فولاد کم کربن (نرم) چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

فولاد کم کربن که از آن به عنوان فولاد ملایم یا نرم (mild or soft steel) نیز یاد می‌شود، فلزی بر پایۀ عنصر آهن است که به دلیل محتوای بالای آهن، دارای خواص مغناطیسی است. وجود مقادیر بالای آهن و مقادیر کم عنصر کربن، مشخصۀ اصلی mild steelهاست. آهن به آن خاصیت فرومغناطیسی داده و کمبود کربن قدرت خمش، جوش‌پذیری و ماشینکاری آن را بالا برده است. از این رو، مقاطع و پروفیل‌هایی که از mild steelها ساخته می‌شوند، کاربردهای گسترده ای در صنعت پیدا کرده‌اند. همچنین، برای اکثر کاربردهای مهندسی عمومی مناسب هستند. فولاد ملایم در خالص‌ترین حالت، آهن و به طور کل، یک آلیاژ است.

به طور کلی، محتوای کربنی که در زمان ساخت آلیاژهای فولادی استفاده می‌شود، بسته به الزامات و کابردهایی که فولاد قرار است برای آن استفاده شود، بسیار متفاوت است. در ترکیب شیمیایی فولاد نرم، محتوای بسیار کمی از عنصر کربن وجود دارد؛ چیزی در محدودۀ 0.05% تا 0.25%. در کنار کربن، عناصر دیگری هم در ترکیب شیمیایی فولادهای ملایم وجود دارد. عناصری که به بهبود ویژگی‌های مقاطع حاصل از این آلیاژ کمک می‌کند؛ ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام کششی.

سختی فولادهای نرم را می‌توان از طریق کربوریزینگ (carburizing) به دست آورد. چگالی آن g/cm³7.85 بوده و بهترین گزینه برای ساخت مقاطع فولادی مورد استفاده جهت کاربردهای سازه‌ای است. در مقایسۀ آن با فولادهای کربن بالاتر می‌توان گفت که فولاد ملایم، استحکام کششی بالاتر و بهتری دارد، به راحتی تغییر شکل داده، خم می‌شود و نمی شکند. زیرا هیچگونه تغییر شکل کریستالی ناشی از محتوای کربن بالا در آن وجود ندارد و رخ نمی‌دهد. همین ویژگی سبب شده است تا در صنایع و کاربردهای مختلف، مفید باشد. mild steel دارای درجه و گریدهای مختلفی است که در ادامه مهمترین آن‌ها معرفی شده است.

• ساخت و تولید ورق های St مثل ورق سیاه و ورق روغنی.
• ساخت انواع توری فلزی مثل فنس.
• استفاده در ساخت قطعات هیدرولیک.
• استفاده گسترده در صنعت ساخت خودرو.
• استفاده گسترده در ساخت ماشین آلات صنعتی.
• ساخت تجهیزات بُرش (زیرا برای مدت طولانی‌تری تیز می‌مانند).
• استفاده در ساخت خطوط لوله و قطب هایی که که شرایط جوی متغیر دارند.

افزایش یکنواخت در محتوای کربن موجود در آلیاژهای فولادی را می‌توان به کمک درمان حرارتی به دست آورد. درمان حرارتی عملیات حرارتی است که شامل حرارت دادن و سپس سرد کردن فلزات است. روش‌ها و تکنیک های مختلفی برای نیل به این هدف وجود دارد. از این عملیات حرارتی می‌توان برای فلزات آهنی و غیرآهنی استفاده کرد.

