فولاد از چه عناصری ساخته شده است: پاسخ مستقیم
فولاد اساساً آلیاژی از آهن و کربن کربن معمولاً بین 0.02٪ تا 2.14٪ از وزن کل را تشکیل می دهد. فراتر از این دو عنصر اصلی، بیشتر فولادهای تجاری حاوی منگنز، سیلیکون، فسفر و گوگرد در مقادیر مختلف به همراه عناصر آلیاژی عمدی مانند کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیم، مس، بور، تیتانیوم و نیوبیم هستند. در فولاد کربنی ساده، آهن تقریباً 98٪ تا 99.5٪ از مواد را تشکیل می دهد، در حالی که در گریدهای آلیاژی مورد استفاده برای آهنگری فولاد و اجزای ماشین آلات سنگین، زمانی که کروم، نیکل و سایر عناصر با درصد بیشتری مخلوط شوند، محتوای آهن می تواند تا 70 درصد یا کمتر کاهش یابد. ترکیب دقیق عناصر تعیین می کند که آیا یک دسته از فولاد به صفحه ساختاری نرم، فولاد ابزار سخت شده، فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی، یا آلیاژ آهنگری که برای زنده ماندن در استرس مکانیکی شدید مهندسی شده است، تبدیل می شود.
درک این ترکیب عنصری مهم است زیرا هر عنصر اضافی نحوه رفتار فولاد را در هنگام ذوب، نورد و آهنگری تغییر می دهد. خریداری که فلنجها، شفتها یا چرخ دندههای آهنگری را تامین میکند باید نه تنها نام درجه، بلکه محدوده درصد واقعی هر عنصر را بداند، زیرا این اعداد سختی، شکلپذیری، جوشپذیری، ماشینکاری و مقاومت درازمدت سایش را تعیین میکنند. در عمل، هیچ دو حرارتی از فولاد تا آخرین نقطه اعشار از نظر شیمیایی یکسان نیستند، به همین دلیل است که کارخانهها برای هر دستهای که از کوره خارج میشوند، یک رکورد ترکیب حرارتی خاص صادر میکنند.
باقیمانده این راهنما در هر عنصر به طور جداگانه بررسی میشود، توضیح میدهد که چگونه آن عناصر پس از گرم شدن و شکلدهی فولاد از طریق آهنگری با یکدیگر تعامل میکنند، و با جدول مرجع دقیق و سوالات متداول که رایجترین نکات سردرگمی خریداران و مهندسان را در هنگام خواندن برگه ترکیب شیمیایی پوشش میدهد، بسته میشود.
آهن و کربن: دو عنصر پایه
آهن فلز پایه ای است که به فولاد حجیم می شود، اما آهن خالص به خودی خود نسبتاً نرم است و استحکام لازم برای استفاده ساختاری یا مکانیکی را ندارد. افزودن کربن با قفل کردن اتمهای کربن در شبکه کریستالی آهن، آهن را به فولاد تبدیل میکند، فرآیندی که حرکت نابجاییها را در داخل فلز محدود میکند و سختی و استحکام کششی را بهطور چشمگیری افزایش میدهد. این رابطه در کل محدوده خطی نیست. فولاد کم کربن که گاهی اوقات فولاد ملایم نامیده می شود، کربن را بین 0.05٪ تا 0.25٪ نگه می دارد و به اندازه کافی نرم می ماند تا به راحتی خم شود، جوش داده شود و ماشین کاری شود. فولاد کربن متوسط بین 0.25 تا 0.60 درصد کربن قرار می گیرد و تعادلی بین استحکام و کارایی برقرار می کند، به همین دلیل است که گریدهایی مانند 1045 و 4140 انتخاب های رایج برای قطعات خودرو و قطعات صنعتی فورج شده هستند. فولاد پرکربن تا 0.60% تا 1.50% کربن بالا می رود و برای لبه های برش و سطوح سایش بسیار ارزشمند است، اگرچه جوش یا خم شدن بدون ترک خوردن آن به طرز محسوسی سخت تر می شود.
آهن به خودی خود در بیش از یک شکل بلوری بسته به دما وجود دارد و این رفتار تمام دلیلی است که کربن چنین تأثیر بزرگی بر فولاد دارد. در دمای زیر 912 درجه سانتیگراد، آهن یک آرایش مکعبی در مرکز بدن به نام فریت را در خود جای داده است که تنها می تواند بخش کوچکی از درصد کربن را در خود حل کند. بین دمای تقریباً 912 درجه سانتیگراد تا 1394 درجه سانتیگراد، آهن به یک آرایش مکعبی به نام آستنیت تبدیل می شود که می تواند کربن بسیار بیشتری را تا حدود 2.14 درصد در حداکثر خود حل کند. این تفاوت در حلالیت چیزی است که به عملیات حرارتی اجازه می دهد اصلاً کار کند: گرم کردن فولاد در محدوده آستنیت کربن را به طور یکنواخت در سراسر ساختار حل می کند و سپس خنک کننده سریع آن کربن را در آرایش مارتنزیت تحت فشار و فوق اشباع به دام می اندازد که بسیار سخت است اما شکننده است مگر اینکه بعداً حرارت داده شود.
