فولاد VCN، فولادی با خاصیت مقاومت حرارتی بالا

در مقابل فولادهای عملیات حرارتی‌ناپذیر، گروه بزرگی از فولادها به نام فولادهای عملیات حرارتی‌پذیر وجود دارد که ترکیب شیمیایی آن‌ها دارای حداقل 25/0 درصد کربن است. اعمال سیکل گرم و سرد شدن در عملیات حرارتی این گروه از فولادها، بر عکس فولادهای عملیات حرارتی‌ناپذیر منجر به تغییر ترکیب شیمیایی نمی‌شود؛ بلکه این عملیات باعث تغییرات فازی و تغییرات عمده در خواص مکانیکی آن‌ها مانند استحکام، شکل‌پذیری، مقاومت به ضربه و قابلیت ماشین‌کاری می‌شود. حضور کربن با درصد متوسط در ترکیب این آلیاژها منجر به ایجاد خواص کاربردی و مهمی شده است. 
مهم‎‌ترین ویژگی این گروه از فولادها، همان‌طور که از نام آن پیداست، قابلیت عملیات حرارتی در آن‌ها است. به این مفهوم که می‌توان با انجام عملیات حرارتی، سختی آن‌ها را افزایش داد. سختی و استحکام این فولادها با انجام عملیات سخت‌کاری افزایش می‌یابد. افزایش سختی سطحی این فولاد به افزایش قابلیت ماشین‌کاری آن‌ها کمک بزرگی می‌کند. به همین دلیل این گروه از فولادها دارای بیشترین کاربرد در ساخت قطعاتی هستند که نیازمند عملیات ماشین‌کاری است (مانند ماشین‌آلات صنعتی و صنایع خودرو). 
دسته‌ای از فولادهای عملیات حرارتی‌پذیر که ترکیب شیمیایی آن‌ها دارای عناصر کروم و مولیبدن باشد، از قابلیت سختی‌پذیری بسیار بالایی برخوردار می‌شوند. این دسته از فولادها تحت بارگذاری‌های شدید پیچش، کشش و خمش مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند. کروم، نیکل، وانادیوم و مولیبدن از اصلی‌ترین عناصر موجود در ترکیب شیمیایی فولادهای عملیات حرارتی‌پذیر هستند. انواع مشهور و پرکاربرد این دسته از فولادها شامل CK22، CK45، CK35، Mo25، MO40، VCN100، VCN150، VCN200 و 51Crv4 هستند. در این مقاله از آهن‌آنلاین به بررسی مشخصات، کاربردها و انواع فولاد VCN می‌پردازیم. برای آنکه از تفاوت‌های هر یک از انواع این فولاد آگاه شوید، با ما همراه شوید.

مهم‌ترین مشخصه فولاد VCN مانند دیگر آلیاژهای گروه فولادهای عملیات حرارتی‌پذیر، در قابلیت بالای مقاومت حرارتی آن است.  این دسته از فولادها با عملیات حرارتی مختلف مانند سخت‌کاری و آب‌دهی، به استحکام کششی و تسلیم بالاتر دست یافته و مناسب برای استفاده در تولید قطعات با سطح مقطع بزرگ و تحت بار و تنش‌های شدید می‌شوند.