با افزایش محتوای کربن، فولاد سخت می‌شود اما شکل‌پذیری خود را از دست می‌دهد. در نتیجه، فولاد شکننده شده و ممکن است در صورت خم شدن با اِعمال بار زیاد، بشکند. فرآیند تولید فولاد ملایم مشابه سایر فولادهای کربنی است. فولادهای پر کربن، هم محتوای کربن بیشتر و هم خواص فیزیکی متفاوت دارند؛ مثل استحکام بالاتر و درجۀ سختی بالاتر. فولاد کم کربن از آهن خالص تهیه می‌شود و در فرایند ساخت آن سه مرحلۀ اصلی وجود دارد:

1. فولاد سازی اولیه (Primary steelmaking)
2. فولاد سازی ثانویه (Secondary Steelmaking)
3. ریخته‌گری فولاد ملایم و شکل دهی اولیه (Mild Steel Casting & Primary Forming)
4. شکل دهی ثانویه (Secondary Forming) (جزء مراحل اصلی نیست و جهت تکمیل ایده‌آل مراحل قبلی انجام می‌گیرد).

فولاد سازی اولیه

این مرحله شامل ترکیب سنگ آهن با آهک و زغال سنگ است و سپس آن را در داخل کوره‌ای بلند با ظرفیت 100 تُن تا 400 تُن گرم می‌کنند. آهک به عنوان یک عامل گدازنده عمل می کند زیرا یک لایه محافظ در سراسر فلز مذاب ایجاد می‌کند.

روش های مدرن فولادسازی کوره اکسیژن پایه (BOS) یا کوره قوس الکتریکی (EAF) است. فرآیند BOS شامل دمیدن اکسیژن از میان فلز مذاب است. دمیدن اکسیژن با گنجاندن ضایعات فولادی انجام می‌گیرد. دمیدن اکسیژن با هدف کاهش محتوای کربن موجود در مذاب صورت می‌گیرد. انجام این کار میزان کربن را به حدود 1.5 درصد کاهش می‌دهد. که فرآیند EAF نیز شامل تغذیه ضایعات فولاد از طریق قوس الکتریکی با قدرت بالا است. EAF کیفیت کلی فولاد حاصل را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. ترکیب فولاد در کوره قوس الکتریکی با افزودن یا حذف یک سری اجزای مشخص یا با دستکاری دما تغییر می‌کند.

فولاد سازی ثانویه

در مرحلۀ دومِ ساختِ فولادهای کم کربن، همچنان تلاش می‌شود تا از محتوای کربن موجود در آلیاژ مذاب کم شود. کاهش کربن از طریق دستکاری شرایط دما و فشار کوره به دست می‌آید. درجات مختلفی از فولاد کم کربن وجود دارد. بسته به اینکه ساخت کدام نوع فولاد کم کربن مد نظر باشد، روش‌های متعددی وجود دارد که در ادامه کار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش ها عبارتند از:

1. گاز زدایی (degassing)
2. استیرینگ (stirring)
3. کورۀ لدل (ladle furnace)
4. تزریق لدل (Ladle injection)
5. روش تعدیل ترکیب با تزریق آرگون با دمیدن اکسیژن (CAS-OB)

1- گاز زدایی

هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن را حذف می‌کند و در عین حال میزان گوگرد محصول را نیز کاهش می‌دهد. تکنیک‌های مختلفی برای گاز زدایی فولاد مذاب از جمله خلاء، تزریق گاز بی اثر و کنترل دما استفاده می‌شود. برای کسب اطلاعات بیشتر حتماً مقالۀ اکسیژن زدایی از فولاد را مطالعه نمایید.

2- استیرینگ از روش های تولید فولاد کم کربن

در روش استیرینگ از میدان های الکترومغناطیسی برای القای جریان آشفته در مذاب فولاد استفاده می‌شود. این روش به راحتی اجزای غیرفلزی را که روی سطح شناور می‌شوند، جدا می کند. مزیت روش استیرینگ آن است که از مخلوط و ترکیب همگن فولاد اطمینان حاصل می‌شود.

3- کورۀ لدل

در این روش، لدل به عنوان یک کوره الکترود ثانویه عمل می‌کند که امکان کنترل دقیق دما و تزریق اندازه‌گیری اجزای آلیاژی با آن فراهم است.

4- تزریق لدل

گاز بی‌ اثر به کف حمام فولادی تزریق می‌شود با گرم شدن گاز و بالا آمدن آن از فولاد مذاب، اثر استرینگ حاصل می‌شود.

