فولاد آلیاژی و انواع آن

فولاد یکی از پرکاربردترین فلزات در سطح جهانی است. برای مردم فولاد همیشه به منزله شمشیر بران در دوران گذشته و ستون‌های فلزی در پل‌های شهری بوده است، اما حقیقت آن است که فولاد نیز خود، یک نوع آلیاژ است. آلیاژی که از ترکیب آهن و کربن به دست می‌آید. 
گذر سال‌ها و پیشرفت تکنولوژی دانشمندان را به این نتیجه رساند که با کم‌ و زیاد کردن کربن، در زمان ذوب سنگ ‌آهن، می‌توان به فولادی سخت‌تر و قابل‌انعطاف‌تر دست پیدا کرد. کشف عناصری چون نیکل و کروم و ترکیب با آن با آهن و کربن امکان تولید فولاد زنگ‌نزن را به وجود آورد. خیلی زود مهندسان مواد متوجه شدند، امکان تولید دیگری از فولاد را دارند که به آن فولاد آلیاژی می‌گفتند. 
فولاد آلیاژی یکی از انواع فولاد است؛ این نوع از فولاد که به آن Alloy Steel گفته می‌شود، خانواده بزرگی از تولیدات فولادی را امکان‌پذیر کرده است. در این مقاله درباره این گروه از فلزات بیشتر آشنا خواهیم شد و درباره کاربرد و نوع ترکیب بیشتر خواهیم آموخت.

فولاد آلیاژی شاخه‌ای از فولاد بوده که علاوه بر کربن با عناصر دیگری ترکیب شده و نسبت به نوع کربنی، معمولا در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند.

فولاد آلیاژی چیست؟

فولاد آلیاژی شاخه‌ای از فولاد بوده که علاوه بر کربن با عناصر دیگری مانند منگنز، نیکل، کروم، مولیبدن، وانادیم، سیلسیوم و بور ترکیب شده و وزن این عناصر در ترکیب از ۱ تا ۵ درصد متغیر است. از عناصری که کمتر رایج هستند، می‌توان به آلومینیوم، کبالت، مس، سریم، نیوبیوم، تیتانیوم، تنگستن، قلع، روی، سرب و زیرکونیوم اشاره کرد. محصولات تولید شده از این مواد مانند لوله مسی، نیز به تنهایی خاصیت ضد خورندگی دارند.
وجود این مواد اضافی در آلیاژ فولاد باعث خواص مکانیکی متفاوتی می‌شود. فولادهای آلیاژشده معمولا نسبت به فولادهای کربنی در برابر نیروهای مکانیکی و حرارتی مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند.

در کنار مزایا آلیاژ فولادی دارای معایبی نیز بوده که عبارت است از:

• قابلیت جوشکاری کمتر
• شکل‌پذیری کمتر
• قابلیت تراش کمتر

این سه عیب موجب می‌شود از آلیاژ فولادی در صنایعی استفاده شود که نیاز کمتری به جوشکاری دارد. جدول زیر درصد وزنی بعضی از عناصر در آلیاژهای فولادی را نوشته و تاثیر آن عنصر را در ترکیب ساختمانی فولاد بیان کرده است.

انواع فولاد آلیاژی

همانطور که اشاره کردیم، فولادهای آلیاژی نوع دیگری از طبقه‌بندی فولادها هستند که بر اساس مقدار عناصر در ترکیب شیمیایی فولاد انجام می‌شود. فولادهای آلیاژی ارزان‌تر از دیگر فولادها تولید شده و بسته به درصد عناصر به دو گروه زیر تقسیم می‌شود:

• فولاد کم‌آلیاژ
• فولاد پرآلیاژ

هدف از آلیاژ فولادی وجود مواد اولیه‌ای است که در برابر خوردگی و نیروهای مکانیکی مقاومت بیشتری داشته باشد. در این نوع از فولاد عناصری مانند آلومینیوم، مس، سیلیسیوم، نیکل و کروم به کربن و آهن اضافه خواهد شد. 
هر کدام از این عناصر موجب یک ترکیب ویژه و یک کاربرد خاص خواهد شد. به طور مثال وجود سیلیسیم در ترکیب فولاد موجب تشکیل فولادهای تریپ می‌شود. فولاد تریپ در صنایع اتومیبل‌سازی کاربرد دارد. 
وجود تنگستن و کبالت موجب می‌شود فولاد آلیاژی در گروه فولاد ابزار نیز استفاده شود. ترکیب آهن و کربن با آلومینیوم باعث تشکیل فولاد ساختمانی خواهد شد که به عنوان مصالح ساختمانی از آن استفاده می‌شود. به این ترتیب عناصر مختلف باعث تولید شکل خاصی از فولاد خواهد شد. همان‌طور که قبل‌تر نیز عنوان شد فولاد آلیاژی به دو گروه مختلف تقسیم می‌شوند که با این دو گروه آشنا می‌شویم. برای خرید یا اقدام به خرید کلیه مقاطع فولادی لازم است تا از آخرین قیمت آهن مطلع شوید.

فولادهای کم‌آلیاژ

فولادهای کم‌آلیاژ مانند فولادهای کم‌کربن دارای ساختار فریتی هستند و از گرید آستنیتی متمایز می‌شوند. آن‌ها دارای محتوای آلیاژی کمی هستند. ریزساختار این نوع از فولاد کاملا متنوع است و محدود به فریت نمی‌شود. فولادهای کم‌آلیاژ با افزودن کروم، مولیبدون و دربعضی موارد نیکل از دیگر فولادهای آلیاژی متمایز می‌شوند. این عناصر در غلظت‌های بسیار کم به فولاد اضافه می‌شوند که مقدار آن از 5 درصد گفته شده، کمتر است. فولادهای کم‌آلیاژ به گروه‌های زیر تقسیم می‌شوند.

• فولادهای کم‌آلیاژ پراستحکام

High Strength Low Alloy که به فولاد HSLA نیز معروف است، در زبان فارسی با عنوان فولاد کم‌آلیاژ پر استحکام از آن یاد می‌شود. این نوع از فولاد دارای آلیاژهای وانادیوم، کلمبیم و تیتانیوم است و به دلیل استحکام بالای این فولاد، تولید قطعات ظریف که نیاز به استحکام بالا است، با این فولاد انجام می‌شود. طبق استاندارد ASTM آمریکا جدول ترکیب فولاد کم‌آلیاژ پراستحکام به قرار زیر است.

خطوط تیره در جدول فوق به نشانه عدم وجود عنصر در آن نوع از فولاد است.

• فولاد کم‌آلیاژ کروم_مولیبدن

این سری فولاد کم‌آلیاژ حاوی مقدار کروم ۰/۵ تا نه درصد و مولیبدن نیز ۰/۵ تا یک درصد است. محتوای کم‌کربن در این آلیاژ باعث بالا رفتن قابلیت جوشکاری و سخت‌کارشدن فولاد کروم مولیبدن می‌شود. همچنین مقدار بیشتر مولیبدن در آلیاژ مقاومت در برابر کشش را افزایش می‌دهد.
سال‌های زیادی است که در صنعت فولاد از عنصر Mo برای تولید فولاد مقاوم در برابر خزش استفاده شده که موجب می‌شود تحمل دمایی فولاد تا ۵۳۰ درجه بالا برود. همچنین مولیبدن از تشکیل کاربیدها در دمای بالا جلوگیری می‌کند. وجود همین دو ویژگی، تناسب دمای بالا و مقاومت در برابر خزش باعث شده است که از فولاد مولیبدن در ساخت نیروگاه‌های حرارتی و پتروشیمی استفاده شود. 
ترکیب مولیبدن با کروم و تولید فولاد کروملی یک ویژگی خاص به این فولاد داد که در دیگر فولادها کمتر شاهد آن هستیم. فولاد کم‌آلیاژ کروم_مولیبدن دارای مقاومت بسیار بالا در برابر خوردگی دارد؛ کروم موجب می‌شود فولاد دارای نفوذناپذیری بسیار بالایی شود که باعث مقاومت در برابر خوردگی به‌خصوص خوردگی در برابر گوگرد می‌شود. 
مقاومت در برابر خوردگی CrMo این واقعیت را بیان می‌کند که زمانی از این آلیاژ استفاده می‌کنیم که کربن موجود در فولاد توان مقابله با خوردگی را ندارد و بهتر است در مراکز خاص مثل نیروگاه‌های حرارتی با دمای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد یا در پالایشگاه‌های پتروشیمی از آن استفاده شود. از آنجا که در گروه کرومولی تعداد آلیاژها بسیار زیاد است تنها یک نمونه از آلیاژهای این خانواده را بررسی میکنیم.