مشخصات فولاد VCN چیست؟

نام این فولاد از سرواژه‌های عبارت Vanadium Carbide Nitride گرفته شده است. فولاد VCN با نام فولاد 4340 نیز شناخته می‌شود. قیمت میلگرد فولادی VCN به نوع آلیاژ آن، سیکل عملیات حرارتی انجام شده و روش تولید آن وابسته است. نام‌گذاری این فولاد به شکل VCN برای اولین بار توسط شرکت بوهلر انجام شد که امروزه نیز به همین نام شناخته می‌شود. ترکیب شیمیایی انواع مختلف فولاد VCN دارای عناصر آلیاژی کربن، نیکل، وانادیوم، مولیبدن، سیلیسیوم و کروم هستند.
در همه انواع فولاد VCN، عنصر سیلیسوم به میزانی کمتر از 0/4 درصد، منگنز در بازه 0/5 تا 0/8 درصد و گوگرد به میزان 0/035 درصد حضور دارد. همان‌طور که می‌دانیم، این فولاد نوع خاصی از گروه بزرگ فولادهای کم آلیاژ و کربن متوسط بوده و حضور عنصر کربن و کروم در ترکیب این فولاد آلیاژی باعث افزایش استحکام آن شده است. علاوه بر این عنصر آلیاژی مولیبدن نیز در دمای بالا تشکیل کاربید در مرزدانه‌ها داده و باعث ریزدانه شدن فولاد و در نتیجه افزایش قابل توجه استحکام و مقاومت به خزش در فولاد می‌شود.
تاثیر منحصربه‌فرد دیگری که عنصر مولیبدن بر خواص فولاد VCN دارد، در افزایش چقرمگی آن است. بنابراین در خواص فیزیکی این فولاد شاهد آن هستیم که فولاد با وجود دارا بودن استحکام بالا، از مقاومت ضربه بالایی نیز برخوردار است. تا جایی که این فولاد در شرایط آنیل شده امکان شکل‌پذیری و خم‌شدن را نیز داراست. وجود این خاصیت در کنار استحکام بالا در فلزات پدیده‌ای کم‌نظیر است؛ زیرا این دو ویژگی با یکدیگر رابطه معکوس دارند.
مهم‌ترین مشخصه فولاد VCN مانند دیگر آلیاژهای گروه فولادهای عملیات حرارتی‌پذیر، در قابلیت بالای مقاومت حرارتی آن است. خواص مهم دیگر این فولاد قابلیت بالای ماشین‌کاری، مقاومت در برابر نیروهای خمشی، پیچشی و کششی، انعطاف‌پذیری بالا، مقاومت به شکست و ضربه و همچنین مقاومت سایشی مطلوب است. این دسته از فولادها با عملیات حرارتی مختلف مانند سخت‌کاری و آب‌دهی، به استحکام کششی و تسلیم بالاتر دست یافته و مناسب برای استفاده در تولید قطعات با سطح مقطع بزرگ و تحت بار و تنش‌های شدید می‌شوند. فولاد VCN از خواص فورجینگ (چکش‌خواری) مطلوبی برخوردار بوده و بسیار فورج‌پذیر است. البته در صورتی که بعد از انجام این فرآیند، خنک کردن به شیوه نادرستی انجام شود، پدیده ترک به آسانی در قطعه اتفاق خواهد افتاد. 
در این فولاد فرآیند جوشکاری به روش‌های ذوبی و مقاومتی انجام می‌شود. خواص جوشکاری این فولاد در حد متوسط است و در برخی موارد نیاز به پیش‌گرم و عملیات حرارتی مخصوص دیگری دارد. همچنین این فولاد دارای قابلیت مطلوب ماشین‌کاری به تمام روش‌های مرسوم و متداول است. فولاد VCN دارای چگالی 7/85 گرم بر سانتی‌متر مکعب و هدایت حرارتی 44/5 W/m.k در 100 درجه سانتی‌گراد است. این فولاد قابل سخت‌کاری سطحی به روش نیتریداسیون بوده و با این روش می‌تواند به سختی‌های بالا دست یابد. نقطه ذوب این فولاد در حدود 1427 درجه سانتی‌گراد است. این فولاد مقاومت به ضربه بالایی داشته و در کاربردهای تحت نیروهای ضربه‌ای نیز به خوبی عمل می‌کند.

انواع فولاد VCN و خواص هر کدام

فولاد VCN در بازار ایران به سه نوع زیر یافت می‌شود. در ادامه خواهید دید که استحکام، سختی و دمای تمپر انواع فولاد VCN تفاوت فاحشی ندارند. اما در کاربردهای خاص می‌توان به تفاوت‌های آن‌ها پی برد. برای مثال در ساخت شفت کشتی و لوکوموتیو تنها می‌توان از VCN200 استفاده کرد و دو نوع دیگر این فولاد را نمی‌توان به جای VCN200 به کار برد. قیمت اتصالات فولادی VCN با توجه به خواص مکانیکی آن متفاوت و در ادامه مهم‌ترین خواص هر یک از فولادهای VCN آورده شده است.

• VCN100 (1.6511): انرژی ضربه این فولاد 35 ژول است. استحکام تسلیم این نوع فولاد در بازه 900 تا 1000 مگاپاسکال قرار دارد. سختی قابل حصول در این فولاد 51 تا 59 راکول سی است. نام‌های تجاری این فولاد MONIX10، V165 و BOZ-1 هستند. دیگر خواص فیزیکی و ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول زیر آورده شده است.