5- روش تعدیل ترکیب (CAS-OB)

استیرینگ با تزریق گاز آرگون به داخل حمام مذاب فولادی حاصل می‌شود. در حالیکه محتوای هیدروژن کاهش می‌یابد و اجزای اکسید روی سطح شناور می‌شوند، به کارگذاری لوله هوا، از ایجاد سرباره در مذاب جلوگیری می‌کند. اکسیژن از طریق lance و آلومینیوم از طریق snorkel به حمام مذاب فولادی اضافه می‌شود.

ریخته‌ گری فولاد کم کربن و شکل دهی اولیه

در این مرحله، به منظور افزایش بهبود خواص فیزیکی آلیاژ مذاب، عناصر لازم به مذاب اضافه می‌شود. سپس مذاب به داخل قالب ریخته می‌شود تا شکل مورد نظر را به خود گیرد. سپس زمان داده می‌شود تا سرد و جامد شود. در انتها، زمانی که فولاد سرد شد، به اشکال مختلف مانند بلوم، اسلب و بیلت برش داده شده و برای بهبود کیفیت سطح، از فرآیند نورد گرم استفاده می‌شود. در انتهای این مرحله، فولاد نرمه ساخته شده است. اما برای ارتقاء خواص مکانیکی آن، معمولا ازً یک مرحلۀ دیگر گذرانده می‌شود؛ مرحلۀ شکل دهی ثانویه.

شکل دهی ثانویه

در شکل دهی ثانویه، روش های مختلفی استفاده می‌شود شامل:

• شکل‌دهی از طریق ماشینکاری
• شکل‌دهی از طریق نورد سرد
• کوتینگ
• درمان سطحی
• تمپرینگ

تعدادی از مهمترین و رایج‌ترین استانداردهای فولاد کم کربن عبارتند از:

• EN 1.0301
• EN 1.1121
• EB 1.0402

گرید EN 1.0301

استاندارد EN 1.0301 معادل AISI 1008، AISI C10 و AISI DC01 است. کربن، منگنز، سیلیسم، آلومینیوم، مس، کروم، نیکل و مولیبدن از عناصر موجود در ترکیب شیمیایی فولاد نرمه گرید EN 1.0301 است. مقدار سه عنصر اصلی موجود به قرار است:

• کربن: 0.1 درصد.
• منگنز: 0.4 درصد.
• سیلیسیم: 0.4 درصد.

کاربردهای فولاد نرمه گرید EN 1.0301: مبلمان، لوازم خانگی، صنعت خودرو.

استاندارد EN 1.1121

EN 1.1121 معادل AISI 1010 است. کربن و منگنز از عناصر اصلی موجود در این گرید هستند و مقدارشان به صورت زیر است:

• کربن: 0.08 –13 درصد.
• منگنز: 0.3 –6 درصد.

کاربرد فولاد نرمه گرید EN 1.1121: کاربرد وسیع در صنعت خودرو.

استاندارد EB 1.0402

EB 1.0402 معادل AISI 1020 و AISI C22 است. کربن و منگنز از عناصر اصلی موجود در این گرید هستند و مقدارشان به صورت زیر است:

• کربن: 0.18 –23 درصد.
• منگنز: 0.3 –6 درصد.

کاربرد فولاد نرم گرید EB 1.0402: یک انتخاب مناسب برای قطعات هیدرولیک و کامشفت (camshaft) است.

فولاد ملایم معمولاً حداکثر دارای 40 نقطه کربن است. یک نقطه کربن به معنای 0.01 درصد کربن است؛ یعنی حداکثر .4 درصد کربن دارد. بیشتر فولادها دارای عناصر آلیاژی دیگری غیر از کربن هستند تا خواص مکانیکی مطلوبی به آنها بدهد. فولاد 1018، یک نوع معمولی از فولاد نرم است که حاوی تقریباً 6/0 تا 9/0 درصد منگنز، تا 04/0 درصد فسفر و تا 05/0 درصد گوگرد است. تغییر این مواد شیمیایی بر خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی و استحکام تأثیر می‌گذارد.

