آشنایی با عناصر آلیاژی و تأثیرات آن‌ها

انواع مختلفی از عناصر آلیاژی وجود دارد که هر یک خواص خاصی را به متریال اضافه می‌کنند. افزودن هر عنصر آلیاژی، با هدف بهبود ویژگی خاصی مانند استحکام، مقاومت در برابر خوردگی یا قابلیت ماشین‌کاری صورت می‌گیرد. در این مقاله، به بررسی عناصر آلیاژی خواهیم پرداخت. با میهن فولاد همراه باشید.

کربن (C)

کربن، عنصر اصلی در تعیین سختی و استحکام فولاد است. می‌توان گفت کربن، اصلی‌ترین عنصر در فولاد است و نقش تعیین‌کننده‌ای در خواص آن دارد. افزایش کربن، سختی، استحکام فشاری و قابلیت سخت شدن فولاد را افزایش می‌دهد. این به معنای مقاومت بیشتر فولاد در برابر سایش، خراش و تغییر شکل است. اما این افزایش، با کاهش انعطاف‌پذیری، نقطه ذوب، قابلیت جوشکاری و آهنگری همراه است.

فولاد با کربن بالا، سخت‌تر خواهد بود اما در عین حال، شکننده‌تر می‌شود و به راحتی خم نمی‌شود. بنابراین، میزان کربن باید با توجه به کاربرد مورد نظر به دقت کنترل شود. برای مثال، در ساخت تیغه‌های چاقو از فولاد با کربن بالا استفاده می‌شود تا تیزی و ماندگاری لبه برنده آن افزایش یابد. در مقابل، در ساخت قطعاتی که نیاز به انعطاف‌پذیری دارند، مانند بدنه خودرو، از فولاد با کربن کمتر استفاده می‌شود.

منگنز (Mn)

منگنز، عنصری اکسیژن‌زدا و خنثی‌کننده اثرات مضر گوگرد در فولاد است. این عنصر، با ترکیب با گوگرد، سولفور منگنز (MnS) را تشکیل می‌دهد و از پدیده سرخ‌شکنی که نوعی شکنندگی در دمای بالا است، جلوگیری می‌کند. منگنز همچنین قابلیت سخت شدن، مقاومت در برابر ضربه و سایش را افزایش می‌دهد. درواقع، این به معنای مقاومت بیشتر فولاد در برابر ضربات ناگهانی و سایش در طول زمان است. اما افزایش منگنز می‌تواند قابلیت ماشین‌کاری را کاهش دهد، یعنی تراشیدن و شکل دادن به فولاد دشوارتر می‌شود. 

سیلیسیم (Si)

سیلیسیم، در فولادهای معمولی و آلیاژی به‌کار می‌رود. این عنصر، سیالیت مذاب را افزایش می‌دهد، یعنی فولاد مذاب به‌راحتی جریان می‌یابد و می‌توان آن را به شکل‌های مختلف ریخت. همچنین، سیلیسیم مقاومت به خوردگی فولاد آلیاژی را افزایش می‌دهد، یعنی فولاد در برابر زنگ‌زدگی و فرسایش مقاوم‌تر می‌شود. اما سیلیسیم می‌تواند خواص انعطاف‌پذیری، الاستیسیته، استحکام کششی، قابلیت جوشکاری و آهنگری را کاهش دهد. 

گوگرد (S)

گوگرد، عنصری است که قابلیت ماشین‌کاری و براده‌برداری فولاد را افزایش می‌دهد. یعنی فرآیند تراش و شکل‌دهی فولاد آسان‌تر می‌شود. گوگرد با ایجاد ترکیباتی در ساختار فولاد، باعث می‌شود که براده‌ها به راحتی از سطح فولاد جدا شوند. اما در عین حال، گوگرد شکنندگی فولاد را در حالت داغ و سرد افزایش می‌دهد و مقاومت در برابر ضربه را کاهش می‌دهد.

بنابراین، میزان گوگرد در فولاد باید به دقت کنترل شود تا تعادل مناسبی بین ماشین‌کاری و خواص مکانیکی فولاد حفظ شود. در فولادهای خوش‌تراش، که برای ساخت قطعاتی که نیاز به ماشین‌کاری زیاد دارند استفاده می‌شود، میزان گوگرد به صورت عمدی افزایش داده می‌شود.