چرا محتوای کربن را نمی توان به سادگی به حداکثر رساند؟
افزایش محتوای کربن استحکام تسلیم و سختی را افزایش می دهد، اما هزینه مستقیمی برای شکل پذیری، چقرمگی ضربه و جوش پذیری دارد. هنگامی که محتوای کربن تقریباً 0.23٪ عبور می کند، اتصالات جوش مستعد ترک خوردن می شوند مگر اینکه از پیش گرمایش و خنک سازی کنترل شده استفاده شود. این یکی از دلایلی است که فولادهای سازهای در نظر گرفته شده برای جوشکاری کمتر از 0.25 درصد کربن نگه داشته میشوند، در حالی که عملیات آهنگری فولادی که اجزای غیرجوشخورده و عملیات حرارتی شده را تولید میکند، میتواند کربن را برای دستیابی به سختی بالاتر پس از خاموش کردن و تمپر کردن بیشتر کند. مهندسان هنگام انتخاب درجه به طور مداوم به این مبادله اشاره می کنند، زیرا قطعه ای که به استحکام و توانایی جذب ضربه ناگهانی بدون شکستگی نیاز دارد، مانند میل لنگ آهنگری یا یک پین ساختاری، معمولاً در محدوده کربن متوسط قرار می گیرد نه در هر دو نقطه.
نحوه اندازهگیری و تأیید محتوای کربن
تولیدکنندگان فولاد مدرن محتوای کربن را با استفاده از طیفسنجی انتشار نوری تأیید میکنند، جایی که یک جرقه کوچک روی یک نمونه صیقلی زده میشود و نور ساطع شده برای شناسایی و کمیت هر عنصر موجود در عرض چند ثانیه تجزیه و تحلیل میشود. تجزیه و تحلیل احتراق به عنوان یک بررسی ثانویه برای کربن و گوگرد به طور خاص، سوزاندن یک نمونه کوچک در یک اتمسفر اکسیژن کنترل شده و اندازه گیری دی اکسید کربن حاصل استفاده می شود. هر دو روش تقریباً به طور کامل جایگزین تکنیکهای قدیمیتر تیتراسیون شیمیایی مرطوب شدهاند، زیرا آنها سریعتر و قابل تکرار در حجمهای تولید بزرگ هستند، که برای عملیات آهنگری که نیاز به گرمای شیمی ثابت پس از گرما دارند، اهمیت زیادی دارد.
| طبقه بندی فولاد | محدوده محتوای کربن | برنامه معمولی |
|---|---|---|
| کربن کم (خفیف) | 0.05٪ - 0.25٪ | پانل های بدنه خودرو، تیرهای ساختاری |
| کربن متوسط | 0.25٪ - 0.60٪ | میل لنگ آهنگری، چرخ دنده، میل لنگ |
| کربن بالا (ابزار) | 0.60٪ - 1.50٪ | ابزار برش، قالب ها، تیغه ها |
| کربن فوق العاده بالا | 1.25٪ - 2.00٪ | قطعات سایش تخصصی، سیم |
| آستانه چدن | بالای 2.14% | دیگر به عنوان فولاد طبقه بندی نمی شود |
ردیابی و عناصر باقیمانده که هنوز مهم هستند
همه عناصر در فولاد عمدا اضافه نمی شوند. فسفر و گوگرد به عنوان محصولات جانبی باقیمانده از سنگ معدن خام و ضایعات مورد استفاده در ذوب وارد مخلوط می شوند و آسیاب ها به دلیل اختلال در عملکرد مکانیکی هر دو را زیر حد مجاز نگه می دارند.
فسفر
فسفر segregates toward grain boundaries during solidification, making the steel brittle at room temperature, a defect known as cold shortness. Most specifications cap phosphorus at 0.04% or lower, since even small increases can cause forged parts to crack under impact loading. Free-machining steel grades are a notable exception, where phosphorus is intentionally raised alongside sulfur to make chip formation easier during high-speed machining, trading some toughness for improved cutting performance.
گوگرد
گوگرد causes the opposite problem at high temperature, known as hot shortness, where the steel becomes crumbly and prone to tearing during hot rolling or forging. Manganese is deliberately added in a ratio to sulfur content specifically to neutralize this effect by forming manganese sulfide inclusions instead of the more damaging iron sulfide, which has a much lower melting point and would otherwise sit at grain boundaries as a liquid film during hot working.
اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن
گازهای ردیابی جذب شده در طول ذوب نیز می تواند بر کیفیت فولاد تأثیر بگذارد. اکسیژن اجزای غیر فلزی ایجاد می کند که ماتریکس را ضعیف می کند، نیتروژن می تواند در طول زمان باعث شکنندگی پیری شود و هیدروژن به دلیل ایجاد ترک های تاخیری در بخش های ضخیم آهنگری در صورتی که از طریق گاز زدایی در خلاء قبل از ریخته گری و آهنگری فولاد حذف نشود مشهور است. کورههای قوس الکتریکی مدرن و روشهای پالایش ملاقه کنترل این گازهای کمیاب را بسیار دقیقتر از دهههای گذشته کردهاند، به همین دلیل است که قطعات فولادی آهنگری که امروزه تولید میشوند دارای خواص مکانیکی ثابتتری نسبت به قطعات مشابه ساختهشده در یک نسل قبل هستند.
سایر عناصر باقیمانده
فولادسازی مبتنی بر قراضه، که اکنون سهم بزرگی از تولید جهانی را تامین میکند، میتواند مقادیر کمی از قلع، آرسنیک و آنتیموان را که از منابع مختلط قراضه منتقل میشود، معرفی کند. این عناصر عمداً اضافه نمیشوند و معمولاً هر کدام زیر 0.05 درصد باقی میمانند، اما در ترکیب آنها میتوانند به شکنندگی مزاج در بخشهای آهنگری سنگین که تحت سرد شدن آهسته در یک محدوده دمایی متوسط خاص قرار میگیرند، کمک کنند. تولیدکنندگانی که آهنگریهای حیاتی را تامین میکنند، به جای اینکه هر کدام را به صورت مجزا بررسی کنند، مجموع این عناصر ولگرد را کنترل میکنند.
چگونه عناصر ریزساختار داخلی فولاد را شکل می دهند
درصد هر عنصر به خودی خود اهمیت کمتری دارد تا اینکه چگونه بر ساختار بلوری میکروسکوپی که با سرد شدن فولاد تشکیل می شود تأثیر می گذارد. چهار ساختار به طور مکرر در هر بحثی در مورد عملکرد فولاد آهنگری مطرح می شوند.
فریت
فریت is the soft, magnetic, body-centered cubic form of iron that dominates low carbon steel at room temperature. It offers excellent ductility but limited strength on its own, which is why pure ferritic structures are typically reserved for parts that prioritize formability over hardness.
پرلیت
پرلیت is a layered structure of alternating ferrite and iron carbide that forms as medium and high carbon steel cools slowly from the austenite range. The fine, alternating layers give pearlite a useful balance of strength and moderate ductility, and it is the dominant structure in normalized medium carbon forgings that are not further heat treated.
مارتنزیت
مارتنزیت forms when austenite is cooled too quickly for carbon atoms to escape the crystal lattice in an orderly way, trapping them in a highly strained structure that is very hard but brittle. Nearly every quenched and tempered forging, including 4140 and 4340 components, passes through a martensitic stage before tempering reduces the brittleness while retaining most of the added strength.
بینیت
بینیت forms at cooling rates between those that produce pearlite and those that produce martensite, and it offers an appealing combination of strength and toughness without the tempering step martensite requires. Alloying elements such as manganese, chromium, and molybdenum widen the cooling rate window in which bainite forms, giving forging engineers more flexibility in thick sections where the core cools more slowly than the surface.
هر عنصر آلیاژی که قبلاً در این راهنما مورد بحث قرار گرفت، در نهایت جایگاه خود را در مشخصات فولادی به دست میآورد زیرا چگونه مرزهای بین این چهار ساختار را تغییر میدهد، یا با کاهش سرعت خنکسازی مورد نیاز برای اجتناب از پرلیت، یا با تثبیت آستنیت در دماهای پایینتر، یا با سنجاق کردن مرزهای دانهها به طوری که هر ساختاری که تشکیل میشود، ریز و یکنواخت باقی بماند تا منسجم.
فولادسازی و پالایش: چگونه محتوای عنصر کنترل می شود
درصد عناصر به سادگی مانند یک دستور غذا با هم مخلوط نمی شوند. آنها نتیجه نهایی یک دنباله از مراحل پالایش هستند که هر کدام عناصر خاصی را به ترتیب کنترل شده حذف یا اضافه می کنند.
- شارژ مواد خام یا با کاهش سنگ آهن در کوره بلند برای تولید آهن خام مایع یا ضایعات فولاد بازیافت شده ذوب شده در کوره قوس الکتریکی آغاز می شود، با انتخاب بین مسیرها تا حد زیادی توسط هزینه های انرژی منطقه ای و در دسترس بودن ضایعات تعیین می شود.
- پالایش اولیه در یک کوره اکسیژن اولیه یا کوره قوس الکتریکی، اکسیژن را از طریق مذاب می دمد تا کربن، سیلیکون و فسفر اضافی را از آهن خام خارج کند و قبل از شروع تنظیمات دقیق، ترکیب را به سمت یک هدف خشن پایین می آورد.