• VCN150 (1.6582): انرژی ضربه این فولاد 35 ژول است. استحکام تسلیم این فولاد از نوع قبلی بالاتر بوده و در حدود 1000 مگاپاسکال قرار دارد. سختی قابل حصول در این فولاد 50 تا 58 راکول سی است. نام‌های تجاری این فولاد MONIX15، V155 و BOZ هستند. دیگر خواص فیزیکی و ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول زیر آورده شده است.

• VCN200 (1.6580): استحکام تسلیم این نوع فولاد VCN از بقیه انواع آن بالاتر بوده و در حدود 1050 مگاپاسکال است. سختی قابل حصول در این فولاد نیز مانند مورد قبل، 50 تا 58 راکول سی است. نام‌های تجاری این فولاد MONIX2، V145 و BOZ-S هستند. دیگر خواص فیزیکی و ترکیب شیمیایی این فولاد در جدول زیر آورده شده است.

شاید کنجکاو شده باشید که بدانید نام‌گذاری انواع فولاد VCN طبق چه عاملی انجام شده است. اعداد 100، 150 و 200 در نام‌گذاری هر یک از انواع فولاد VCN، میانگین درصد عناصر کروم و نیکل در ترکیب شیمیایی این فولادهای آلیاژی تقسیم بر صد است. 

[button url="https://ahanonline.com/10454/فولاد-آلیاژی-alloy-steel/" text="بیشتر بدانید: معرفی فولادهای آلیاژی"]

عملیات حرارتی فولاد VCN

عملیات حرارتی در فلزات در مقیاس صنعتی برای بهبود خواص کلی فلزات برای استفاده آن‌ها در کاربردهای بعدی انجام می‌شود. همان‌طور که اشاره شد، فولاد VCN یکی از آلیاژهای گروه فولادهای عملیات حرارتی‌پذیر است. چقرمگی، سختی، داکتیلیته، قابلیت ماشین‌کاری، ساختار دانه، مقاومت به سایش و تنش‌های درونی قطعه از جمله خواص فولاد هستند که با انجام عملیات حرارتی دچار تغییرات می‌شوند. فولاد VCN نیز مانند همه انواع فلزات عملیات حرارتی‌پذیر، دارای روشی مخصوص به خود برای حرارت دادن و سرد کردن است. با انجام عملیات حرارتی مناسب برای این فولاد می‌توان به سختی و استحکام بالاتری رسید.

در واقع همین قابلیت باعث کاربرد گسترده این فولاد در صنایع قطعه‌سازی و ماشین‌سازی شده است. آنیل، آب‌دهی (سخت‌کاری) و تمپرینگ از جمله مهم‌ترین عملیات حرارتی قابل انجام بر روی فولاد VCN است. در عملیات حرارتی این فولاد، قطعه تا دمای حدود 820 تا 860 درجه حرارت داده می‌شود؛ سپس در این دما در محیطی مانند آب یا روغن قرار می‌گیرد تا خنک شود. زمانی که دمای فولاد به دمای محیط رسید، تا رسیدن به دمای مناسب به طور یکنواخت حرارت داده می‌شود. برای این فولاد امکان انجام فرآیندهای سخت‌کاری سطحی به روش القایی، سمانتاسیون و نیتریداسیون نیز وجود دارد. دمای فورجینگ در این فولادها در بازه 1150 تا 1200 درجه سانتی‌گراد قرار دارد. هر چه دمای فورجینگ منتخب از این بازه پایین‌تر باشد، ساختار نهایی فولاد ریزدانه‌تر و در نتیجه مستحکم‌تر خواهد بود. 

با توجه به کاربرد مورد نیاز، عملیات حرارتی مختلفی بر روی این فولادها قابل اجرا است. برای مثل عملیات حرارتی تنش‌زدایی به هدف رهاسازی تنش‌های فولاد ازپیش‌سخت‌شده انجام می‌شود. در ادامه جزئیات مهم عملیات حرارتی برای هر یک از انواع فولاد VCN بر اساس استاندارد بین‌المللی DIN EN ذکر شده است.