فسفر (P)

فسفر، مانند سیلیسیم، سیالیت مذاب و قابلیت ماشین‌کاری فولاد را افزایش می‌دهد. اما فسفر همچنین شکنندگی در حالت سرد را افزایش می‌دهد، یعنی فولاد در دمای پایین مستعد شکست می‌شود. همچنین، فسفر استحکام فولاد را در حالت گرم افزایش می‌دهد، اما مقاومت در برابر ضربه را کاهش می‌دهد. بنابراین، میزان فسفر در فولاد باید به دقت کنترل شود تا از شکنندگی بیش از حد فولاد جلوگیری شود.

مس (Cu)

مس، مقاومت به خوردگی فولاد را افزایش می‌دهد و باعث مقاومت بیشتر فولاد در برابر زنگ‌زدگی و فرسایش در محیط‌های مختلف می‌شود. مس همچنین سختی فولاد را از طریق مکانیزم رسوب سختی بهبود می‌بخشد. اما افزایش مس می‌تواند قابلیت جوشکاری فولاد را کاهش دهد. البته، در فولادهایی که نیاز به جوشکاری دارند، میزان مس باید محدود شود.

سرب (Pb)

سرب، قابلیت ماشین‌کاری و براده‌برداری فولاد را افزایش می‌دهد. این عنصر، با ایجاد یک لایه روان‌کننده بین ابزار و براده، اصطکاک را کاهش می‌دهد و فرآیند ماشین‌کاری را آسان‌تر می‌کند. اما استفاده از سرب در فولاد با چالش‌های زیست‌محیطی همراه است، زیرا سرب یک فلز سنگین است و می‌تواند برای سلامت انسان و محیط زیست مضر باشد. همچنین، در هنگام عملیات حرارتی فولاد حاوی سرب، گازهای سمی متصاعد می‌شود که باید مورد توجه قرار گیرد.

آلومینیوم (Al)

آلومینیوم، باعث ریز شدن دانه‌های فولاد می‌شود. این ریزدانگی، به‌صورت مستقیم سختی فولاد را افزایش می‌دهد. به عبارت دیگر، با افزایش تعداد مرزهای دانه در واحد حجم، مقاومت در برابر تغییر شکل و در نتیجه سختی افزایش می‌یابد. با این حال، افزایش بیش از حد آلومینیوم (بیش از 0.02 درصد در فولادهای معمولی) می‌تواند اثرات منفی بر سایر خواص مکانیکی فولاد داشته باشد. برای مثال، استحکام کششی، انعطاف‌پذیری و قابلیت جوشکاری کاهش می‌یابد. اما در فولادهای مقاوم به حرارت، به دلیل تشکیل ترکیبات بین فلزی پایدار در دماهای بالا، و در المنت‌های برقی، به دلیل افزایش مقاومت الکتریکی، میزان آلومینیوم می‌تواند تا 6 درصد نیز افزایش یابد. علاوه‌براین، آلومینیوم به دلیل تمایل شدید به ترکیب با اکسیژن، به عنوان یک اکسیژن‌زدای مؤثر در فرآیند فولادسازی استفاده می‌شود.

بور (B)

بور، عنصری غیرفلزی است که حتی در مقادیر بسیار کم (هزارم درصد)، تاثیر زیادی بر سختی‌پذیری فولاد دارد. بور با قرار گرفتن در مرز دانه‌ها، از نفوذ کربن در حین عملیات حرارتی جلوگیری می‌کند و باعث تشکیل مارتنزیت در لایه‌های سطحی می‌شود. این مکانیزم، سختی‌پذیری فولاد را افزایش می‌دهد. با این حال، مقدار بور نباید از 0.006 درصد بیشتر شود، زیرا بور اضافی می‌تواند باعث تشکیل ترکیبات بورید شکننده در مرز دانه‌ها شود و تردی فولاد را افزایش دهد.

کروم (Cr)

کروم با تشکیل محلول جامد با آهن، ساختار کریستالی فولاد را تقویت می‌کند و سختی آن را افزایش می‌دهد. همچنین، با تشکیل یک لایه اکسید کروم (Cr2O3) پایدار و چسبنده روی سطح فولاد، از واکنش آهن با محیط جلوگیری کرده و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. اما افزایش کروم می‌تواند قابلیت جوشکاری، انبساط‌پذیری و انعطاف‌پذیری فولاد را کاهش دهد. 

کروم در مجاورت کربن، کاربیدهای کروم (Cr23C6, Cr7C3) سخت و شکننده تشکیل می‌دهد که می‌تواند تردی فولاد، به‌خصوص در حین و پس از جوشکاری را افزایش دهد. به همین دلیل، افزودن کروم به فولادهای کم‌کربن توصیه می‌شود. مقدار کروم در فولادهای معمولی حداکثر 0.5 درصد است، اما در فولادهای زنگ‌نزن، به دلیل نیاز به مقاومت به خوردگی بالا، می‌تواند تا 30 درصد نیز برسد.

