فولاد آلیاژی و انواع آن

فولاد یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مواد مهندسی در جهان است که در ساخت‌وساز، خودروسازی، صنایع نفت و گاز، تولید ابزار و بسیاری از تجهیزات صنعتی نقش اساسی دارد. این فلز در واقع نوعی آلیاژ است که پایه اصلی آن را آهن تشکیل می‌دهد و با افزودن مقدار مشخصی کربن، خواص مکانیکی آن بهبود پیدا می‌کند.

با پیشرفت علم متالورژی مشخص شد که تنها با تغییر میزان کربن یا افزودن عناصری مانند کروم، نیکل، منگنز و مولیبدن می‌توان فولادهایی با استحکام، سختی، مقاومت دربرابر خوردگی یا تحمل حرارتی بیشتری تولید کرد. این گروه از محصولات با عنوان فولاد آلیاژی شناخته می‌شوند. فولاد آلیاژی به‌دلیل تنوع زیاد در ترکیب شیمیایی و خواص فنی، در صنایع مختلف کاربردی گسترده‌ دارد. در ادامه این مقاله بررسی می‌کنیم فولاد آلیاژی چیست، چه عناصری در تولید آن استفاده می‌شود و مهم‌ترین انواع و کاربردهای آن کدامند؟

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 یکی از پرکاربردترین آلیاژها در جهان است که از ترکیب آهن و کربن به دست می‌آید. آنچه این ماده را تا این اندازه محبوب کرده، ترکیبی از ویژگی‌های کلیدی مانند استحکام بالا، قیمت مقرون‌به‌صرفه، فراوانی منابع اولیه و سهولت در فرآیند تولید است. به همین دلایل، فولاد تقریباً در تمام صنایع نقشی حیاتی ایفا می‌کند.

یکی از جذاب‌ترین خصوصیات فولاد، قابلیت آلیاژسازی آن است. یعنی می‌توان با افزودن عناصر مختلف، خواص مکانیکی و شیمیایی آن را تغییر داد. در فرآیند ذوب و تولید فولاد، عناصر متعددی به ترکیب اصلی افزوده می‌شود تا عملکرد آن بهینه شود. از میان این عناصر، کربن مهم‌ترین نقش را دارد؛ چرا که میزان آن، به‌طور مستقیم بر سختی، مقاومت و انعطاف‌پذیری فولاد اثر می‌گذارد. هرچه درصد کربن افزایش یابد، فولاد سخت‌تر و شکننده‌تر شده و جوش‌پذیری آن کاهش می‌یابد. از این رو، تنظیم دقیق مقدار کربن در تولید فولاد ضروری است تا تعادل مناسبی میان سختی و قابلیت جوشکاری حاصل شود.

در تولید فولاد آلیاژی، علاوه بر کربن، از عناصری مانند کروم، منگنز، وانادیوم، بور، سیلیسیم، تنگستن و... نیز استفاده می‌شود. هرکدام از این عناصر، ویژگی خاصی را به فولاد اضافه می‌کنند و در نتیجه، نوعی خاص از فولاد آلیاژی با عملکرد و کاربرد متفاوت به‌وجود می‌آید. به بیان ساده، فولاد آلیاژی به فولادی گفته می‌شود که در ترکیب خود، علاوه بر کربن، شامل یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر نیز باشد.

با وجود مزایای فراوان، فولادهای آلیاژی چند محدودیت هم دارند. از جمله:

• جوش‌پذیری پایین‌تر
• شکل‌پذیری کمتر
• کاهش قابلیت ماشین‌کاری و تراش

همین محدودیت‌ها باعث می‌شود که از فولاد آلیاژی بیشتر در صنایعی استفاده شود که نیاز کمتری به فرآیندهایی مانند جوشکاری دارند. در ادامه، جدولی ارائه شده است که میزان درصد وزنی برخی از عناصر آلیاژی و تأثیر هرکدام را در ساختار فولاد نشان می‌دهد.

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

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. 

فولاد کم‌آلیاژ براساس نوع و درصد عناصر به‌کاررفته در ترکیب آن، در گریدهای مختلفی تولید می‌شود که در ادامه با مهم‌ترین انواع آن آشنا می‌شویم. هر گرید از نظر استحکام، سختی، جوش‌پذیری و کاربرد، ویژگی‌های متفاوتی دارد.

• 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.