در کاربردهای مختلف فولاد، دمای مورد نظر در طول مراحل مختلف عملیات حرارتی می‌تواند در بازه‌های دمایی عنوان شده متغیر باشد. دمای بازپخت که در هر کدام از انواع VCN دارای یک بازه دمایی است، بر اساس استحکام نهایی مورد نیاز انتخاب می‌شود. همچنین برای انجام ماشین‌کاری بر روی قطعاتی از این جنس، بهتر است از فولاد VCN در شرایط آنیل یا نرمالیزه شده استفاده شود. 

کاربردهای فولاد آلیاژی VCN

فولاد آلیاژی VCN کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. این کاربرد گسترده صنعتی و تخصصی به علت وجود قابلیت مقاومت حرارتی بالا، قابلیت عملیات حرارتی‌پذیری، استحکام و چقرمگی بالا در این فولاد است. کاربرد فولاد VCN150 نسبت به انواع دیگر آن گسترده‌تر است. عمده کاربرد این فولاد مربوط به شرایطی است که دیگر انواع فولادهای آلیاژی برای رسیدن به استحکام مورد نیاز، قابلیت سختی‌پذیری نداشته باشند. از آن جایی که عمق سختی مهم‌ترین معیار برای قطعات دارای سطح مقطع ضخیم است، چنین قطعاتی را می‌توان با استفاده از فولاد آلیاژی VCN تولید کرد. زیرا همگن بودن توزیع سختی در تمام سطح مقطع و عمق مقطع قطعه به عناصر آلیاژی وابسته است که به شکل مطلوبی در این نوع فولاد وجود دارد.

در اکثر کاربردهای این فولاد، نیاز به استحکام کششی بالا است. قالب‌های تزریق پلاستیک که از پرکاربردترین قالب‌های صنایع مختلف هستند، معمولا از فولادهای VCN ساخته می‌شوند. زیرا در ساخت این قالب‌ها نیاز به فولادی با مقاومت به ضربه بالا، سختی سطحی بالا، طول عمر بالا و مقاومت حرارتی بسیار بالا است. البته در این کاربرد با استفاده از پوشش نیتراته، سطح فولاد مورد استفاده مقاوم به سایش می‌شود. همچنین شفت لوکوموتیو، توربین‌ها و شفت موتور کشتی که انتقال‌دهنده نیروهای بسیار زیاد هستند و متحمل دماهای بسیار بالا می‌شوند، از فولاد VCN ساخته می‌شوند. این نوع فولاد در بسیاری از موارد می‌تواند جایگزینی باشد برای فولاد نیتراسیون که کم‌یاب است. 

قطعاتی مانند میل لنگ، پایه مته، موتورهای الکتریکی، ابزارهای تراشکاری، تجهیزات ارابه فرود هواپیما، صفحه دیسک، میل سوپاپ، قطعات فورجی، قطعات دندانه‌دار و شاسی خودرو که تحت تنش‌های سیکلی قرار دارند، همگی از فولاد VCN تولید می‌شوند. فولاد VCN به طور خاص در ساخت چرخ‌دنده هواپیما، چرخ‌دنده انتقال نیرو، اتصالات پیج و مهره، لوله تفنگ و اتصالات میله استفاده می‌شود. در ساخت قطعات با طول بلند که تحت اثر نیروهای خمشی و پیچشی قرار دارند، از فولاد VCN استفاده می‌شود. فولاد VCN150 بهترین انتخاب برای ساخت تیغه‌های برش ورق سیاه و گالوانیزه است. تسمه VCN مقطعی فولادی با تفاوت عرض و ضخامت بالا است که برای اتصال دو شفت مورد استفاده می‌گیرد. از این فولاد آلیاژی در ساخت لوله‌های مکانیکی بدون درز نیز استفاده می‌شود. این فولاد در محیط‌های بسیار خورنده و اسیدی، مقاومت به خوردگی بالایی ندارد. اما وقتی با مواد نانوکریستالی و توسط روش ساچمه‌زنی پوشش داده شوند، در چنین محیط‌هایی نیز عملکرد مطلوبی خواهند داشت. به همین دلیل امروزه برای ساخت ابزارهای حفاری چاه‌های نفت و گاز طبیعی که دارای گوگرد بوده و دمای بالایی دارند، از این فولاد استفاده می‌شود. عملکرد عالی در برابر سایش و خوردگی منجر به جلوگیری از خسارات اقتصادی در این حوزه از صنعت شده است.