کبالت (Co)

کبالت، عنصری است که سختی، دوام برندگی، مقاومت در برابر سایش، و خواص مغناطیسی فولاد را افزایش می‌دهد. کبالت با تشکیل محلول جامد با آهن، سختی و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد. همچنین، کبالت باعث بهبود پایداری مغناطیسی فولاد در دماهای بالا می‌شود. اما افزایش کبالت می‌تواند مقاومت در برابر ضربه و حرارت، و قابلیت جوشکاری فولاد را کاهش دهد. زیرا کبالت می‌تواند باعث تشکیل کاربیدهای درشت و ناپایدار شود که تردی فولاد را افزایش می‌دهند.

مولیبدن (Mo)

مولیبدن با تشکیل کاربیدهای مولیبدن (Mo2C) ریز و پراکنده، مقاومت در برابر سایش و خزش را افزایش می‌دهد. درواقع، عنصری است که سختی، استحکام، سختی‌پذیری، و استحکام کششی و خزشی انواع فولاد را بهبود می‌بخشد. همچنین، مولیبدن باعث افزایش سختی‌پذیری فولاد می‌شود و از رشد دانه‌ها در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. اما افزایش مولیبدن می‌تواند انبساط‌پذیری و قابلیت جوشکاری فولاد را کاهش دهد. فولادهای مولیبدن‌دار در ساخت بلبرینگ، چرخ‌دنده و قطعات مقاوم به سایش کاربرد دارند. مقدار مولیبدن در فولادهای معمولی بین 0.2 تا 0.5 درصد و در فولادهای ویژه تا 3 درصد است.

تنگستن (W)

تنگستن با تشکیل کاربیدهای تنگستن (WC) بسیار سخت و پایدار، مقاومت در برابر سایش و دمای بالا را توسعه می‌دهد. این کاربیدها در ماتریس فولاد پراکنده شده و مانع از تغییر شکل پلاستیک می‌شوند. همچنین، تنگستن با تشکیل محلول جامد با آهن، استحکام و سختی فولاد را افزایش می‌دهد. اما افزایش تنگستن می‌تواند انبساط‌پذیری و انعطاف‌پذیری فولاد را کاهش دهد، زیرا کاربیدهای تنگستن می‌توانند باعث ترد شدن فولاد شوند. مقدار تنگستن در فولادهای معمولی بسیار کم (هزارم تا صدم درصد) و در فولادهای ابزار و تندبر، به دلیل نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا، تا 18 درصد است.

وانادیوم (V)

وانادیوم، عنصری ارزشمند با خواص اکسیژن‌زدایی، کاربیدزایی، و جوانه‌زایی قوی است. این عنصر با تشکیل کاربیدهای وانادیوم (VC) بسیار سخت و ریز، سختی و مقاومت در برابر سایش فولاد را افزایش می‌دهد. همچنین، با ریز کردن دانه‌های فولاد، استحکام و مقاومت در برابر ضربه را بهبود می‌بخشد. علاوه‌براین، وانادیوم با حذف اکسیژن و نیتروژن از مذاب فولاد، تمیزی و خواص مکانیکی فولاد را توسعه می‌دهد. اما افزایش این عنصر می‌تواند انبساط‌پذیری، شکل‌پذیری و قابلیت جوشکاری فولاد را به شدت کاهش دهد، زیرا کاربیدهای وانادیوم می‌توانند باعث ترد شدن آلیاژ فولاد شوند. این عنصر در فولادهای معمولی و کربنی به ندرت استفاده می‌شود و مقدار آن معمولاً از هزارم یا صدم درصد بیشتر نمی‌شود. اما در فولادهای ابزار، به دلیل نیاز به سختی و مقاومت به سایش بالا، میزان وانادیوم می‌تواند تا 5 درصد نیز برسد.

زیرکونیوم (Zr)

زیرکونیوم با ریز کردن دانه‌های آستنیت، استحکام فولاد را افزایش می‌دهد. زیرکونیوم نیز به عنوان یک عنصر جوانه‌زا عمل می‌کند و باعث تشکیل تعداد زیادی هسته برای رشد دانه‌های آستنیت می‌شود. این موضوع، باعث ریز شدن دانه‌ها و افزایش استحکام فولاد می‌شود. همچنین، زیرکونیوم می‌تواند قابلیت تراش، سختی و شکل‌پذیری فولاد را بهتر کند. این عنصر با تشکیل سولفیدها و نیتریدهای پایدار، تمیزی فولاد را افزایش داده و باعث بهبود قابلیت تراش می‌شود.

