معرض محیط‌های خورنده در دماهای بالا قرار می‌گیرند، معمولاً حداکثر دمای عملیاتی پایینی خواهند داشت.

دمای عملیاتی فولاد کربنی

فولادهای کربنی معمولاً حداکثر دمای عملیاتی ۴۲۷ درجه سانتیگراد دارند. بالاتر از این دما، فولادهای کربنی کاهش قابل توجهی از استحکام را به دلیل تردی ناشی از گرافیت شدن کاربیدها در فولاد تجربه می کنند. سرعت خوردگی نیز با دما افزایش می‌یابد، بنابراین فولادهای کربنی که در معرض محیط‌های خورنده در دماهای بالا قرار می‌گیرند، معمولاً حداکثر دمای عملیاتی پایینی خواهند داشت.

دمای عملیاتی فولاد کربنی

فولادهای کربنی معمولاً حداکثر دمای عملیاتی ۴۲۷ درجه سانتیگراد دارند. بالاتر از این دما، فولادهای کربنی کاهش قابل توجهی از استحکام را به دلیل تردی ناشی از گرافیت شدن کاربیدها در فولاد تجربه می کنند. سرعت خوردگی نیز با دما افزایش می‌یابد، بنابراین فولادهای کربنی که در معرض محیط‌های خورنده در دماهای بالا قرار می‌گیرند، معمولاً حداکثر دمای عملیاتی پایینی خواهند داشت.

در جدول ۲ زیر، دمای جامد (شروع ذوب) و دمای مایع (تکمیل ذوب) برای سه درجه متداول فولادهای کربنی ذکر شده است:

فولاد کربن در مقابل فولاد ملایم

هیچ تفاوتی بین فولاد کربنی و فولاد نرم وجود ندارد. فولاد ملایم یک نام محاوره ای است که برای اشاره به فولاد کم کربن استفاده می شود. فولاد ملایم به سادگی نوعی فولاد کربنی است.

منابع

Xometry

گروه مجله صنعت فولاد