فولاد آلیاژی است که از ترکیب آهن و کربن به‌عنوان دو عنصر اصلی ساخته می‌شود. بااین‌وجود، برای بهبود خواص آن، عناصر آلیاژی متعددی نقش کلیدی در بهبود و تنظیم خواص آن دارند. درواقع می‌توان گفت که این عناصر به‌منظور تغییر یا بهبود خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی فولاد به ترکیب آن اضافه می‌شوند. به‌این‌ترتیب آلیاژهای مختلف ساخته می‌شوند و فولاد، برای کاربردهای متنوع متناسب‌تر خواهد شد. به همین علت، بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد حائز اهمیت بالایی است.
در فرایند آلیاژسازی، هر عنصر اثر منحصربه‌فردی دارد و می‌تواند روی یک یا چند خاصیت از جمله سختی، استحکام، مقاومت به ضربه، مقاومت به خوردگی، ماشین‌کاری و دیگر ویژگی‌ها اثر بگذارد.
عناصر آلیاژی مختلفی در ریخته گری و آلیاژسازی فولاد استفاده می‌شوند که ازجمله آن‌ها می‌توان به نیکل، منگنز، کبالت، کروم، مولیبدن، مس و تیتانیوم اشاره کرد. تولیدکنندگان و کارگاه‌های ریخته‌گری نیز با توجه به انتظاری که از یک قطعه دارند، با افزودن این عناصر ترکیب آلیاژ مورد نظر خود را ایجاد می‌کنند.
در صنایع مختلف، استفاده عناصر بسیاری برای ساخت آلیاژهای ریختگی فولاد رایج است. نوع آلیاژ و عناصری که به ترکیب آن افزوده می‌شود، می‌تواند تأثیر مستقیمی بر قیمت ریخته گری فولاد داشته باشد.
به دلیل پیچیدگی‌های ترکیب عناصر و فرآیند تولید، هزینه‌های مرتبط با ریخته‌گری فولاد به‌طور قابل‌توجهی متغیر است. عواملی مانند نوع آلیاژ، درصد هر عنصر و تکنولوژی به‌کاررفته در تولید می‌تواند نقش کلیدی در تعیین قیمت نهایی داشته باشد. اگر به دنبال اطلاعات دقیق‌تر درباره قیمت‌ها هستید، می‌توانید از طریق شرکت متالکست به عنوان پیشتاز حوزه ریخته گری، قیمت ریخته گری فولاد و همچنین اطلاعات لازم درباره نحوه ثبت سفارش را بررسی نمایید.
جهت شناخت تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد، توصیه می‌شود که ادامه این مقاله را همراه ما باشید. در ادامه اطلاعات دقیقی درباره اثر هر عنصر ذکر خواهیم کرد.
آلیاژهای فولادی و اهمیت بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد
میله های فولادی
پیش از بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد، ابتدا باید انواع این آلیاژ را بشناسیم. کربن، اصلی‌ترین عنصر آلیاژی فولاد است که با اضافه شدن به آهن، تشکیل فولاد می‌دهد. بر اساس ترکیب شیمیایی و عناصری که به فولاد اضافه می‌شوند، می‌توان آن‌ها را به سه دسته زیر تقسیم کرد:
۱
. فولادهای کربنی:
فولادهای کم‌کربن (C < 0.25%)
فولادهای کربن متوسط (۰.۲۵% < C < 0.55%)
فولادهای پرکربن (۰.۵۵% < C)
۲. فولادهای آلیاژی:
فولادهای کم آلیاژی که کمتر از ۵٪ عناصر آلیاژی در ترکیب خود دارند.
فولادهای پر آلیاژی که حاوی بیش از ۵٪ عناصر آلیاژی در ترکیب خود هستند.
۳. فولادها بر اساس عنصر آلیاژی در ترکیب آن‌ها:
فولادهای زنگ‌نزن
فولادهای منگنز
فولادهای کروم-نیکل
البته، اینکه فولاد چیست، چه خواص و انواعی دارد و چگونه ساخته می‌شود، موضوعی گسترده است که پیش‌تر در متالکست مورد بررسی قرار گرفته است.
