فولاد کم‌ کربن چیست و چه ویژگی‌ هایی دارد؟

فولاد کم‌کربن از مواد کاربردی و قیمت مناسب مورداستفاده در صنایع است. این فولاد به‌خاطر انعطاف‌پذیری عالی و امکان جوشکاری که دارد در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی و صنعتی بکار می‌رود. از فولاد کم‌کربن در حوزه‌های مختلفی از تولید لوازم خانگی گرفته تا ورق‌ها و مقاطع فولادی استفاده می‌کنند. درواقع، فولادهای کم‌کربن برای کاربردهای مهندسی عمومی گزینه ایده‌آلی محسوب می‌شوند. البته تولید فولاد با کربن کم باید براساس استانداردهای معتبر روز صورت بگیرد تا کیفیت آن به تایید مهندسان و صنعتگران حرفه‌ای برسد. در این مقاله، به پرسش‌هایی همچون فولاد کم‌کربن چیست و چه ویژگی‌هایی دارد؟ و انواع آن کدامند؟ پاسخ داده‌ایم.

فولاد کم‌کربن چیست؟

فولاد کم‌کربن یا فولاد نرم یک نوع فولاد کربنی است که میزان کربن آن به کمتر از 0.3 درصد می‌رسد. این درصد کم‌کربن باعث ایجاد خصوصیاتی همچون انعطاف‌پذیری و فرم‌پذیری مطلوب و همین‌طور، قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری آسان شده است. این خصوصیات در بسیاری از عملیات صنعتی اهمیت دارد؛ به‌همین‌خاطر، این ماده، در زمره پرکاربردترین فولادهای صنعتی قرار گرفته و نقش کلیدی را در این حوزه ایفا می‌کند.

فولاد کم‌کربن به‌خاطر انعطاف‌پذیری بالایی که دارد به‌راحتی فرم داده می‌شود و از آن می‌توان در تولید ورق‌های فولادی و انواع لوله و پروفیل ساختمانی استفاده کرد. این فولاد به‌دلیل داشتن قابلیت جوشکاری راحت هم در صنایع ساخت‌وساز و خودروسازی مورداستفاده قرار می‌گیرد. درکل، فولادهای کم‌کربن در مقایسه با نمونه‌های پرکربن انعطاف‌پذیری بهتر و مقاومت کمتری دارند.

فولاد کم‌کربن چگونه ساخته می‌شود؟

نحوه ساخت فولاد کم‌کربن به سایر فولادهای کربنی شباهت دارد. البته به‌دلیل داشتن مقدار کربن کم تمامی مراحل آن باید به خوبی کنترل شود تا درنهایت، خواص مکانیکی مناسب به دست آید. در اولین گام، باید سنگ آهن و زغال سنگ در کوره‌های انفجاری قرار بگیرند تا ذوب شده و ترکیبی از آهن خام و کربن حاصل شود. این ترکیب را باید به کوره‌های دیگر هدایت کرد تا میزان کربن کمتر شود و به سطح لازم برسد. ضمن اینکه کربن زدایی فولاد در مدل‌های کم‌کربن اهمیت ویژه‌ای دارد. 

برای این منظور، باید عناصر آلیاژی خاص را افزود و به کنترل دقیق دما و فشار توجه داشت. سپس، فولاد تولیدی به شکل شمش یا ورق نورد درآمده و آن را می‌توان به اشکال و ابعاد دلخواه جهت مصارف مختلف تبدیل کرد. درضمن، احتمال انجام فرآیندهای حرارتی همچون آنیلینگ وجود دارد تا قابلیت جوشکاری و فرم‌پذیری فولاد کم‌کربن تا حد ممکن بهبود یابد.