نیکل (Ni)

نیکل با تشکیل محلول جامد با آهن، ساختار فولاد را تقویت کرده و استحکام و سختی آن را افزایش می‌دهد. همچنین، نیکل با تغییر ساختار فولاد، مقاومت در برابر ضربه را توسعه می‌دهد. علاوه‌براین، نیکل با تشکیل یک لایه اکسید محافظ روی سطح فولاد، مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. اما افزایش نیکل می‌تواند انبساط‌پذیری و انعطاف‌پذیری فولاد را کاهش دهد. مقدار این عنصر در فولادهای معمولی 1 تا 2 درصد و در فولادهای مقاوم به ضربه، حرارت، سایش، و زنگ‌نزن، به دلیل نیاز به خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی بالا، تا 22 درصد است.

تیتانیم (Ti)

تیتانیم، مانند آلومینیوم، خاصیت کاربیدزایی، جوانه‌زایی، و اکسیژن‌زدایی دارد و سختی فولاد را افزایش می‌دهد. تیتانیم با تشکیل کاربیدهای تیتانیم (TiC) بسیار سخت، مقاومت در برابر سایش فولاد را افزایش می‌دهد. همچنین، تیتانیم با ریز کردن دانه‌های فولاد، باعث افزایش سختی و استحکام آن می‌شود. علاوه‌براین، با حذف اکسیژن از مذاب فولاد، تمیزی و خواص مکانیکی فولاد را بهبود می‌بخشد. در فولادهای زنگ‌نزن کروم بالا، تیتانیم با تشکیل کاربید تیتانیم، اثر منفی کاربید کروم (که می‌تواند باعث تردی فولاد شود را خنثی می‌کند. مقدار تیتانیم در فولادهای معمولی حداکثر 1.5 تا 2 درصد است.

در پایان، به‌صورت کامل سعی کردیم شما را با مفهوم عناصر آلیاژی و مهم‌ترین آنها و همچنین، تاثیرات هر کدام روی فولاد، آشنا کنیم. مقدار هر عنصر در ترکیبات شیمیایی هر گرید فولاد متفاوت است و بسته به درصد آن، خواص فولاد تعیین می‌شود. شما می‌توانید برای دریافت مشاوره تخصصی در این زمینه یا استعلام قیمت فولاد با کارشناسان ما تماس بگیرید.

چرا فولادها آلیاژ می‌شوند؟

فولاد کربنی معمولی، هر چقدر هم که خوب باشد، محدودیت‌هایی دارد؛ مثلا در محیط‌های شیمیایی یا زیر بار و دمای بسیار بالا، عملکردش کافی نیست. هدف اصلی از آلیاژسازی این است که ساختار داخلی فولاد را طوری تنظیم کنیم که خواص آن، دقیقا همان چیزی باشد که برای یک کاربرد (مثلا قطعه‌ای که قرار است سال‌ها در آب دریا کار کند) نیاز داریم.

مهم‌ترین مزایای افزودن عناصر آلیاژی به فولاد:

الف) افزایش سختی و استحکام

اولین و رایج‌ترین دلیل، ساختن فولادی قوی‌تر و سخت‌تر است. با اضافه کردن عناصری مثل کروم، مولیبدن و وانادیم، کاربیدهای بسیار سخت (ترکیبات شیمیایی کربن و این فلزات) در ساختار فولاد تشکیل می‌شوند. این کاربیدها مانند موانعی محکم عمل می‌کنند و جلوی حرکت اتم‌ها و لغزش لایه‌های فلزی را می‌گیرند. از این فرآیند فولادی بدست می‌آید که هم بسیار مقاوم است و هم در برابر سایش، سرسختی بالایی دارد.

ب) بهبود سخت‌پذیری

سخت‌پذیری به این معنی است که تا چه عمقی از یک قطعه فولادی می‌توانیم به سختی مورد نظر برسیم. در فولادهای ساده، اگر قطعه ضخیم باشد و بخواهیم آن را سخت کنیم (آب‌دهی)، باید بسیار سریع سرد شود (مثلا در آب). این سرد شدن سریع، بیشتر باعث تاب برداشتن یا ترک خوردن قطعه می‌شود.

عناصر آلیاژی مانند منگنز، کروم و مولیبدن، به ما اجازه می‌دهند تا قطعه را آهسته‌تر سرد کنیم (مثلا در روغن یا حتی هوا) و تمام عمق قطعه به سختی لازم برسد. 

