فولاد نرم چیست؟ معرفی ویژگی‌ها و کاربرد فولاد کم کربن یا نرم

 

فولاد نرم یا کم کربن که با نام «فولاد ملایم» نیز شناخته می‌شود، به دلیل خواص عالی خود به یک ماده مورد تقاضا در صنایع مختلف تبدیل شده است. قابلیت جوشکاری و ماشین کاری بی نظیری دارد که منجر به افزایش تصاعدی استفاده از آن شده است.

در این مقاله به اهمیت فولاد نرم ، کاربردهای آن و نحوه ساخت آن می‌پردازیم.

فولاد نرم چیست؟

فولاد نرم نوعی فولاد کم کربن است. فولادهای کربنی فلزاتی هستند که حاوی درصد کمی کربن (حداکثر 1/2%) هستند که خواص آهن خالص را افزایش می‌دهد. محتوای کربن بسته به نیاز فولاد متفاوت است. فولادهای کم کربن حاوی کربن در محدوده 0.05 تا 0.25 درصد هستند.

درجات مختلفی از ان گونه از فولاد وجود دارند. اما همه آن‌ها دارای محتوای کربن در محدوده های ذکر شده در بالا هستند. عناصر دیگری برای بهبود خواص مفید مانند مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر سایش و استحکام کششی نیز اضافه می‌شوند.

فولاد نرم چگونه ساخته می‌شود؟

محتوای کربن به طور یکنواخت توسط عملیات حرارتی فولاد افزایش می‌یابد. با افزایش محتوای کربن، فولاد سختی پیدا می‌کند اما شکل پذیری خود را از دست می‌دهد. این بدان معنی است که در هنگام اعمال بار اضافی، فلز به جای خم شدن، شکننده می‌شود و ممکن است شکسته شود.

فرایندهای تولید آن مشابه سایر فولادهای کربنی است. فولادهای کربن بالاتر فقط حاوی کربن بیشتری هستند و در نتیجه خواص متفاوتی مانند مقاومت و سختی بالا در مقایسه با فولاد نرم دارند.

این فرایندها در طول زمان توسعه یافته اند و اکنون بسیار مقرون به صرفه تر از قبل هستند. در تولید مدرن، سه مرحله در تولیدش از آهن خالص وجود دارد.

فولادسازی اولیه

در این مرحله از فرایند فولادسازی، سنگ آهن با زغال سنگ و آهک مخلوط شده و در کوره بلندی با ظرفیت 100 تا 400 تن گرم می‌شود. آهک به عنوان یک شار عمل می‌کند و یک لایه محافظ در بالای این فلز مذاب داغ تشکیل می‌دهد.

فولادسازی اولیه مدرن از فرایندهای کوره اکسیژن پایه (BOS) یا کوره قوس الکتریکی (EAF) استفاده می‌کند. هر دو این‌­ها بر اساس فرایند اصلی بسمر برای فولادسازی هستند.

در فرایند BOS، اکسیژن از طریق آهن مذاب دمیده می‌شود در حالی که ضایعات فولاد به مبدل اضافه می‌شود. این باعث کاهش محتوای کربن به حداکثر 1.5% می‌شود.

در کشورهای توسعه یافته، کوره قوس الکتریکی برای تغذیه ضایعات فولاد از طریق قوس الکتریکی بسیار پرقدرت استفاده می‌شود. این کار منجر به شکل‌گیری فولاد با کیفیت بسیار بالایی می‌شود.

فولادسازی ثانویه

مرحله دوم در فرایند ساخت فولاد نرم شامل کاهش بیشتر محتوای کربن آن و افزودن عناصر آلیاژی است.

دست‌کاری شرایط کوره (دما، سرعت خنک کننده و غیره) نیز به این فرایند کمک می‌کند. در نهایت، نوع فولاد مورد نظر فرایند فولادسازی ثانویه را تعیین می‌کند. ممکن است یکی از فرایندهای زیر را انتخاب کند:

• CAS-OB
• گاز زدایی
• کوره بوته‌ای
• تزریق ملاقه
• هم زدن

ریخته­‌گری و شکل‌دهی اولیه

هنگامی که فولاد دارای محتوای کربن مشخص شده و سایر عناصری است که عملکرد آن را افزایش می‌دهد، مذاب در قالب ریخته می‌شود. این فرایند ریخته‌­گری است. در اینجا، فولاد شکل می‌گیرد و اجازه می‌دهد تا جامد شود. سپس برش فلز به شکل‌های دل‌خواه مانند اسلب، شکوفه و بیلت انجام می‌شود.

