کربن استیل یا همان فولاد پر کربن (High Carbon Steel) به آن دسته از آلیاژهای فولادی گفته می‌شود که حاوی 0.60 تا 2.00% کربن و 0.30 تا 0.90% منگنز هستند. این گروه که به آن فولاد کربنی نیز گفته می‌شود، بسیار شکننده بوده و در نتیجه، شکل‌پذیری‌شان نسبت به فولادهای کم کربن کمتر است. برای جوشکاری فولادهای پر کربن، باید از الکترودهای کم هیدروژن استفاده کرد و توجه داشت که روند جوشکاری با گرمای بسیار کنترل شده پیش رود. مقاومت در برابر سایش و تحمل قابل توجه نیرو قبل از تغییر شکل، از مزایای High Carbon Steel است. ساخت تیغۀ چاقو، ریل راه آهن و کابل های سیمی نیز از جمله کاربردهای فولاد کربنی است.
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 بردارد 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.
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:
موارد بالا در مورد متریال کربن بالا وجود ندارد.
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:
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 محددیت و دقت بالاتر همراه است. 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:
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.
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.
سحر کوه فر
لیسانس زمین‌شناسی کاربردی، ارشد پترولوژی، سئوکار، نویسنده محتوای وبسایت. علاقه‌مند به سنگ‌ها، فلزات، نفت و گاز و ژنز آن‌ها در زمین و روش‌های اکتشاف آن‌ها؛ حامی زمین و محیط زیست...