ج) مقاومت به خوردگی و زنگ‌زدگی

وقتی مقدار کروم را به حداقل تا در فولاد می‌رسانیم، یک لایه بسیار نازک و نامرئی از جنس اکسید کروم روی سطح فولاد تشکیل می‌شود. این لایه، شبیه به یک زره خودترمیم‌شونده است؛ یعنی اگر خراشیده شود، دوباره تشکیل می‌شود و نمی‌گذارد که آهن زیر آن با اکسیژن و رطوبت تماس پیدا کند. این‌گونه، فولاد زنگ نزن به وجود می‌آید.

د) پایداری در دماهای بالا

در صنایعی مانند هوافضا، نیروگاه‌ها و ساخت قالب‌های ریخته‌گری داغ، فولاد باید در دمای بسیار بالا، نه نرم شود و نه استحکام خود را از دست بدهد. عناصری مثل مولیبدن و تنگستن با تشکیل کاربیدهای بسیار مقاوم در برابر حرارت، تضمین می‌کنند که حتی وقتی فولاد تا مرز قرمز شدن گرم می‌شود، همچنان ساختار قوی و سختی خود را حفظ کند.

ه) بهبود کارپذیری

گاهی اوقات، هدف این است که کار کردن با فولاد را آسان‌تر کنیم. مثلا برای ساده‌تر شدن فرآیند تراشکاری و سوراخ‌کاری (ماشین‌کاری)، ممکن است مقدار کمی گوگرد کنترل شده اضافه کنیم. این گوگرد باعث می‌شود که براده‌های فولاد راحت‌تر شکسته شوند و ابزار برش کمتر فرسوده شود. به همین ترتیب، عناصر دیگری مانند نیوبیوم و تیتانیوم به کنترل ریزساختار در طول فرآیندهای شکل‌دهی کمک می‌کنند.

مقایسه فولادهای کربنی و آلیاژی

تفاوت بین فولادهای کربنی و فولادهای آلیاژی به شرح زیر است:

فولادهای کربنی 

فولادهای کربنی، کم‌هزینه و پرکاربرد هستند. ترکیب اصلی آن‌ها آهن و کربن است و عناصر دیگر مثل منگنز و سیلیسیم فقط در حد ناخالصی‌های عادی یا مقادیر کم وجود دارند.

چرا از آن‌ها استفاده می‌کنیم؟ چون ارزان هستند، به راحتی در دسترس‌اند و خواص مکانیکی خوبی برای کاربردهای عمومی (مثل اسکلت ساختمان‌ها، پل‌ها یا لوله‌های معمولی) ارائه می‌دهند. خواص آن‌ها تقریبا فقط به میزان کربن موجود در ساختار و عملیات حرارتی بستگی دارد.

فولادهای آلیاژی

فولادهای آلیاژی، با اضافه کردن عناصر آلیاژی، خواصی را به دست می‌آورند که از توان فولاد کربنی خارج است.

از آنها استفاده می‌کنیم چون نیاز به خواص بهتری داریم؛ مثلا قطعه‌ای که باید در برابر اسیدها مقاوم باشد (نیاز به کروم و نیکل)، یا ابزاری که باید لبه‌اش را در دمای بالا حفظ کند (نیاز به مولیبدن و وانادیم). این فولادها گران‌ترند، اما برای شفت‌های موتور جت، ابزارهای برش پرسرعت، یا قطعات زیر آب، چاره‌ای جز استفاده از آن‌ها نیست.

دسته‌بندی کلی عناصر آلیاژی

عناصر آلیاژی، هر کدام نقش متفاوتی در تغییر خواص فولاد دارند. دسته‌بندی کلی عناصر آلیاژی به ما کمک می‌کند تا بفهمیم برای رسیدن به یک خاصیت (مثلا مقاومت به سایش)، باید به دنبال کدام عنصر باشیم.

جدول جامع عناصر آلیاژی و تأثیرات آن‌ها

جدول عناصر آلیاژی و تأثیرات آن‌ها:

چگونه عناصر آلیاژی فولادهای خاص (مانند زنگ نزن و ابزار) را ایجاد می‌کنند؟

• در فولادهای زنگ نزن، همان‌طور که گفتیم، کروم وجود دارد. یک فولاد برای این که ضد زنگ نامیده شود، باید حداقل 11 تا 12 درصد کروم داشته باشد تا بتواند لایه اکسید محافظ را تشکیل دهد.
• وقتی نیکل (معمولاً حدود 8% یا بیشتر) به کروم اضافه می‌شود، فولاد ضد زنگ از حالت فریتی به حالت آستنیتی تبدیل می‌شود. این خانواده (مانند گرید 304) بسیار شکل‌پذیرتر و مقاوم به خوردگی عمومی هستند.
• اگر فولاد زنگ نزن قرار است در محیط‌های بسیار خورنده یا حاوی یون کلرید (مثل آب دریا) کار کند، مولیبدن اضافه می‌شود. مولیبدن به فولاد کمک می‌کند تا در برابر یک نوع خوردگی موضعی خطرناک به نام حفره‌زایی مقاومت کند (مانند گرید 316).

