فولاد HSLA

شاید فکر کنید برای قوی‌تر کردن فولاد، باید عناصر آلیاژی زیادی مثل کروم، نیکل یا مولیبدن را به دیگ ذوب اضافه کنیم. اما فولاد HSLA – (High-Strength Low-Alloy)، طوری طراحی شده‌اند که خواص مکانیکی بهتری نسبت به فولادهای کربنی معمولی داشته باشند، اما نه با اضافه کردن آلیاژ؛ بلکه با افزودن مقادیر بسیار کمی از عناصر شیمیایی خاص.

در واقع، HSLA یک نوع خاص از فولاد است که در آن مقدار کربن پایین نگه داشته می‌شود (بین 0.05 تا 0.25 درصد) تا جوش‌پذیری و چقرمگی آن حفظ شود. سپس با اضافه کردن مقادیر کمی (کمتر از یک دهم درصد) از عناصری مثل وانادیوم، نیوبیوم، تیتانیوم و گاهی مس، تغییر در ساختار میکروسکوپی فولاد رخ می‌دهد. این عناصر باعث ریز شدن دانه‌بندی فولاد می‌شوند و استحکام آن را تا چندین برابر فولاد معمولی افزایش می‌دهند.

نکته: تفاوت اصلی HSLA با فولادهای آلیاژی معمولی در این است که هدف از ساخت HSLA، رسیدن به خواص مکانیکی خاص (مثل استحکام تسلیم بالا) است، نه فقط تغییر ترکیب شیمیایی.

چرا دنیا به سمت فولاد HSLA رفته است؟

دلایل محبوبیت این فولاد عبارتند از:

۱. نسبت استحکام به وزن فوق‌العاده

شما می‌توانید از مقاطع نازک‌تری از فولاد HSLA استفاده کنید و همان باری را تحمل کنید که یک مقطع ضخیم فولاد کربنی تحمل می‌کند. زیرا استفاده از این فولاد باعث می‌شود وزن کلی سازه (مثلا بدنه کامیون یا پل) به شدت کاهش یابد.

۲. مقاومت در برابر خوردگی جوی

برخی از گریدهای HSLA طوری طراحی شده‌اند که در برابر زنگ‌زدگی و شرایط سخت آب‌وهوایی بسیار مقاوم‌اند. این یعنی هزینه نگهداری و رنگ‌آمیزی در طول زمان کمتر می‌شود.

۳. جوش‌پذیری عالی

بسیاری از فولادهای بامقاومت قدیمی به‌خاطر کربن بالا، در جوشکاری ترک می‌خوردند. اما چون HSLA کربن کمی دارد، فرآیند جوشکاری آن روان و باکیفیت است.

۴. چقرمگی (Toughness) بالا

این فولادها در دماهای پایین هم ترد و شکننده نمی‌شوند که برای خطوط لوله در مناطق سردسیر یا سکوهای نفتی بسیار مهم است.

دسته‌بندی انواع فولاد HSLA

انواع فولاد HSLA شامل:

۱. فولادهای هوازدگی (Weathering Steels)

شاید معروف‌ترین فولادهای هوازدگی را با نام تجاری Corten بشناسید. این فولادها درصد کمی مس، فسفر، کروم و نیکل دارند. وقتی این فولاد در معرض هوا قرار می‌گیرد، لایه سطحی آن زنگ می‌زند اما این زنگ‌زدگی پیشروی نمی‌کند. در واقع، این لایه اکسیدی مثل یک محافظ عمل کرده و از خوردگی مغز فولاد جلوگیری می‌کند. از این فولادها در پل‌های عابر پیاده، نمای ساختمان‌های مدرن، دکل‌های برق و سازه‌هایی که رنگ‌آمیزی آن‌ها دشوار است، استفاده می‌شود.

۲. فولادهای نورد کنترلی (Control-Rolled Steels)

در این روش، فولاد را فقط گرم و سرد نمی‌کنند؛ بلکه فرآیند نورد (شکل‌دهی) به دقت کنترل می‌شود تا دانه‌بندی فولاد تغییر کند. با نورد در دماهای خاص، ساختار کریستالی فولاد بسیار ریز و فشرده می‌شود که استحکام و چقرمگی را همزمان بالا می‌برد. از کاربردهای آنها هم می‌توان به شاسی خودروهای سنگین و قطعاتی که نیاز به تحمل بار دینامیکی دارند، اشاره کرد.

