فولادهای کربنی یکی از پرکاربردترین و مهمترین آلیاژهای آهن در صنایع مختلف به شمار میآیند. این فولادها به دلیل ترکیب ساده، خواص مکانیکی مطلوب، هزینه پایین و قابلیت ماشینکاری و جوشکاری مناسب، سهم بزرگی از مصرف جهانی فولاد را تشکیل میدهند. فولاد ارزان در این مقاله به بررسی انواع فولادهای کربنی، ترکیب شیمیایی، خواص، فرآیندهای تولید، کاربردها و معایب آنها پرداخته است.
فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است که میزان کربن آن معمولاً بین ۰٫۰۲ تا ۲ درصد وزنی متغیر است. زمانی که مقدار عناصر آلیاژی دیگر مانند کروم، نیکل، مولیبدن یا وانادیم در حد ناچیز باشد، آلیاژ حاصل را فولاد کربنی (Carbon Steel) مینامند. بیش از ۸۰٪ فولادهای تولیدی جهان را فولادهای کربنی تشکیل میدهند.
انواع فولادهای کربنی
فولاد کمکربن (Low Carbon Steel)
مقدار کربن: کمتر از ۰٫۳٪
خواص: نرم، شکلپذیر، جوشپذیر و مناسب برای کشش و نورد سرد
کاربردها: ورقهای بدنه خودرو، لولهها، پروفیلها، سیمها، پیچ و مهرهها
فولاد متوسطکربن (Medium Carbon Steel)
مقدار کربن: ۰٫۳ تا ۰٫۶٪
خواص: تعادل میان استحکام و شکلپذیری
کاربردها: چرخدندهها، محورها، قطعات ماشینآلات، میللنگها
فولاد پرکربن (High Carbon Steel)
مقدار کربن: ۰٫۶ تا ۱٫۴٪
خواص: سختی و مقاومت سایشی بالا، اما شکنندهتر
کاربردها: فنرها، ابزارهای برشی، تیغهها، متهها و ابزارهای سنگزنی
فولاد کربن متوسط
فولادهای متوسط کربن یکی از مهمترین گروههای فولادهای کربنی هستند که به دلیل تعادل مناسب بین استحکام، سختی و چقرمگی، کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارند. این فولادها معمولاً حاوی ۰٫۳ تا ۰٫۶ درصد وزنی کربن بوده و به کمک عملیات حرارتی، میتوان خواص آنها را برای کاربردهای خاص تنظیم کرد. در این مقاله به بررسی ترکیب شیمیایی، خواص فیزیکی و مکانیکی، فرآیندهای تولید، عملیات حرارتی و کاربردهای فولادهای متوسطکربن پرداخته میشود.
فولادها از مهمترین مواد مهندسی هستند که در ساخت تجهیزات صنعتی، ماشینآلات، ابزارها و سازهها نقش حیاتی دارند. در میان انواع فولادهای کربنی، فولادهای متوسط کربن به دلیل خواص مکانیکی قابل تنظیم و قیمت مناسب، جایگاه ویژهای در صنعت دارند.
این فولادها در محدودهای بین فولادهای کمکربن (نرم و شکلپذیر) و فولادهای پرکربن (سخت و شکننده) قرار میگیرند و به همین دلیل تعادلی میان استحکام، سختی و چقرمگی ارائه میدهند.
ترکیب شیمیایی فولاد کربن متوسط
فولادهای متوسط کربن معمولاً دارای ترکیب زیر هستند:
| عنصر | درصد وزنی معمول | نقش در آلیاژ |
|---|---|---|
| کربن (C) | 0.30 – ۰٫۶۰% | افزایش سختی و استحکام |
| منگنز (Mn) | 0.60 – ۱٫۶۵% | بهبود چقرمگی، تسهیل عملیات حرارتی |
| سیلیسیم (Si) | 0.15 – ۰٫۳۵% | افزایش مقاومت و استحکام |
| فسفر (P) | ≤ ۰٫۰۴% | بهبود ماشینکاری (ولی کاهش چقرمگی) |
| گوگرد (S) | ≤ ۰٫۰۵% | بهبود ماشینکاری (ولی کاهش استحکام) |
برخی از فولادهای متوسط کربن ممکن است مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مانند کروم (Cr)، نیکل (Ni) یا مولیبدن (Mo) نیز داشته باشند تا سختیپذیری و مقاومت به سایش افزایش یابد.
