فولاد آلیاژی به عنوان یکی از اساسی ترین مواد در صنعت مدرن شناخته می شود. این فولادها، با افزودن عناصر مختلف به ترکیب اصلی آهن و کربن، دارای خواص بهبود یافته ای از جمله استحکام بالا، مقاومت به خوردگی، مقاومت به سایش، مقاومت به ضربه، قابلیت شکل پذیری و دوام طولانی می شوند. در این مقاله به بررسی جامع فولاد آلیاژی و انواع آن پرداخته می شود.
تعریف فولاد آلیاژی
فولاد آلیاژی به فولادی اطلاق می شود که علاوه بر آهن و کربن، شامل یک یا چند عنصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، منگنز، مولیبدن، وانادیم، سیلیکون، کبالت، تنگستن و بور است. ترکیب این عناصر در درصدهای متفاوت موجب بهبود و تغییر ویژگی های شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی فولاد می شود. بسته به نوع و درصد عناصر افزوده، فولاد آلیاژی می تواند از نظر مقاومت در برابر خوردگی، دما، سایش و سایر عوامل عملکرد متفاوتی از فولادهای کربنی ساده داشته باشد. لازم به ذکر است برای این که به فولاد، آلیاژی گفته شود باید درصد جرمی عناصر از حد مشخصی بیشتر باشد. برای مثال منگنز 1.6%، سیلیسیم 0.6%، کروم و نیکل هر کدام 0.4%، مولیبدن 0.1% و بور 0.0008%.
طبقه‌بندی فولادهای آلیاژی
فولاد آلیاژی به‌طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:
فولادهای میکروآلیاژی
این دسته از فولاد آلیاژی دارای مقادیر جزئی وانادیم، تیتانیوم و نیوبیوم هستند (در حد چند دهم درصد). در این فولادها با تشکیل رسوبات ریز، استحکام به طور چشمگیری افزایش پیدا می کند. از کاربردهای این فولادها می توان به لوله های تحت فشار، تیرآهن و ورق های با استحکام بالا اشاره کرد.
فولادهای کم آلیاژ
این دسته از فولاد آلیاژی دارای درصد کمی (معمولاً کمتر از ۵ درصد) از عناصر آلیاژی هستند. با افزودن عناصری مانند منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن به مقدار کم، خواصی مانند افزایش مقاومت کششی، بهبود سختی و ارتقای مقاومت در برابر سایش حاصل می شود. از مهم ترین نمونه های فولادهای کم آلیاژ می توان به فولادهای HSLA (High Strength Low Alloy) اشاره کرد که در صنایع ساختمانی، خودروسازی و تولید تجهیزات صنعتی کاربرد فراوان دارند.
تاریخچه مصالح تقویت کننده در ساخت و ساز: میلگرد در صنعت ساختمان
فولادهای پر‌آلیاژ
در این نوع از فولاد آلیاژی، درصد عناصر آلیاژی به گونه ای افزایش یافته است که نسبت به فولادهای کربنی عملکرد بسیار متفاوتی از خود نشان می دهند. فولادهای پر‌آلیاژی عمدتاً در سه دسته فولادهای زنگ نزن (Stainless Steel) ، فولاد ابزار (Tool Steel) و فولادهای مقاوم به حرارت (Heat Resistant Steel) قرار می گیرند. فولادهای زنگ نزن به دلیل داشتن حداقل ۱۰.۵ درصد کروم در ترکیب، از لایه ای نازک از اکسید کروم بر روی سطح برخوردار می شوند که مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی به آنها می بخشد. همچنین این فولادها می توانند بر اساس ساختار کریستالی به گروه های آستنیتی، فریتی، مارتنزیتی و دوفازی تقسیم شوند که هر یک کاربردهای ویژه ای در صنایع مختلف دارند. اولین، معروف ترین و پرتناژترین فولاد زنگ نزن فولاد آستنیتی 304 است که در ساخت لوازم آشپزخانه (سینک ظرفشویی، قاشق، چنگال، کاسه، قابلمه و…) و میلگردهای مقاوم به خوردگی در بتن به کار می رود. فولادهای مقاوم به حرارت در مقایسه با فولادهای زنگ نزن دارای مقادیر بالاتری از نیکل و کروم و مقادیری از آلومینیم و سیلیسیم برای بهبود چسبندگی لایه اکسیدی محافظ هستند. معروف ترین فولادهای مقاوم به حرارت فولادهای 309 و 310 هستند که در کوره های عملیات حرارتی، کوره های زباله سوز و تجهیزات پالایشگاه و پتروشیمی به کار می روند. از فولادهای ابزار برای ساخت قالب های تزریق پلاستیک، قالب های آهنگری، قالب های ریخته گری تحت فشار آلومینیم و ابزار برش (مانند مته) استفاده می شود.