۳. فولادهای فریتی-پرلیتی کم‌آلیاژ (Micro-alloyed Ferrite-Pearlite)

با اضافه کردن درصد بسیار کمی وانادیوم یا نیوبیوم به فولاد کربنی معمولی، استحکام آن تا 50% افزایش می‌یابد. این عناصر کاربیدهایی تشکیل می‌دهند که مانع از حرکت نابجایی‌ها در ساختار فلز می‌شوند (فلز را قفل می‌کنند تا تغییر شکل ندهد). از آنها در تیرآهن‌های ساختمانی، میلگردهای تقویت‌کننده بتن و قطعات عمومی صنعتی استفاده می‌شود.

۴. فولادهای فریتی سوزنی (Acicular Ferrite Steels)

ساختار فولادهای فریتی سوزنی، شامل فریت‌هایی با شکل سوزنی در هم تنیده است که مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر ترک خوردن ایجاد می‌کند. مقدار کربن در این نوع بسیار پایین (کمتر از 0.05%) است که جوش‌پذیری آن را عالی می‌کند. 

خطوط لوله انتقال نفت و گاز با قطر زیاد (جایی که فشار داخلی وحشتناک است)، صنایع فراساحلی و کشتی‌سازی، برخی از کاربردهای آنهاست.

۵. فولادهای دوفازی (Dual-Phase Steels)

این فولادها ساختاری ترکیبی دارند که باعث می‌شود فولاد هم شکل‌پذیر باشد (برای پرس‌کاری) و هم بعد از شکل‌دهی، استحکام بسیار بالایی پیدا کند. 

به‌طور اختصاصی در صنعت خودرو (بدنه ماشین، ستون‌ها و سپرهای ایمنی) برای جذب انرژی تصادف و حفظ جان سرنشینان از این نوع فولادها استفاده می‌شود.

۶. فولادهای با کنترل شکل آخال (Inclusion-Shape Controlled)

در فولادهای معمولی، ناخالصی‌هایی مثل سولفیدها وجود دارند که هنگام نورد کشیده می‌شوند و باعث ضعف فولاد در جهت ضخامت می‌شوند. در این نوع HSLA، با اضافه کردن کلسیم یا زیرکونیوم، شکل این ناخالصی‌ها کروی می‌شود و دیگر کشیده نمی‌شوند. این کار خطر تورق یا لایه لایه شدن فولاد را از بین می‌برد. این فولادها در سکوهای نفتی دریایی و مخازن تحت فشار بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

گریدهای رایج فولاد HSLA در بازار (استاندارد ASTM)

فولاد HSLA معمولا با استانداردهای ASTM شناخته می‌شوند:

• ASTM A572: پرکاربردترین گرید. دارای نیوبیوم و وانادیوم. مناسب برای پل‌ها و ساختمان‌ها.
• ASTM A588: همان فولاد هوازدگی (Weathering) است که برای محیط‌های باز عالی است.
• ASTM A656: دارای استحکام بسیار بالا و شکل‌پذیری خوب، مخصوص شاسی کامیون و جرثقیل.
• SAE J1392: گریدهای خودرویی که با کدهای عددی مشخص می‌شوند.

تفاوت فولاد HSLA با فولاد کربنی معمولی

شاید بپرسید: چرا وقتی فولاد معمولی ارزان‌تر است، باید سراغ HSLA بروم؟ که دلایل آن عبارتند از:

1. استحکام: فولاد HSLA می‌تواند تنش تسلیمی بین 250 تا 550 مگاپاسکال (و حتی بیشتر) داشته باشد، در حالی که فولاد کربنی معمولی بین 200 تا 250 مگاپاسکال است.
2. وزن: برای تحمل یک بار مشخص، شما به مقدار کمتری فولاد HSLA نیاز دارید. این یعنی کاهش وزن 20 تا 30 درصدی سازه.
3. قیمت: قیمت هر کیلوگرم HSLA گران‌تر است. اما چون شما تناژ کمتری مصرف می‌کنید، هزینه نهایی پروژه اغلب کمتر یا مساوی در می‌آید.
4. خوردگی: فولاد کربنی معمولی در برابر زنگ‌زدگی بی دفاع است، اما HSLA (به خصوص انواع هوازدگی) مقاومت ذاتی دارد.