[button url="https://ahanonline.com/210273/معرفی-فولاد-mo40/" text="بیشتر بدانید: معرفی فولاد Mo40"]

کاربردهای فولاد VCN در صنعت ساختمان

بزرگ‌ترین مصرف فولاد جهان در اختیار صنعت ساختمان‌سازی قرار دارد. انواع فولادهای سازه‌ای در صنعت ساختمان‌سازی به شکل میلگرد، لوله، ورق، پروفیل نبشی، ناودانی و تیرآهن مورد استفاده قرار می‌گیرند. فولاد AISI 4340 یا VCN به دلیل دارا بودن قابلیت شکل‌پذیری، مقاومت سایشی، استحکام تسلیم و استحکام کششی بالا و مقاومت حرارتی بسیار بالا، یکی از گزینه‌های مورد استفاده در صنعت ساخت و ساز است. این فولاد به علت مقاومت بسیار بالا در برابر نیروهای خمشی، کششی، فشاری و پیچشی می‌تواند به صورت میلگرد در بسیاری از سازه‌های تحت بارگذاری شدید موثر عمل کند. همچنین همان‌طور که پیش از این عنوان شد، فولاد VCN قابلیت سخت‌کاری سطحی دارد. به این معنی که سختی این فولاد در سطح حداکثر بوده و با رفتن به سمت عمق کاهش میابد. بنابراین در قسمت‌هایی از ساختمان و سازه‌های دیگر که نیاز به وجود هم‌زمان استحکام و چقرمگی باشد از این فولاد استفاده می‌شود. بنابراین چقرمگی در کنار استحکام بالا از جمله مهم‌ترین ویژگی‌های مورد نیاز صنعت ساختمان‌سازی است که به شکل مطلوب و کم‌یابی در این فولاد وجود دارد. میلگرد فولادی vcn اغلب به صورت آنیل یا خام مورد استفاده قرار می‌گیرد تا فرآیندهایی مانند ماشین‌کاری برای آن‌ها ساده‌تر باشد.  میلگردهای فولادی VCN با قطر پنج تا 200 میلی‌متر در صنعت ساختمان‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. میلگرد VCN را می‌توان با انجام عملیات حرارتی به استحکام مورد نیاز برای سازه رساند. سیستم‌های تهویه خروجی ساختمان‌های اداری، مسکونی، تجاری و صنعتی که انتقال‌دهنده هوا با دمای بالاتر از 55 درجه سانتی‌گراد هستند، می‌تواند از جنس فولاد VCN باشد. زیرا این فولاد از مقاومت حرارتی بسیار بالایی برخوردار است و در دماهای بالا نیز استحکام و خواص مکانیکی خود را حفظ می‌کند. 

جمع‌بندی

در این مطلب با بررسی فولاد VCN ویژگی و کاربردهای این فولاد آلیاژی عملیات حرارتی‌پذیر را شناختیم. عناصر آلیاژی نیکل، کروم و مولیبدن موجود در ترکیب شیمیایی این فولاد باعث وجود هم‌زمان قابلیت استحکام و چقرمگی شده است. فولاد VCN علاوه بر این ویژگی منحصربه‌فرد، دارای قابلیت عملیات حرارتی است. وجود این ویژگی، می‌تواند استحکام، انرژی ضربه و ساختار فیزیکی دلخواه را در کاربرد مورد نظر به ارمغان بیاورد. بنابراین با توجه به کاربرد مورد نظر می‌توان از نوعی از فولاد VCN را استفاده کرد که دارای بهترین خواص مکانیکی و فیزیکی باشد. بهتر است خرید فولاد VCN با توجه به نوع آن و سیکل عملیات حرارتی انجام گرفته روی آن، انجام شود. شما خرید فولاد VCN را با توجه به کدام خواص مکانیکی انجام می‌دهید؟

منابع

• اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها / محمدعلی گلعذار / 1387
• تاثیر عملیات حرارتی بر سختی و ریزساختار فولاد  AISI 4340/ رسول حبیبی، حمید خرسند و امیرحسین حبیبی / 1394
• کلید فولاد /الف، ساعتچی / انتشارات ارکان دانش / 1390
• آموزش‌های فنون سخت فولاد/ فولاد جاودانه
• سایت ایران مواد
• سایت عصر مواد
• سایت سیویلیکا