انواع میلگرد بر اساس جنس | ویژگی‌ها، فرآیند تولید و کاربردها
خصوصیات و مزایای فولادهای آلیاژی
فولاد آلیاژی، با توجه به تغییرات در ترکیب شیمیایی، مزایای متعددی نسبت به فولادهای غیرآلیاژی دارد:
- استحکام بالا: افزودن عناصر آلیاژی مانند نیکل، کروم، مولیبدن و وانادیوم موجب افزایش مقاومت در برابر نیروهای مکانیکی می شود. در صورت نیاز به استحکام در دماهای بسیار پایین مانند مخازن نگهداری اکسیژن یا نیتروژن مایع، از فولادهای دارای نیکل و کروم مانند فولاد زنگ نزن آستنیتی استفاده می شود. فولادهای حاوی وانادیوم و مولیبدن استحکام خود در دماهای بالا را تا حد قابل توجهی حفظ می کنند.
استحکام کششی فولاد: کلید مقاومت و دوام در سازه‌های مدرن
- مقاومت در برابر خوردگی: به ویژه در فولادهای زنگ نزن که از کروم به عنوان عنصر اصلی استفاده می کنند، مقاومت قابل توجهی در برابر اکسیداسیون و خوردگی وجود دارد. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل حضور نیکل، لایه اکسیدی ترکیبی از اکسید نیکل و کروم است که مقاومت به خوردگی را افزایش می دهد. فولادهای اتمسفری دارای مقادیر اندک مس، آلومینیم و کروم هستند که فولاد را در برابر شرایط جوی مرطوب محافظت می کند.
- بهبود خواص سختی و سایش: ایجاد کاربید فلزاتی مانند کروم، تنگستن و مولیبدن به کمک عملیات حرارتی می تواند باعث شود فولاد دارای سطح سخت و مقاوم در برابر سایش گردد که در قطعات مکانیکی، ابزارآلات و تجهیزات صنعتی بسیار کاربردی است.
اصلاح خواص فولاد | فرآیندهای کربن زدایی، نرماله کردن و آنیل کردن
- قابلیت جوش پذیری: منظور از قابلیت جوشکاری این است که بدون پیش گرم کردن و پس گرم کردن فولاد و بدون ایجاد ترک در جوش بتوان فولاد را جوشکاری کرد. به طور کلی با افزایش میزان عناصر کربن، کروم، سیلیسیم، مولیبدن و تنگستن قابلیت جوشکاری افت پیدا می کند. برای جبران این نقص، در صورت نیاز به جوشکاری از فلز پرکننده با ترکیب مناسب استفاده می شود که دارای مقادیر کمی از عناصر یادشده و حاوی مقدار بیشتری نیکل است. رعایت پیش گرم و پس گرم در فرآیند جوشکاری معمولا برای همه فولادهای آلیاژی الزامی است تا از بروز ترک جلوگیری شود.
جوش فورجینگ میلگرد | روش‌ها، کاربردها و استانداردها
- قابلیت شکل پذیری: منظور از قابلیت شکل پذیری این است که فولاد در هنگام تغییر شکل در دمای محیط (مانند نورد سرد)، دچار پارگی یا ترک نشود. به طور کلی فولادهای آلیاژی که دارای کاربید فلزات هستند، شکل پذیری محدودی دارند. بنابر این فرآیند شکل دهی آنها پیش از عملیات حرارتی انجام می شود. فولادهایی که ساختار کریستالی آستنیتی دارند، قابلیت شکل پذیری بسیار بالایی دارند.
