کربن استیل (فولاد پر کربن) چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد پر کربن که به آن فولاد کربنی هم گفته می‌شود، گروهی از آلیاژهای فولادی است که ترکیب شیمیایی آن حاوی 0.60 تا 2.00 درصد کربن است. محتوای زیاد کربن، نقطۀ ذوب آن‌ها را کاهش می‌دهد. جوشکاری این گروه از فولادها بسیار دشوار است. زیرا پس از آنکه جوشکاری صورت گرفت و فولاد سرد شد، فاز مارتنزیت سخت و شکننده را تشکیل می‌دهد. در نتیجه، ممکن است ترک بخورند و در آن‌ها تخلخل ایجاد شود. از این رو، برای استفاده حداکثری از این نوع فولاد، انجام عملیات حرارتیِ مناسب، بسیار مهم است. انجام عملیات حرارتی، منجر به قوی‌تر شدن فولاد می‌گردد. آلیاژهای فولادی A36 و A283 (درجۀ A، B و C) و A516 استاندارد ASTM رایج‌ترین گریدهای کربن استیل هستند.

در ساختار فولاد کربنی یک بخش اصلی وجود دارد که پرلیت نامیده می‌شود. پرلیت مخلوطی از فریت و کاربید آهن است که در مقاطع میکروسکوپی، به صورت بافت کرمی شکل (wormy texture) نمود می‌کند. پرلیت ساختار بسیار ظریفی دارد و از طرفی، باعث می‌شود تا فولاد کاملاً شکننده شده و قابلیت شکل‌پذیری آن کمتر گردد. اما در عوض، دارای مقاومت سایشی خوبی است و همین ویژگی سبب می‌شود تا استیل‌های کربن بالا به بهترین گزینه جهت ساخت ریل‌های راه آهن تبدیل شوند.

گریدهایی از کربن استیل وجود دارد که از آن‌ها برای ساخت مقاطعی استفاده می‌شود که نیاز به عملیات حرارتی دارند تا تراشکاری و ماشین‌کاری‌شان تسهیل شود. در این گریدها، سطح سیلیسیم (Si) و فسفر (P) بالاتر است. استفاده از آب در حین تراشکاری و ماشین‌کاری فولادهای پر کربن، موجب ترک خوردن‌شان می‌شود. بنابراین، برای کاهش اصطکاک و پایین آوردن دما در حین کار، از ترکیب دو مایع استفاده می‌شود؛ مثل آب صابون.

در کنار فولادهای کربن بالا، دسته‌ای دیگری از آلیاژهای استیل وجود دارد که فولاد فوق پر کربن (Ultrahigh carbon steels) نام دارند. Ultrahigh carbon steels حاوی 1.25 – 2.0% کربن هستند. آن‌ها حاوی ریز ساختارهایی متشکل از دانه های فریت فوق ریز و هم محور هستند و توزیع یکنواختی از ذرات کاربید پروتکتوئیدی دارند. این ریزساختار منجر به ایجاد رفتار فوق پلاستیک در فولادهای فوق پر کربن می‌گردد.

فولاد اغلب بر اساس محتوای کربن آن دسته بندی می شود. تمام فولادها حداقل مقداری کربن دارند. از این گذشته، فولاد به عنوان آلیاژ آهن و کربن تعریف می‌شود. این آلیاژ بدون وجود کربن، چیزی جز آهن نیست! با افزودن کربن به آن، فلز قوی‌تر و سخت‌تر می‌شود. به همین دلیل است که در صنعت مختلف و ساختمان سازی، فولاد به آهن معمولی ترجیح داده می‌شود.

آنچه در مورد همۀ آلیاژهای فولادی مشترک است، این است که در مورد همۀ این آلیاژها اعم از فولاد کم کربن، کربن متوسط و پر کربن، دو عنصر آهن و کربن حرف اول را می‌زنند و پای ثابت ترکیبات شیمیایی آن‌ها هستند. در واقع فولاد، با این دو عنصر اصلی مشخص می شود و دسته بندی فولاد، بر اساس محتوای کربن آن صورت می‌گیرد. در کنار این‌ها، مقادیری کرم، نیکل، فسفر و گوگرد نیز وجود دارد.

منظور از کربن استیل (carbon steel) یا فولاد کربنی که ممکن است در مکالمات فنی مربوط به کار خود بشنوید، به فولادهای کربن بالا اشاره دارد.

فولاد نرم با فولاد کربنی در موارد زیر تفاوت دارند:

• هزینه تولید فولاد کم کربن کمتر است؛ زیرا تولیدشان راحت‌تر است.
• قابلیت شکل‌پذیری بیشتر دارند.
• در تنش های کششی به جای شکستن، تغییر شکل می‌دهند و این شکل‌پذیری باعث می‌شود استفاده گسترده‌ای در مقاطعی که نیاز به جوشکاری دارند، داشته باشد.

