مقدمه :

بر مبنای تعریف فولادها آلیاژی از آهن و کربن هستند که در اکثر حالات دارای قابلیت انعطاف و شکل پذیری مناسبی می باشند . که مقدار کربن در فولاد تا حدود7/1 ٪ متغیر بوده و از طرف دیگر عناصری نظیر منگنز و سیلیسیم در مقادیر کمتر از 1٪ و فسفر و گوگرد در مقادیر جزئی به عنوان ناخالصی در فولاد موجود هستند

البته امروزه فولاد هایی هستند که حاوی عناصر الیاژی بالاتر از 50٪می باشند .

ترکیبی از استحکام بالا و قابلیت چکش خواری ٬فولاد ها را از دیگر الیاژها و مواد فلزی متمایز می سازد .

فولاد در مقابل اعمال تنش های ضربه ای بسیار مقاوم بوده و از طرف دیگر امکان استفاده از انها در درجات حرارتی زیر صفر (100-)و حرارتی بالا (800) و بالاتر وجود دارد .

قطعات ریختگی فولادی به دو دسته اصلی شکلهای ریختگی و شمش های ریختگی فولادی تقسیم می شوند .

شمش های فولادی استفاده مستقیم نداشته بلکه پس از انجام عملیات (نورد و کشش و...) به محصولات تمام شده نظیر ورق و نبشی و... استفاده می شوند .

شکل های ریختگی که واژه قطعات نیز به انها اطلاق می شوند بعد از ریخته گری مورد استفاده قرار می گیرند .

تقسیم بند ی فولاد ها :

تقسیم بندی بر اساس ترکیب شیمیایی :

1.فولادهای کربنی

2.فولادهای الیاژی

3.فولادهای مخصوص

فولادهای کربنی:

1. کم کربن 0.09 تا 0.2 ٪کربن

2. میان کربن 0.2 تا 0.5 ٪کربن

3. پر کربن بالای 0.5٪ کربن

فولادهای الیاژی:

1. کم الیاژی تا حدود 2.5 ٪عنصر الیاژی

2. میان الیاژی 2.5 تا 10 ٪الیاژی

3. پر الیاژی بالای 10 ٪عنصر الیاژی

ساختار :

فولادهای ریختگی بر حسب نوع ساختار میکروسکپی به ساختار زیر تقسیم بندی می شوند .

1. هیپو یوتکتوئید (فرویوتکتوئید) که دارای فریت ازاد که چنین ساختاری مخصوص فولادهای کربنی و کم الیاژی است که درصد کمی پرلیت را نیز شامل می باشد .

2. نوع یوتکتوئید که ساختار ان کلا پرلیتی می باشد . که به نوع پرلیتی نیز معروف می باشد .

3. نوع هیپر یوتکتوئید . در ساختار این نوع فولادها کاربید ازاد نظیر (fe3c)که اصطلاکاربید ثانویه نامیده می شود وجود دارد٬ نظیر فولادهای پر کربن83%تا 1.7درصد کربن

4. استنیتی نظیر فولادهای نیکل دار و مولیبدن دار که به فولادهای مقاوم در مقابل حرارت می باشند

5.فولادهای مارتنزیتی که عناصری که کاربید زا هستند را شامل میشود که در سرد کردن در اب و اضافه کردن عناصر فوق به دست می اید .

فولادهای الیاژی :

درمواردی که به استحکام وخواص مکانیکی بالایی نیاز نباشد فولادهای

ساده کربنی بسیارمطلوب . این نوع فولادها در دماهای معمولی و در محیط های ی که چندان خورنده نیستند به کار میروند ٬ سختی پذیری کم ٬ مستحکم شدن انها را به استثنای قطعاتی با مقطع نازک محدود می کند .

تقریبا تمام فولادهای سخت شده را برای رفع تنش بازپخت می کنند و فولادهای ساده کربنی ٬با افزایش دما بسیار نرم می شوند که این رفتار محدودیت هایی در کاربرداین فولاد ها در دماهای بالا به وجود اورده است . بیشتر محدودیت های فولادهای ساده کربنی را می توان با افزودن عنصر الیاژی برطرف کرد .