• برای مقاومت به سایش (گروه D، مثل D2): فولادهای ابزار (Tool Steels)T دارای کربن و کروم بسیار بالا هستند. کربن و کروم با هم ترکیب شده و کاربیدهای بزرگ و بسیار مقاوم به سایش را ایجاد می‌کنند که عملاً مانند تکه‌های الماس در ساختار فولاد عمل می‌کنند.
• برای کار در دمای بالا (گروه H، مثل H13): فولاد ابزار باید در دمای کاری بسیار داغ (مثلا هنگام ریخته‌گری آلومینیوم مذاب) نرم نشود. بنابراین، ترکیبی از کروم، مولیبدن و وانادیم به آن‌ها افزوده می‌شود. این عناصر کاربیدهایی می‌سازند که حتی در دمای بالا هم پایدار مانده و استحکام فولاد را حفظ می‌کنند.

راهنمای انتخاب آلیاژ بر اساس خواص مورد نیاز 

انتخاب گرید فولاد مناسب، یکی از مهم‌ترین تصمیمات است. شما نمی‌توانید برای ساخت یک تیغه چاقوی جراحی از فولادی که برای ساخت یک پل طراحی شده، استفاده کنید. باید خواص مورد نیاز را در اولویت قرار دهید.

نکته مهم: همیشه باید اول محیط کار قطعه (دما، نوع بارگذاری، محیط شیمیایی) را مشخص کنید، سپس فرآیندهای تولید (جوشکاری، ماشین‌کاری) و در نهایت به ملاحظات اقتصادی بپردازید. گاهی اوقات، یک فولاد کمی گران‌تر، می‌تواند عمر قطعه شما را چندین برابر کند و در بلندمدت بسیار اقتصادی‌تر باشد.

استانداردها و گریدهای فولاد آلیاژی رایج و ترکیب تقریبی آن‌ها

چند گرید معروف در استاندارد AISI:

تاثیر عناصر آلیاژی بر قابلیت جوشکاری

قاعده کلی این است که هرچه فولاد سخت‌تر باشد (کربن و عناصر آلیاژی بیشتر)، جوشکاری آن سخت‌تر است. دلیل اصلی آن، افزایش احتمال تشکیل ساختار شکننده به نام مارتنزیت در ناحیه جوش است. اگر جوش خیلی سریع سرد شود، فولادهای آلیاژی با C, CR, MO بالا به سرعت مارتنزیت تشکیل داده و این سختی بیش از حد، همراه با تنش‌های جوش، می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی سرد (ترک هیدروژنی) شود.

برای پیش‌بینی سختی جوشکاری، مهندسان از فرمولی به نام معادل کربن استفاده می‌کنند. این فرمول، تأثیر تمامی عناصر آلیاژی را بر قابلیت سخت شدن فولاد، در قالب یک عدد معادل کربن نشان می‌دهد.

نکات مهم برای جوشکاری فولادهای آلیاژی

1. پیش‌گرمایش: قبل از جوشکاری، قطعه را گرم کنید. این کار سرعت سرد شدن جوش را کاهش داده و از تشکیل مارتنزیت شکننده جلوگیری می‌کند.
2. کنترل هیدروژن: از الکترودها و مواد پرکننده بسیار خشک استفاده کنید تا هیدروژن محلول در فلز جوش به حداقل برسد (هیدروژن عامل اصلی ترک‌خوردگی سرد است).
3. پس‌گرمایش (Post-weld Heat Treatment): بلافاصله پس از جوشکاری، گرم نگه داشتن یا عملیات حرارتی برای “بازگشت” (Tempering) ناحیه جوش، تنش‌ها را از بین برده و ساختار شکننده را نرم می‌کند.

نقش عناصر آلیاژی در عملیات حرارتی 

عملیات حرارتی، توسعه دهنده اصلی خواص فولاد هستند.