کاربردهای فولاد HSLA 

• صنعت خودرو: برای اینکه خودروها سوخت کمتری مصرف کنند، باید سبک شوند. HSLA اجازه می‌دهد ورق‌های بدنه نازک‌تر اما ایمن‌تر باشند. سیستم تعلیق، شاسی و ستون‌های در، از کاربردهای این فولادند.
• خطوط لوله نفت و گاز: انتقال گاز با فشار بالا در مسافت‌های طولانی نیاز به لوله‌ای دارد که نترکد و در سرمای سیبری یا گرمای خوزستان دوام بیاورد.
• تجهیزات سنگین: بوم جرثقیل‌ها، باکت لودرها و کامیون‌های معدن. اینجا هر کیلوگرم کاهش وزن بدنه، یعنی یک کیلوگرم افزایش ظرفیت باربرداری.
• سازه‌های دریایی: پایه‌های دکل‌های نفتی که مدام در معرض امواج و آب شور هستند.
• پل‌سازی: پل‌های با دهانه‌های طولانی که وزن خود پل چالش اصلی است.

فرآیند تولید و چالش‌های کار با HSLA

تولید این فولاد نیاز به تکنولوژی دقیق دارد. فقط ذوب کردن نیست و فرآیندهای ترمومکانیکال نقش مهمی دارند. یعنی فولاد همزمان که نورد می‌شود، تحت عملیات حرارتی دقیق قرار می‌گیرد.

نکته: کار با HSLA کمی متفاوت است. به‌خاطر استحکام بالاتر، برای خم‌کاری آن نیروی بیشتری لازم دارید (حدود 25 تا 30 درصد بیشتر از فولاد معمولی). همچنین باید شعاع خم را کمی بیشتر در نظر بگیرید تا ترک نخورد. اما در عوض، برش‌کاری و ماشین‌کاری آن بسیار تمیز و خوب انجام می‌شود.

در کل، با توجه به فشارهای زیست‌محیطی برای کاهش مصرف سوخت (از طریق کاهش وزن خودروها) و نیاز به ساخت سازه‌های بلندتر و مقاوم‌تر، دوران فولادهای ساده کربنی برای کاربردهای حساس رو به پایان است. فولاد HSLA با ایجاد تعادلی بین قیمت، استحکام و وزن، بهترین گزینه‌ای است که مهندسی مدرن پیش روی ما گذاشته است. اگر نیاز به کسب اطلاعات بیشتر یا استعلام قیمت فولاد آلیاژی دارید، همین حالا با کارشناسان ما تماس بگیرید.

سوالات متداول

1. آیا فولاد HSLA گران‌تر از آهن معمولی است؟
   در لحظه خرید ورق، بله گران‌تر است. اما چون استحکامش زیاد است، شما ضخامت کمتری می‌خرید. در نتیجه وزن کل خریدتان پایین می‌آید و اغلب در مجموع هزینه‌تان کمتر یا برابر با فولاد معمولی می‌شود.
2. آیا این فولاد زنگ می‌زند؟
   بله، مثل همه فولادها پتانسیل زنگ زدن دارد. اما نوع خاصی از آن (به نام کورتن یا هوازدگی) وجود دارد که زنگ می‌زند اما نمی‌پوسد! بقیه انواع هم معمولا مقاومت بهتری نسبت به آهن سیاه معمولی دارند، ولی در محیط‌های خیلی مرطوب بهتر است رنگ شوند.
3. جوشکاری HSLA سخت است؟
   اصلا! برخلاف تصور قدیمی که فولاد محکم، بد جوش است، HSLA به خاطر کربن پایینش خیلی خوش‌جوش است. فقط باید الکترود مناسب را انتخاب کنید، ولی دردسرهای پیش‌گرم کردن و ترک خوردن فولادهای آلیاژی قدیمی را ندارد.