بررسی فولاد کربنی | مقایسه فولاد کربن دار با سایر فولادها 

کربن یکی از عناصر اصلی فولاد است. در فولاد کربنی، کربن نقش مهمی ایفا می‌کند. هرچه کربن بیشتر باشد استحکام فولاد بالاتر و انعطاف‌پذیری آن کاهش پیدا می‌کند. از طرفی، هرچه درصد کربن کمتر باشد، فولاد نرم‌تر و استحکام آن پایین‌تر خواهد بود. در ادامه این مقاله با میهن فولاد همراه باشید تا فولاد کربنی را بررسی کنیم.

فولاد کربنی چیست؟

فولاد کربنی، آلیاژی است که از پیوند دو عنصر ساده اما قدرتمند، آهن و کربن، به وجود می‌آید. اما سادگی این ترکیب، فریبنده است. در حقیقت، راز نهفته در این آلیاژ، درصد دقیق کربن موجود در آن است که بین 0.05٪ تا 2.0٪ متغیر است. همین اختلاف ظریف در میزان کربن، منجر به طیف وسیعی از ویژگی‌های مکانیکی در فولاد کربنی می‌شود و آن را به ماده‌ای بسیار پرکاربرد در صنایع مختلف تبدیل می‌کند. 

گفتیم که، با افزایش میزان کربن، استحکام و سختی فولاد افزایش می‌یابد، اما در عوض، شکل‌پذیری و چکش‌خواری آن کاهش می‌یابد. این درصد کربن روی کاربرد آنها تاثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، فولاد کربن دار با کربن کمتر، نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر است و برای ساخت ورق‌های فولادی، سیم و لوله مناسب است. در مقابل، فولاد کربنی با کربن بیشتر، سخت‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش است و برای ساخت ابزارآلات برشی، فنر و قطعات ماشین آلات سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

همچنین این فولاد، تفاوت‌هایی از نظر مقدار و نوع عناصر آلیاژی با فولاد ابزار دارد. فولاد کربنی به‌دلیل ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی فولاد ابزار، کاربردهای متفاوت‌تری نسبت به آن دارد.

معرفی انواع فولاد کربن دار

 فولاد کربنی، همانطور که از نامش پیداست، از ترکیب آهن و کربن به وجود می‌آید، اما فاکتور مهم در این آلیاژ ساده، درصد کربن موجود در آن است. این درصد، بین محدوده 0.05٪ تا 2.0٪ متغیر بوده و هر درصدی، ویژگی‌های منحصربه‌فردی به فولاد می‌بخشد. 

1. فولاد کربن دار کم (فولاد نرم)

این نوع فولاد، با داشتن کمتر از 0.3٪ کربن، نرم‌ترین عضو خانواده فولاد کربن‌دار محسوب می‌شود. انعطاف‌پذیری و قابلیت جوش‌پذیری بالا، از جمله ویژگی‌های این فولاد است که آن را به گزینه‌ای مناسب برای ساختمان‌سازی، تولید خودرو، لوازم خانگی و ساخت ورق‌های فولادی تبدیل کرده است. قیمت مناسب فولاد نرم نیز از دیگر عوامل محبوبیت آن در صنایع مختلف است.

2. فولاد کربنی متوسط

 میزان کربن در این مدل، در محدوده 0.3٪ تا 0.6٪، قرار دارد. فولاد کربن دار متوسط، دارای ویژگی‌های مقاومت و انعطاف‌پذیری دارد. دنده‌ها، محورها و شافت‌ها از جمله قطعاتی هستند که با استفاده از فولاد کربنی متوسط ساخته می‌شوند.

3. فولاد کربن دار با مقدار کربن بالا

در این نوع فولاد، میزان کربن به محدوده 0.6٪ تا 2.0٪ افزایش می‌یابد. این افزایش کربن، باعث افزایش استحکام و مقاومت فولاد در برابر سایش می‌شود. به‌همین دلیل، فولاد کربنی با مقدار کربن بالا، برای ساخت ابزارآلات و قطعاتی که در معرض فشار و سایش زیاد قرار دارند، بسیار مناسب است. ابزارهای برشی، چنگال‌ها، چاقوها، تیغه‌های ماشین‌آلات و قالب‌های فلزی از جمله کاربردهای این نوع فولاد هستند.