• فولاد کم‌آلیاژ کروم_مولیبدن

این سری فولاد کم‌آلیاژ حاوی مقدار کروم ۰.۵ تا ۹ درصد و مولیبدن ۰.۵ تا ۱ درصد است. محتوای کم‌کربن در این آلیاژ باعث افزایش قابلیت جوشکاری و سخت‌کاری فولاد کروم-مولیبدن می‌شود. همچنین، افزایش مقدار مولیبدن در ترکیب آلیاژ، مقاومت کششی فولاد را بهبود می‌بخشد. سال‌های زیادی است که در صنعت فولاد از عنصر مولیبدن (Mo) برای تولید فولادهای مقاوم در برابر خزش استفاده می‌شود؛ به‌طوری‌که این عنصر می‌تواند تحمل دمایی فولاد را تا حدود ۵۳۰ درجه سانتی‌گراد افزایش دهد. علاوه‌براین، مولیبدن از تشکیل کاربیدها در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. وجود این ویژگی‌ها موجب شده است فولادهای کروم-مولیبدن در ساخت تجهیزات نیروگاه‌های حرارتی، پالایشگاه‌ها و صنایع پتروشیمی کاربرد گسترده‌ای داشته باشند.

امروزه بخشی از انواع ورق مورد استفاده در صنایع سنگین و تجهیزات تحت فشار نیز از فولادهای کروم-مولیبدن تولید می‌شوند؛ زیرا این آلیاژها مقاومت بالایی در برابر حرارت، خزش و خوردگی دارند. ترکیب مولیبدن با کروم و تولید فولاد کرومولی، ویژگی منحصربه‌فردی را به این فولاد بخشیده است که در بسیاری از فولادهای دیگر کمتر مشاهده می‌شود. فولاد کم‌آلیاژ کروم-مولیبدن مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارد؛ به‌طوری‌که حضور کروم، نفوذپذیری فولاد را کاهش داده و مقاومت آن را در برابر خوردگی، به‌ویژه خوردگی ناشی از ترکیبات گوگردی، افزایش می‌دهد.

مقاومت بالای CrMo در برابر خوردگی نشان می‌دهد که این آلیاژ گزینه مناسبی برای شرایطی است که فولادهای کربنی توان تحمل محیط‌های خورنده را ندارند. به همین دلیل، استفاده از این فولاد در محیط‌های خاص مانند نیروگاه‌های حرارتی با دمای بیش از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و پالایشگاه‌های پتروشیمی توصیه می‌شود. از آنجاکه خانواده فولادهای کروم-مولیبدن شامل گریدهای متنوعی است، در ادامه تنها یکی از پرکاربردترین آلیاژهای این گروه را بررسی می‌کنیم.

• فولاد آلیاژی Mo40

این فولاد کم‌آلیاژ مولیبدن کرومی، در استاندارد AISI با شماره Steel 4140 شناخته می‌شود.این فولاد دارای خواص فوق‌العاده‌ای دربرابر 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 دربرابر 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 به‌دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، در محیط‌های آبی و همچنین تجهیزات در تماس با گازها و مایعات با دمای بیش از ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد کاربرد گسترده‌ای دارند. میزان عناصر آلیاژی در ترکیب این فولادها بیش از ۸ درصد است و همین موضوع خواص مکانیکی آن‌ها را به‌طور قابل‌توجهی تغییر می‌دهد. برای درک بهتر تأثیر فرایندهای گرمایی بر سختی و استحکام این گریدها، ابتدا باید بدانیم عملیات حرارتی چیست و چگونه می‌تواند ویژگی‌های فولاد را متناسب با کاربرد موردنظر تغییر دهد. البته در گریدهایی که میزان عناصر آلیاژی مانند نیکل و کروم در آن‌ها بیشتر از ۲۰ و ۳۰ درصد است، تغییر خواص مکانیکی بیشتر به ترکیب شیمیایی و مقدار عناصر موجود در فولاد وابسته خواهد بود و عملیات حرارتی تأثیر کمتری بر آن دارد.

برای شناسایی فولاد پرآلیاژ باید به میزان عناصر موجود در ساختار آن توجه کرد؛ زیرا زمانی که مقدار عناصر آلیاژی بیش از ۸ درصد باشد، فولاد در دسته پرآلیاژ قرار می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین انواع فولاد پرآلیاژ، فولاد زنگ‌نزن است که بخش زیادی از ترکیب آن را عنصر کروم تشکیل می‌دهد. همچنین، باتوجه‌به ارزش بالای عناصر آلیاژی به‌کاررفته در این محصولات، بررسی قیمت آهن و عوامل مؤثر بر آن می‌تواند در برآورد هزینه خرید و انتخاب گرید مناسب فولادهای پرآلیاژ اهمیت زیادی داشته باشد. در ادامه انواع فولاد پرآلیاژ را بررسی می‌کنیم:

• 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.

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 تولید کننده فولاد نسبت به تولید انواع مقاطع فولادی فعالیت می کنند.

چشم‌انداز تولید فولاد آلیاژی در ایران

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.