Mo40

این فولاد کم‌آلیاژ مولیبدن کرومی، در استاندارد AISI با شماره Steel 4140 شناخته می‌شود.این فولاد دارای خواص فوق‌العاده‌ای در برابر نیروی مکانیکی است و مقاومت بسیار خوبی در برابر تنش‌ها از خود نشان می‌دهد، برای همین در ساخت تیر، ستون و چرخ‌دنده‌ از آن استفاده می‌شود.

وجود کروم در این فولاد موجب شده تا سرد شدن در دمای اتاق صورت گیرد و نیاز به روغن نداشته باشد که مقاومت در برابر خوردگی را بالا می‌برد. مقاومت در برابر سایش و برش نیز به دلیل وجود حداکثری کروم در ترکیب آلیاژ است. 
ماکزیمم عنصز سیلیسیم در ترکیب باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کند و ماکزیمم مقدار منگنز باعث افزایش مقاومت در برابر سایش می‌شود.

یکی از بیشترین استفاده‌ها از فولاد کم‌آلیاژ Mo40 ساخت میلگرد در قطر ۱۰mm تا ۱۰۰۰mm است. از دیگر کاربردهای این فولاد استفاده در نیروگاه‌های حرارتی که دما بالای ۵۸۰ درجه سانتی‌گراد بوده است. ساخت تیر، سنگ‌شکن‌های معدنی، میله‌های اتصال، غلتک‌های صنایع سیمان و فولاد از دیگر کاربردهای این آلیاژ است.

• فولاد نیکل_مولیبدن

نوع دیگری از فولاد کم‌آلیاژ فولاد نیکل_مولیبدن است. این فولاد در دمای پایین مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد، اما چقرمگی و شکنندگی بالایی از خود خواهد داشت. برای این ‌که فولادی داشته باشیم که در دمای پایین مقاومت خوبی از خود نشان دهد، لازم است مقدار نیکل را از 2 درصد به 5/3 درصد در ترکیب وزنی افزایش دهیم. 
در استاندارد ASTM این نوع از فولاد با سری FL نمایش داده می‌شود. برای درک بیشتر از ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی این فولاد مشخصات چند آلیاژ پرکاربرد را بیان می‌کنیم.

کاربرد این نوع از آلیاژ در بسته‌بندی‌های مواد دارویی و مواد کشاورزی خاص است. این نوع از آلیاژ به صورت پودر فروخته شده و کمتر به شکل ورق در بازار دیده می‌شود.

• فولاد هوازده

اصولا دو روش برای جلوگیری از زنگ‌زدگی در فولاد وجود دارد. یکی استفاده از پوشش‌های زنگ‌نزن مثل رنگ، آبکاری و پوشش سرامیکی و هر نوع ماده ضدخوردگی که از خوردگی جلوگیری کند.
روش دیگر استفاده از عناصری ضدخوردگی مانند کروم، نیکل، فسفر و مس است. استفاده از این عناصر با مقدار کربن متوسط می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی را بالا برده و فولاد را برای سالیان سال به فولاد زنگ‌نزن تبدیل کند.
این نوع از فولاد یک ویژگی خاص دارد و آن زنگ‌زدگی است که خود تبدیل به یک لایه زنگ‌نزن می‌شود. قرارگیری فولاد در برابر هوا موجب تبدیل یک لایه اکسید‌آهن و تغییر رنگ می‌شود که این اکسیداسیون خود به لایه درونی فولاد تبدیل شده و از خوردگی جلوگیری میکند. دو فولاد ASTM A242 و ASTM A588 از جمله فولادهای هوازده بوده که در ستون‌های ساختمانی از آن استفاده می‌شود.

