معرفی فولاد کربنی به عنوان گروه مهم انواع استیل در صنعت
کربن، عنصر ششم جدول تناوبی معروف مندلیف است که در قرن هیجدهم میلادی توسط دانشمندان فرانسوی کشف شد. کربن به اشکال مختلفی وجود دارد و استفاده‌های مختلفی از آن می‌شود. گرافیت، الماس و گاز کربن دی اکسید، تعدادی از مواردی هستند که این عنصر از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده آن‌ها است.
پس از اینکه کاربردهای مختلفی از کربن شناخته شد، رفته‌رفته صنعتگران آن را وارد صنایع مختلفی کردند، تا از مزایای آن استفاده کنند. با پیشرفت صنعت و گسترش استفاده از آهن، نیازهای جدیدی پیدا شد. گاهی اوقات افراد نیاز داشتند تا قطعه‌ای سخت‌تر از آهن در اختیار داشته باشند، اما چون وجود نداشت، با مشکل مواجه می‌شدند. پس از سال‌ها ترکیبی از آهن و کربن، آلیاژی به نام فولاد را ساخت. البته عناصر دیگری هم در تولید فولاد نقش دارند، اما نقش اصلی مربوط به دو عنصری است که نام برده شد.
درصد کربن موجود در آلیاژ فولاد متغیر است، اما اگر از حداکثر مقدار درصد آن استفاده شود، فولاد کربنی به وجود خواهد آمد. این نوع فولاد در حال حاضر به گروه مهمی در صنعت تبدیل شده است. در این مقاله قصد داریم تا به شما فولاد کربنی (carbon steel) را معرفی و مجزئیات و ویژگی‌های آن را بیشتر به شما نمایش دهیم.
فولاد کربنی (Plain Carbon Steel) که با نام فولاد ساده کربنی هم شناخته می‌شود، در واقع معرف طیف گسترده‌ای از فولادها است که کربن به عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن شناخته می‌شود.
فولاد کربنی چیست و ترکیب شیمیایی آن
فولاد کربنی (Plain Carbon Steel) که با نام فولاد ساده کربنی هم شناخته می‌شود، در واقع معرف طیف گسترده‌ای از فولادها است که کربن به عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی آن شناخته می‌شود. در فولادهای کربنی، عناصر دیگری هم وجود دارند، اما کربن و آهن به عنوان عناصر پایه این آلیاژ شناخته می‌شوند که این مسئله به قیمت آهن ارتباط زیادی دارد و می‌بایست از آن اطلاع داشت، از سوی دیگر خواص فولاد به مقدار کربن موجود در آن وابستگی زیادی دارد.
شاید گمان کنید همین که مقدار کربن موجود در این آلیاژ زیاد باشد، می‌توان نام آن را فولاد کربنی گذاشت، اما اینگونه نیست. انجمن آهن و فولاد ایالات متحده آمریکا که یکی از معتبرترین منابع در زمینه‌ی فولاد است و تعریف خاصی را برای فولاد ساده کربنی در نظر گرفته؛ در این تعریف سه شرط وجود دارد که در صورت داشتن آن، می‌توان نام فولاد کربنی یا فولاد ساده کربنی را بر روی آن آلیاژ قرار داد. این شروط به شرح زیر هستند:
- حداقل مقدار مس موجود در فولاد نباید کمتر از ۰/۰۴ درصد باشد.
- حداکثر مقداری که برای عنصر منگنز، سیلیسیم و مس تعریف شده به ترتیب ۱/۶۵ و ۰/۶ درصد است.
- عناصری مثل آلومینیوم، کروم، کبالت، نیوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و عناصر مشابهی که برای ایجاد یک تاثیر آلیاژی مناسب اضافه می‌شوند، حداقل مقداری برایشان وجود ندارد.
