فولاد کربنی چیست + ویژگی ها و 5 کاربرد فولاد کربنی

یکی از متریال‌های کاربردی در صنعت، فولادها هستند. فولاد عضو جدانشدنی صنایع است و در انواع مختلفی عرضه می‌گردد. فولاد کربنی یکی از انواع پرکاربرد آن محسوب می‌شود و همان‌طور که از نام آن برمی‌آید، حاوی کربن می‌باشد. مقادیر مختلف از کربن، انواع گوناگونی از فولاد با ویژگی‌های متفاوت را حاصل می‌شود. در مقاله پیش رو قصد داریم به توضیح فولاد کربنی و آلیاژهای مصرفی در آن بپردازیم. با ما همراه باشید.

فولاد کربنی چیست؟

به فولادی که پایه اصلی آن از کربن است، فولاد کربنی گفته می‌شود. کربن و آهن دو جز اصلی آن هستند. در فولاد کربن آلیاژهای دیگری نیز وجود دارد که در اندازه کم‌تری بکار برده می‌شوند.

در ادامه مقاله به توضیح مختصری درباره آن ها خواهیم پرداخت. کربن مصرفی در عنصر فولاد میزان استحکام و سختی فولاد را مشخص می‌کند. این مقدار متغیر بوده و با توجه به موارد کاربرد فلز از چند صدم درصد تا 2 درصد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

میزان کربن علاوه بر این‌که اندازه سختی فلز را مشخص می‌کند، قابلیت آبکاری آن را نیز تعیین می‌کند؛ به این صورت که اگر کربن موجود در فلز پایین‌تر از 0.2 % باشد، این فلز قابلیت آبکاری ندارد، اما اگر میزان کربن در آن زیاد شده و به اندازه 1.2% برسد، قابلیت آبکاری داشته و سختی آن بالا می‌رود.

تعریف فولاد ابزار

یکی از انواع فولادهای کربنی، فولاد ابزار است که در ساخت بسیاری از لوازم همچون قطعات مهندسی، ماشین آلات، ابزارآلات و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

عناصر موجود در فولاد کربنی

می‌دانیم که در فولاد، عناصر و آلیاژهای زیادی وجود دارد که هر کدام قابلیت بخصوصی به آهن می‌دهند. در ادامه به ذکر نام و ویژگی هرکدام می‌پردازیم:

کربن

همان‌طور که از نام فولاد کربنی برمی‌آید، کربن اصلی‌ترین جزء تشکیل دهنده این نوع فلز است. اندازه کربن استفاده شده در این عنصر با میزان سختی و استحکام فولاد رابطه مستقیمی دارد. به آن معنا که هرقدر میزان کربن بیش‌تر باشد، سختی فولاد نیز به تبع آن بیش‌تر خواهد بود.

سیلیسیم

وجود این عنصر منجر به حذف اکسیژن فولاد شده و از اثرات منفی آن جلوگیری می‌کند.

منگنز

منگنز نیز مانند سیلیسیم سبب اکسیژن زدایی می‌شود. علاوه‌بر آن وجود منگنز، به بالا بردن میزان استحکام و پایداری فلز نیز کمک می‌کند. لازم به ذکر است که مقادیر بالای منگنز منجر به ترک خوردن فولاد می‌شوند.

مس

عنصر مس نیز یکی دیگر از عناصر به کار رفته در فولاد کربن است که اگرچه که باعث تقویت فولاد می‌شود، اما چنان‌چه مقدار آن زیاد باشد، باعث آسیب به فولاد می‌گردد.

گوگرد

از گوگرد به شکل خالص در فولاد استفاده نمی‌شود و مصرف آن به صورت سولفید منگنز و سولفید آهن است.

نیتروژن

نیتروژن به میزان بالایی در هوا وجود دارد. بنابراین لازم است برای کنترل اندازه نیتروژن به کار رفته در فولاد، هوای محیط کنترل شود.

هیدروژن

این عنصر یک عامل مخرب برای ساختار فولاد کربنی است و با نفوذ در فلز منجر به ایجاد ترک‌های مویی فولاد و تردی آن می‌گردد. به همین خاطر لازم است برای کاهش نفوذ این گاز سمی در ساختار فولاد و کنترل آن اقدامات لازم انجام گیرد.

اکسیژن

اکسیژن نیز از دیگر عناصر موجود در فولاد است و منجر به کاهش میزان انعطاف، بالا بردن دمای انتقال غیره می‌شود.

انواع فولاد کربنی

در دسته‌بندی کلی، فولاد کربنی در انواع زیر تولید و عرضه می‌گردد:

• فولاد با کربن بسیار کم

فولادهای بسیار کم کربنی، حاوی حداکثر 0.05 درصد کربن هستند. این نوع از فولادها چکش خوارند و ویژگی‌های مشابه با آهن را دارا هستند. فولادهای بسیار کم کربن قابلیت آن‌که توسط عملیات حرارتی اصلاح شوند را ندارند. از لحاظ قیمتی، مقرون به صرفه هستند، اما کاربردهای مهندسی آن‌ها محدود به اجزای غیر بحرانی است و بیش‌تر برای مصارف عمومی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• فولاد کم کربن یا فولاد نرم

فولاد نرم، یکی از مهم‌ترین گروه‌های فولاد کربنی است و تنوع شکل‌های زیادی را از ورق گرفته تا تیرآهن ساختمانی به خود اختصاص داده است. این دسته از فولاد معمولا مابین 0.04 تا 0.3 درصد کربن دارند. بر اساس ویژگی‌های مورد نیاز، سایر عناصر اضافه یا کم می‌شوند. 