4. فولاد کربن بالا با مقدار کربن افزایش یافته

این نوع فولاد، با داشتن بیش از 2.0٪ کربن، برای کاربردهای بسیار خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. سختی و مقاومت این فولاد، آن را برای ساخت ابزارهای برش الماس، ابزارهای جراحی و قطعات ساعت‌های گران‌قیمت گزینه خوبی ساخته است.

5. فولاد کربن دار آلیاژی

خانواده فولاد کربنی، تنها به ترکیب آهن و کربن محدود نمی‌شود. در فولاد کربن دار آلیاژی، علاوه‌بر کربن، عناصر دیگری مانند منگنز، کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم نیز به ترکیب فولاد اضافه می‌شوند. هدف از افزودن این عناصر، بهبود ویژگی‌های مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی فولاد آلیاژی است. به‌عنوان مثال، افزودن کروم به فولاد، مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش می‌دهد و افزودن نیکل، مقاومت ضربه‌ای و چقرمگی فولاد را بهبود می‌بخشد. فولاد کروم – مولیبدن، که در صنایع هوا و فضا و اتومبیل‌سازی کاربرد دارد، نمونه‌ای از این فولادها است.

کابردهای انواع فولادهای کربنی در صنایع مختلف

فولادهای کربن دار، به لطف تنوع در ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی، در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها استفاده می‌شوند. این کاربرد گسترده، نشان از اهمیت و نقش انکارناپذیر آنها در زندگی ما دارد.

فولاد کم‌کربن، با داشتن میزان کربن پایین، از انعطاف‌پذیری و قابلیت شکل‌پذیری بالایی برخوردار است. این ویژگی، در کنار قیمت مناسب و قابلیت جوش‌پذیری خوبی دارد. از آن در ساخت قطعات، مانند پیچ و مهره، زنجیر و قطعات خودرو استفاده می‌شود. همچنین، هدایت الکتریکی خوب فولاد کم‌کربن، باعث شده تا برای صنعت برق و ساخت قطعاتی مانند هسته موتورهای الکتریکی و ژنراتورها بسیار کاربردی باشد.

 فولاد کربن متوسط، برای ساخت قطعاتی مناسب است که در معرض بارگذاری و تنش‌های متوسط قرار دارند. ریل‌های آهن، چرخ و محور واگن‌ها، قطعات کشتی و ماشین‌آلات سنگین از جمله کاربردهای فولاد کربن متوسط هستند.

فولاد پرکربن، با داشتن بالاترین میزان کربن در میان فولادهای کربن دار، از سختی و مقاومت به سایش بسیار بالایی برخوردار است. در تولید ابزارهای برشی، قالب‌های فلزی، فنرها، تیغه‌ها و سایر قطعاتی که در معرض سایش و ضربه قرار دارند، کاربرد دارد.

ویژگی‌های فولاد کربن دار

فولاد کربن دار، با وجود سادگی در ترکیب، به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، به‌عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در صنایع مختلف شناخته می‌شود. این ویژگی‌ها، ریشه در ساختار اتمی و ترکیب شیمیایی این آلیاژ دارند و آن را به ماده‌ای با مقاومت بالا و قابلیت تنظیم برای کاربردهای گوناگون تبدیل می‌کنند. 

ترکیب شیمیایی

فولاد کربن دار، همان‌طور که از نامش پیداست، عمدتاً از دو عنصر آهن (Fe) و کربن (C) تشکیل شده است. اتم‌های کربن، با قرار گرفتن در ساختار آهن، مانع از لغزش لایه‌های اتمی بر روی یکدیگر می‌شوند. این موضوع، باعث افزایش استحکام و سختی فولاد می‌شود.

مقاومت و ماندگاری

یکی از ویژگی‌های فولاد کربن دار، مقاومت آن در برابر نیروهای خارجی مانند کشش، فشار، خمیدگی و سایش است. به‌همین خاطر، برای تولید سازه‌های سنگین، پل‌ها، ساختمان‌ها، ماشین‌آلات صنعتی و ابزارآلات تبدیل کرده است.