با این سه شرط به‌راحتی می‌توان متوجه شد که علاوه بر کربن، یک فولاد ساده کربنی شامل چندین عنصر آلیاژی دیگر نیز هست. این عناصر که به ترکیبات فولاد کربنی اضافه می‌شوند را به سه دسته کلی می‌توان تقسیم کرد:
- عناصری که حضورشان باید در حداقل مقدار ممکن باشد زیرا برای فولاد مناسب نیستند. این عناصر به صورت اتفاقی در ترکیب فولاد وارد شده‌اند و وجود بیش از حد آن‌ها باعث تضعیف خواص مکانیکی فولاد خواهد شد. از جمله این عناصر می‌توان به اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، گوگرد و فسفر اشاره کرد.
- در این دسته هم عناصری قرار دارند که به صورت اتفاقی وارد ترکیب فولاد شدند، اما حضور آن‌ها برای فولاد ضرری را به همراه ندارد، مثل منگنز و سیلیسیم.
- در این دسته عناصری هستند که در ترکیب فولاد وجود ندارند و به صورت عمدی وارد آن می‌شوند تا خاصیت ویژه‌ای در فولاد به وجود آورند. نیکل، کروم، مولیبدن، آلومینیوم و عناصری که برای حضورشان حداقلی وجود ندارد، در این دسته قرار می‌گیرند. آن‌ها می‌توانند خواصی مثل افزایش استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، جوش‌پذیری را به فولاد اضافه کنند.
تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد ساده کربنی
این عناصر آلیاژی که تا به اینجا معرفی کردیم، هر کدام تاثیرات خاص خود را دارند. در این بخش با تاثیرات هر یک از آن‌ها بیشتر آشنا خواهیم شد.
کربن
کربن مهم‌ترین عنصر موجود در این آلیاژ است که خواص مکانیکی فولادهای کربنی را ایجاد می‌کند. مقدار کربن موجود در فولادهای کربنی ساختارهای آن را شکل می‌دهد. مقدار موجود کربن در این آلیاژ با سختی فولادهای کربنی رابطه مستقیم دارد. یعنی هر چقدر کربن در این ترکیب بیشتر باشد، سختی بیشتر است. البته در برخی از انواع فولاد حضور بیش از اندازه کربن می‌تواند معایبی را به همراه داشته باشد.
سیلیسیم
سیلیسیم جز عناصری است که به صورت اتفاقی در ترکیب فولاد وجود دارد. اما حضور آن ضرری را برای فولاد به همراه ندارد. سیلیسیم با حضور خود در قالب فروسیلیس باعث اکسیژن‌زدایی فولاد و کاهش تاثیرات نامطلوب آن می‌شود. سیلیسیم از تشکیل حفرات گازی جلوگیری می‌کند و تولیدات قطعات سالم را افزایش می‌دهد.
منگنز
منگنز هم در کنار سیلیسیم، جزو عناصری محسوب می‌شود که به صورت اتفاقی در تمامی فولادها حضور دارد. منگنز در کنار عنصر سیلیسیم نقش اکسیژن‌زدایی از فولاد را هم برعهده دارد. همچنین باعث افزایش مقاومت، استحکام کششی و چقرمگی در فولاد می‌شود. حضور بیش از اندازه منگنز اما باعث ایجاد ترک در فولاد می‌شود.
مس
در شروطی که برای فولاد ساده کربنی در نظر گرفتند، تنها عنصری که حداقل و حداکثر درصد مجاز برای آن تعیین شده، مس است. این حساسیت به این خاطر است که اگر مقدار مس از یک حدی کمتر یا بیشتر باشد، می‌تواند به فولاد آسیب برساند. اما اگر مقدار آن در بازه معین شده باشد، باعث تقویت فولاد کربنی خواهد شد.
گوگرد
گوگرد را به صورت خالص در ترکیب فولاد ساده کربنی استفاده نمی‌کنند و معمولا به صورت سولفید آهن یا سولفید منگنز در ترکیبات فولاد یافت می‌شود. در بین این ترکیبات استفاده شده، سولفید منگنز ضرر کمتری دارد و از رشد ترک جلوگیری می‌کند. این در حالی است که سولفید آهن خواص مکانیکی فولاد را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد و باعث تضعیف آن می‌شود.