خواص فولاد بسته به میزان کربن و عناصر آلیاژی که در آن وجود دارد، متفاوت است. هر عنصر آلیاژی با توجه به درصد آن در ترکیب، ویژگی‌های متفاوت را با میزان مختلف، به آلیاژ اضافه می‌کند. با توجه به اینکه ساخت یک فولاد با تمام ویژگی‌هایی عالی در برخی موارد ممکن نیست و در برخی موارد نیز منجر به افزایش قیمت شدید می‌شود، بنابراین تعیین حوزه استفاده و اینکه کدام ویژگی در حین استفاده مهم است، حائز اهمیت بسیاری است.
به‌عنوان‌مثال، برای ساخت یک مخزن آب‌نمک فولادی ساده، باید بدانید که نیازی به مقاومت در برابر فشار نیست و در وهله اول، باید به دلیل ریسک خوردگی، از آلیاژی با مقاومت به خوردگی بالا استفاده کرد.
با توجه این نکات، ادامه مقاله برای بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد را حتماً مطالعه نمایید.
تاثیر عنصر آلیاژی آلومینیوم بر فولاد
رول فولادی
در بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد، آلومینیوم یکی از مهم‌ترین‌ها است که اثرات مختلفی بر آن می‌گذارد. آلومینیوم را می‌توان یکی از مهم‌ترین عناصر در آلیاژسازی فولاد دانست که اثر آلیاژی آن در چندین بخش مختلف قابل‌مشاهده است.
آلومینیوم یک عنصر اکسیژن‌زدا است که با واکنش با اکسیژن، تشکیل اکسیدهای آهن در فولاد را کاهش داده و منجر به ساخت فولادی باکیفیت‌تر می‌شود.
این عنصر همچنین در پایداری فاز آستنیت به‌خصوص در دماهای بالا، اثر مثبت دارد. افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود جوشکاری فولاد نیز از دیگر خواصی است که افزودن آلومینیوم باعث بهبود آن‌ها می‌شود.
از طرف دیگر، آلومینیوم موجب افزایش استحکام با تشکیل ترکیبات بین فلزی در فولادهای رسوب سخت‌شونده می‌شود.
تاثیر عنصر بور در فولاد
این عنصر در فولادهای کم‌کربن بیشترین تاثیر را دارد و اغلب به این فولادها و در مقادیر بسیار کم اضافه می‌شود. عنصر بور عاملی برای افزایش سختی، شکل‌پذیری و قابلیت ماشین‌کاری فولاد است که در کنار تیتانیوم و آلومینیوم تاثیر دوچندان خواهد داشت. وجود این سه عنصر در کنار هم، فولاد را در برابر اکسیداسیون نیز مقاوم‌تر می‌کنند.
اثر افزودن کروم به فولاد
در بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد کروم عنصر بسیار مهمی به شمار می‌رود. این عنصر مهم، به‌ویژه در ساخت فولادهای زنگ نزن نقش کلیدی دارد. با افزایش محتوای کروم به بیش از ۱۲ درصد، مقاومت به خوردگی آن به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.
کروم همچنین موجب سخت‌شوندگی و بهبود مقاومت به سایش می‌شود. همچنین به بهبود خواص حرارتی فولاد کمک می‌کند و به این ترتیب فولاد در دماهای بالا عملکرد بهتری خواهد داشت.
تثبیت ساختار آستنیتی و درنتیجه بهبود قابلیت شکل‌پذیری و چقرمگی فولاد در دماهای پایین، کاهش تردی فولاد و کمک به افزایش چقرمگی آن نیز از دیگر اثرات کروم بر فولاد به شمار می‌روند.
اثر کبالت بر فولاد
کبالت با افزایش سختی و استحکام، یکی از مهم‌ترین عناصر به‌ویژه در فولادهای ابزار و فولادهای مقاوم به سایش به شمار می‌رود. همچنین به دلیل افزایش دمای انتقال فاز، خواص حرارتی و عملکردی فولاد بهبود پیدا می‌کند.
ایجاد ترکیبات بین فازی و افزایش استحکام، مقاومت به اکسیداسیون و بهبود چقرمگی نیز با افزودن کروم، امکان‌پذیر است.