ویژگی‌های فولاد کم‌کربن

فولاد کم‌کربن یکی از پرمصرف‌ترین انواع فولاد در صنایع مختلف است که به‌دلیل قیمت مناسب، شکل‌پذیری بالا و قابلیت جوشکاری آسان، کاربرد گسترده‌ای در ساخت‌وساز و تولید قطعات صنعتی دارد. ویژگی‌های فولاد کم‌کربن یا همان فولاد نرم برگرفته از محتوای پایین عنصر کربن آن است. درادامه این ویژگی‌ها را به‌صورت مختصر و مفید بررسی کرده‌ایم:

• انعطاف‌پذیری بالا: انعطاف‌پذیری بالا را می‌توان مهم‌ترین ویژگی فولاد کم‌کربن دانست. همان‌طور که اشاره شد، این فولاد کمتر از 0.3 درصد کربن دارد؛ ازاین‌رو، قابل‌تغییر به اشکال و فرم‌های مختلف است.
• امکان جوشکاری و ماشین‌کاری راحت: این فولاد به‌علت داشتن ترکیب شیمیایی ساده و مقدار کم‌کربن قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری راحتی دارد و هیچ‌گونه ترک یا تردی در ساختارش ایجاد نمی‌شود.
• مقاومت کمتر نسبت به فولادهای پرکربن: میزان مقاومت و سختی فولادهای کم‌کربن نسبت به فولادهای پرکربن کمتر است که البته این خصوصیت در بسیاری از پروژه‌ها کارایی دارد.
• مقاومت به خوردگی و زنگ‌زدگی متوسط: مقاومت به خوردگی و زنگ‌زدگی در فولادهای کم‌کربن در سطح متوسطی قرار دارد. برای اینکه مقاومت آن‌ها دربرابر خوردگی و زنگ‌زدگی تقویت شود می‌توان از پوشش‌های محافظ همچون رنگ یا گالوانیزاسیون استفاده کرد.
• امکان سخت‌کاری محدود: قابلیت سخت‌کاری فولاد کم‌کربن محدود است. به‌عبارتی، این فولاد امکان سخت‌کاری با عملیات حرارتی را نداشته و جهت تقویت مقاومت بایستی در جریان کنش سرد قرار بگیرد.

کاربردهای فولاد کم‌کربن (نرم)

فولاد با کربن پایین به‌لطف داشتن ویژگی‌های منحصربه‌فرد به بسیاری از صنایع مهم راه یافته است. این فولاد در صنعت ساختمان‌سازی با هدف تولید مقاطع ساختمانی از ورق‌های فلزی گرفته تا تیرها و ستون‌ها بکار گرفته می‌شود و شاهد استفاده از آن در ساخت ساختمان‌ها و پل‌های مختلف هستیم.

بعلاوه فولادهای کم‌کربن در صنعت خودروسازی به منظور تولید قطعات داخلی، شاسی و بدنه خودرو استفاده می‌شوند؛ چراکه فرم‌پذیری آسان و قیمت اقتصادی دارند. این نوع فولاد در ساخت لوله‌ها و اتصالات صنعتی نیازمند به قابلیت جوشکاری عالی و مقاومت متوسط هم بکار می‌رود. فولاد کم‌‌کربن در صنایع خانگی نیز مصارف گسترده‌ای دارد؛ از آن در تولید لوازم خانگی، ظروف آشپزخانه و بسته‌بندی محصولات غذایی استفاده می‌کنند.

افزون بر کاربردهای بالا، فولادهای کم‌کربن در تولید قوطی‌های مواد غذایی و محصولات فولادی که باید به‌صورت دقیق شکل داده شوند، مورداستفاده قرار می‌گیرند. از سایر کاربردهای فولاد کم‌کربن می‌توان به تولید تابلو، نمادهای ترافیکی، مبلمان، سیم و فنس اشاره کرد. بنابراین، این دسته از فولادهای کربنی به بسیاری از حوزه‌ها از ساختمان‌سازی گرفته تا ساخت قطعات و تجهیزات صنعتی راه یافته‌اند.

