فـولـادهــا
به طور کلی فولادهای مورد استفاده در صنعت و قالبسازی به دسته های زیر تقسیم می شوند که هر کدام دارای مصارف و قابلیت های ویژه مخصوص به خود هستند. لذا ما در این سایت با پیاده سازی جدول این فولادها تحت استانداردهای مختلف به بررسی آنها پرداخته ایم.
انواع فولادها عبارتند از :
1- فولادهای ابزاری
. فولادهای ابزاری گرمکار
. فولادهای ابزاری سردکار
. فولادهای ابزاری کربنی
2- فولادهای ساختمانی
. فولادهای ساختمانی آلیاژی
. فولادهای ساختمانی کربنی
3- فولادهای بلبرینگی
4- فولادهای نسوز
5- فولادهای فنری
6- فولادهای ضد زنگ و ضد اسید و قلیا
7- فولادهای تندبر (خشکه هوایی)
:: فولادهای ابزاری گرمکار
این دسته از فولادها به چهار دسته فولاد با ویژگی ها و موارد مصرف مشخص طبقه بندی می شوند که طبق استاندارد W.Nr آلمان به ترتیب زیر می باشند.
. فولاد ابزاری گرمکار 2567
. فولاد ابزاری گرمکار 2344
. فولاد ابزاری گرمکار 2312
. فولاد ابزاری گرمکار 2713
:: فولادهای ابزاری سردکار
این دسته از فولادها به پنج دسته فولاد با ویژگی ها و موارد مصرف مشخص طبقه بندی می شوند که طبق استاندارد W.Nr آلمان به ترتیب زیر می باشند.
. فولاد ابزاری سردکار 2080
. فولاد ابزاری سردکار 2436
. فولاد ابزاری سردکار 2542
. فولاد ابزاری سردکار 2510
. فولاد ابزاری سردکار 2210
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا 0.2 درصد کربن دارد، برای ساختن سیم ، لوله و ورق فولاد استفاده میشود. فولاد متوسط 0.2 تا 0.6 درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل ، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار میبرند. فولادی که 0.6 تا 1.5 درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات ، فنر و کارد و چنگال استفاده میشود.
ناخالصیهای آهن و تولید فولاد
آهنی که از کوره بلند خارج میشود، چدن نامیده میشود که دارای مقادیری کربن ، گوگرد ، فسفر ، سیلیسیم ، منگنز و ناخالصیهای دیگر است. در تولید فولاد ، دو هدف دنبال میشود:
1. سوزاندن ناخالصیهای چدن
2. افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز ، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل میشوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده ، به صورت سرباره خارج میشوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره میشود و کربن هم میسوزد و منوکسید کربن (CO) یا دیاکسید کربن (CO2) در میآید. چنانچه ناخالصی اصلی ، منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولا دیاکسید سیلسیم (SiO2) است، بکار میبرند:
(MnO + SiO2 -------> MnSiO3(l
و چنانچه ناخالصی اصلی ، سیلسیم یا فسفر باشد (و معمولا چنین است)، یک کمک ذوب بازی که معمولا اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید کلسیم (CaO) است، اضافه میکنند:
(MgO + SiO2 -------> MgSiO2(l
(6MgO + P4O10 -------> 2Mg3(PO4)2(l
کوره تولید فولاد و جدا کردن ناخالصیها
معمولا جداره داخلی کوره ای را که برای تولید فولاد بکار میرود، توسط آجرهایی که از ماده کمک ذوب ساخته شدهاند، میپوشانند. این پوشش ، مقداری از اکسیدهایی را که باید خارج شوند، به خود جذب میکند. برای جدا کردن ناخالصیها ، معمولا از روش کوره باز استفاده میکنند. این کوره یک ظرف بشقاب مانند دارد که در آن 100 تا 200 تن آهن مذاب جای میگیرد.