(_فولادهای الیاژی را می توان به عنوان فولادی تعریف کرد که خواص مشخصه ان از عنصر دیگری بغیر از کربن ناشی می شود)

گر چه فولاد های ساده کربنی مقداری کم Mn و Si برای اکسید زدایی اضافه می شود نه برای الیاژسازی .

هدف از الیاژسازی :

عنصر های مختلف با اهداف مختلفی به فولاد افزوده می شود ٬ مهمترین اهداف عبارتند از :

1. افزایش سختی پذیری

2. افزایش استحکام در دمای معمولی

3. افزایش خواص مکانیکی در دماهای بالا وپایین

4. افزایش چقرمگی در هر سختی و استحکام

5. افزایش مقاومت سایش

6. افزایش مقاومت در برابر خوردگی

7. بهبود خواص مغناطیسی

تاثیر کرم در فولاد :

کرم سختی پذیری فولاد را در روغن و هوا مناسبتر می سازد .

با پایین اوردن سرعت سرد کردن بحرانی لازم برای ایجاد مارتنزیت و عمق سخت شده را افزایش می دهد .

همچنین مقاومت ضربه ای را کاهش می دهد .

کرم عنصر سازنده کاربید است .

پایداری در مقابل حرارت و فشار هیدروژن با افزایش کرم مناسب تر می شود .

با افزایش کرم پایداری در مقابل پوسته دار شدن در اثر خوردگی افزایش می یابد ٬ برای پایداری فولادها در مقابل خوردگی حداقل حدود 13٪کرم ضروری است که باید در عنصر اصلی حل شود .

اما در فولادهای کرم –نیکل یا کرم – منگنز محدوده استنیت را پایدار می سازد .

قابلیت هدایت حرارتی و الکتریکی و ضریب انبساط حرارتی به وسیله ان کاهش می یابد (به همین دلیل مثلا به عنوان عنصر الیاژی در شیشه به کار می رود).

کرم با افزایش سختی پذیری مقاومت در برابر سایش را در فولادها افزایش و کربوره شدن را بهبود می دهد .

در میان عناصر الیاژی رایج افزایش سختی پذیری کرم در رده بالا قرار دارد که این خاصیت باعث می شود که فولاد پر کرم را بتوان به راحتی با سرد کردن در هوا سخت نمود و در شرایطی که سرد کردن در مایعات امکان پذیر نباشد و یا غیر مطلوب باشد ٬ این خاصیت کرم به عنوان یک امتیاز محسوب می شود .

فولادهای کرم دار در درجه حرارتهای بالا پایدار بوده و غالبا وقتی که مقاومت در برابر حرارت مد نظر باشد از انها استفاده می شود

البته قابل توجه است که کرم در فولادها همراه با نیکل به کار می رود که نقش نیکل نیز در این حین قابل کتمان نیست .

نقش نیکل در فولادها :

نیکل چقرمگی و استحکام ضربهای (بخصوص در درجه حرارتهای پایین ) را افزایش داده و باعث کاهش تاب برداشتن فولاد در اثر سریع سرد کردن ان شده.

مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می دهد .

همچنین نیکل سبب کاهش درجه حرارت بحرانی فولاد شده و محدوده درجه حرارت عملیات حرارتی را افزایش می دهد چنین فولادی دارای سطوح سخت و مقاوم در برابر سایش بوده و مغز انها نرم و قابل انعطاف می باشد .

مزایای نیکل به فولاد های سریع سرد شده و برگشت داده شده محدود نمی شود ٬ بلکه در فولادهایی که مقدار کربن انها کم است ٬با

وجود نیکل استحکام قابل توجهی پیدا می کنند که در نتیجه مقاومت در برابر خستگی انها به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می یابد .

تاثیر کرم در عملیات حرارتی :

کرم استحکام و سختی را افزایش داده ٬ دمای بحرانی را بالا برده ٬ سختی پذیری را افزایش و باعث تشکیل کاربید های پایدار و سخت می گردد .

مقادیر بیشتر از 12٪ ان به زنگ نزن شدن فولاد می انجامد .

1-1.5 ٪ کرم به فولادهای با کربن بالا و متوسط برای ساخت چرخ دنده ها ٬ فنرها ٬ ابزار و یاتاقانهای ساچمه ای ٬ اضافه می شود .

بر فاز کاربید :

چون تمامی کاربید های فولاد ترد و شکننده اند ٬ در دمای محیط اثر یکسانی بر خواص کششی فولاد باقی می گذارد .