انواع فولاد کم‌کربن

با‌توجه‌به گستردگی استفاده از فولادهای کم‌کربن در صنایع مختلف، شناخت دسته‌بندی و ویژگی‌های هر نوع از آن اهمیت زیادی دارد. این فولادها بر اساس میزان کربن، روش تولید و نوع عملیات حرارتی، عملکرد متفاوتی از خود نشان می‌دهند.انواع فولاد کم‌کربن با ترکیب شیمیایی و ویژگی‌های مختلف و به دنبال آن، کاربردهای متفاوت شامل موارد زیر می‌شود:

• فولاد ساختمانی کم‌کربن: در احداث سازه‌های عظیمی همچون ساختمان‌ها و پل‌ها بکار می‌رود.
• لوله‌های فولادی کم‌کربن: عمدتا در انتقال سیالات صنایع نفت، گاز و پتروشیمی بکار گرفته می‌شوند.
• فولاد گالوانیزه کم‌کربن: به‌دلیل داشتن پوشش محافظ روی مقاومت بالایی دربرابر خوردگی دارد؛ به‌همین‌دلیل، در صنایع ساختمان‌سازی و خودروسازی مورداستفاده قرار می‌گیرد.
• فولاد کم‌آلیاژ با استقامت بالا (HSLA): این مدل فولاد به‌دلیل افزودن عناصر آلیاژی ویژه از مقاومت بالایی برخوردار است و وزن پایین‌تری در مقایسه با فولادهای معمولی دارد.
• فولاد مخازن تحت فشار کم‌کربن: این فولاد در تولید مخازن تحت فشار و بویلرها بکار می‌رود. از مشخصات بارز آن هم می‌توان به داشتن استقامت بالا دربرابر فشارها و دماهای زیاد اشاره کرد.
• ورق و نوار فولادی کم‌کربن: این فولاد در صنایع خودروسازی و ساخت وسایل خانگی کارایی دارد. اصولا، این نوع فولاد را به‌راحتی می‌توان به اشکال مختلف تبدیل کرد و برای ساخت قطعات پیچیده انتخاب خوبی محسوب می‌شود.

خصوصیات مکانیکی فولاد کم‌کربن

همان‌طور که گفتیم، فولاد کم‌کربن باتوجه‌به داشتن محتوای کربن پایین در ترکیبش دارای مقاومت و سختی کمی است و درمقابل، انعطاف‌پذیری مناسبی دارد؛ به‌همین‌دلیل، به آن فولاد نرم هم گفته می‌شود. البته این انعطاف‌پذیری و نرم بودن را نمی‌توان از نقاط ضعف آن دانست؛ چراکه این خصوصیت منجر به قابلیت جوشکاری و ماشین‌کاری بی‌نظیر فولاد کم‌کربن شده است که برای بسیاری از پروژه‌ها کارایی دارد.

به‌این‌ترتیب، فولاد با کربن کم باتوجه‌به خصوصیات مکانیکی مناسب در جوش‌پذیری بی‌نظیر است. این فولاد به‌واسطه داشتن ساختار نرم دچار ترک‌خوردگی نمی‌شود که باتوجه‌به چنین حالتی، اتصالات باکیفیتی دارد. ضمنا، به منظور جوشکاری فولاد نرم می‌توانید فیلرهایی نظیر ER70S-6 و ER70S-3 را بکار بگیرید. همچنین، ازآنجایی‌که مقاومت به خوردگی فولادهای کم‌کربن نسبی است از پوشش‌های محافظ همچون گالوانیزه کردن استفاده کنید تا عمر مفید آن‌ها افزایش یابد.