بالای این ظرف ، یک سقف مقعر قرار دارد که گرما را روی سطح فلز مذاب منعکس میکند. جریان شدیدی از اکسیژن را از روی فلز مذاب عبور میدهند تا ناخالصیهای موجود در آن بسوزند. در این روش ناخالصیها در اثر انتقال گرما در مایع و عمل پخش به سطح مایع میآیند و عمل تصفیه ، چند ساعت طول میکشد. البته مقداری از آهن ، اکسید میشود که آن را جمعآوری کرده ، به کوره بلند باز میگردانند.
روش دیگر جدا کردن ناخالصیها از آهن
در روش دیگری که از همین اصول شیمیایی برای جدا کردن ناخالصیها از آهن استفاده میشود، آهن مذاب را همراه آهن قراضه و کمکذوب در کورهای بشکه مانند که گنجایش 300 تن بار را دارد، میریزند. جریان شدیدی از اکسیژن خالص را با سرعت مافوق صوت بر سطح فلز مذاب هدایت میکنند و با کج کردن و چرخاندن بشکه ، همواره سطح تازهای از فلز مذاب را در معرض اکسیژن قرار میدهند.
اکسایش ناخالصیها بسیار سریع صورت میگیرد و وقتی محصولات گازی مانند CO2 رها میشوند، توده مذاب را به هم میزنند، بطوری که آهن ته ظرف ، رو میآید. دمای توده مذاب ، بی آنکه از گرمای خارجی استفاده شود، تقریبا به دمای جوش آهن میرسد و در چنین دمایی ، واکنشها فوقالعاده سریع بوده ، تمامی این فرایند ، در مدت یک ساعت یا کمتر کامل میشود و معمولا محصولی یکنواخت و دارای کیفیت خوب بدست میآید.
تبدیل آهن به فولاد
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم ، کروم ، تیتانیم ، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل میکنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن ، تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار میگیرند. در دمای زیاد ، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده ، کربید آهن (Fe3C) به نام «سمانتیت» تشکیل میدهند. این واکنش ، برگشتپذیر و گرماگیر است:
Fe3C <------- گرما + 3Fe + C
هرگاه فولادی که دارای سمانتیت است، بهکندی سرد شود، تعادل فوق به سمت تشکیل آهن و کربن ، جابجا شده ، کربن بهصورت پولکهای گرافیت جدا میشود و به فلز ، رنگ خاکستری میدهد. برعکس ، اگر فولاد به سرعت سرد شود، کربن عمدتا به شکل سمانتیت که رنگ روشنی دارد، باقی میماند. تجزیه سمانتیت در دمای معمولی به اندازهای کند است که عملا انجام نمیگیرد.
فولادی که دارای سمانتیت است، از فولادی که دارای گرافیت است، سختتر و خیلی شکنندهتر است. در هر یک از این دو نوع فولاد ، مقدار کربن را میتوان در محدوده نسبتا وسیعی تنظیم کرد. همچنین ، میتوان مقدار کل کربن را در قسمتهای مختلف یک قطعه فولاد تغییر داد و خواص آن را بهتر کرد. مثلا بلبرینگ از فولاد متوسط ساخته شده است تا سختی و استحکام داشته باشد و لیکن سطح آن را در بستری از کربن حرارت میدهند تا لایه نازکی از سمانتیت روی آن تشکیل گردد و بر سختی آن افزوده شود.
تهیه فولاد
روشهای تهیه فولاد
از سه روش برای تهیه فولاد استفاده میشود:
روش بسمه
در این روش ، ناخالصیهای موجود در چدن مذاب را به کمک سوزاندن در اکسیژن کاهش داده ، آن را به فولاد تبدیل میکنند. پوشش جدار داخلی کوره بسمه از سیلیس یا اکسید منیزیم و گنجایش آن در حدود 15 تن است. نحوه کار کوره به این ترتیب است که جریانی از هوا را به داخل چدن مذاب هدایت میکنند تا ناخالصیهای کربن و گوگرد بهصورت گازهای SO2 و CO2 از محیط خارج شود و ناخالصیهای فسفر و سیلیس موجود در چدن مذاب در واکنش با اکسیژن موجود در هوا بهصورت اکسیدهای غیر فرار P4O10 و SiO2 جذب جدارهای داخلی کوره شوند و به ترکیبات زودگداز Mg3(PO4)2 و MgSiO3 تبدیل و سپس بهصورت سرباره خارج شوند.