کاربردهای فولاد آلیاژی
با توجه به تنوع خصوصیات فولادهای آلیاژی، این محصولات در طیف گسترده ای از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند:
- صنعت ساختمانی: فولادهای آلیاژی، به ویژه انواع HSLAو میکروآلیاژی، به دلیل استحکام بالا و دوام طولانی، در ساخت سازه های مقاوم، تیرها، ستون ها و پل ها به کار می روند.
- صنعت خودروسازی: استفاده از فولادهای آلیاژی باعث کاهش وزن خودرو و افزایش مقاومت به تصادف و ضربه می شود.
- تجهیزات صنعتی: فولادهای آلیاژی با مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی در ساخت بویلرها، خطوط تولید نفت و گاز، و تجهیزات پایداری صنعتی به کار می روند.
- فولاد زنگ نزن: از این نوع فولاد در صنایع غذایی، دارویی، تجهیزات پزشکی، لوازم خانگی و ساخت قطعات مقاوم در برابر خوردگی در محیط های مرطوب استفاده می شود.
- قطعات ابزارآلات: فولادهای آلیاژی با ترکیبات ویژه برای تولید ابزارهای برش، قالب های ذوب و تجهیزات دقیق صنعتی به کار می روند.
چالش ها و چشم انداز آینده تولید فولاد آلیاژی
با وجود مزایای فراوان، تولید فولادهای آلیاژی نیز با چالش هایی مواجه است:
- هزینه های تولید: افزودن عناصر آلیاژی، کنترل دقیق ترکیب شیمیایی و حذف ناخالصی ها نیازمند استفاده از تجهیزات ویژه و اضافی است که هزینه های تولید را نسبت به فولادهای کربنی افزایش می دهد.
آشنایی با استاندارد مصرف انرژی در صنعت فولاد و فرآیندها (گندله‌سازی، احیاء، ذوب، نورد)
- کنترل کیفیت: به دلیل حساسیت خواص فولاد به درصد دقیق عناصر افزوده، کنترل کیفیت در تمام مراحل تولید امری حیاتی است.
- محدودیت های فرآوری: برخی از فولادهای آلیاژی به دلیل افزایش درصد عناصر سنگین، جوش پذیری و شکل پذیری کمتری نسبت به فولادهای غیرآلیاژی دارند.
با این حال، پژوهش های مداوم در حوزه مواد و بهینه سازی فرآیندهای تولید، افق های روشن تری را برای تولید فولادهای آلیاژی به همراه دارد. انتظار می رود با پیشرفت فناوری های نوین، بتوان با هزینه کمتر و عملکرد بهینه تر، از این نوع فولادها در صنایع استراتژیک بهره برد.
کلام پایانی
فولاد آلیاژی به عنوان یکی از دسته های مهم فولاد، با ویژگی های منحصر به فرد خود در ایجاد قطعات مقاوم، بهینه و متناسب با نیازهای روز صنعت، نقشی کلیدی در توسعه فناوری های نوین و پایداری زیرساخت های صنعتی ایفا می کند. با درک دقیق ترکیب شیمیایی و تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد، می توان بهترین انتخاب ها را در طراحی سازه ها و تجهیزات صنعتی انجام داد. پژوهش و نوآوری در این حوزه، زمینه ساز دستیابی به مواد با کیفیت بالاتر و هزینه های تولید بهینه تر در آینده خواهد بود.
در مجتمع فولاد بافق، راه اندازی کارخانه (واحد) فولادسازی و ریخته گری با ظرفیت تولید ۱ میلیون تن شمش در سال یکی از مهم ترین تلاش های این مجموعه برای تکمیل زنجیره تولید فولاد و حضور موثر در بازار فولادی کشور است.