گریدهای فولاد کم‌کربن

فولاد با کربن کم تحت گریدهای مختلفی تولید و عرضه می‌شود که هرکدام از آن‌ها، مشخصات و مصارف مختص به خود را دارند. از مهم‌ترین گریدهای فولاد کم‌کربن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• گرید A36: گرید A36 به‌عنوان یکی از گریدهای پرمصرف فولاد کربن کم شناخته می‌شود. این گرید ضمن داشتن شکل‌پذیری و جوش‌پذیری مناسب قیمت اقتصادی دارد؛ به‌همین‌دلیل، در بسیاری از پروژه‌های ساختمان‌سازی و پل‌سازی بکار می‌رود.
• گرید A283: گرید A283 مقاومت کمتری در مقایسه با گرید A36 دارد؛ به‌همین‌خاطر، در مصارف تحت تنش کم مورداستفاده قرار می‌گیرد. درمجموع، از کاربردهای گرید A283 می‌توان به تولید قطعات ماشین‌آلات و مخازن کم‌فشار اشاره کرد.
• گرید A516: گرید A516 به‌دلیل استقامت بالا دربرابر دما و فشار زیاد در تولید دیگ‌های بخار، مخازن فشار و دستگاه‌های صنعتی مختلف بکار گرفته می‌شود. ضمنا، این گرید را تحت چندین مدل با سطح مقاومت مختلف تولید می‌کنند.
• گرید A572: گرید A572 جزو گریدهای مقاوم فولاد کم‌کربن است که در پروژه‌های نیازمند به استقامت بالا بکار می‌رود. از این گرید در احداث ساختمان‌ها و پل‌های عظیم و درکل، سازه‌های بلند و سنگین استفاده می‌کنند.
• گرید AISI 1018: گرید AISI 1018 یا C15 یکی از معروف‌ترین گریدهای فولاد کم‌کربن است که ترکیبات آن شامل 0.1 الی 0.2 کربن و 0.6 الی 0.9 منگنز می‌شود. این گرید به‌دلیل قابلیت جوش‌پذیری عالی که دارد، موردتوجه قرار گرفته است.
• گریدهای A1008/1010/1018/1020: نام‌گذاری گریدهایA1008, 1010, 1018 , 1020  باتوجه‌به میزان کربن آن‌ها صورت گرفته است. به‌عنوان‌مثال، گرید 1020 دارای 0.20 درصد کربن بوده و گرید 1010 هم 0.10 درصد کربن دارد.  از این گریدها در تولید انواع لوله، پروفیل و قطعات ماشین‎‌آلات استفاده می‌کنند.

مزایا و معایب فولاد کم‌کربن

در میان انواع فولادهای صنعتی، فولاد کم‌کربن به‌دلیل خواص مکانیکی متعادل و قیمت مناسب، یکی از پرکاربردترین گزینه‌ها در صنایع خودروسازی، ساختمانی و ساخت تجهیزات سبک به شمار می‌آید. این فولاد به‌واسطه میزان پایین کربن، قابلیت شکل‌دهی و جوشکاری بسیار بالایی دارد و به‌راحتی می‌تواند در فرآیندهای مختلف تولید مورد استفاده قرار گیرد. فولاد با کربن کم جزو فولادهای منعطف است؛ ولی برخلاف فولاد زنگ‌نزن مقاومت مناسبی در برابر زنگ‌زدگی ندارد. بنابراین، در زمان خرید فولاد کم‌کربن بایستی به مزایا و معایب آن توجه داشت. در ادامه به بررسی مزایا و معایب این نوع فولاد می‌پردازیم: 

مزایای فولاد کم‌کربن

• شکل‌پذیری مطلوب: این مزیت باعث استفاده از فولادهای کم‌کربن در عملیات مختلف صنعتی اعم از نورد، پرس و خمکاری شده است.
• جوش‌پذیری باکیفیت: فولاد کم‌کربن به ندرت درگیر ترک‌خوردگی در نقطه جوش می‌شود و جوش‌پذیری آن عالی است.
• ماشین‌کاری حرفه‌ای: فولادهای کم‌کربن به‌واسطه داشتن ساختار نرم در ماشین‌کاری عملکرد مناسبی دارند و به اشکال مختلف تبدیل می‌شوند.
• قیمت مقرون‌به‌صرفه: فولاد با کربن پایین به‌خاطر تولید ساده و بکارگیری عناصر آلیاژی کمتر با قیمت مناسب‌تری نسبت به دیگر فولادها معامله می‌شود.
• مقاومت مناسب در برابر ضربه و خمش: به‌دلیل ساختار نرم و انعطاف‌پذیر، این نوع فولاد در برابر تنش‌های ناگهانی عملکرد بهتری دارد.
• قابلیت آبکاری و رنگ‌پذیری بالا: سطح فولاد کم‌کربن به‌راحتی آماده آبکاری، رنگ یا پوشش ضدزنگ می‌شود که دوام آن را افزایش می‌دهد.
• امکان بازیافت آسان: این فولاد به‌طور کامل قابل بازیافت است و از نظر زیست‌محیطی گزینه‌ای پایدار به‌شمار می‌رود.