- متالورژی ملاقه ای دنبال می شود، جایی که مذاب به یک ظرف جداگانه منتقل می شود و افزودن دقیق منگنز، کروم، نیکل، مولیبدن و سایر عناصر آلیاژی برای رسیدن به شیمی هدف دقیق برای درجه مورد نظر ساخته می شود.
- گاز زدایی با خلاء هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن باقیمانده را حذف می کند، که به ویژه برای فولادی که برای مقاطع بزرگ آهنگری ساخته می شود که در آن گاز به دام افتاده می تواند پس از سرد شدن قطعه باعث پوسته پوسته شدن یا ترک خوردگی داخلی شود، حیاتی است.
- ریخته گری مداوم مذاب تصفیه شده را به شکل بیلت، شکوفه یا اسلب جامد می کند و نمونه ای از این مرحله به تجزیه و تحلیل حرارتی رسمی تبدیل می شود که همراه با مواد از طریق نورد و در نهایت به کارگاه آهنگری می رود.
هر یک از این مراحل به طور خاص برای کنترل محتوای عنصر در یک باند باریک وجود دارد، و هر میانبر گرفته شده در یک مرحله بعداً به عنوان یک ناهماهنگی نشان میدهد که پرس آهنگری بلافاصله به شکل ترکخوردگی سطحی یا جریان ناهموار دانه در معرض نمایش قرار میگیرد.
نحوه رفتار محتوای عنصر در طول فرآیند آهنگری فولاد
آهنگری فولاد با استفاده از نیروی فشاری یک شمش گرم شده را تغییر شکل می دهد و ترکیب عنصری آن شمش مستقیماً بر نحوه واکنش آن در زیر چکش یا فشار تأثیر می گذارد. درک این توالی به توضیح اینکه چرا جعل مشخصات به شیمی دقیق ارجاع می دهد و نه فقط یک نام درجه کمک می کند.
- بیلت در محدوده دمایی آستنیتی گرم می شود، معمولاً بین 1100 درجه سانتی گراد تا 1250 درجه سانتی گراد برای گریدهای کربن متوسط و آلیاژ پایین، جایی که ساختار آهن-کربن به اندازه ای نرم می شود که بدون ترک خوردن تغییر شکل دهد.
- کربن و عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن دمایی را که در آن مواد شروع به نرم شدن میکنند، افزایش میدهند، به همین دلیل است که شمشهای آهنگری با آلیاژ بالاتر به کنترل دقیقتری در کوره نیاز دارند تا از گرم شدن کمتر، که خطر ترک خوردگی یا گرم شدن بیش از حد، که ساختار دانه را درشت میکند، جلوگیری شود.
- در طول تغییر شکل، عناصری مانند مرزهای دانه پین وانادیوم و نیوبیم در جای خود قرار میگیرند و ساختار کریستالی را حتی زمانی که فلز فشرده میشود و تغییر شکل میدهد، خوب نگه میدارد، که به طور مستقیم استحکام و عمر خستگی آهنگری تمامشده را بهبود میبخشد.
- پس از آهنگری، قطعه سرد می شود و اغلب عملیات حرارتی می شود. محتوای مولیبدن و کروم تعیین می کند که قطعه تا چه حد می تواند در طول کوئنچ سخت شود، در حالی که محتوای منگنز بر نحوه واکنش فولاد به تلطیف پس از آن تأثیر می گذارد.
- گوگرد and phosphorus levels are checked before forging begins, since forgings with excess sulfur are prone to internal tearing under the compressive stress of the hammer, and excess phosphorus increases the risk of cracking once the part cools below its ductile-to-brittle transition point.
به همین دلیل است که تأمینکنندگان فورج معمولاً یک برگه کامل ترکیب شیمیایی را در کنار دادههای خواص مکانیکی منتشر میکنند، نه اینکه تنها بر تعیین درجه تکیه کنند. اگر نسبت منگنز به گوگرد یا محتوای عناصر کمیاب آنها حتی اندکی متفاوت باشد، دو دسته با برچسب یکسان همچنان میتوانند در مطبوعات رفتار متفاوتی داشته باشند.