فولاد پرآلیاژ

فولادهای پرآلیاژ به طور گسترده‌ای برای مقاومت در برابر خوردگی در محیط‌های آبی و در محیط‌هایی که از گاز و مایعات با دمای بالای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود. این آلیاژهای فولادی در ترکیب ساختمانی خود بیش از ۸ درصد دیگر عناصر را داشته و همین موجب تغییرات مکانیکی در آن‌ها می‌شود. 
خصوصیات مکانیکی این گریدها با عملیات حرارتی تفاوت خواهد کرد. البته در گریدهایی که آلیاژ نیکل و کروم بیشتر از ۲۰ و ۳۰ درصد است، تغییر خصوصیت مکانیکی به عملیات حرارتی بستگی نداشته و بسته به ترکیب و مقدار عناصر خصوصیات مکانیکی آن‌ها متفاوت خواهد بود. 
برای این ‌که فولاد پرآلیاژ شناسایی شود باید به این نکته توجه داشت که میزان عناصر در ساختار فولاد بیش از ۸ درصد است. یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین نوع فولاد پرآلیاژ فولاد زنگ‌نزن است که شامل فولادهای کروم‌دار است.

• فولادهای آلیاژی کروم‌دار

وجود بیش از 13 درصد کروم در ترکیب فولاد موجب زنگ‌نزن شدن فولاد می‌شود. فولاد کروم‌دار با مقدار بالا مقاومت بیشتری در برابر خوردگی نسبت آلیاژ فولاد کربن‌ ساده خواهد داشت. مجموع مقدار کروم و نیکل در این نوع فولاد باید بیشتر از ۲۰ درصد باشد. از جمله فولادهای پرکاربرد این گروه فولاد آلیاژی ۳۱۶ است. از این فولاد در مخازن شیمیایی و تولید لوله جهت سیستم‌های لوله‌کشی استفاده می‌شود.

یکی دیگر از آلیاژهای پرکاربرد در گروه آلیاژ کروم‌دار، فولاد SPK است. برای آشنایی بیشتر شما با این آلیاژ پرکاربرد شرح بیشتری برای شما می‌نویسیم:

• فولاد SPK

این فولاد آلیاژی به 2080 Steel معروف بوده و با نماد X210Cr12 نمایش داده می‌شود. به دلیل حجم بالای کاربیدهای سخت‌شونده در ماتریس فولاد، مقاومت ابعادی، فشاری و پایداری بسیار بالا است. ضمن اینکه به‌ دلیل وجود کروم بالا، 12 درصد، مقاومت در برابر سایش این فولاد نیز بسیار زیاد است. 
روش تولید این فولاد به سه روش کوره ‌بلند، کوره باز و احیای مستقیم است. فولادهای آلیاژی SPK به سه گروه، نوع O (سخت‌شونده در روغن)، نوع A (سخت‌شونده در هوا) و نوع D که پرکاربردترین نوع فولاد بوده که دارای کروم و مقدار زیادی کربن است، تقسیم می‌شوند.

در صورتی که در ترکیب این آلیاژ از وانادیم، نیکل، مولیبدون، تنگستن استفاده شود، فولاد آموتیت به دست خواهد آمد. آموتیت علاوه بر ویژگی‌های فولاد SPK، دارای ویژگی‌های مخصوص به ‌خود بوده که به ضدسایش بودن آن مهم‌ترین ویژگی است. فولاد آموتیت دارای درصد کمتری از کروم و کربن است.

