فولاد، یکی از آلیاژهای معروف آهن است. ترکیب اصلی فولاد، از کربن و آهن است، اما در ساخت آن، از عناصر دیگری هم استفاده می‌شود. به فلزات فولادی که به جز کربن و آهن، عناصر دیگری هم در ترکیب شیمیایی خود دارند، فولاد آلیاژی می‌گویند (برای آشنایی کامل با تفاوت آهن و فولاد، می‌توانید به مقاله‌ی «تفاوت آهن و فولاد و چدن چیست؟» مراجعه کنید). فولادهای آلیاژی به دو دسته تقسیم می‌شوند :

1. فولادهای کم‌آلیاژ (استحکام بالا)
2. فولادهای پرآلیاژ

فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا

به این نوع فولاد، به دلیل کم بودن درصد عناصر آلیاژی، میکروآلیاژی نیز می‌گویند. با اضافه کردن عناصری از قبیل مولیبدن، وانادیوم و تیتانیوم، فولاد کم‌آلیاژ تولید می‌شود. مجموع عناصر اضافی به کار رفته در تولید این فولادها، حداکثر ۵ درصد است.

فولاد عملیات حرارتی که پرمصرف‌ترین فولادهای صنعت هستند، جزو همین دسته فولادها قرار دارند. یکی از مثال‌های فولاد کم‌آلیاژ، فولاد CK45 است که عنصر اصلی این آلیاژی Mn (منگنز) به میزان 0.65 درصد می‌باشد.

فولاد MO40، یکی دیگر از فولادهای آلیاژی این دسته است که عناصر اصلی آن Cr (کرم) به میزان 1 درصد و Mn (منگنز) به میزان 0.7 درصد و Mo (مولیبدن) به میزان 0.2 درصد هستند.

فولاد VCN هم عضو دیگر این دسته است که عناصر اصلی آن Cr (کرم) به میزان 1.5 درصد و Ni (نیکل) به میزان 1.5 درصد می‌باشد.

از ویژگی‌های اصلی فولاد کم‌آلیاژ، می‌توان به قابلیت جوشکاری، نسبت استحکام به وزن بالا، قابلیت شکل‌پذیری و چقرمگی مناسب اشاره کرد.

جوشکاری فولادهای کم‌آلیاژ

برای جوشکاری فولادهای کم‌آلیاژ، باید با توجه به عنصر به کار رفته در آن‌ها، نکاتی را مد نظر قرار داد. در ادامه، این نکات را به تفکیک بررسی می‌کنیم.

جوشکاری فولاد کم‌آلیاژ منگنزدار

برای جوشکاری این فولادها، مانند CK45، باید از الکترودهای کم‌هیدروژن استفاده کرد. همچنین باید پیش‌گرمایی قبل از جوشکاری را در محدوده 200 الی 400 درجه سانتیگراد در نظر گرفت. سپس، پس‌گرمایی به جهت تنش‌گیری در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت انجام شود.

جوشکاری فولاد کم‌آلیاژ کروم – مولیبدن‌دار

از آنجا که فولادهای این دسته، مانند فولاد MO40، در هوا سخت می‌شوند، برای جوشکاری باید نکات زیر توجه کرد.

باید از الکترودهای کم‌آلیاژ کم‌هیدروژن برای جوشکاری استفاده شود. پیش‌گرمایی در دمای 200 الی 400 درجه سانتیگراد باشد و در آخر، پس‌گرمایی در دمای حدود 400 الی 750 درجه سانتیگراد و نگهداری 25 دقیقه به ازای هر سانتیمتر ضخامت انجام شود.

جوشکاری فولاد کم‌آلیاژ نیکل – کرم – مولیبدن‌دار

هنگام جوشکاری به روش TIG و MIG، حتما از گاز خالص آرگون (نقطه شبنم 50 درجه سانتیگراد) استفاده شود. پیش‌گرمایی قطعه‌ی کار، فقط در مواردی که درصد کربن، بالاتر از 0.4 درصد است، تا 350 درجه سانتیگراد توصیه شده است. در قطعات نازک تر از 20 میلیمتر در حدود 120 درجه سانتیگراد پیش‌گرمایی کافی است. پس‌گرمایی به منظور تنش‌زدایی در دمای 620 درجه سانتیگراد کافی است. کنترل درجه حرارت بین پاسی 250 درجه سانتی‌گراد در صورت استفاده از فولاد با کربن معادل بالاتر از 0.4 درصد حائز اهمیت است.