معایب فولاد کم‌کربن

• نداشتن قابلیت سخت‌کاری: فولادهای کم‌کربن باتوجه‌به مقدار ناچیز کربن در ترکیب خود قابلیت سخت‌کاری با عملیات حرارتی را ندارند؛ ازاین‌رو، برای کارهای نیازمند به سطوح سخت مناسب نیستند.
• مقاومت کششی کم: فولادهای کم‌کربن نسبت به فولادهای پرکربن یا کربن متوسط مقاومت کششی پایین‌تری دارند. بنابراین، انتخاب اول کارهای نیازمند به مقاومت بالا نیستند.
• مقاومت کم دربرابر خوردگی و زنگ‌زدگی: فولادهای کم‌کربن در صورت قرارگیری در اماکن مرطوب دچار زنگ‌زدگی و خوردگی می‌شوند؛ چراکه عناصر آلیاژی مقاوم به خوردگی را ندارند.

تفاوت فولاد کم‌کربن و فولاد پرکربن

مهم‌ترین تفاوت فولاد کم‌کربن با فولاد پرکربن مربوط به درصد کربن موجود در ترکیب آن‌ها می‌شود. همان‌طور که گفته شد، فولادهای دسته کم‌کربن کمتر از 0.3 درصد کربن دارند؛ درصورتی‌که شروع محتوای کربن گروه پرکربن از 0.6 درصد است. درکل، مقدار کربن در مدل‌های پرکربن با هم فرق داشته و در بازه 0.6 الی 2.00 درصد قرار دارد و از سایر عناصر آن نیز می‌توان به کروم و منگنز اشاره کرد.

درهرصورت، فولادهای کم‌کربن به‌دلیل کربن کمتر انعطاف‌پذیری مناسبی دارند و جوشکاری آن‌ها بسیار راحت است و به‌راحتی فرم داده می‌شوند. درمقابل، فولادهای پرکربن که نام دیگر آن‌ها، کربن استیل است با داشتن بیشترین درصد کربن ازنظر خصوصیات فیزیکی با مدل‌های کم‌کربن کاملا فرق دارند. این دسته از فولادهای کربنی، ساختار قوی‌تر و سخت‌تری داشته و بسیار مقاوم هستند. به‌همین‌دلیل، با قیمت بالاتری نسبت به مدل‌های کم‌کربن به فروش می‌رسند.

همچنین، فولادهای پرکربن برخلاف گریدهای کم‌کربن انعطاف‌پذیری عالی ندارند و در شکل‌پذیری و جوش‌پذیری هم به سطح فولادهای کم‌کربن نمی‌رسند. درواقع، وجود کربن زیاد در ترکیب آن‌ها باعث کاهش نقطه ذوب فولاد شده است؛ به‌صورتی‌که بعد از جوشکاری و سرد شدن، فاز مارتنزیت کاملا سخت و شکننده ایجاد می‌شود. باتوجه‌به این موضوع، جوشکاری آن‌ها بسیار سخت و مسئله‌ساز است و حتی احتمال ترک‌خوردگی وجود دارد.

اهمیت فولاد کم‌کربن در صنعت

فولاد کم‌کربن یا فولاد نرم به دلایلی همچون مقدار کمتر کربن، شکل‌پذیری مطلوب، جوش‌پذیری فوق‌العاده و چقرمگی بالا به یکی از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین فولادهای کربنی دنیای صنعت تبدیل شده است. چنانچه پروژه موردنظر شما به انعطاف‌پذیری بالا و مقاومت کمتر نیاز دارد می‌توانید از این نوع فولاد استفاده کنید. درکل، فولادهای کم‌کربن برای کاربردهای ساختمانی و صنعتی پیشنهاد می‌شوند و با بکارگیری آن‌ها می‌توان کیفیت کلی پروژه‌ها را بهبود بخشید، ضمن اینکه قیمت آهن آلات به‌کاربرده شده در پروژه مقرون‌به‌صرفه خواهدبود. درمجموع، فولاد کم‌کربن جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف دارد و می‌تواند کیفیت تولیدات را تضمین کند. ضمنا، استفاده کمتر از کربن در ترکیب این فولاد به حفظ محیط‌زیست کمک می‌کند. درواقع، فولادهای کم‌کربن ضمن پرمصرف بودن در صنعت باعث کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شوند.