کاربرد فولاد SPK

• تجهیزات خان‌کشی (broaching)
• قالب پانج و پولک‌زنی
• شکل‌دهی سرد فلزات
• قالب کشش سرد و گرم
• ساخت تیغه برش
• قالب‌ شکل‌دهی سرامیک
• خط تولید پروفیل

تفاوت فولاد آلیاژی و غیرآلیاژی چیست؟

در گروه‌بندی بزرگ‌تر فولادها یعنی در مرحله اول درختی دو نوع فولاد آلیاژی و فولاد غیرآلیاژی وجود دارد. این دو نوع فولاد در موارد زیر با هم تفاوت دارند:

• گستره کاربری فولاد آلیاژی بسیار بیشتر از فولاد غیرآلیاژی است. فولادهای آلیاژی از آشپزخانه‌ها تا شاتل‌های فضایی امکان کاربری دارند؛ اما فولاد غیرآلیاژی کاربری محدودی داشته و بیشتر در صنعت ساختمان‌سازی از آن استفاده می‌شود.
• فولاد آلیاژی تنوع بسیار زیادی داشته و امکان تولید جدید با ترکیب خلاقانه‌تر ممکن است؛ اما در فولاد غیرآلیاژی دست مهندسین مواد بسته است و تنها با کم ‌و زیاد کردن کربن امکان تولید فولاد دارند.
• فولاد آلیاژی از واردکردن عناصر به ترکیب فولاد در زمان ذوب ایجاد می‌شود؛ اما فولاد غیرآلیاژی تنها با ترکیب کربن و آهن ایجاد می‌شود. در فولاد آلیاژی مقدار کربن بسیار ناچیز است درحالی‌که در فولاد غیرآلیاژی مقدار کربن حداقل ۲۰ درصد است.
• فولاد آلیاژی خاصیت مقاومت به خوردگی دارد، اما فولاد غیرآلیاژی به راحتی با اکسیژن ترکیب شده و ایجاد اکسید آهن می‌کند.
• نوع پیشرفته‌تر فولاد آلیاژی، فولاد سوپرآلیاژی است. فولادهای سوپرآلیاژی در برابر بیش از یک سوم حرارت نقطه ذوب خود مقاوم هستند. این نوع از سوپرآلیاژها برای ساخت توربین‌های حرارتی ساخته می‌شوند. در حالی‌که در فولاد غیرآلیاژی تولید سوپرآلیاژ وجود ندارد.

فولادهای ساختمانی آلیاژی

یکی از موارد کاربرد فولادها استفاده در ساختمان‌ها به‌عنوان مصالح ساختمانی است. فولادهای ساختمانی که به فولادهای نرمه نیز معروف هستند. به دو شکل کربنی و آلیاژی در بازار وجود دارد. فولادهای کربنی، از گروه ساده ‌کربن هستند که میزان کربن آن حدود ۳ درصد است. نوع دیگری از فولادهای ساختمانی فولادهای آلیاژی است؛ این نوع از فولاد که به دلیل ترکیب با دیگر عناصر خصوصیت فیزیکی آن‌ها بهبودیافته و کاربرد بیشتری در صنعت و ساختمان دارند. 
فولادهای ساختمانی آلیاژی معمولا جز فولادهای HSLA هستند، فولادهای مقاوم، اما با آلیاژ کم که خاصیت چقرمگی و ضدخوردگی دارند. 
این فولادها در کشورهای مختلف با استانداردهای متفاوت شناسایی می‌شوند. در کشور ایران رایج‌ترین استاندارد، استاندارد آلمان است که با DIN 17006 نام‌گذاری فولاد انجام می‌شود. ST کدی است که برای فولادها به کار می‌رود. از جمله معروف‌ترین و پرکاربردترین فولادها عبارت است از:

• ST37-2
• ST37-3
• ST44-2
• ST44-3

استاندارد دیگری که در فولادهای ساختمانی کاربرد زیادی دارد استاندارد آمریکایی یا ASTM است. در این استاندارد فولادها با کد A نمایش داده می‌شود و عددهای بعدی صرفا به کارآمدی و نوع کاربری ورق فولادی است که برای مهندسان و طراحان صنعتی استفاده می‌شود. 
فولادهای زیر از نوع فولادهای آلیاژی HSLA هستند که در ساختمان‌سازی کاربرد دارند.