جریان دانه و توزیع عناصر
یکی از مزایای منحصر به فرد آهنگری، در مقایسه با ریختهگری یا ماشینکاری از استوک میله، این است که تغییر شکل فشاری، ساختار دانههای داخلی را در امتداد شکل قطعه نهایی تراز میکند نه برش دادن آن. عناصر آلیاژی که اندازه دانه را اصلاح میکنند، به ویژه وانادیوم، تیتانیوم و نیوبیم، این مزیت را تقویت میکنند، زیرا اندازه دانه شروع ریزتر پس از آهنگری کامل قطعه به یک خط جریان پیوستهتر و با یکپارچگی بالاتر تبدیل میشود، که دلیل اصلی این است که اجزای آهنگری به طور مداوم از معادلهای ریختهگری یا ماشینکاری شده بهتر عمل میکنند. جاهای خالی دنده
کنترل دما در خانواده های آلیاژی مختلف
شمش های فولادی کربنی ساده، پنجره دمای آهنگری نسبتاً وسیع را تحمل می کنند، اما با افزایش محتوای کروم، مولیبدن و نیکل، این پنجره به طور قابل توجهی باریک می شود. فولاد ابزار بسیار آلیاژی و شمش های فولاد ضد زنگ اغلب باید در یک نوار باریک تا 50 درجه سانتیگراد باقی بمانند تا از تغییر شکل ناقص در انتهای پایین یا رشد بیش از حد دانه و ذوب اولیه احتمالی اجزای با نقطه ذوب پایین در انتهای بالا جلوگیری شود. این یکی از دلایلی است که مغازههای آهنگری که در کار ضد زنگ یا آلیاژ بالا تخصص دارند، نسبت به مغازههایی که صرفاً روی فولاد کربنی ساده متمرکز شدهاند، ابزار دقیقتر کوره و بررسیهای دمایی مکررتری دارند.
ترکیب عناصر در درجات معمول فولاد
سیستم های نامگذاری درجه فولاد، به ویژه کدهای چهار رقمی AISI و SAE، مستقیماً حول محتوای عناصر ساخته شده اند. خواندن صحیح یک عدد گرید، بدون نیاز به گزارش کامل آزمایشگاهی، بیشتر از چه فولادی ساخته شده است. در سیستم چهار رقمی استاندارد، دو رقم اول عنصر یا خانواده آلیاژی اولیه را نشان میدهند، در حالی که دو رقم آخر محتوای کربن را به صدم درصد تقریب میرسانند، بنابراین درجهای مانند 4140 نشاندهنده خانواده آلیاژ کروم-مولیبدن با تقریباً 0.40 درصد کربن است.
| درجه | کربن | عناصر کلیدی آلیاژی | استفاده متداول |
|---|---|---|---|
| 1018 | 0.18٪ | منگنز 0.60٪ - 0.90٪ | محورهای عمومی، قطعات کم فشار |
| 1045 | 0.45٪ | منگنز 0.60٪ - 0.90٪ | چرخ دنده های آهنگری، محورها |
| 4130 | 0.28٪ - 0.33٪ | Cr 0.80٪ - 1.10٪، Mo 0.15٪ - 0.25٪ | لوله های فورج شده، اتصالات، قطعات هوافضا |
| 4140 | 0.38٪ - 0.43٪ | Cr 0.80٪ - 1.10٪، Mo 0.15٪ - 0.25٪ | شفت آهنگری، ابزار، اتصالات |
| 4340 | 0.38٪ - 0.43٪ | Ni 1.65٪ - 2.00٪، Cr 0.70٪ - 0.90٪، Mo 0.20٪ - 0.30٪ | قطعات با فشار زیاد خستگی |
| 8620 | 0.18٪ - 0.23% | Ni 0.40٪ - 0.70٪، Cr 0.40٪ - 0.60٪، Mo 0.15٪ - 0.25٪ | چرخ دنده های آهنگری کربن دار، پین |
| 304 ضد زنگ | حداکثر 0.08٪ | Cr 18٪ - 20٪، Ni 8٪ - 10.5٪ | اتصالات مقاوم در برابر خوردگی، مخازن |
| 316 ضد زنگ | حداکثر 0.08٪ | Cr 16٪ - 18٪، Ni 10٪ - 14٪، Mo 2٪ - 3٪ | آهنگرهای پردازش دریایی و شیمیایی |
| فولاد ابزار H13 | 0.32٪ - 0.45٪ | Cr 4.75٪ - 5.50٪، Mo 1.10٪ - 1.75٪، V 0.80٪ - 1.20٪ | قالب های ریخته گری آهنگری و ماشینکاری شده |
توجه داشته باشید که چگونه محتوای آهن هرگز مستقیماً در این جداول ذکر نشده است. این به سادگی به عنوان باقیمانده زمانی که کربن، منگنز، کروم، نیکل و سایر عناصر از 100٪ کم می شود، درک می شود، به همین دلیل است که گاهی اوقات آهن را عنصر تعادل در یک صفحه ترکیب شیمیایی می نامند.
خانواده فولاد ضد زنگ: تغییرات عنصر توضیح داده شده است
فولاد ضد زنگ یک ماده واحد نیست، بلکه خانواده ای از آلیاژها است که بر اساس نحوه چیدمان عناصر آنها ساختار کریستالی زیرین را دسته بندی می کنند. درک این زیرخانوادهها روشن میکند که چرا درصد عناصر آنقدر در درجهها جابهجا میشوند که همه تحت یک برچسب عمومی ضد زنگ قرار میگیرند.