سخت‌پذیری (Hardenability)

همان‌طور که قبلاً اشاره شد، عناصری مانند کروم، مولیبدن، منگنز و بور زمان فاز آستنیت (فاز داغ و نرم) را برای تبدیل شدن به فازهای دیگر طولانی‌تر می‌کنند. یعنی فرصت بیشتری برای سرد کردن داریم. افزایش سخت‌پذیری به ما امکان می‌دهد تا به جای آب یا روغن، از هوا برای سرد کردن استفاده کنیم و خطر تاب برداشتن و ترک را به شدت کاهش دهیم.

تمپرینگ (Tempering) یا بازگشت

پس از سخت‌کاری، فولاد بسیار سخت اما شکننده است. تمپرینگ، فرآیند گرم کردن مجدد تا دمایی پایین‌تر است که این شکنندگی را از بین ببرد. عناصر آلیاژی مثل مولیبدن و وانادیم باعث می‌شوند که فولاد در برابر نرم شدن در اثر حرارت مقاومت کند. به این خاصیت مقاومت به نرمی بازگشت می‌گویند. یعنی می‌توانید فولاد را تا دمای بالاتری تمپر کنید تا چقرمگی آن افزایش یابد، بدون اینکه سختی آن به طور نامطلوبی کاهش پیدا کند.

آنیلینگ (Annealing) یا بازپخت

آنیلینگ برای نرم کردن فولاد، از بین بردن تنش‌ها و آماده‌سازی آن برای فرآیندهای بعدی (مانند ماشین‌کاری یا شکل‌دهی) انجام می‌شود. عناصر تثبیت‌کننده کاربید (مانند Ti ،Nb، V) تاثیر زیادی روی شکل‌گیری کاربیدها در طول این چرخه دارند و باید نرخ گرمایش و سرمایش به دقت کنترل شود تا ریزساختار مناسب به دست آید.

اثر عناصر آلیاژی بر قابلیت ماشین‌کاری و شکل‌پذیری

همان عناصری که فولاد را سخت و مقاوم می‌کنند، می‌توانند ماشین‌کاری (تراشکاری، فرزکاری و…) آن را به کابوسی برای تولید تبدیل کنند.

سختی و ماشین‌کاری

به طور کلی، هر چه کربن و عناصر کاربیدساز (مانند کروم و وانادیم) در فولاد بیشتر باشند، فولاد سخت‌تر می‌شود و مقاومت به سایش آن بالاتر می‌رود. این یعنی ابزارهای برش ما هنگام کار با آن، زودتر کند و فرسوده می‌شوند. فولادهای ابزار یا فولادهای زنگ نزن آستنیتی (به دلیل سخت شدن در حین کار)، اغلب چالش‌های بزرگی در ماشین‌کاری دارند.

چگونه می‌توان ماشین‌کاری را بهبود داد؟

• افزودن گوگرد و سرب: این عناصر به صورت کنترل شده اضافه می‌شوند تا اجزای کوچکی (ناخالصی‌های غیرفلزی) در ساختار فولاد تشکیل دهند. این اجزا باعث می‌شوند که براده‌های فولاد هنگام برش، به راحتی بشکنند و از تشکیل براده‌های بلند و چسبنده جلوگیری کنند. این گریدها بیشتر به عنوان فولادهای ماشین‌کاری آزاد شناخته می‌شوند. البته باید توجه داشت که این کار، کمی از خواص مکانیکی و چقرمگی فولاد می‌کاهد.

شکل‌پذیری (Formability)

شکل‌پذیری، توانایی فولاد برای تغییر شکل دائمی (مثل خم شدن یا کشیده شدن) بدون شکستن است.

• عناصر نیکل و کروم در فولادهای آستنیتی (مثل 304): این عناصر شکل‌پذیری بسیار عالی به فولاد می‌دهند و به همین دلیل، فولادهای زنگ نزن آستنیتی برای فرآیندهایی مانند کشش عمیق (ساخت سینک ظرفشویی) بسیار مناسب هستند.
• افزایش کربن: همان‌طور که انتظار می‌رود، افزایش کربن باعث کاهش شکل‌پذیری می‌شود، چون فولاد را شکننده‌تر می‌کند.

نوسانات قیمت عناصر آلیاژی و تاثیر آن بر بهای تمام‌شده فولاد

قیمت یک گرید خاص از فولاد تنها توسط هزینه آهن و فرآیند تولید تعیین نمی‌شود؛ بلکه تحت تأثیر مستقیم بازار جهانی عناصر آلیاژی است. این بازار به شدت نوسان‌پذیر است و رخدادهای سیاسی، لجستیکی یا تغییرات عرضه معدنی می‌توانند به سرعت قیمت فولاد نهایی را دستخوش تغییر کنند.