اثر عنصر مس بر فولاد
به‌طورکلی می‌توان گفت که مس چندان تاثیر زیادی بر بهبود چقرمگی و قابلیت سخت شدن فولاد ندارد اما مقاومت فولاد به اکسیداسیون جوی را افزایش می‌دهد. در برخی از فولادها، مس به‌عنوان یک عامل سخت‌کننده عمل می‌کند و به‌طور خاص در فولادهای زنگ نزن و فولادهای آلیاژی با استحکام بالا کاربرد دارد.
سرب در فولاد و اثر آن
با توجه به اینکه سرب در فولاد تقریباً غیرقابل‌حل است، در طول فرآیند ریخته‌گری، ذرات آن به‌صورت مکانیکی درون فولاد پراکنده می‌شوند. این کار به فولاد این امکان را می‌دهد که خواص مطلوبی در هنگام برش و شکل‌دهی داشته باشد. درنتیجه، وجود سرب می‌تواند به بهبود عملکرد ابزارهای برش و کاهش سایش آن‌ها کمک کند.
منگنز در آلیاژهای فولادی
برای از بین بردن سولفیدهای آهن، که ترکیبی بسیار ترد هستند و چقرمگی شکست را کاهش می‌دهند، می‌توان مقدار مشخصی منگنز به فولاد اضافه کرد. منگنز همچنین سخت‌شوندگی، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر سایش را بهبود می‌بخشد.
از طرفی، این عنصر به‌عنوان یک عنصر آلیاژی، به تثبیت ساختار فازی آستنیت کمک کرده و در دماهای بالا، استحکام کششی و قابلیت شکل‌پذیری فولاد را افزایش می‌دهد.
مولیبدن در فولاد
این عنصر، در مقادیر کم و در فولادهای زنگ نزن دیده می‌شود. مولیبدن سخت‌شوندگی و استحکام را در دماهای بالا افزایش می‌دهد. همچنین در فولادهای آستنیتی کروم نیکل، از خوردگی حفره‌ای ناشی از حمله کلریدها جلوگیری می‌کند. در فولادهای کروم مولیبدن، خواص خزشی را بهبود می‌بخشد و آن‌ها را به یکی از فولادهای بسیار پرکاربرد در دماهای بالا تبدیل می‌کند.
تاثیر نیکل
نیکل از مهم‌ترین عناصر آلیاژی به‌ویژه در فولادهای زنگ نزن است. این عنصر فاز آستنیت را پایدار می‌کند و شکل‌پذیری و چقرمگی آلیاژ را افزایش می‌دهد. به‌علاوه افزودن نیکل به فولاد باعث افزایش استحکام و سختی آن می‌شود، به‌ویژه در دماهای پایین.
افزایش مقاومت به خوردگی و زنگ‌زدگی و بهبود عملکرد در شرایط مرطوب و خورنده نیز یکی دیگر از اثرات افزودن نیکل به آلیاژ است.
نیوبیوم و اثر آن بر فولاد
اثر نیوبیوم بر فولاد را می‌توان در تشکیل کاربیدهای سخت دانست که منجر به تثبیت کربن می‌شود. همچنین این عنصر استحکام تسلیم و تا حدی استحکام کششی فولادها را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. کاهش تردی در دماهای پایین و همچنین جلوگیری از رشد دانه‌های بزرگ در فرایندهای عملیات حرارتی فولاد را می‌توان از دیگر اثرات نیوبیوم عنوان کرد.
در هر یک از فرایندهای عملیات حرارتی، هدف خاصی دنبال می‌شود. بااین‌حال به‌طورکلی گفته می‌شود که در عملیات حرارتی فولاد، هدف کاهش اندازه ذرات است که به بهبود خواص مکانیکی کمک می‌کند و نیوبیوم نیز بر این بهبود، اثر مثبت دارد. برای مطالعه درباره عملیات حرارتی فولاد و هر یک از فرایندها و اثر آن‌ها، روی لینک کلیک نمایید.
تاثیر نیتروژن
نیتروژن معمولاً به فولادهای زنگ نزن افزوده می‌شود و از چندین جهت باعث بهبود خواص این فولادها خواهد شد. افزایش استحکام و سختی با ایجاد ساختارهای ریزدانه، یکی از این اثرات است.
بهبود چقرمگی و پایداری فاز آستنیت در فولاد نیز یکی دیگر از دلایل افزودن نیتروژن به فولادهای زنگ نزن به شمار می‌رود.
