فولاد کربن چیست و چه نقشی در صنعت دارد؟ | مجله آسن

آلیاژی که آهن عنصر پایه و کربن، عنصر اصلی آن باشد را فولاد می‌نامیم. ازآنجاکه فولاد نوعی آلیاژ است پس با اندکی تغییر از مقدار عناصر سازنده آن در ترکیب شیمیایی، می‌توان به انواع درجات فولاد کربنی دست پیدا کرد. درواقع میزان کربن در فولاد عاملی است که انواع درجات فولاد کربنی را تعیین می‌کند بر همین اساس فولاد کربن در صنعت به سه نوع تولید می شود که شامل فولاد کم‌کربن، متوسط و پرکربن می‌شود. این تنوع ما به سمت این پرسش سوق می‌دهد که فولاد کربن چیست و نقش هر کدام از انواع آن چگونه است؟

با مطالعه این مطلب می‌توانید با تمام آن چه که در مورد انواع فولاد کربنی، ساختار و کاربرد آنها نیاز دارید آشنا شوید.

تعریف فولاد کربن

فولاد ساده کربنی که آن را با نام فولاد کربن می‌شناسیم، یک آلیاژ از فولاد است که شامل طیف فراوانی از فولادهایی می‌شود که بر پایه کربن ساخته شده‌اند برای نمونه بیشترین نوع آنها با 2/1 کربن تولید می‌شود. میزان کربنی که در انواع فولاد به کار می رود خواص ویژه ای در هر کدام به وجود می آورد که می تواند تعیین کننده کاربرد آن نوع از فولاد باشد.

کربن تنها عنصر استفاده شده در ساختار فولاد کربنی نیست بلکه کربن در کنار آهن، تنها عناصر پایه برای تولید این آلیاژ هستند و برای متنوع ساختن کاربرد فولاد کربنی به عناصر دیگری هم نیاز است. در همین راستا برای تعریف پاسخ فولاد کربن چیست لازم است تا سه شرط در آلیاژ فولاد کربنی رعایت شده باشد:

·         میزان مس در فولاد کربنی استاندارد نباید کمتر از ۰/۰۴ درصد باشد.

·         در ساختار فولاد کربنی به ترتیب  ۱/۶۵ و ۰/۶ درصد می‌توان از عنصر منگنز، سیلیسیم و مس استفاده کرد.

·         عناصری که برای ایجاد یک تأثیر آلیاژی به فولاد اضافه می‌شود، حداقل مقداری ندارند مانند آلومینیوم، کروم، کبالت، نیوبیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم و عناصر مشابه آنها.

 

اعمال این سه شرط در تولید فولاد کربنی الزامی است تا ما را به یک فولاد استاندارد برساند. با توجه به همین مسئله عناصر ساختار فولاد کربنی را به سه دسته تقسیم می‌کنیم که در ادامه آنها را مشاهده می‌کنید:

1.      عناصری که برای فولاد مضر هستند و باعث تضعیف آن می‌شوند و باید در حداقل مقدار ممکن باشند.

2.      عناصری که حضور آنها در ساختار فولاد به آن آسیبی وارد نمی‌کند اما به صورت اتفاقی وارد ترکیب شده‌اند.

3.      عناصری که به فولاد اضافه می‌شوند تا کاربرد فولاد کربنی را متمایز کنند و یک ویژگی خاص به آن اضافه کنند.

 

 

تأثیر عناصر آلیاژ بر خواص فولاد کربن

پیش‌تر توشیح دادیم که اضافه‌کردن هر عنصر یک توانایی جدید به آلیاژ مدنظر اضافه می‌کند به همین دلیل بنا به تشخیص کارشناسان میزان مشخصی از چند نوع عنصر تأثیرگذار به ساختار فولاد کربنی افزوده می‌شود تا فولاد قدرتمندتری به دست بیاید. در ادامه مطلب می‌توانید با مهم‌ترین عناصر به همراه تأثیر آنها آشنا شوید:

·         سیلیسیم

هدف از حضور سیلیسیم در ترکیب فولاد کربنی گرفتن اکسیژن‌های ناخواسته و کاهش آثار مخرب آن است. اضافه‌کردن این عنصر به ساختار فولاد کربنی از تشکیل حفرات گازی جلوگیری می‌کند که همین مسئله به تولید قطعات ریختگری سالم کمک می‌کند.