چندمنظورگی

یکی دیگر از ویژگی‌های فولاد کربن دار، قابلیت تنظیم ویژگی‌های آن با تغییر میزان کربن و سایر عناصر آلیاژی است. این قابلیت، باعث می‌شود تا با توجه به نیاز هر کاربرد خاص، فولاد مناسب را انتخاب کنند. به‌عنوان مثال، فولاد کم‌کربن، به‌دلیل انعطاف‌پذیری بالا، برای ساخت ورق‌های فولادی، سیم و لوله مناسب است، در حالی که فولاد پرکربن، به‌دلیل سختی و مقاومت به سایش بالا، برای ساخت ابزارهای برشی، فنرها و قالب‌های فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استانداردهای فولاد کربنی

در دنیای پیچیده و گسترده صنعت، برای حفظ نظم، ایجاد زبان مشترک و تضمین کیفیت، وجود استانداردها امری ضروری است. فولاد کربن دار، به‌عنوان یکی از پرکاربردترین مواد در صنایع مختلف، از این قاعده مستثنی نیست. استانداردهای فولاد کربن دار، مجموعه‌ای از الزامات و مشخصات فنی هستند که برای تولید، آزمایش و نام‌گذاری این فولاد تعیین شده‌اند. این استانداردها در کتاب کلید فولاد نیز قابل دسترسی هستند و در دو دسته ملی و بین‌المللی تقسیم‌بندی می‌شوند.

استانداردهای ملی

استانداردهای ملی، توسط سازمان‌های استاندارد هر کشور تدوین و اجرا می‌شوند. این استانداردها، با توجه به شرایط اقلیمی، منابع موجود و نیازهای داخلی هر کشور تعیین می‌شوند. به‌عنوان مثال، استاندارد “بوریو” (Bureau) در کشور هند، مرجعی برای تولید و آزمایش فولادهای کربن دار در این کشور است.

استانداردهای بین‌المللی

استانداردهای بین‌المللی، توسط سازمان‌های بین‌المللی مانند سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO) و کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) تدوین می‌شوند. این استانداردها، با هدف ایجاد یک زبان مشترک و تسهیل تجارت بین‌المللی در صنعت فولاد ایجاد شده‌اند. از جمله مهم‌ترین استانداردهای بین‌المللی فولاد کربن دار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. استاندارد ASTM (انجمن آزمون و مواد آمریکا)

این استاندارد، با استفاده از ترکیب حروف و اعداد، به نام‌گذاری و طبقه‌بندی فولادها می‌پردازد.

2. استاندارد AISI (انجمن ریخته‌گران فولاد آمریکا)

این استاندارد، از یک کد چهار رقمی برای نام‌گذاری فولادهای کربن دار استفاده می‌کند.

3. سیستم واحد نام‌گذاری (UNS)

این سیستم، از یک حرف و پنج عدد برای نام‌گذاری فولادها استفاده می‌کند.

4. استاندارد DIN (موسسه استاندارد آلمان)

این استاندارد، برای نام‌گذاری فولادها از الگوی خاصی استفاده نمی‌کند و تعداد ارقام مورد استفاده در آن متفاوت است.

5. استاندارد BS (موسسه استاندارد بریتانیا)

این استاندارد، با استفاده از حروف “EN” در ابتدای نام‌گذاری فولادها شناخته می‌شود.

مقایسه سه مدل فولاد کربنی با یکدیگر

همانطور که از نام سه نوع فولاد (کم‌کربن، فولاد کربن متوسط و فولاد پرکربن) پیداست، عامل متمایزکننده آنها، میزان کربن موجود در ساختار آنهاست. فولاد کم‌کربن، حاوی حداکثر 0.3٪ کربن است و به‌همین دلیل، نرم‌ترین و انعطاف‌پذیرترین عضو این گروه محسوب می‌شود. با افزایش میزان کربن به محدوده 0.3٪ تا 0.6٪، به فولاد کربن متوسط می‌رسیم که استحکام و انعطاف‌پذیری را ارائه می‌دهد. فولاد پرکربن نیز، با داشتن 0.6٪ تا 2٪ کربن، سخت‌ترین و مقاوم‌ترین عضو این گروه است، اما در عوض، انعطاف‌پذیری کمتری دارد.