حضور عنصر های تشکیل دهنده کاربید بر دمای سخت کردن و مدت نگهداری در ان دما اثر دارد .

حلالیت کاربید های پیچیده در استنیت کند است و در نتیجه به به صورت نا محلول باقی می مانند .

همین امر باعث کاهش عناصر الیاژی و کربن در استنیت می شود و کاربید های حل نشده عامل جلوگیری از رشد دانه ها هستند که دو اثر فوق سختی پذیری را کاهش و سختی حاصل را افزایش می دهد .

هر چند تمامی کاربید های موجود در فولاد ترکیباتی سخت و شکننده اند ٬ ولی کاربید های کرم و وانادیم از لحاظ سختی و سایشی بر جسته اند.

اثر عنصر الیاژی کرم در باز پخت :

در اثر باز پخت فولادهای سخت شده بر اثر گرمایش مجددا نرم می شوند٬ و هر چه دمای بازپخت بالا برود سختی به طور پیوسته کاهش می یابد .

اگرکل عنصرالیاژی کندکردن اهنگ نرم شدن است بنابراین برای

بازپخت فولادهای الیاژی و رسیدن به سختی موردنظربه دمای بالاتری

نیاز است عنصرهایی مانند کرم و وانادیم که کاربیدهای پیچیده تولید می کنند تاثیر زیادی در دیرتر نرم شدن فولاد دارند این عنصرها نه تنها دمای بازپخت را بالا میبرند بلکه هنگامی که مقدار انها در فولاد زیاد

باشد

منحنی های نرم شده فولاد گستره ای خواهند داشت که در ان با بالا رفتن دمای باز پخت سختی هم افزایش می یابد

این رفتارفولادهای الیاژی که حاوی عنصر کاربید سازند سختی ثانویه نام دارد که دلیل ان به تاخیر افتادن رسوب کاربیدهای الیاژی است

فولادهای زد زنگ :

فولادهای ضد زنگ که در اصل برای تهیه کارد و چنگال و ابزار با جنس بهتر ساخته شد ، به علت مقاومت به خوردگی و گرمایی که در صنعت توسعه زیادی پیدا کرد ٬ حیف و میل شدن فلزها به علت خوردگی ، یکی از مشکلات مهندسی است . که نسبتا با استفاده از عناصر الیاژی کرم – نیکل در فولاد حل شده است.

علاوه بر مقاومت بر خوردگی ، خواص ضد زنگ در مقابل اکسیداسیون و پوسته انداختن مقاوم بوده و استقامت انها در در جه حرارتهای بالا ثابت باقی می ماند .

مقاومت به خوردگی الیاژهای کرم دار ، به علت تشکیل یک قشر اکسیدی چسبنده و سخت روی سطح فلز است .این لایه اکسیدی در برابر عوامل خورندهای نظیر اسید ها ، بازها ، مواد عالی و نمک های مختلف بسیار مقاوم است.

مقاومت خوردگی 4فولاد ضد زنگ در زیر اورده شده است :

1.فولادهای ضد زنگ اوستنیتی

2.فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی

3.فولادهای ضد زنگ فریتی

4.فولادهای ضد زنگ سخت شونده رسوبی

فولادهای ضد زنگ اوستنیتی :

این فولادها در بین خانواده فولادهای ضد زنگ ، بالاترین مقاومت خوردگی را دارند زیرا مقدار کرم –نیکل ان زیاد است (حداقل در مجموع 23٪ . مقدار عنصر الیاژی فولادهای ضد زنگ انقدر زیاد است که حتی در درجه حرارتهای پایین هم در شرایط اوستنیتی باقی می مانند و نمی توان انها را به وسیله عملیات حرارتی سخت کنند .

فولادهای ضد زنگ اوستنیتی ، مقاومت به ضربه ای زیادی دارند ، به سهولت گرم کاری می شوند به سختی می توان تراشکاری کرد مگر این که گوگرد ، سلنیم یا سرب داشته باشد .

هر گاه فولادهای اوستنیتی به اندازه کافی در درجه حرارتهای بین 470 و 920 درجه سانتی گراد نگهداری شوند به علت رسوب کربور کرم در مرز دانه ای ، این فولادها نسبت به خوردگی بین دانه ای حساسیت پیدا می کنند . که برای رفع این عیب عملیات حرارتی محلول روی انها انجام می شود .