سرعت عمل این روش زیاد است، به همین دلیل کنترل مقدار اکسیژن مورد نیاز برای حذف دلخواه ناخالصیهای چدن غیرممکن است و در نتیجه فولاد با کیفیت مطلوب و دلخواه را نمیتوان به این روش بدست آورد.
روش کوره باز (یا روش مارتن)
در این روش برای جدا کردن ناخالصیهای موجود در چدن ، از اکسیژن موجود در زنگ آهن یا اکسید آهن به جای اکسیژن موجود در هوا در روش بسمه (به منظور سوزاندن ناخالصیهایی مانند کربن ، گوگرد و غیره) استفاده میشود. برای این منظور از کوره باز استفاده میشود که پوشش جدار داخلی آن از MgO و CaO تشکیل شده است و گنجایش آن نیز بین 50 تا 150 تن چدن مذاب است. حرارت لازم برای گرم کردن کوره از گازهای خروجی کوره و یا مواد نفتی تأمین میشود. برای تکمیل عمل اکسیداسیون ، هوای گرم نیز به چدن مذاب دمیده میشود. زمان عملکرد این کوره طولانیتر از روش بسمه است. از این نظر میتوان با دقت بیشتری عمل حذف ناخالصیها را کنترل کرد و در نتیجه محصول مرغوبتری بدست آورد.
روش الکتریکی
از این روش در تهیه فولادهای ویژهای که برای مصارف علمی و صنعتی بسیار دقیق لازم است، استفاده میشود که در کوره الکتریکی با الکترودهای گرافیت صورت میگیرد. از ویژگیهای این روش این است که احتیاج به ماده سوختنی و اکسیژن ندارد و دما را میتوان نسبت به دو روش قبلی ، بالاتر برد.
این روش برای تصفیه مجدد فولادی که از روش بسمه و یا روش کوره باز بدست آمده است، به منظور تبدیل آن به محصول مرغوبتر ، بکار میرود. برای این کار مقدار محاسبه شده ای از زنگ آهن را به فولاد بدست آمده از روشهای دیگر ، در کوره الکتریکی اضافه کرده و حرارت میدهند. در این روش ، برای جذب و حذف گوگرد موجود در فولاد مقدار محاسبه شدهای اکسید کلسیم و برای جذب اکسیژن محلول در فولاد مقدار محاسبه شده ای آلیاژ فروسیلیسیم (آلیاژ آهن و سیلیسیم) اضافه میکنند.
انواع فولاد و کاربرد آنها
از نظر محتوای کربن ، فولاد به سه نوع تقسیم میشود:
فولاد نرم
این نوع فولاد کمتر از 0,2 درصد کربن دارد و بیشتر در تهیه پیچ و مهره ، سیم خاردار و چرخ دنده ساعت و ... بکار میرود.
فولاد متوسط
این فولاد بین 0,2 تا 0,6 درصد کربن دارد و برای تهیه ریل و راه آهن و مصالح ساختمانی مانند تیرآهن مصرف میشود.
فولاد سخت
فولاد سخت بین 0,6 تا 1,6 درصد کربن دارد که قابل آب دادن است و برای تهیه فنرهای فولادی ، تیر ، وسایل جراحی ، مته و ... بکار میرود.
چدن
چدن (Cast iron)، آلیاژی از آهن- کربن- سیلیسیم (Fe-C-Si) است که همواره محتوی عناصری در حد جزئی (کمتر از 1/0 درصد) و غالبا عناصر آلیاژی (بیشتر از 1/0 درصد) بوده و به صورت حالت ریختگی یا پس از عملیات حرارتی به کار برده میشود.