استحکام فولادهای کم آلیاژ

استحکام تسلیم فولادهای کم آلیاژ معمولا بیشتر از 275 نیوتن بر میلیمتر مربع است. این فولادها درصد پایینی از عنصرهای کربن و منگنز را دارند و اضافه شدن عناصری از قبیل کر.م، مولیبدن، نیکل، مس، نیتروژن، و وانادیوم در مقادیر کم، یک ترکیب خوب از استحکام، انعطاف‌پذیری، چقرمگی و شکل‌پذیری را تشکیل می‌دهد. همچنین این فولادها، از قیمت نسبتا مناسبی برخوردار هستند و در مقایسه با فولادهای کم‌کربن، از مقاومت به خوردگی خیلی بهتری برخوردارند.

فولادهای پرآلیاژ

فولادهای پر آلیاژ به دو دسته تقسیم می شوند:

1. فولادهای ابزار
2. فولادهای زنگ نزن

فولادهای ابزار

میزان درصد کربن در این فولادها از 0.35 الی 1.25 درصد متغیر است. بسته به نوع& فولاد ابزار می تواند عنصرهایی از قبیل تنگستن، کروم، وانادیوم و مولیبدن را داشته باشند.

این دسته از فولادها بیشتر در ساخت ابزاری مانند تیغه قیچی، سوهان، تیغه اره و قالب‌های نورد و پرس و… کاربرد دارند.

از خواص مهم این دسته فولاد می‌توان به سختی‌پذیری بالا، مقاومت به سایش بالا، پایداری ابعادی و قابلیت عملیات حرارتی اشاره کرد.

فولادهای ابزار خود به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

فولاد ابزار سردکار

این فولادها در محیط کار سرد به کار می‌روند. یعنی در شرایطی که دمای سطح کمتر از 200 درجه سانتی‌گراد باشد.

آلیاژهای موجود این گروه، عبارتند از فولاد SPK 1.2080 ، فولاد SPKR 1.2436 ، فولاد SPK NL  1.2379  و آلیاژهای 1.2884 و فولاد 1.2767 و فولاد آموتیت، یا همان فولاد 1.2510. این آلیاژهای فولادی در ساخت مقاطع مختلفی مانند تسمه و میلگرد استفاده می‌شوند.

فولاد ابزار گرمکار

این فولادها در محیط کار گرم، مانند شکل‌دهی، سنبه‌زنی و برشکاری در دمای بالا به کار می روند. فولادهای ابزار گرمکار، توانایی تحمل دماهایبیش از 200 درجه سانتیگراد را هم دارند.

این فولادها نسبت به ترکیبی از آثار عملیات کارگرم مانند حرارت، فشار و سایش مقاوم هستند. بعضی از این فولادها در شرایط کار سردی که نیاز به چقرمگی استثنایی در سختی‌های نسبتا بالا دارند، نیز به کار می‌روند. این فولادها از سختی‌پذیری بالایی برخوردارند و آلیاژهای موجود در بازار ایران عبارتند از فولاد 1.2344 ، فولاد 1.2714 و 1.2343.

فولاد ابزار تندبر

فولادهای ابزار تندبر، فولادهای پرآلیاژی اند که برای برش فلزات سخت با آهنگ‌های سریع به کار می‌روند. چون سرعت‌های زیاد برش این فولادها باعث افزایش دما در نوک ابزار می‌شوند (در حد سرخی)، لذا این فولادها باید به بازپخت در این دماها مقاوم باشند.

مقاومت فولاد به نرم شدن در گستره‌ی حرارتی سرخ، به نام سرخ‌سختی نامیده می‌شود و از خواص مهم فولادهای تندبر است. همچنین این فولادها باید دارای مقاومت سایشی خوب و سختی بالا باشند تا بتوانند به مدت طولانی لبه ابزار برش را حفظ کنند.

فولادهای زنگ نزن

این فولادها که با نام استنلس استیل هم شناخته می‌شوند، در دسته فولادهای پرآلیاژ هستند که حداقل 1.2 درصد و حداکثر 10.5 درصد کروم دارند. این مقدار کروم برای جلوگیری از اکسید شدن در اتمسفر می‌باشد. برای افزایش مقاومت به خوردگی و سایر خواص مفید، ممکن است عناصر آلیاژی دیگری نیز در این فولادها وجود داشته باشند.

روش‌های تولید فولاد آلیاژی

به طور کلی دو روش کوره بلند و روش کوره قوس الکتریکی (احیا مستقیم) برای تولید فولاد بکار گرفته می‌شود. که در ادامه به توضیح هر روش می پردازیم.

روش کوره بلند

در روش کوره‌بلند که شیوه سنتی تولید فولاد است، سنگ آهن بعد از استخراج از معادن، خرد و الک می‌شود. سپس سنگ آهن خردشده با مقادیری پودر کک و سنگ آهک داخل کوره بلند می‌شوند و هوای داغ به درون کوره دمیده می‌شود.

