فولاد پرکاربردترین آلیاژ در صنعت
– فولاد چیست؟
به طور کلی فولاد از ترکیب آهن و کربن و چند عنصر دیگر مانند نیکل، منیزیم، منگنز و …. به وجود آمده که درصد کربن آن می تواند تا 2.1 درصد متغییر باشد. مهم ترین عنصر این آلیاژ آهن است، به طوری که اگر میزان آهن موجود در این آلیاژ زیر 50 درصد باشد، دیگر این آلیاژ، فولاد نیست. همچنین اگر به آلیاژی از آهن و کربن برخوردید که بیش از این مقدار کربن در آن وجود داشت، آن آلیاژ فولاد نیست بلکه چدن است. یکی از مهم ترین آلیاژهای تولیدی بشر در طول تاریخ قطعا فولاد است. امروزه این آلیاژ پرکاربردترین آلیاژ صنعتی جهان است و کمتر صنعتی را می توان یافت که فولاد در آن تاثیر مستقیم نداشته باشد. شروع کار صنعت فولاد در ایران به چهارده قرن قبل از میلادمسیح بازمی گردد اما پیشرفت و فراگیرشدن این صنعت در قرن اخیر رخ داده است.
2- فولاد چه خواص و ویژگی هایی دارد؟
وقتی اسم فولاد را می شنویم، اولین چیزی که به ذهنمان میآید استحکام بسیاربالای این آلیاژ است، اما مطمئناً این نکته به تنهایی دلیل کافی برای این حجم از مصرف فولاد در صنعت نیست پس به اختصار به بیان خواص فولاد که باعث تبدیل شدن این آلیاژ به پرمصرف ترین آلیاژ دنیا شده است می پردازیم:
1- استحکام کششی بسیار بالایی را داراست و می تواند در برابر نیروهای وارد شده، به خوبی مقاومت کند.
2- انعطاف پذیری بالا که باعث شده این آلیاژ از شکل پذیری بالایی برخوردار باشد.
3- در برابر خوردگی بسیار مقاوم است.
4- نقطه ذوب و چگالی بسیار بالای یدارد.
5- درخشندگی بسیار زیادی را داراست.
6- فراوانی عناصر تشکیل دهنده و هزینه پایین تولید یکی از مهمترین دلایل فراگیرشدن استفاده از این آلیاژ در صنعت است.
3- فرآیند فولادسازی به چند دسته تقسیم می شود؟
همانطور که گفته شد فولاد سازی از هزاران سال پیش به روشهای سنتی انجام میگرفت اما فرآیند فولادسازی از قرن چهارده میلادی تجاری سازی شد. در ابتدا که صنعتگران به اهمیت فولاد پی برده بودند، با استفاده از روشهای سنتی به تولید فولاد می پرداختند اما در قرن نوزدهم با استفاده از تکنولوژی توانستند به روش های نوینی برای تولید این آلیاژ کاربردی برسند که تحولی عظیم در این صنعت به وجود آورد.
امروزه فرآیندهای تولید فولاد به دو قسمت تقسیم می شوند:
1- فرآیندهای اولیه : این فرآیندها به دو صورت انجام می گیرند:
این روش اساس کار فرآیند فولادسازی است که در آن، درون چدن پرکربن اکسیژن دمیده میشود که با کاهش کربن در چدن، آن را به فولاد تبدیل مینماید. دلیل قلیایی نامیدن این روش، ماهیت شیمیایی مواد نسوز این فرآیند چون اکسید کلسیم و اکسید منیزیم است.
فولاد سازی با روش اکسیژن قلیایی
این روش در اواسط قرن بیست میلادی توسط رابرت دورر به دست آمد و انقلابی را در حوزه تولید فولاد رقم زد که نرخ تولید فولاد را به شدت افزایش داد. در این روش اکسیژن با خلوص بالا با فلز منتقل می شود و با کربن و دیگر عناصر ترکیب شده و آنها را از آلیاژ خارج میکند. در تمام زمان دمش اکسیژن، به آلیاژ آهک اضافه میکنیم تا ناخالصی ها را از آلیاژ نهایی جدا کند. پس از جداکردن ناخالصی، آلیاژ مذاب به پاتیل ریخته میشود تا فرآیند ثانویه برروی آن انجام گیرد.
فولادسازی با کوره قوس الکتریکی(electric arc furnace)
در این روش از قراضه آهن و آهن احیا شده به طور مستقیم برای تولید فولاد استفاده می شود. در این روش قراضه آهن و آهن احیاشده در کوره با استفاده از قوس الکتریکی ذوب میشوند. برای کمک به ذوب شدن آهن موجود گاهی از مشعل های گازی در کوره استفاده می کنند. این کوره ها توانایی تولید بالغ بر صد تن فولاد در هر ساعت را دارا هستند. از این فرآیند برای تولید آلیاژهای بسیار باکیفیت مانند فولاد ضدزنگ و فولاد کم آلیاژ استفاده می کنند، دلیل این مهم این است که در این فرآیند می توان کنترل دقیقی بر روی میزان ناخالصی و ساختار شیمیایی فولاد تشکیل شده داشت.