فولاد ضد زنگ آستنیتی
گریدهای آستنیتی مانند 304 و 316 به محتوای نیکل بالا، معمولاً 8 درصد یا بیشتر، برای پایدار نگه داشتن ساختار آستنیت حتی در دمای اتاق به جای تبدیل شدن به فریت در هنگام خنک شدن، متکی هستند. این امر به ضد زنگ آستنیتی انعطاف پذیری و چقرمگی عالی را همراه با مزیت غیر مغناطیسی بودن می دهد، اگرچه نمی توان آن را از طریق عملیات حرارتی مانند فولادهای آهنگری کربن و کم آلیاژ سخت کرد.
فولاد ضد زنگ فریتی
گریدهای فریتی مقدار نیکل را کم یا به طور کامل حذف می کنند و برای ایجاد مقاومت در برابر خوردگی به کروم به تنهایی متکی هستند که معمولاً بین 10.5٪ تا 18٪ است. از آنجایی که این گریدها مغناطیسی باقی می مانند و نمی توانند به طور قابل توجهی با عملیات حرارتی سخت شوند، آنها بیشتر برای مقاومت در برابر خوردگی مقرون به صرفه در کاربردهای ساختاری کمتر نسبت به قطعات آهنگری با استحکام بالا انتخاب می شوند.
فولاد ضد زنگ مارتنزیتی
گریدهای ضد زنگ مارتنزیتی محتوای کروم متوسطی را که معمولاً بین 12 تا 18 درصد است، با کربن کافی ترکیب میکنند تا پاسخ سختشدگی خاموش و تمپر مورد استفاده در کربن و فولاد کم آلیاژ را ممکن میسازد. این امر ضد زنگ مارتنزیتی را به خانواده ارجح برای قطعات ضد زنگ آهنگری تبدیل می کند که به مقاومت در برابر خوردگی و سختی بالا نیاز دارند، مانند اجزای شیر، کارد و چنگال و شفت های پمپ خاص.
فولاد ضد زنگ دوبلکس
گریدهای دوبلکس با کنترل دقیق کروم، نیکل و نیتروژن با یکدیگر، تقریباً قسمت های مساوی آستنیت و فریت را متعادل می کنند و ساختاری را ایجاد می کنند که استحکام گریدهای فریتی را با بیشتر چقرمگی و جوش پذیری گریدهای آستنیتی ترکیب می کند. این تعادل باعث میشود که ضدزنگ دوبلکس به طور فزایندهای در اتصالات فرآوریشده فراساحلی و شیمیایی که با بارهای مکانیکی بالا و محیطهای خورنده تهاجمی مواجه هستند، رایج شود.
فولاد ابزار و عناصر آلیاژی با کارایی بالا
فولاد ابزار پایان پیچیدگی آلیاژی را نشان می دهد، جایی که چندین عنصر تشکیل دهنده کاربید قوی عمداً برای دستیابی به مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر حرارت بسیار فراتر از آنچه فولاد آلیاژی استاندارد می تواند ارائه دهد، ترکیب می شود.
فولاد ابزار کار سرد
گریدهای کار سرد مانند D2 متکی به محتوای کروم بالا، اغلب 11٪ تا 13٪، همراه با کربن بالا برای تشکیل کاربیدهای کروم سخت فراوان در سراسر ریزساختار هستند. این کاربیدها به فولاد مقاومت استثنایی در برابر سایش ساینده در کاربردهایی مانند قالبهای برشی و تیغههای برشی میدهند، اگرچه حجم کاربید بالا میتواند مواد را شکنندهتر از فولاد ابزار با آلیاژ پایینتر کند.
فولاد ابزار کار داغ
گریدهای کار گرم مانند H13 از کروم، مولیبدن و وانادیوم با هم استفاده می کنند تا در برابر نرم شدن در دمای بالا که در قالب های ریخته گری و آهنگری خود با آنها مواجه می شوند، مقاومت کنند. از آنجایی که این قالب ها به طور مکرر با فشار دادن یا ریخته گری فلز داغ روی آنها گرم و سرد می شوند، مقاومت در برابر خستگی حرارتی به اندازه سختی خام اهمیت دارد، به همین دلیل است که تعادل عنصر در فولاد کار داغ به نفع مقاومت پایدار در دمای بالا نسبت به حداکثر سختی در دمای اتاق است.
فولاد پرسرعت
فولاد با سرعت بالا محتوای آلیاژ را بیشتر می کند و تنگستن یا مولیبدن را با وانادیوم و گاهی کبالت ترکیب می کند تا لبه برش تیز را حفظ کند حتی اگر اصطکاک دمای ابزار را در حین ماشینکاری با سرعت بالا افزایش دهد. این نام نشان دهنده مزیت اصلی این گریدها نسبت به فولاد ابزار ساده کربنی قدیمی است که پس از سرعت برش و افزایش گرمای حاصل، سختی خود را از دست داده و به سرعت کدر می شود.