فسفر
فسفر هم در فولاد ساده کربنی به صورت فسفید آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ترکیب فسفر باعث افزایش استحکام کششی و استحکام تسلیم فولاد می‌شود، اما در عوض انعطاف‌پذیری را در فولاد کربنی (carbon steel) به شدت کاهش می‌دهد.
نیتروژن
نیتروژن به‌وفور در اتمسفر هوا یافت می‌شود. بنابراین برای کنترل مقدار نیتروژن فولاد، باید اتمسفر هوای محیطی که داخل آن قرار می‌گیرد را کنترل کرد. نیتروژن جز مواردی است که خواسته یا ناخواسته در ترکیبات فولاد وجود دارد.
هیدروژن
هیدروژن سرعت نفوذ بسیار بالایی دارد و به همین خاطر در ساختار فولاد ساده کربنی نفوذ کرده و ترک‌های مویی را ایجاد می‌کند. هیدروژن را می‌توان یکی از مضرترین گازهایی که در فولاد وجود دارد، دانست. البته روش‌هایی وجود دارند که تاثیرات مضر آن را کاهش می‌دهد، اما بسیار باید در مورد آن دقت کرد، زیرا به راحتی می‌تواند ترک در فولاد ایجاد کند و باعث تردی آن شود.
اکسیژن
اکسیژن عنصر دیگری است که در ترکیبات استیل کربنی وجود دارد. این عنصر با حضور خود باعث کاهش انعطاف‌پذیری و چقرمگی فولاد می‌شود و البته دمای انتقال را در فولاد افزایش می‌دهد.
انواع فولاد کربنی
فولادهای کربنی را به دو صورت، بر اساس مقدار کربن موجود و ساختار در فرآیندهای شیمیایی، دسته‌بندی می‌کنند.
از لحاظ درصد کربن موجود در فولاد: اگر میزان درصد کربن موجود در فولاد کمتر از ۰/۲ درصد باشد، به آن فولاد کم‌کربن (Low Carbon Steel)، اگر درصد آن بین ۰/۲ تا ۰/۶ درصد باشد، فولاد کربن‌متوسط (Medium Carbon Steel) و اگر بالای ۰/۶ درصد باشد، فولاد پرکربن (High Carbon Steel) می‌گویند.
فولاد یوتکتوئید: فولادهای کربنی طی فرآیندی شیمیایی یوتکتوئید می‌شوند و بعد از آن اگر درصد کربن موجود در فولاد کمتر از نقطه یوتکتوئید (۰/۷۶ درصد) باشد، هیپویوتکتوئید (Hypo eutectoid)، اگر درصد کربن برابر با ۰/۷۶ درصد باشد، یوتکتوئید (Eutectoid) و اگر بیشتر از ۰/۷۶ درصد باشد، هایپریوتکتوئید (Hypereutectoid)، نامیده می‌شوند.
استانداردهای فولاد ساده کربنی
فولاد ساده کربنی هم مثل دیگر محصولات صنعتی نیازمند رعایت نکاتی است که باید به تایید استانداردهای مختلف برسد. برخی از استانداردها ملی هستند و تنها جهت استفاده در همان کشور استفاده می‌شوند، مثل استاندارد بوریو (Bureau) که مربوط به کشور هند است و برای فولادهای کربنی همان کشور مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برخی دیگر از استانداردها بین‌المللی هستند و در تمامی کشورها به‌عنوان مرجع استفاده می‌شوند. استانداردهای جهانی نامگذاری فولادهای کربنی را هم تعیین می‌کنند. تعدادی از مهم‌ترین استانداردهای جهانی به شرح زیر هستند:
- استاندارد انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM)
این استاندارد، نامگذاری فولادها را با استفاده از ترکیب حروف و اعداد انجام می‌دهد.
- استاندارد انجمن ریخته‌گران فولاد آمریکا (AISI)
این سیستم از یک کد چهار رقمی برای نامگذاری فولادهای کربنی استفاده می‌کند. در این نامگذاری ممکن است از برخی پسوند و پیشوند هم استفاده می‌شود.