چدن خام
آهن، اغلب از کانه های اکسید یا کربنات که گوگرد، آرسنیک و غیره از آنها زدوده شده باشد با برشته کردن در هوا، و کاهش با کربن تهیه میشود. کانه آهن با کک و کربنات کلسیم آمیخته شده و در یک کوره بلند که دمای بیشینه آن 1300 درجه سانتیگراد است. گرم میشود ناخالصیهای عمده اسیدی به کمک سرباره (کلسیم سیلیکات، آلومینات و غیره) خنثی میشود و توده فلزات مذاب به صورت چدن خام به بیرون جریان مییابد چدن خام شامل 2 الی 4 درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است. چدن مذاب را به صورت خام یا پس از افزودن فلزهای آلیاژ دهنده، برای بهبود خواص چدن، در قالبهایی از ماسه یا فلز و بر حسب نوع مصرف، آنها را به صورت اشکال مختلف در میآورند.
آلیاژهای چدن
فلزهای آلیاژ دهنده برای بهبود کیفیت چدن برای مصارف ویژه به آن افزوده میشوند. آلیاژهای چدن در کارهای مهندسی که در آنها چدن معمولی ناپایدار است به کار میروند و حتی ممکن است در مواردی نیز، مثلا ساخت میل لنگ، جانشین فولاد شوند. در هر حال، با دارا بودن مزایایی از قبیل از قیمت تمام شده تولید پایین توام با قابلیت ریخته گری، استحکام، قابلیت ماشین کاری، سختی، مقاومت در برابر سایش، مقاوم در برابر خوردگی، انتقال حرارت و جذب ارتعاش در این آلیاژ آن را از سایر آلیاژهای ریختگی آهنی متمایز ساخته است.
انواع ساختارهای زمینه چدن
اساس خواص مکانیکی چدن به زمینه آن بستگی دارد. به همین دلیل است چدن ها را با عبارت ساختار زمینه آنها برای مثال انواع پرلیتی یا فریتی توصیف میکنند. مهمترین ساختار زمینه چدن عبارتند از:
فریت
فریت محلول جامد Fe-C است که به طور قابل ملاحظهای Si و مقادیر کمتری Ni ,Cu ,Mn در آن حل شدهاند. فریت نسبتا نرم، چکش خوار، استحکام کم، مقاومت به سایش ضعیف، شکست خوب، ضریب هدایت گرمایی نسبتا خوب و قابلیت ماشینکاری خوبی است. یک زمینه فریتی را میتوان به طور ریختگی تولید کرد اما اغلب با عملیات حرارتی باز پخت (تابکاری) میتوان به آن دست یافت.
پرلیت
مخلوطی از فریت و سمانتیت Fe<sub>3</sub>C است که توسط واکنش یوتکتیک از استینیت تشکیل شده و نام پرلیت از ظاهر صدف گونهاش مشتق شده است. پرلیت نسبتا سخت و از چقرمگی کمتری برخوردار بوده و ضریب هدایت گرمایی کم و در ضمن از ماشینکاری خوبی برخوردار است. وقتی فاصله بین دانههای پرلیت در زمینه کم میشود خواص مکانیکی افزایش مییابد مقدار کربن پرلیت در فولادهای غیر آلیاژی 0.8 % است در حالی که در چدنها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتی می تواند کمتر از 0.5% در چدن های پرسیلسیم باشد.
فریت- پرلیت
ساختار مخلوطی است که غالبا برای رسیدن به خصوصیاتی بینابینی از آنچه که در فوق شرح داده شده به کار گرفته میشود.
بینیت
این ساختار میتواند به صورت ریختگی با افزودن عناصر آلیاژی Mo و Ni به مقادیر معین تولید شد. در ضمن جهت اطمینان بیشتر میتوان توسط عملیات حرارتی آستمپر نیز به این ساختار رسید. این آلیاژ، با توجه به صرفه اقتصادی اخیرا توانستهاند نقش موثری بویژه در مهندسی خودرو، قطعات دنده ها، قطعات انتقال نیرو داشته باشند. مزایای چدن های گرافیت کروی آسمتپر عبارتند از: استحکام کششی بالا توام با چقرمگی، انعطاف پذیری و استحکام خوب، مقاومت به سایش و خراش، ظرفیت بالای جذب صدا و کارکرد، خواص ریخته کری خوب، فرم پذیری نزدیک به شکل نهایی حتی در شکل های خیلی پیچیده، قابلیت ماشینکاری خوب در حالت ریخته و حدود 10% صرفه جویی در وزن در مقایسه با فولاد.