میزان کربن، تاثیر مستقیمی بر ویژگی‌های مکانیکی فولاد دارد. فولاد کم‌کربن، به‌دلیل نرمی و شکل‌پذیری بالا، به راحتی قابل ماشینکاری، جوشکاری و فرم‌دهی است. فولاد کربن متوسط، با داشتن استحکام و چقرمگی بیشتر، برای ساخت قطعاتی مناسب است که در معرض بارگذاری و ضربه قرار دارند. فولاد پرکربن نیز با سختی و مقاومت به سایش خود، برای ساخت ابزارآلات برشی، قالب‌ها و قطعاتی که در معرض سایش شدید قرار دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

هر یک از این سه نوع فولاد، با توجه به ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، در صنایع مختلف کاربرد دارد. از لحاظ مقایسه کاربردها، فولاد کم‌کربن، در ساختمان‌سازی، خودروسازی، ساخت لوازم خانگی و تولید ورق و سیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولاد کربن متوسط، در ساخت ریل‌های آهن، چرخ و محور واگن‌ها، قطعات کشتی و ماشین‌آلات سنگین کاربرد دارد. فولاد پرکربن نیز در ساخت ابزارآلات برشی، قالب‌های فلزی، تیغه‌ها، فنرها و قطعات ساعت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مقایسه فولاد کربنی با سایر نوع فولاد ها

فولاد، در انواع مختلفی تولید می‌شود که هر یک ویژگی‌ها و کاربردهای خود را دارد. فولاد کربن دار، به‌دلیل قیمت مناسب و ویژگی‌های مکانیکی قابل قبول، از جمله پرکاربردترین انواع فولاد است. اما در برخی کاربردها، سایر انواع فولاد، مانند فولادهای آلیاژی و فولادهای ضد زنگ، به دلیل برخورداری از ویژگی‌های خاص، برتری دارند. 

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، فولاد کربن دار، از آهن و کربن تشکیل شده است. درحالی که فولادهای آلیاژی، علاوه‌بر آهن و کربن، حاوی عناصر آلیاژی دیگری مانند کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم هستند. فولاد کربنی، به دلیل قیمت مناسب، استحکام قابل قبول و سهولت در ماشینکاری، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، مقاومت به خوردگی پایین و حساسیت به حرارت از جمله معایب این نوع فولاد محسوب می‌شوند.

از سوی دیگر، افزودن سایر عناصر به فولاد آلیاژی، باعث توسعه ویژگی‌های مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی فولاد می‌شود. به‌عنوان مثال، فولاد کروم-مولیبدن، به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت و خزش، در ساخت قطعات موتور و توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فولادهای ضدزنگ خود نیز در دسته فولادهای آلیاژی قرار می‌گیرند. دارای حداقل 10.5٪ کروم هستند. این میزان کروم، باعث ایجاد یک لایه اکسید کروم روی سطح فولادمی‌شود. برخلاف فولاد کربن دار، این فولاد در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی مقاوم است. فولادهای ضد زنگ، در صنایع غذایی، پزشکی، هوا و فضا و دریایی کاربرد دارند.

در آخر، آشنایی با انواع فولاد ساده کربنی یا فولادهای آلیاژی به شما کمک خواهد کرد که در پروژه‌های خود از فولادهای مناسب استفاده کنید. همچنین شما می‌توانید برای دریافت مشاوره تخصصی و یا استعلام قیمت فولاد با کارشناسان ما در ارتباط باشید.

سوالات متداول

1. فولاد کربن دار به چند دسته تقسیم می‌شود؟
   فولاد کم‌کربن، کربن متوسط و پرکربن، فولاد کربن بالا با مقدار کربن افزایش یافته و فولاد کربن دار آلیاژی.
2. کاربردهای فولاد کربنی چیست؟
   در ساخت پیچ و مهره، زنجیر و قطعات خودرو، چرخ و محور واگن‌ها، ریل‌های آهن، قطعات کشتی و  ابزارهای برشی، ماشین‌آلات سنگین، فنرها، تیغه‌ها، قالب‌های فلزی و… .
3. استانداردهای فولاد کربن دار چیست؟
   استانداردهای ASTM، AISI، UNS، DIN ،BS.