به‌علاوه، با اضافه شدن نیتروژن به ترکیب شیمیایی فولاد، مقاومت به خوردگی، به‌ویژه خوردگی‌های حفره‌ای افزایش می‌یابد.
استفاده از فسفر در فولاد
معمولاً این عنصر برای بهبود قابلیت ماشین‌کاری و در کنار گوگرد، به فولادهای کم‌آلیاژ اضافه می‌شود. فسفر همچنین استحکام را افزایش داده و مقاومت به خوردگی را بالا می‌برد.
تاثیر سلنیوم بر آلیاژهای فولادی
هدف از افزودن سلنیوم به ترکیب شیمیایی فولاد در برخی گریدها، بهبود قابلیت ماشین‌کاری آن است.
سیلیسیوم در فولاد
با توجه به اینکه سیلیسیوم در تولید فولاد به‌عنوان یک عامل اکسیژن‌زدا استفاده می‌شود، معمولاً در تمام گریدهای فولاد مقادیری از آن یافت می‌شود. به‌طورکلی، این عنصر باعث بهبود کیفیت نهایی فولاد می‌گردد؛ چراکه می‌تواند استحکام فولاد و سختی آن را افزایش دهد. از طرفی، موجب بهبود خاصیت مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون آن می‌شود.
می‌توان گفت که این عنصر آلیاژی مهم، با بهبود خواص مکانیکی، کاهش تخلخل و افزایش مقاومت به اکسیداسیون، کاربرد فولاد را در صنایع مختلف، از جمله خودروسازی، الکتریکی و ساختمانی، گسترش می‌دهد.
گوگرد و تاثیر آن در آلیاژهای فولادی
گوگرد در مقادیر کم برای بهبود قابلیت ماشین‌کاری مورداستفاده قرار می‌گیرد. گوگرد باید در مقادیر کنترل‌شده به فولاد اضافه شود تا از اثرات منفی آن ناشی از تشکیل ترکیبات با نقطه ذوب پایین جلوگیری شود.
به‌طورکلی باید گفت که گوگرد معمولاً عنصری ناخواسته است و مقدار آن باید به حداقل برسد تا کیفیت و خواص مطلوب فولاد حفظ شود؛ چون در مقادیر کنترل‌نشده می‌تواند منجر به خواص مکانیکی منفی شود.
تیتانیوم در فولاد
تیتانیوم، اثرات مختلفی بر فولاد دارد. یکی از اثرات آن به‌عنوان یک عنصر آلیاژی، افزایش استحکام و سختی فولاد و ایجاد ساختار ریزدانه در فولاد است.
کمک به کنترل اندازه دانه‌های فولاد، کاهش عیوب ساختاری، مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی و همچنین افزایش چقرمگی از دیگر مزایای افزودن تیتانیوم به فولاد است.
تاثیر تنگستن بر فولاد
در بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد، تنگستن نیز مهم به شمار می‌رود. عنصر تنگستن باعث تشکیل کاربیدهای پایدار و در نتیجه افزایش سختی، به‌ویژه در دماهای بالا می‌شود. از این عنصر در ترکیب فولادهای ابزار تندبر و برای مته‌ها و کاترهایی استفاده می‌شود که در دماهای بالا سختی و تیزی خود را از دست نمی‌دهند.
وانادیوم در فولاد
این عنصر به تشکیل کاربیدها و نیتریدها کمک کرده و خواص مکانیکی فولادها را از این طریق بهبود می‌بخشد. از طرفی، فولادهای حاوی وانادیوم معمولاً مقاومت بالایی به سایش دارند.
کنترل اندازه دانه، بهبود چقرمگی و افزایش استحکام و سختی به‌ویژه در دماهای بالا، از مهم‌ترین اثرات وانادیوم بر فولاد به شمار می‌روند.
اثر عنصر زیرکونیوم در فولاد
عنصر زیرکونیوم استحکام را افزایش داده و اندازه دانه‌ها را محدود می‌کند. با افزودن این عنصر، استحکام می‌تواند در دماهای بسیار پایین (زیر صفر) به‌طور قابل‌توجهی افزایش یابد. فولادهایی که حاوی زیرکونیوم هستند اغلب در سازه‌هایی استفاده می‌شوند که در معرض دماهای بسیار پایین قرار دارند.
نظری نیست.