محصول به‌دست‌آمده همچنان باید کیفیت سطح خوبی داشته باشد و عاری از عیوب ریخته‌گری باشد. فرایند شکل‌دهی اولیه اغلب برای این منظور از نورد گرم استفاده می‌کند. محصولات فولادی نورد گرم معمولاً به محصولات تخت، محصولات سفارشی، محصولات بلند و لوله‌های بدون درز طبقه‌بندی می‌شوند.

شکل‌دهی ثانویه

اگرچه تا پایان فرایند فوق، محصول فولاد نرم تکمیل شده را داریم، اما معمولاً یک بار دیگر برای بهبود خواص مکانیکی آن مطابق با الزامات کاربردی پروژه، تشکیل می‌شود.

شکل‌دهی ثانویه به آن شکل و خواص نهایی می‌دهد. روش های شکل‌دهی عبارتند از:

• شکلدهی از طریق نورد سرد
• ماشین‌کاری
• پوشش
• معتدل کردن
• درمان سطحی و غیره

خواص شیمیایی فولاد نرم 

کربن در این فولاد تا 0.25٪ است، اما برخی از مکاتب فکری، فولاد کربنی را به عنوان فولاد کم کربن تا محتوای کربن 0.45٪ در نظر می‌گیرند.

محتوای کربن کم این فولاد را تبدیل به فلزی با ماشین کاری بسیار بالا می‌کند. می‌توان آن را برش داد، ماشین کاری کرد و به اشکال پیچیده بدون افزودن تنش‌های متناسب به قطعه کار تبدیل کرد. همچنین جوش‌پذیری بهتر را امکان‌­پذیر می‌کند.

مجموعه‌ای از عناصر آلیاژی خواص شیمیایی را بهبود می‌بخشند. این عناصر بر خواص فیزیکی/شیمیایی تأثیر مطلوبی خواهند گذاشت و محصول نهایی را برای کاربرد مناسب می‌سازند. عناصری که ممکن است اضافه شوند عبارتند از کروم (Cr)، کبالت (Co)، فسفر (P)، گوگرد (S)، منگنز (Mn) و غیره هستند.

به عنوان مثال، کروم خاصیت مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کند و سختی آن را افزایش می‌دهد. فولاد نرم در شکل خالص خود به راحتی در اثر اکسیداسیون زنگ می‌زند. برخلاف اکسید آهن، فلز کروم در مواجهه با اتمسفر لایه متراکمی از اکسید کروم را تشکیل می‌دهد که نمی‌ریزد و در نهایت از فلز زیرین در برابر حملات خوردگی بیشتر محافظت می‌کند.

مس در مقادیر محدود نیز مانند اکسید کروم عمل می‌کند. لوله‌های فولادی ملایم ممکن است برای محافظت بهتر در برابر جو گالوانیزه شوند. ممکن است عناصر دیگری برای بهبود مقاومت در برابر سایش، استحکام کششی نهایی و مقاومت در برابر حرارت اضافه شوند.

خواص فیزیکی فولاد نرم 

خواص چشمگیر فولاد نرم باعث رشد استفاده از آن در صنایع مختلف شده است. برخی از خواص فیزیکی آن به شرح زیر است:

• استحکام کششی بالا
• قدرت ضربه بالا
• شکل پذیری و جوش پذیری خوب
• یک فلز مغناطیسی به دلیل محتوای فریت آن
• چکش خواری خوب با امکان تشکیل سرد
• برای عملیات حرارتی برای بهبود خواص مناسب نیست

کاربردها و موارد استفاده از فولاد نرم

اغراق نیست اگر بگوییم که وقتی به بیرون از پنجره نگاه می‌کنیم، چیزی را می‌بینیم که از فولاد نرم ساخته شده است. این رایج‌ترین نوع فلزی است که در اطراف ما استفاده می‌شود.

برخی کاربردهای مهم آن را در ادامه خواهید دید.

ساخت و ساز

در صنعت ساخت و ساز، نیاز به مصالحی وجود دارد که به راحتی به هم متصل شوند و بتوانند بارهای متغیر را تحمل کنند. بنابراین، فولاد کم کربن، ماده مناسبی برای استفاده گسترده است. به همین دلیل برخی از گریدهای فولاد نرم در واقع فولادهای ساختاری نامیده می‌شوند.

همچنین شرایط سخت لرزه‌ای و باد را فراهم می‌کند، توسط حشرات آسیب نمی‌بیند و در برابر پوسیدگی یا آتش مقاوم است.

این نوع فولاد در مقایسه با فولادهای دیگر نسبتاً ارزانتر است و ضرری نیز ندارد. بنابراین فولاد نرم در سازه های بزرگ یا کوچک، از پل‌ها گرفته تا ساختمان‌ها استفاده می‌شود.