·         منگنز

منگنز ممکن است به صورت برنامه‌ریزی‌شده یا ناخواسته به ترکیب فولادها وارد شود اما درهرصورت به اکسیژن‌زدایی کمک می‌کند و نقطه تسلیم فولاد را بالا می‌برد. منگنز در افزایش استحکام فولاد نقش دارد اما اگر از حد مجاز آن عبور کند باعث آسیب‌پذیری فولاد کربنی می‌شود.

·         مس

این عنصر برای حفظ فولاد در برابر اتمسفر اضافه می‌شود تا به آن، خاصیت ضدخوردگی بدهد به همین منظور تا میزان حدود 0.04% در فولاد از مس استفاده می‌شود.

·         گوگرد

گوگرد به صورت ناخواسته ممکن است به ترکیب فولاد راه یابد و با آهن یا منگنز، سولفید تشکیل بدهد. سولفید آهن به صورت قطعی باعث تضعیف فولاد می‌شود اما سولفید منگنز می‌تواند از ترک‌خوردگی در فولاد جلوگیری کند.

·         فسفر

اضافه‌کردن این عنصر موجب افزایش بسیار زیاد مقاومت آن می‌شود اما درعین‌حال بر خاصیت انعطاف‌پذیری هم اثر می‌گذارد و آن را کاهش می‌دهد.

 ·         نیتروژن

مهم‌ترین تأثیری که این عنصر روی انواع فولاد کربنی دارد افزایش نقطه تسلیم فولاد است.

·         هیدروژن

هیدروژن بسیار برای فولاد مضر است و بانفوذ سریع به درون آن سبب ایجاد ترک‌های مویی می‌شود که برای کم‌تر کردن آسیب‌های آن از روشی به نام کارگرم یا آنیل فولاد استفاده می‌شود.

·         اکسیژن

اکسیژن هم برای فولاد کربنی، عنصری غیرمفید محسوب می‌شود که با تولید اکسیدهای غیرفلزی، پیوستگی ساختار آن را از بین می‌برد. همچنین این عنصر باعث کاهش انعطاف‌پذیری فولاد می‌شود.

انواع فولاد کربنی

فولادهای کربنی بر اساس میزان کربن در فولاد به 3 دسته تقسیم می‌شوند؛ میزان کربنی که در هر کدام از انواع فولاد کربنی به کار رفته تعیین می‌کند که چه کاربردی دارند و در کجا می توان از آنها استفاده کرد.

البته نوع دیگری از دسته‌بندی هم برای فولاد کربنی وجود دارد که بر اساس نحوه فراوری شیمیایی آنها را گروه‌بندی می‌کنند. در ادامه می‌توانید 3 گروه مختلف فولاد کربنی و کاربرد آنها را مشاهد کنید:

فولاد کم‌کربن

در بازار محصولات فولادی، این نوع فولاد مصرف بالایی دارد چون خاصیت جوش‌پذیری زیادی دارد. به هر اندازه که میزان کربن در فولاد کمتر شود خاصیت لحیم‌پذیری بیشتری دارد. کربن موجود در این دسته فولاد، حدود 0.3 درصد است.

فولاد کم‌کربن هزینه کم‌تر و انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به سایر انواع فولاد کربنی دارد. با توجه به خواص این نوع فولاد، برای ساخت اجزای مختلف ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های کوره و ماشین‌آلات کشاورزی، لوله فولادی قیمت مناسب، نوار فولادی یا ورق فولادی نورد کاربرد دارد.

فولاد کربن متوسط

همان‌طور که گفتیم افزایش مقدار کربن حتی به‌اندازه اندک باعث افزایش استحکام می‌شود اما میزان انعطاف فولاد را کم می‌کند. فولاد کربن متوسط دارای حدود 0.3 تا 0.60 درصد کربن است و استحکام نسبتاً متوسطی هم دارد. این نوع فولاد، خاصیت‌هایی ما بین نوع کم و پر کربن دارد بر همین اساس کاربرد آن شامل طیف گسترده‌ای از امور مختلف است.

فولاد کربن متوسط به طور معمول برای ساخت قطعات متحرکی که استحکام بالایی نیاز دارند استفاده می‌شود مثلاً می‌توان به کمپرسورهای هوا، پیستون‌های پمپ، پروانه‌های توربین بخار، میل‌لنگ، دوک‌های ماشین‌ابزار، غلتک‌ها، ابزارهای نیمکت، چرخ‌دنده‌ها و قطعات سایش سطحی، انواع پنجره ساختمانی و… اشاره کرد.