به عنوان مثال برای کیفیت پرداخت بالاتر، مقدار کربن را پایین نگه می‌دارند و آلومینیوم به آن اضافه می‌گردد و برای فولاد ساختمانی میزان کربن بالاتری نیاز است و منگنز نیز اضافه می‌گردد. ویژگی‌های سطحی فولاد کم کربن می‌تواند با عملیات کربن‌دهی و سپس عملیات حرارتی ارتقا داده شود.

معمولا مقادیری از گوگرد و سرب نیز برای انجام ماشین کاری اضافه می‌گردد. فولاد کم کیفیت همراه با مقادیر زیاد گوگرد و فسفر می‌تواند نتیجه بهتری در ماشین کاری نسبت به فولاد باکیفیت و بدون اکسید و سرباره ایجاد کند.

این گروه از فولادها کاربردهای بسیار زیادی در مصارف عمومی دارا هستند و در لوازم نقلیه مانند بدنه اتومبیل‌ها، کشتی‌ها و غیره، به‌طور گسترده استفاده می‌شوند. فولادهای ضدزنگ (استنلس استیل) و آلیاژهای آلومینیوم در بعضی از موارد با این نوع از فولاد رقابت نزدیکی دارند.

• فولاد کربن متوسط

این محصول، استحکام بیش‌تری نسبت به فولاد کم کربن دارد و شکل‌دهی، جوش و برش آن سخت‌تر است. فولادهای کربن متوسط اغلب اوقات توسط عملیات حرارتی سخت کاری و تمپر می‌شوند. معمولا درصد کربن این نوع فولاد، مابین 0.3 تا 0.6 و محتوای منگنز آن میان 0.6 تا 1.65 است.

• فولاد با کربن متوسط رو به بالا

درصد کربن در این فولادها میان 0.5 تا 0.8 درصد است. از نمونه فولادهایی که در این گروه قرار دارند می‌توان به 070M55، 0S0M55، AISI 1055، AISI 1070 اشاره نمود. این گروه از فولاد نسبت به عملیات حرارتی و کار سختی حساسیت زیادی دارد. به راحتی تحت سخت کاری با شعله قرار می‌گیرند و می‌توانند استحکام تسلیم بالایی به دست بیاورند.

اگرچه در این گروه می‌توان به سختی و استحکام بالایی دست پیدا کرد، با این حال در برابر ضربه مقاومت زیادی از خود نشان نمی‌دهند. این فولادها معمولا برای مواردی که تحت تنش و شوک قرار داشته باشند، مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. در مواقعی همچون تیغه‌ها، فنرها و بوش‌ها که سختی مهم باشد، از فولادهای با کربن متوسط رو بالا استفاده می‌شود.

• فولاد کربن بالا

فولاد پرکربن یا فولاد ابزار کربنی دارای 0.61 تا 1.5 درصد کربن است و برش، خمش و جوش آن بسیار دشوار می‌باشد. از ویژگی‌های این محصول می‌توان به سخت و شکننده شدن پس از عملیات گرمایی اشاره نمود.

کاربرد فولاد تولیدی با کربن کم و کربن زیاد

موارد استفاده از فولادهای کربنی زیاد است و با توجه به مصرف نهایی میزان کربن مصرف شده در فولاد متغیر است. به طور کلی می‌توان گفت در مواردی که میزان سختی کمی مورد نیاز باشد، فولاد کم کربن مورد توجه ویژه قرار می‌گیرد.

به عنوان مثال فولادهایی که میزان کربن به کار رفته در آن‌ها پایین است، در صنایع گوناگون مثل راه آهن، برق، صنایع تولیدی، کشتی سازی و غیره مورد مصرف قرار می‌گیرند.

در مقابل فولادی که مقدار کربن استفاده شده در آن زیاد باشد، سختی و مقاومت زیادتری دارد و طبیعی است که در صنایعی که میزان مقاومت بالاتری نیاز دارند، مصرف گردد. برای مثال در تولید قطعات ماشین‌های صنعتی، غلتک‌ها و غیره، از فولاد پرکربن استفاده می‌کنند.

جمع بندی

در این مقاله به معرفی فولاد کربنی و عناصر و آلیاژهای بکار رفته در آن پرداختیم. همانگونه که بیان شد به فولادی که پایه اصلی آن از کربن است، فولاد کربنی گفته می شود. کربن و آهن دو جز اصلی آن هستند. در فولاد کربن آلیاژهای دیگری نیز وجود دارد که در اندازه کم تری بکار برده می شوند که در این مطلب به صورت مجزا به هر کدام اشاره شده است.

منبع(Resource): Carbon steel

سوالات متداول