نیکل

نیکل یک عنصر گران‌بهاست، به‌خصوص برای فولادهای زنگ نزن سری 300 (مانند 304 و 316). از آنجایی که نیکل نقش مهمی در پایداری ساختار آستنیتی و مقاومت به خوردگی دارد، هرگونه نوسان شدید در قیمت آن (که معمولا توسط بورس فلزات لندن LME تعیین می‌شود) به طور مستقیم قیمت فولاد زنگ نزن را بالا و پایین می‌برد. اگر قیمت نیکل افزایش یابد، فاصله قیمتی بین گرید 304 (که نیکل دارد) و گرید 430 (که نیکل ندارد) بیشتر می‌شود.

کروم و مولیبدن

فروکروم (شکل اصلی کروم که در فولادسازی استفاده می‌شود) و فرومولیبدن نیز نقش بزرگی در تعیین هزینه فولادهای خاص دارند.

• کروم: برای فولادهای زنگ نزن و ابزار ضروری است. نوسانات در تولید و عرضه کرومیت (ماده خام کروم) در کشورهایی مانند آفریقای جنوبی یا چین، بر قیمت تمام شده فولادهای کروم‌دار تأثیر می‌گذارد.
• مولیبدن: برای آلیاژهای مقاوم به حرارت و فولادهای زنگ نزن 316 (به‌خاطر خاصیت ضد حفره‌زایی)، یک عنصر پرهزینه محسوب می‌شود. افزایش قیمت مولیبدن، به سرعت فولاد 316 را گران‌تر از 304 می‌کند و گاهی شرکت‌ها را مجبور به انتخاب گریدهای جایگزین می‌کند.

پایداری و دسترسی به عناصر آلیاژی در بازار جهانی

علاوه بر قیمت، دسترسی پایدار به عناصر آلیاژی نیز یک نگرانی مهم در زنجیره تامین فولاد است.

جهان شاهد تمرکز منابع معدنی برخی عناصر در تعداد محدودی از کشورها است. برای مثال:

• منابع اصلی نیکل در کشورهایی مانند اندونزی، فیلیپین و روسیه متمرکز هستند.
• بخش عمده‌ای از تولید کرومیت در آفریقای جنوبی قرار دارد.
• منابع مولیبدن در آمریکای جنوبی (شیلی) و چین مهم هستند.

هرگونه اختلال در زنجیره تامین (مانند محدودیت‌های صادراتی، تنش‌های ژئوپلیتیکی، یا مشکلات لجستیکی) می‌تواند دسترسی به این عناصر را محدود کند و تولید فولادهای گرید خاص را دچار چالش نماید. شرکت‌های بزرگ فولادی ناچارند برای کاهش ریسک، استراتژی‌های متنوعی برای تامین منابع خود در نظر بگیرند و همچنین به سمت توسعه فولادهایی با ترکیبات جایگزین (که عناصر حساس کمتری دارند) حرکت کنند.

سوالات متداول

1. چرا از عناصر آلیاژی در فولاد استفاده می‌شود؟
   فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است، اما خواص آن به تنهایی برای بسیاری از کاربردها کافی نیست. عناصر آلیاژی، حتی در مقادیر کم، می‌توانند ریزساختار و خواص فولاد را بهبود بخشند. با انتخاب و تنظیم ترکیب عناصر آلیاژی، می‌توان فولادی با خواص مناسب برای کاربرد مورد نظر تولید کرد. 
2. آیا افزودن عناصر آلیاژی همیشه مفید است؟
   خیر، افزودن عناصر آلیاژی همیشه مفید نیست و می‌تواند اثرات منفی نیز داشته باشد. برای مثال، افزایش بیش از حد آلومینیوم می‌تواند باعث کاهش انعطاف‌پذیری و قابلیت جوشکاری شود. همچنین، افزودن کروم در حالی که مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد، می‌تواند قابلیت جوشکاری را کاهش دهد.
3. چگونه می‌توان تأثیر عناصر آلیاژی بر فولاد را پیش‌بینی کرد؟
   تاثیر عناصر آلیاژی بر فولاد به عوامل مختلفی مانند نوع و مقدار عنصر آلیاژی، ترکیب شیمیایی فولاد و فرآیند تولید بستگی دارد. برای پیش‌بینی تأثیر عناصر آلیاژی، می‌توان از دیاگرام‌های فازی، مدل‌های ترمودینامیکی و نرم‌افزارهای شبیه‌سازی استفاده کرد. همچنین، تجربه و آزمایش‌های عملی نقش مهمی در پیش‌بینی خواص فولادهای آلیاژی دارند.