فولاد زنگنزن ۳۱۰
یکی از آلیاژهای پرکاربرد سری ۳۰۰ است که به دلیل مقاومت عالی در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون در صنایع مختلف، به ویژه در شرایط دمای بالا استفاده میشود.
خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد کربن متوسط
ویژگیهای فولادهای متوسطکربن بین فولادهای کمکربن و پرکربن قرار دارد:
| ویژگی | مقدار تقریبی | توضیح |
|---|---|---|
| چگالی | ۷٫۸۵ g/cm³ | مشابه سایر فولادها |
| استحکام کششی | ۵۰۰ – ۹۰۰ MPa | قابل افزایش با عملیات حرارتی |
| سختی برینل | ۱۴۰ – ۲۵۰ HB | بسته به میزان کربن |
| چقرمگی | متوسط | قابل تنظیم با تمپر کردن |
| شکلپذیری | متوسط تا کم | نسبت به فولاد کمکربن پایینتر |
| قابلیت جوشکاری | متوسط تا ضعیف | به دلیل افزایش کربن |
تاریخچه تولید لولههای فولادی
فرآیند تولید فولاد متوسطکربن شامل مراحل زیر است:
احیای سنگآهن در کوره بلند و تولید چدن خام
تصفیه چدن در کوره اکسیژنی (BOF) یا قوس الکتریکی (EAF) برای کاهش کربن و ناخالصیها
افزودن عناصر آلیاژی مانند منگنز یا سیلیسیم برای تنظیم ترکیب
ریختهگری مداوم (Continuous Casting) برای تولید شمش یا بیلت
نورد گرم یا سرد برای رسیدن به شکل نهایی (میلگرد، محور، ورق و …)
عملیات حرارتی فولاد متوسط کربن
عملیات حرارتی نقش کلیدی در تنظیم خواص فولادهای متوسطکربن دارد:
آنیل (Annealing): برای نرمسازی و بهبود ماشینکاری
نرماله کردن (Normalizing): برای افزایش استحکام و یکنواختی ساختار
کوئنچ و تمپر (Quenching & Tempering): برای افزایش سختی و استحکام کششی و در عین حال حفظ چقرمگی
کاربونیزه کردن (Carburizing): در برخی موارد برای افزایش سختی سطحی در حالی که هسته نرم باقی بماند
ریزساختار (Microstructure)
ریزساختار فولادهای متوسطکربن بسته به میزان کربن و نوع عملیات حرارتی متفاوت است.
بهطور کلی، شامل فازهای زیر میباشد:
فریت (Ferrite): نرم و چقرمه
پرلیت (Pearlite): سختتر، شامل لایههای فریت و سمنتیت
مارتنزیت (Martensite): در اثر کوئنچ به وجود میآید و بسیار سخت است
ترکیب درصد و توزیع این فازها تعیینکننده نهایی خواص مکانیکی فولاد است.
کاربردهای فولادهای متوسط کربن
به دلیل ترکیب مناسب خواص، این فولادها در قطعاتی استفاده میشوند که نیاز به استحکام بالا همراه با مقداری چقرمگی دارند، از جمله:
میللنگ، شاتون و چرخدندهها
محورها و شافتهای صنعتی
قطعات ماشینآلات سنگین
فنرها و پیچهای مقاوم
ریلهای قطار و چرخهای صنعتی
مزایا و معایب فولاد کربن متوسط
مزایا:
استحکام و سختی مناسب
قابلیت تنظیم خواص با عملیات حرارتی
مقاومت سایشی بالاتر از فولاد کمکربن
هزینه تولید پایینتر نسبت به فولادهای آلیاژی
معایب:
جوشپذیری محدود به دلیل کربن بیشتر
مقاومت کمتر در برابر خوردگی
نیاز به عملیات حرارتی دقیق برای رسیدن به خواص مطلوب
فولادهای متوسطکربن با محدوده کربن بین ۰٫۳ تا ۰٫۶ درصد، تعادلی مناسب بین استحکام، سختی و چقرمگی ارائه میدهند. این ویژگیها آنها را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت مکانیکی بالا همراه با قابلیت ماشینکاری دارند، ایدهآل کرده است. با انجام عملیات حرارتی مناسب، میتوان خواص این فولادها را بهینه کرده و در گستره وسیعی از صنایع مورد استفاده قرار داد.