فولاد و قوس الکتریکی
مکانیزم کار در فرآیند فولادسازی با استفاده از کوره قوس الکتریکی به این شکل است که سه الکترود گرافیتی اطراف کورهای با سقف متحرک قراردارند. قراضه های آهن از بالا و با کنار رفتن سقف به کوره اضافه شده و پس از پرشدن کوره، سقف بسته شده و الکترودها زیر کوره قرار میگیرند. با القاء جریان الکتریکی، قوس الکتریکی ایجاد میشود و گرمای شدیدی را تولید میکند که این گرما، باعث ذوب قراضه های آهن میشود و پس از افزودن آهک و اکسیژن، نمونه گیری انجام شده و آلیاژ مذاب تولید شده وارد پاتیل می شود تا فرآیند ثانویه برروی آن انجام پذیرد.
2- فرآیندهای ثانویه
در این مرحله با توجه به نوع فولاد موردنیاز، عملیات حرارتی مناسب بر روی آلیاژ درون پاتیل انجام می گیرد که این عملیات می تواند شامل افزودن آرگون، اکسیژن کشی، تزریق پودر و … باشند. برای رسیدن به فولاد با گرید بالا باید چندمورد از این عملیات ها را باهم ترکیب کرد.
4- انواع فولاد شامل چه مواردی می شود؟
روش های مختلفی برای دسته بندی فولاد وجود دارد، برای مثال می توان فولاد را از نظر شکل به شمش های فولادی، ورق های فولادی و …. و همچنین از نظر عملیات حرارتی به آنیل شده و تمپر شده و … تقسیم کرد. روش های دیگری نیز برای دسته بندی این آلیاژ وجود دارد که مهم ترین آن از نظر ترکیبات شیمیایی است. فولاد از این نظر به چهار دسته تقسیم میشود:
1- فولاد کربندار :
که خود به سه زیرگروه تقسیم می شود:
فولاد کم کربن : پرکاربردترین نوع فولاد است که بیشترین میزان کربن آن 0.3 درصد است.
فولاد کربن متوسط : درصد کربن این نوع فولاد بین 0.3-0.6 درصد است و از استحکام بالاتری نسبت به فولاد کم کربن برخوردار است.
فولاد پرکربن : پراستحکام ترین نوع فولاد کربنی است و درصد کربن آن بین 0.6-1.5 درصد است که برای ضرب سکه از آن استفاده میشود.
2- فولاد آلیاژی :
یکی از راه های بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات، آلیاژ کردن آنها با دیگر عناصر است. به همین دلیل با افزودن برخی عناصر مانند کبالت، مولیبدنیوم، وانادیم، تنگستن و … به فولاد میتوان خواص فیزیکی و شیمیایی این آلیاژ را بهبود بخشید. عموما با افزودن این عناصر به فولاد و انجام عملیات حرارتی میتوان استحکام و سختی و مقاومت به خوردگی این آلیاژ را افزایش داد.
3- فولاد ضدزنگ :
یکی از انواع فولاد است که در برابر اکسیداسیون و خوردگی بسیار مقاوم است. این آلیاژ از افزودن میزان زیاد کروم به فولاد به دست آمد. این نوع فولاد خود به سه نوع تقسیم میشود:
فولاد آستنیتی : پرکاربردترین نوع فولاد ضدزنگ، فولاد آستنیتی است که از ترکیب نیکل و کروم با فولاد به دست می آید. این نوع آلیاز که درصد کروم آن تقریبا 18 درصد و درصد نیکل آن به تقریب 8 درصد است، در برابر خوردگی بسیار مقاوم است.
فولاد ضد زنگ
فولاد فریتی : این نوع فولاد ضدزنگ که در آن از ترکیب 14-17 درصد کروم با فولاد و مقادیر کمی مولیبدنیوم و تیتانیوم استفاده شده است، قابلیت چکشخواری و شکل پذیری بسیار بالایی دارد و میتوان از آن برای افزایش استحکام استفاده کرد.
فولاد مارتنزیتی : در این نوع از فولاد ضدزنگ که خاصیت مغناطیسی دارد، درصد کروم بین 12-14 درصد است. فولاد مارتنزیتی قابلیت سختکاری دارند و با انجام عملیات حرارتی میتوان به استحکام آن افزود.
4- فولاد ابزار :
فولاد ابزار که از ترکیب فولاد با عناصر مولیبدنوم، کبالت، وانادیم و تنگستن است، به دلیل دارا بودن مقاومت گرمایی بسیار بالا در نوک مته، برقوکاری و ابزارهای برش کاربرد دارد.
5- فولاد چه مزایایی نسبت به سایر آلیاژ ها دارد؟
از مهمترین مزیت های فولاد به سایر آلیاژها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- سازگار با محیط زیست
2- قابل بازیافت
3- دوام بالا
4- ارزان و قابل دسترس
5- انعطاف پذیری