معادل کربن: ترکیب عناصر در یک عدد
از آنجایی که بسیاری از عناصر به طور همزمان بر سختی پذیری و جوش پذیری تأثیر می گذارند، متالورژیست ها از یک رقم ترکیبی منفرد به نام معادل کربن یا CE استفاده می کنند تا اثر کلی شیمی کامل را در یک مقدار خلاصه کنند. یک نسخه پر استفاده از فرمول کربن را به بخش هایی از منگنز، کروم، مولیبدن، نیکل و مس اضافه می کند.
CE = %C (%Mn / 6) ((%Cr %Mo %Ni) / 15) (%Cu / 40)
معادل کربن بالاتر به این معنی است که فولاد در برابر تغییر شکل مقاومتر است و سایش بهتری دارد، اما همچنین به این معنی است که این ماده در هنگام جوشکاری در برابر ترکخوردگی ناشی از هیدروژن حساستر است و قبل از ایجاد هرگونه اتصال جوشی نیاز به پیش گرمایش دارد. اجزای آهنگری که بعداً در یک مجموعه بزرگتر جوش داده می شوند، مانند نازل مخازن تحت فشار یا اتصالات ساختاری، اغلب با حداکثر سقف معادل کربن به جای حداکثر درصد کربن مشخص می شوند، زیرا این عدد واحد اثر ترکیبی هر عنصر را به یکباره نشان می دهد.
به عنوان یک نقطه مرجع عملی، فولاد کم کربن ساده معمولاً معادل کربن زیر 0.35 تولید می کند که به راحتی با حداقل پیش گرما جوش می شود. گریدهای آلیاژی کم کربن متوسط مانند 4140 معمولاً بین 0.55 تا 0.70 فرو میروند که به پیش گرمای متوسط و دمای بین پاسی کنترلشده در طول جوشکاری نیاز دارند. فولاد ابزار و گریدهای آهنگری بسیار آلیاژی می توانند معادل کربن را به بالای 0.90 برسانند، در این نقطه از جوشکاری به طور کلی به نفع اتصال مکانیکی یا جایگزینی قطعه آهنگری به عنوان یک قطعه منفرد اجتناب می شود.
چرا کنترل دقیق المان برای قطعات فولادی آهنگری مهم است؟
عملیات آهنگری نیروی فشاری بسیار زیادی را به شمش گرم شده اعمال می کند و هرگونه ناهماهنگی در توزیع عنصر بلافاصله به صورت ترک خوردگی، پارگی یا جریان ناهموار دانه ظاهر می شود. آسیاب هایی که شمش ها را برای آهنگری عرضه می کنند، معمولاً تحمل سخت تری نسبت به منگنز، گوگرد و فسفر نسبت به آسیاب های تولید فولاد برای صفحات نورد ساده دارند، زیرا فرآیند آهنگری هرگونه ضعف را در نقطه حداکثر تغییر شکل متمرکز می کند. یک شمش با مقدار کمی گوگرد بالا که هیچ مشکل قابل مشاهده ای در ورق نورد ایجاد نمی کند، می تواند با ضربه زدن زیر چکش آهنگری به طور کامل از هم جدا شود.
همچنین به همین دلیل است که تامین کنندگان آهنگری معتبر هر گرمای فولاد را آزمایش می کنند و رکورد ترکیب شیمیایی هر دسته را به جای تکیه بر مشخصات درجه عمومی حفظ می کنند. خریدارانی که فلنجها، کوپلینگها، بدنه سوپاپها یا شفتهای محرک فورج شده را تامین میکنند از درخواست تجزیه و تحلیل حرارت واقعی سود میبرند، زیرا درصد واقعی هر عنصر را نشان میدهد نه فقط محدوده اسمی چاپ شده در یک کاتالوگ.
قوام عنصر همچنین بر ماشینکاری پایین دست پس از آهنگری تأثیر می گذارد. یک قطعه آهنگری با اجزای سولفید منگنز جدا شده میتواند بهطور ناهموار ماشینکاری کند و باعث ایجاد سطح ناهماهنگ و سایش ابزار تسریع در برخی از قسمتهای همان جزء شود. خریدارانی که تغییرات غیرقابل توضیحی را در عملکرد ماشینکاری در قطعات جعلی ظاهراً یکسان مشاهده میکنند، اغلب علت اصلی را به توزیع ناسازگار عنصر در بیلت اصلی میدانند تا هر گونه خطا در فرآیند ماشینکاری.
سوالات متداول
مهمترین عنصر در فولاد به جز آهن چیست؟
کربن تنها تأثیرگذارترین عنصر است زیرا مستقیماً سختی، استحکام و شکل پذیری را بیش از هر عنصر دیگری کنترل می کند. هر عنصر دیگر در بالای رابطه آهن-کربن قرار می گیرد تا یک ویژگی خاص را تنظیم کند.
آیا فولاد اصلاً بدون کربن وجود دارد؟
نه با تعریف استاندارد. آلیاژ بسیار کم کربن، گاهی اوقات کمتر از 0.01 درصد کربن مانند فولاد ماراژینگ، از نظر فنی به عنوان فولاد طبقه بندی می شود، زیرا همچنان به یک ماتریس آهنی است که از طریق مکانیسم های دیگر تقویت شده است، اما اکثریت قریب به اتفاق فولادهای تجاری حاوی محتوای کربن قابل اندازه گیری هستند.