فولاد پرکربن

سخت‌ترین و باکیفیت‌ترین فولاد غیرآلیاژی در بین انواع فولاد کربنی، فولاد پر کربن است که بیشتر از ۰.۶۰٪ آن را کربن تشکیل می‌دهد. با وجود میزان از کربن، خاصیت مقاومتی آن فوق‌العاده بالا است و به همین دلیل هم از آن برای تولید فنرها و تیغه فنرها استفاده می‌شود چون باید در مقابل سایش مقاوم باشند.

مقدار زیاد کربن باوجوداینکه مقاومت فولاد را افزایش می‌دهد اما انعطاف آن را به‌شدت کم می‌کند به همین دلیل فولاد پر کربن هنگام سردشدن به‌راحتی ترک برمی‌دارد. با توجه به این مشخصات فولاد کربنی، در ساخت ابزارهایی با سختی بالا مورداستفاده قرار می‌گیرد مانند:

·         ابزارآلاتی مانند اره، آچار و مته

·         صنایع خودرویی، کشاورزی و….

·         کمک‌فنر چرخ‌های هواپیما

·         تولید ساخت تیغه‌ها و انواع فنرها

استانداردهای فولاد کربنی

تمام محصولات صنعتی باید مطابق با استانداردهای خاصی تولید شوند که ساخت فولاد کربنی هم باید همراه با رعایت اصول خاصی باشد تا بتواند تأیید ورود به بازار را دریافت کند. این قواعد در کشورهای مختلف متفاوت هستند و استانداردهایی مختص همان کشور به شمار می‌روند البته استانداردهای جهانی هم وجود دارد که به‌عنوان اصول مرجع شناخته می‌شوند. برخی از استانداردهای بین‌المللی ساخت فولاد کربنی را می‌توانید مشاهده کنید:

•          انجمن آزمون و مواد آمریکا
•          انجمن ریخته‌گران فولاد آمریکا
•          سیستم واحد نام‌گذاری (UNS)
•          مؤسسه استاندارد آلمان
•          مؤسسه استاندارد بریتانیا انگلیس

این مجموعه‌های مقرراتی را برای تولید فولاد کربنی معرفی کرده‌اند که در سراسر دنیا قابل‌اجرا است.

تفاوت فولاد کم‌کربن و فولاد پر کربن

با توجه به پاسخ فولاد کربنی چیست و آشنایی که با انواع فولاد کربن داشتید، حتماً می‌دانید که اصلی‌ترین تفاوت این دو نوع فولاد در میزان کربن آنها است. فولاد کربن کمترین میزان کربن را دارد که به همین دلیل خاصیت انعطاف‌پذیری بسیار بالایی دارد و محصول بسیار پرکاربردی در صنایعی است که به فولاد نیاز دارند.

از طرفی فولاد پرکربن با میزان زیادی کربن که در ساختار خود دارد، سخت‌ترین نوع فولاد کربن پایه است و بسیار در مقابل سایش مقاوم است. با توجه به قدرت سختی و استحکام آن را در ساخت قطعاتی به کار می‌برند که باید توان مقاومت بالایی داشته باشند؛ برای ساخت قطعاتی مانند فنرها و تیغه فنرها فولاد پرکربن بهترین انتخاب است.

جمع‌بندی

فولاد کربنی آلیاژی بر پایه کربن و آهن است که میزان کربن در آن تا 2/1 هم می رسد. در ساخت کربنی علاوه بر کربن از عناصر متعدد دیگری هم استفاده می‌شود که هر کدام خاصیت خاصی به فولاد می‌دهد.

بر اساس میزان کربن، سه نوع فولاد داریم که به ترتیب فولاد کم‌کربن، فولاد متوسط و فولاد پر کربن نام دارند. در این مطلب تلاش کردیم تا به صورت مفصل به سؤال فولاد کربنی چیست پاسخ دهیم و جنبه‌های مختلف این نوع فولاد را بررسی کنیم.

سؤالات متداول

 

1-      تأثیر کربن در فولاد چیست؟

فولاد کربنی بر پایه فولاد ساخته می‌شود بنابراین عمده خواص کربن در فولاد هم دیده می‌شود.

2-      درصد کربن در فولاد چقدر باید باشد؟

میزان کربن در فولاد متغیر است و انواع فولاد را به سه دسته تقسیم می‌کند.

3-      کاربرد فولاد پر کربن در کجاست؟

با توجه به استحکام این نوع فولاد، برای ساخت قطعاتی که به‌سختی بالا نیاز دارند استفاده می‌شود.