• A441
• A572
• A618
• A992
• A913
• A588

گفتنی است که فولادهای ساختمانی آلیاژی به دو شکل در بازار دیده می‌شوند.

• فولادهای فرگوته
• فولادهای آنیل‌شده

فرگوته و آنیلینگ دو نوع عملیات حرارتی متفاوت است که بسته به نوع کاربری فولاد، روش تولید متفاوتی خواهد داشت. 
فرگوته که به آن سخت‌کاری نیز گفته می‌شود، روشی است که در آن فولاد بیشتر از دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند. بیشترین نوع فولاد که با این روش تولید می‌شود، فولادهای ابزار سردکاری است که باید در ماشین‌کاری از آن استفاده شود و فولاد باید علاوه بر تغییر شکل، مقاومت مکانیکی خوبی نیز داشته باشد.
در روش فرگوته فولاد معمولا تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود. بعد از آنکه فولاد حرارت داده شد، مواد مذاب در روغن، آب و یا در مجاورت دمای محیط خنک (کونچ) می‌شود.
آنیلینگ نوع دیگری از عملیات حرارتی است که در آن فولادهایی که در حین کار دچار تنش‌های پس‌ماند شده‌اند، مجددا بازپخت یا آنیل‌کاری می‌شوند. این عملیات روی فولادهایی انجام می‌شود که در حین ماشین‌کاری، ریخته‌گری یا آهنگری دچار تنش مقاومتی شده‌اند.

کارخانه‌های تولید فولاد آلیاژی

در دنیای امروز موارد استفاده از فولاد پیشرفت زیادی داشته است، به همین سبب شاهد تغییرات متعددی در فرایند تولید فولاد هستیم. هدف بزرگترین کارخانه های تولیدکننده فولاد در دنیا افزایش بهره وری از سوخت های ارزان تر با در نظر گرفتن موقعیت جغرافیایی خود هستند. تعداد زیادی از کارخانه های فولادی ایران نسبت به تولید انواع مقاطع فولادی فعالیت می کنند.

سخن پایانی

تولید فولاد آلیاژی امروزه در بسیاری از کشورهای جهان رشد چشمگیری داشته است. شکل‌پذیری، مقاومت بالا در برابر خوردگی و استحکام خوب موجب شده است تا فولاد آلیاژی نسبت به دیگر نوع فولادها بیشتر تولید شود. متاسفانه در کشور ما هنوز آن‌قدر پیشرفت در صنعت فولاد به وجود نیامده است که بتوان همه نوع فولادها را تولید کرد. اما شرکت‌های فولادی ایران امروزه گروهی از این فولادهای آلیاژی را تولید می‌کنند، به‌خصوص فولادهای آلیاژی ساختمانی که کشور را از واردات این بخش از مصالح ساختمانی بی‌نیاز کرده است. البته فرصت نشد تا در این مقاله وارد مباحث اقتصادی فولادهای آلیاژی شویم، لذا چنانچه شما از محصولات آلیاژی شرکت‌های ایرانی اطلاع دارید برای ما از این محصولات بنویسید. 
بی‌شک با رشد تکنولوژی در ایران و سرمایه‌گذاری بخش خصوصی شاهد آن خواهیم بود که تولیدات فولاد آلیاژی نیز در کشور بیش از همیشه خواهد بود. برای این اتفاق باید ابتدا تحریم‌ها برداشته شده و علاوه بر سرمایه‌گذاران داخلی، بخش خارجی نیز وارد این عرصه شود.