چرا فولاد ضد زنگ حاوی این همه کروم است؟
کروم content above roughly 11% forms a thin, continuously self-healing chromium oxide layer on the surface of the steel. This layer blocks oxygen and moisture from reaching the iron underneath, which is what gives stainless steel its resistance to rust compared with ordinary carbon steel.
آیا محتوای آلیاژ بالاتر همیشه به معنای فولاد قوی تر است؟
نه لزوما. عناصر آلیاژی به جای اینکه صرفاً استحکام را در سراسر تخته اضافه کنند، خواص خاص را تغییر می دهند. به عنوان مثال، نیکل در درجه اول چقرمگی و عملکرد در دمای پایین را به جای سختی خام بهبود می بخشد، در حالی که کروم عمدتاً مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشد. ترکیب مناسب کاملاً به نحوه استفاده از قسمت تمام شده بستگی دارد.
چرا قطعات فورج شده درصد عناصر دقیق را به جای نام درجه مشخص می کنند؟
زیرا حتی تغییرات کوچک در محتوای منگنز، گوگرد یا فسفر در محدوده مجاز برای یک درجه می تواند نحوه رفتار بیلت تحت نیروی فشاری در طول آهنگری را تغییر دهد. شیمی حرارتی دقیق به مهندسان امکان می دهد جریان دانه، خطر ترک خوردگی و پاسخ عملیات حرارتی پس از آهنگری را با دقتی بسیار بیشتر از یک نام درجه به تنهایی پیش بینی کنند.
اگر میزان گوگرد در فولاد قبل از آهنگری خیلی زیاد باشد چه اتفاقی می افتد؟
گوگرد اضافی با آهن واکنش می دهد و سولفید آهن را تشکیل می دهد که در دمای بسیار پایین تری نسبت به ماتریکس فولادی اطراف ذوب می شود. در طول آهنگری داغ، این اجزای ذوب کم می توانند باعث پاره شدن شمش در داخل شوند، نقصی که به عنوان کوتاهی داغ شناخته می شود که با افزودن منگنز کافی برای اتصال گوگرد به جای آن تا حد زیادی از آن جلوگیری می شود.
آیا محتوای آهن در برگه مشخصات فولاد ذکر شده است؟
آهن به ندرت به عنوان درصد خاصی درج می شود زیرا پس از محاسبه هر عنصر دیگر به عنوان تعادل ترکیب در نظر گرفته می شود. یک مشخصات فولاد کربن معمولی حداکثر کربن، منگنز، فسفر، گوگرد و سیلیکون را ذکر میکند که آهن به سادگی میتواند باقیمانده را تشکیل دهد، معمولاً 97 تا 99 درصد وزن کل.
چرا برخی از گریدها بور اضافه میکنند در حالی که کروم و مولیبدن از قبل سختشدگی را بهبود میبخشند؟
بور is added because it delivers a large hardenability improvement using only a few parts per million of material, which keeps alloy cost low compared with achieving the same hardenability increase through larger additions of chromium, molybdenum, or nickel. It is especially common in cost-sensitive fastener and structural grades where every fraction of a percent of alloy content affects the final price.
تفاوت بین یک محصول نورد گرم و یک محصول آهنگری ساخته شده از همان درجه فولاد چیست؟
هر دو از یک ترکیب شیمیایی شروع می شوند، اما آهنگری نیروی فشاری متمرکزی اعمال می کند که جریان دانه داخلی را در امتداد شکل قطعه تراز می کند و هر گونه تخلخل داخلی باقی مانده از ریخته گری را می بندد. میله نورد گرم دارای ساختار دانه ای یکنواخت تر و جهت دارتر است. برای اجزای حیاتی خستگی، جریان دانهای که از طریق آهنگری به دست میآید معمولاً عملکرد مکانیکی بهتری را ارائه میکند، حتی اگر شیمی عنصر زیربنایی یکسان باشد.
مهندسان چگونه تصمیم می گیرند که کدام عناصر آلیاژی را برای قطعه آهنگری جدید مشخص کنند؟
انتخاب معمولاً از الزامات مکانیکی قطعه، مانند استحکام کششی مورد نیاز، چقرمگی ضربه در دمای مورد انتظار، و مقاومت در برابر خوردگی یا سایش شروع میشود و سپس تا درجهای کار میکند که محدوده عناصر تعیینشده برای ارائه آن ویژگیها به طور قابل اعتماد شناخته شده است. هزینه، جوشپذیری و ماشینکاری در کنار عملکرد مکانیکی خالص سنجیده میشود، زیرا فولاد بسیار آلیاژی به ندرت کاربردیترین یا مقرون به صرفهترین انتخاب برای یک کاربرد خاص است.