همانطور که قبلاً گفته شد، مقدار عنصر کربن در فولادهای ملایم بسیار کم است، بخصوص اگر آن را با فولاد کربن متوسط یا کربن بالا مقایسه کنیم. محتوای کربن از 0.25٪ تجاوز نمی‌کند؛ اما طبق برخی از منابع، مقدار آن می‌تواند تا 0.45٪ نیز برسد. دیگر عناصری که در کنار کربن قرار می‌گیرند تا در نهایت یک آلیاژ فولادی ملایم تولید شود عبارتند از: نسبت‌های مختلفی از عناصر کبالت، کروم، مس، گوگرد، فسفر، آلومینیوم، نیکل، مولیبدن و منگنز. تغییر در مقدار این عناصر سبب می‌شود تا محصول نهایی خواص متفاوتی به خود گیرد و انواع گریدهای mild steel ایجاد شود.

از میان عناصر بالا، وجود کروم الزامی است؛ زیرا مقاومت فولاد ملایم را در برابر خوردگی افزایش می‌دهد و سختی کلی آن را نیز بالا می‌برد. البته با این وجود، هرگز نمی‌توان از روش های گالوانیزه مثل گالوانیزه خشک یا گالوانیزه گرم و سرد جهت بالا بردن مقاومت در برابر خوردگی چشم پوشی کرد.

مقادیر کم کربن و ترکیب شیمیایی خاص فولاد کم کربن، تأثیر مستقیم بر خواص فیزیکی و مکانیکی آن می‌گذارد. به عنوان مثال، مقادیر کم کربن، ماشینکاری و جوشکاری آن‌ها را آسان می‌کند و کمک می‌کند تا بتوان بُرش‌دهی و شکل‌دهی آن‌ها را بدون دغدغه انجام داد. همچنین بر نقطۀ ذوب‌شان تأثیرگذار است؛ نقطۀ ذوب فولادهای ملایم به طور قابل توجهی کمتر از سایر فولادهای کربنی است. خصوصیات فیزیکی mild steel عبارتست از:

• استحکام کششی بالا
• استحکام بالا جهت مقابله با ضربات
• جوش‌پذیری و شکل‌پذیری عالی
• وجود خاصیت مغناطیسی (به دلیل وجود محتوای فریت)
• عملیات شکل دهی سرد و چکش خواری به طور بسیار خوبی قابل انجام است.
• تحت فشار زیاد نمی شکند بلکه تغییر شکل می‌دهد یا خم می‌شود.
• نقطه ذوب فولاد ملایم 2570 درجۀ فارنهایت و چگالی آن g/cm385 است.

مدول الاستیسیته یا مدول یانگ، بیانگر نسبت تنش‌های کششی به کرنش (تغییر شکل) کششی است. مدول به معنی معیار است. مدول الاستیسیته فولاد نرمه، GP200 می‌باشد. سایر خصوصیات مکانیکی آن در جدول زیر درج شده است.

مزیت ها

• قیمت آن در مقایسه با سایر انواع فولاد مقرون به صرفه است.
• انعطاف‌پذیر و چکش‌خوار است.
• می‌توان از آن‌ها برای اهداف مختلف استفاده کرد.
• در مقایسه با سایر انواع فولاد سبک است.

معایب و کاستی ها

• بالا بردن درجۀ سختی (افزایش سختی) فولادهای کم کربن، با استفاده از روش کوئنچینگ تقریباً غیر ممکن است.
• بسترهای پر استرس را تحمل نمی‌کند یا به راحتی تغییر شکل می‌دهد.

پاسخ این سؤال که آیا می‌توان فولاد ملایم را سخت کرد، مثبت است. اگر میزان کربن موجود در آن را افزایش دهیم، می‌توان فولاد نرم را سخت کرد؛ اما این کار دشوار است.