آستنیت
برای پایدار نگاه داشتن این فاز در طول عمل خنک شدن یک عنصر آلیاژی با مقدار زیاد و معینی لازمست. چدن گرافیت ورقه ای و گرفیت کروی آلیاژی (نیکل- سخت) چدن هایی با زمینه آستنیتی و دارای خواص عالی حرارتی مقاومت به خوردگی و نیز غیر مغناطیسی هستند. این زمینه میتواند خصوصیات چقرمگی خوب، مقاومت به خزش، تنش پارگی تا دمای 800 درجه سانتیگراد و یک محدوده گسترده ای از انبساط حرارتی که تابع از Si موجود در چدن است را نشان دهد.
انواع چدن
چدن ها به دو گروه اصلی تقسیم بندی میشوند، آلیاژهایی برای مقاصد عمومی که موارد استعمال آنها در کاربردهای عمده مهندسی است و آلیاژهای با منظور و مقاصد ویژه از جمله چدن های سفید و آلیاژهای که برای مقاومت در برابر سایش، خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار میگیرند.
چدن های عمومی (معمولی):
این چدن ها جزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و بر اساس شکل گرافیت به انواع زیر تقسیم بندی میشوند:
o چدن گرافیت لایه ای یا چدن خاکستری ورقهای
o چدن گرافیت مالیبل یا چدن چکشخوار
o چدن گرافیت کروی یا چدن نشکن
o چدن گرافیت فشرده یا کرمی شکل
چدن های سفید و آلیاژی مخصوص:
این چدن ها با آلیاژهای چدنی معمولی فرق میکنند. میزان عنصر آلیاژی در آنها بیش از 3% بوده و لذا آن را نمیتوان توسط مواد افزودنی به پاتیل اضافه کرده و به یک ترکیب پایه استانداردی رسید. این چدن های آلیاژهای به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیتدار تقسیم بندی میشوند و به صورت های مقاوم به خوردگی، دمای بالا، سایش و فرسایش میباشند.
o چدن های بدون گرافیت:
چدن سفید پرلیتی: مقاوم به سایش
چدن سفید مارتنزیتی (نیکل-سخت): مقاوم سایش
چدن پر کرم (33-17 %Cr): مقاوم به خوردگی، سایش و حرارت
o چدن های دارای گرافیت:
چدن سوزنی: استحکام بالا و مقاوم به سایش
آستنیتی: شامل دو نوع نیکروسیلال یعنی نیکل سیلسیم بالا و نیکل مقاوم (Ni-resist) و هر دو مقاوم به حرارت و خوردگی
فریتی: شامل دو نوع چدن، پر سیلسیم (15%) مقاوم در برابر خوردگی و چدن 5%سیلسیم در سیلال مقاوم در برابر حرارت
برخی از کاربردهای چدنها:
• در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها، بدنه های پمپ قطعات ماشین آلات که در معرض شوک و خستگی هستند، میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزات فرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و...
• برای خودرو و صنایع وابسته به آن مثلا در ساخت مفصل های فرمان، دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگها و چرخ دندهها، صفحه کلاچها و...
• در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابر شوک است مثلا در تجهیزات الکتریکی کشتیها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره
• قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا برای مثال در ساخت قطعات و جعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه، قطعات کورهها، قالبهای شمش، قالبهای شیشه، بوتههای ذوب فلز.
• اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، چدنهای نیکل مقاوم و نیکروسیلال و نیکل و کروم بالا به صورت برجستهای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص به خودشان هستند. مهمترین کاربرد این چدنها در پمپهای دندهای حمل اسید سولفوریک، پمپها و شیرهایی که در آب دریا مصرف میشوند، قطعات مورد استفاده در سیستم های بخار و جابجایی محلول های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.