در این حالت سنگ آهن احیا شده و به دلیل دمای بالای کوره به حالت ذوب درآمده و در نهایت در بخش پایینی کوره جمع می‌گردد. محصول نهایی در این فرایند آهن خام نامیده می‌شود.

در مرحله بعدی، آهن خام به کنورتور برده می‌شود و در آنجا با خروج کربن و دیگر ناخالصی‌های آن با استفاده از اکسیژن، فولاد خام حاصل می‌شود و همچنین فولاد برای ذوب‌ریزی آماده می‌گردد.

روش کوره الکتریکی (احیا مستقیم)

در این روش، ابتدا سنگ معدن تغلیظ شده و آن را به گندله تبدیل می‌کنند و بعد از جداسازی گندله‌های ریز، باقی به بخش احیای مستقیم منتقل می‌شود. در بخش احیای مستقیم، کربن سنگ آهن گرفته می‌شود و در نهایت محصول تولیدشده، آهن اسفنجی نامیده می‌شود.

آهن اسفنجی حاصل‌شده در مرحله قبل، به همراه درصدی از آهن قراضه برای ذوب به کوره قوس الکتریکی وارد می‌گردد. در این بخش، ناخالصی‌های داخل آهن اسفنجی با مقدار کمی از اکسید آهن به شکل سرباره از فولاد مذاب جدا می‌گردد و مذاب فولاد برای بار ریزی آماده می‌گردد.

فولاد مذاب حاصل‌شده از هر کدام از روش‌هایی که در بالا گفته شد، به یک پاتیل ریخته‌گری انتقال می‌دهند و جهت تولید آلیاژ، سایر عناصر را به آن اضافه می‌کنند. نکته قابل توجه در این مرحله این است که مقدار ناخالصی‌هایی مانند فسفر، هیدروژن، گوگرد و … باید با دقت تنظیم و کنترل گردد.

در انتخاب نوع روش تولیدی فولادها پارامترهای گوناگونی از قبیل دسترسی به مواد اولیه، حجم سرمایه‌گذاری، چگونگی تامین انرژی مورد نیاز، مدیریت و نوع تکنولوژی و … تاثیرگذار هستند.

تولیدکنندگان فولاد در داخل و خارج از کشور

به طور سالانه، در جهان بیش از 1600 میلیون تن فولاد تولید می‌شود. 67 کشور در جهان تولیدکننده فولاد هستند و از برترین رتبه‌ها در زمینه تولید فولاد می‌توان به کشورهای چین، ژاپن، آمریکا، هند، روسیه، آلمان و … اشاره کرد. گفتنی است کشورهای چین، ایران و هند از بزرگترین تولیدکنندگان آهن خام در جهان به شمار می‌روند. شرکت‌های ملی تولید فولاد ایران، فولاد خوزستان، ذوب آهن اصفهان و فولاد مبارکه تولیدکنندگان فولاد در داخل کشور هستند.

تاثیر عناصر بر خواص فولاد آلیاژی

اضافه کردن هر عنصر به ترکیب شیمیایی یک آلیاژ، باعث تغییر خواص آن می‌شود. در ادامه، برخی از ویژگی‌هایی که عنصرهای پراستفاده، به فولادهای آلیاژی اضافه می‌کنند، مشاهده می‌کنید.

• کبالت: بهبود سختی گرم
• نیکل: بهبود مقاومت در مقابل خوردگی و افزایش استحکام
• کروم: افزایش سختی و مقاومت در مقابل سایش
• مولیبدن: افزایش مقاومت در مقابل گرما و ضربه
• منگنز: افزایش مقاومت در مقابل شوک، فشار و چکش، افزایش سختی سطحی فلز

مستحکم کردن فولادهای کم‌آلیاژ با زیردانه‌ها و ریز کردن دانه‌ها

فولادهای کم‌کربن تا اندازه‌ای با ریز شدن دانه‌ها و زیردانه‌ها نیز مستحکم می‌شوند. اگرچه اندازه‌ی دانه تنها یک عامل در افزایش استحکام فولادهای میکروآلیاژ است، مقداری افزایش در استحکام تسلیم پایین نیز بر اثر دانه‌های ریز بوجود می‌آید.

عامل دیگری که در افزایش استحکام اهمیت بیشتری دارد، ریز بودن ساختار زیردانه‌هاست. بنابراین فولادهای میکروآلیاژ با ترکیبی از ریز بودن دانه‌ها، تشکیل زیردانه‌ها و رسوب سختی مستحکم می‌شوند. میزان افزایش استحکام ناشی از رسوب کربونیترید کلومبیم به مقدار کلومبیم اضافه‌شده، دمای نورد نهایی و میزان تغییر شکل بستگی دارد.