کاربردهای فولاد نرم در صنعت خودرو 

فولاد نرم به طور گسترده‌ای در ماشین آلات و ساخت خودرو استفاده می‌شود. ارزان تر است، برای روش های مختلف برش و پوشش مناسب است و در عین حال که خواص فیزیکی کافی را ارائه می‌دهد، جوش‌پذیری خوبی دارد. این ویژگی‌ها، آن را برای تولید قاب، پانل و غیره مناسب می‌کند.

 

خطوط لوله و ستون‌ها

انعطاف پذیری عالی این محصول، آن را به رقیب مناسبی برای ساخت خطوط لوله و ستون‌ها و تیرک‌هایی تبدیل کرده است که نیاز به شرایط جوی شدید دارند.

در حالی که لوله‌های فولادی ملایم را می‌توان به راحتی به یکدیگر جوش داد، آنها همچنین درجه خاصی از انعطاف‌پذیری را حفظ می‌کنند. از آنجایی که خطوط لوله ممکن است در هوای سرد کوچک شوند یا در روزهای گرم بزرگ شوند، این یک ویژگی ضروری برای فلز است.

استفاده از فولاد نرم  در ساخت کارد و چنگال و وسایل آشپزی

در حالی که قبلاً حوزه انحصاری فولاد ضد زنگ بود، سرآشپزهای مدرن به دلیل مزایای آن، ظروف پخت و پز فولادی ملایم را دوست دارند.

تجهیزات برش برای مدت طولانی‌تری تیز می‌مانند، محدودیت دمایی بالاتری دارند و می‌توان آن‌ها را تغییر داد تا به یک ماده نچسب تبدیل شود.

چاشنی فلز به غلبه بر عامل سایش خورنده کمک می‌کند.

حصارکشی

فولاد کم کربن را می‌توان به شکل‌های فوق‌العاده خاص درآورد که استفاده از آن را در حصارها عالی می‌کند. همچنین جذابیت بصری شگفت انگیزی دارد، بنابراین زیبا به نظر میرسد.

این گونه از فولاد همچنین ممکن است گالوانیزه شود یا با رنگ مناسب پوشش داده شود تا ماندگاری طولانی و ضد زنگ داشته باشد.

گریدهای مشترک

برخی از گریدهای رایج فولاد در زیر آورده شده است. یک مخرج مشترک برای همه آنها و سایر فلزات مشابه از ویژگی های جهانی آنهاست. خواص آنها، این نوع فلزات را به یک انتخاب محبوب برای طیف گسترده‌ای از کاربردها تبدیل می‌کند.

EN 1.0301

گریدهای معادل: AISI 1008; C10; DC01

فولاد کربن EN 1.0301 حاوی 0.1 درصد کربن، 0.4 درصد منگنز و 0.4 درصد سیلیکون است. همچنین حاوی مقادیر کمی مس (Cu)، نیکل (Ni)، کروم (Cr)، آلومینیوم (Al) و مولیبدن (Mo) است.

این گرید قابلیت جوشکاری عالی‌ای دارد و معمولاً برای قطعات و قالب‌های اکسترود شده، آهنگری، سر سرد و پرس سرد استفاده می‌شود. این گرید در درجه اول در تجهیزات خودرو، مبلمان و لوازم خانگی استفاده می‌شود.

EN 1.0301

گریدهای معادل: AISI 1010

فولاد کربن EN 1.1121 حاوی کربن در محدوده 0.08٪ تا 0.13٪ است. منگنز در محدوده 0.3٪ تا 0.6٪ وجود دارد. در ساخت بست‌ها و پیچ و مهره‌های سرد استفاده می‌شود.

این گرید نیز شکل‌پذیری و چکش‌خواری خوبی دارد و با روش های سنتی قابل شکل گیری است. همچنین از اتصال با تمام تکنیک‌های جوشکاری پشتیبانی می‌کند. استحکام آن ممکن است با عملیات حرارتی، خاموش کردن و تمپر کردن بهبود یابد، اما هزینه انجام این فرایندها بالا است.

یک آلیاژ همه منظوره که عمدتاً در سازه‌ها و صنعت خودرو وجود دارد.

EN 1.0301

گریدهای معادل: AISI 1020; C22

این درجه از فولاد جوش پذیری عالی دارد. EN 1.0402 به ویژه برای قطعات کربن‌دار مناسب است. همچنین تعادل خوبی بین شکل پذیری، استحکام و چقرمگی دارد.

محتوای کربن آن از 0.18٪ تا 0.23٪ با محدوده محتوای منگنز 0.3٪ تا 0.6٪ است. در مقایسه با EN 1.1121، استفاده چندانی از آن نمی‌شود، اما در شرایط فرفورژه، قابلیت ماشینکاری بالایی دارد.

این درجه در ماشین‌آلات به شکل قطعات هیدرولیک و میل بادامک استفاده می‌شود.