- سیستم واحد نامگذاری (UNS)
سیستم استاندارد (UNS) برای نامگذاری از یک حرف و پنج عدد استفاده می‌کند. حرف تعیین‌کننده کلاس آلیاژ و چهار رقم طبق استاندارد AISI/SAE برای آلیاژ تعیین می‌شود. برای رقم پنجم، طبق علائم قراردادی در استاندارد AISI/SAE ، به جای حرف «B» رقم «۱»، به جای حرف «L» رقم «۴» و به جای حرف «E» رقم «۶» مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- موسسه استاندارد آلمان (DIN)
استاندارد آلمان یکی از معتبرترین استانداردهای اروپا است که برای نامگذاری فولادها الگوی خاصی را دنبال نمی‌کند. تعداد ارقام متفاوتی برای نامگذاری مشاهده می‌شود. رقم سمت چپ این نامگذاری گروه اصلی که ماده در آن را هست را معرفی می‌کند. برای فولادها این عدد برابر با عدد یک است.
دو رقم بعدی در این نامگذاری شماره نوع فولاد است. این شماره برای فولادهای پایه، فولادهای کیفی و فولادهای نجیب متفاوت است. دو رقم بعدی پس از این نشان از ارقام شمارنده دارد. اما مشکل این ارقام آن‌جاست که نمی‌توان در مورد کربن و سایر عناصر آلیاژی فولاد اطلاعاتی را متوجه شد.
رقم‌های آخر این نامگذاری، ارقام پیوست هستند و فقط زمانی به کار می‌روند که برای مشخص کردن واضح مواد لازم است. اولین رقم از ارقام پیوست برای مشخص کردن فرآیند تولید فولاد و دومین رقم آن برای معین کردن وضعیت عملیات حرارتی که اتفاق افتاده است.
- موسسه استاندارد بریتانیا انگلیس (BN)
استاندارد انگلیسی برای نامگذاری فولادها بسیار شایع است. با استفاده از این استاندارد، در ابتدای نامگذاری حروف EN می‌آید. سپس اعداد دیگری می‌آید که ارتباطی با ترکیب یا خواص فولاد ندارد.
کاربردهای فولاد ساده کربنی
فولاد ساده کربنی کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف دارد. این نوع فولاد به دلیل داشتن درصد بالایی از کربن و درصد کمی از دیگر آلیاژها مورد استفاده بسیاری از صنایع قرار می‌گیرد. فولاد کربنی بسته به میزان کربنی که در آن به کار رفته، قابلیت‌های گوناگونی دارد.
به عنوان مثال فولاد کم‌کربن برای ساخت قطعات مهندسی و ابزارآلات مخصوص به آن، صنعت برق و مواردی که نیازمند هدایت مغناطیسی هستند، فولاد کربن(carbon steel) متوسط برای ساخت قطعات ریل و صنعت راه‌آهن، ساخت کشتی و حمل و نقل و فولاد پرکربن برای ساخت قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند، استفاده می‌شوند.
بیشتر بدانید: فولاد آلیاژی و انواع آن
فولاد کربنی، محصولی کاربرد در صنایع مختلف
فولادهای کربنی طیف وسیعی از محصولات فولادی را دربرمی‌گیرند و به عنوان یکی از گروه‌های مهم استیل در صنعت شناخته می‌شوند. فولاد ساده کربنی یکی دیگر از محصولات فولادی است که در صنایع مختلف حضور دارد و باعث رشد و پیشرفت در زمینه‌های بسیاری، مخصوصا ساخت ماشین‌آلات و ابزار شده است.
در این مقاله فولاد کربنی و انواع آن را به شما معرفی کردیم و خصوصیات و ویژگی‌های مختلف آن را در کنار استانداردهای لازم برای نامگذاری آن بیان کردیم. امیدواریم که این مطلب مورد استفاده شما قرار گرفته باشد و اگر اطلاعات بیشتری در زمینه فولاد ساده کربنی دارید که در این مقاله به آن پرداخته نشد، خوشحال می‌شویم که در بخش نظرات برای ما بنویسید.