موارد بالا در مورد متریال کربن بالا وجود ندارد.

مزیت ها

• فولادهای پر کربن در برابر سایش مقاوم هستند و می توانند شکل خود را حفظ کنند.
• آن ها می‌توانند نیروهای قابل توجهی را قبل از تغییر شکل تحمل کنند.

معایب کربن استیل

• به دلیل سختی زیاد، شکننده هستند؛ هنگامی که تحت تنش کششی شدید قرار می‌گیرند احتمال ترک خوردن‌شان وجود دارد. اما با انجام عملیات حرارتی مناسب، این نقطعه ضعف را تا حد زیادی کاهش می‌دهند.
• هزینه تولید آن بالاست.

فولادهای کربنی کاربردهای گسترده‌ای دارند. افزایش کربن برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای فولادی، اقتصادی‌ترین رویکرد است. اما از طرف دیگر، افزایش سطح کربن در آلیاژهای فولاد، با کاهش قابلیت انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری، جوش‌پذیری و چقرمگی در برابر ضربه همراه است.

بیشترین کاربرد آلیاژ کربن استیل، ساخت ابزار برش مانند اسکنه، ساخت فنر و مقاطع مقاوم در برابر سایش است که چندان نیاز به جوشکاری ندارند و یا ممکن است گاه نیاز به جوش داشته باشند. ساخت و تولید ورق ضد سایش، نمونه‌ای از این کاربردهاست. از دیگر کابردهای می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ساخت تیغه چاقو و تیغه اره.
• ساخت چرخ دنده و زنجیر.
• ساخت ریل های راه آهن.
• ساخت میلگردهای استحکام بالا.
• ساخت طناب های (کابل های) سیمی.
• ساخت دیگ‌های بخار صنعتی با ورق A516 استاندارد ASTM.
• ساخت ابزارهای سوراخکاری مثل مته که از فولاد 90%-100% کربن ساخته می‌شوند.

در میان گریدهای High steel carbon، فولاد 1095 برای ساخت تیغه چاقو مناسب است. این گرید کمک می‌کند تا تیغه حاصل، لبۀ بسیار خوبی داشته و تیز کردن آن آسان باشد. با همۀ این‌ها، ویژگی استیل 1095 این است که در صورت عدم روغنکاری و مراقبت صحیح، به راحتی زنگ می‌زند.

بسته به نوع کاربردی که محصولات حاصل از فولادهای پر کربن دارند، افزودن کربن به آلیاژ با محدودیت همراه است و نیاز به دقت بالاتری دارد. ساخت محصولات میله‌ای، نمونه‌ای از این محدودیت هاست.

در مورد سیم‌های با استحکام بالا، عامل محدود کننده برای افزودن کربن، به طور کلی کربن یوتکتوئیدی (eutectoid carbon) است. اگر این میزان کربن بالاتر از سطح استاندارد شود، توانایی و قدرت کشش سیم به طور چشمگیری کاهش می‌یابد.

ساخت سیم‌های فنری از فولادهای پر کربن که از استانداردهای زیر تبعیت می‌کند:

• ASTM A-227 Class I/II
• ASTM A-227 Class I/II
• ASTM A-407 Type A/B/C/D/E/F/G/H
• ASTM A-228 Music Wire

برای جوشکاری مقاطع حاصل از آلیاژهای پر کربن، باید از الکترودهای مخصوص استفاده کرد. جوشکاری مقاطعی که از آلیاژهای پر کربن ساخته شده‌اند، مستلزم رعایت موارد زیر است.

• از الکترودهای کم هیدروژن برای جوشکاری استفاده شود.
• فرایند جوشکاری با گرمای بسیار کنترل شده و پیش گرمایش صورت گیرد.
• دمای بین گذر (interpass temperature) در حین کار بررسی و چک شود.

برای کاهش خطر ترک ناشی از هیدروژن، استفاده از الکترود فولاد ضد زنگ آستنیتی توصیه می‌شود؛ اما باید در نظر داشت که استحکام فلز جوش حاصل ممکن است با فلز اصلی مطابقت نداشته باشد.

گریدهایی از کربن استیل وجود دارد که برای ماشینکاری و سهولت کار با ماشین ساخته می‌شوند. در ترکیب شیمیایی آلیاژ این گریدها، میزان بیشتری سیلیسیم (Si) و فسفر (P) استفاده می‌شود. جوشکاری این گریدها بسیار دشوار است؛ زیرا بسیار مستعد ترک خوردگی و ایجاد تخلخل هستند.