2.فولادهای ضد زنگ مارتزیتی :

فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی ، در اصل فولادهای کرم دار ی هستند که مقدار کربن زیادی دارند تا بتوان بوسیله اب دادن ساختمان مارتنزیتی را تشکیل داد .

این فولادها بین 11.5-18 ٪ کرم و0.15-0.75 ٪ کربن دارند .

فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی مغناطیسی هستند .

به خوبی سردکاری و گرم کاری می شوند ٬ تراشکاری انها مشکل نیست .

مقاومت به سایشی و سفتی خوبی دارند .

فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی در برابر خوردگی جوی برخی از مواد شیمیایی مقاومت خوبی از خود نشان می دهند که در روغن و هوا سخت می شوند و در درجه حرارت های 230 تا 700 درجه سانتی گراد برگشت داده می شوند که به سختی مورد نظر بستگی دارد .

3.فولادهای ضد زنگ فریتی :

فولادهای ضد زنگ فریتی محتوی 11.5 تا 27 ٪ و حداثر 0.25 ٪ کربن مغناطیسی هستند و از لحاظ ساختمانی از محلول جامد اهن و کرم تشکیل شده اند .

فولادهای ضد زنگ فریتی را در جایی مصرف می کنند که به خوردگی وگرمایی احتیاج باشد .

این نوع فولادها را نمی توان بوسیله عملیات حرارتی سخت کرد .

این فولادها در درجه حرارت های بالا به رشد دانه ای حساس هستند و با اندازه دانه ای بزرگ تر سفتی انها کم می شود .

فولادهای ضد زنگ فریتی قابلیت ریخته گری و چکش کاری خوبی دارند ولی تراشکاری انها بسیار مشکل است . مگر این که به انها عناصری نظیر مولیبدن و سلنیم و تلوریم اضافه کرد .

فولاد های فریتی در هوای معمولی ٬ مقاومت بخوردگی خوبی دارند ٬ لذا عاری از هر گونه ذرات خارجی بوده و بخوبی می توان سطح انها را صیقل نمود .

تولید فولادهای پر الیاژی :

تولید فولادهای پر الیاژی باید به نحوی انجام شود که بهترین بازیابی ممکن الیاژها ٬ به طریق کاملا اقتصادی به دست اید . قیمت مواد خالص یا فرو الیاژها در مقایسه با قراضه الیاژها بالاست بنابراین از انها فقط در موارد ضروری باید استفاده شود . گرچه ذوب قراضه های االیاژی ارزانتر تمام می شود ولی انها را باید از یکدیگر تفکیک و مجزا نمود تا اینکه از الیاژهای موجود فقط در صورت نیاز استفاده شود .

امروزه ٬ روشهای ذوب متفاوتی برای تولید فولاد الیاژی به کار میرود .

هر کارخانه روشی را در پیش می گیرد که به نظرش بهترین راه تهیه برای فولاد مخصوص است ٬ در اینجا به بعضی از روشهایی که برای تولید فولادهای پر الیاژ به کار میرود ٬ اشاره می شود .

اساسا سه روش اصلی برای تولید فولاد های پر الیاژ وجود دارد :

1. روش اول :در این روش از مواد بکر یعنی قراضه اهن خالص یا فولاد کربنی به عنوان مبنا استفاده می گردد ٬ و عنصر الیاژی به صورت خالص یا فروالیاژها به انها اضافه می شود . این روش گرانترین روش می باشد زیرا قیمت مواد الیاژی یا قراضه اهن خالص بالاست .

2. روش دوم : در این روش قراضه های الیاژی برگشتی که از ذوب دیگر مواد الیاژی به دست می ایند ٬ و در صورت لزوم مقداری از الیاژها نیز به این مواد اضافه می شوند تا شرایط مورد نظر حاصل گردد . غالبا فولادهایی که با این روش تولید می شود ٬ از روش اول نا مرغوبتر است و ممکن است مشکلاتی به سبب جذب گاز در حین عمل ذوب پدید اید .

3. روش سوم :در این روش قراضه های برگشتی تصفیه می شوند و با ایجاد جوشش کربن همراه است ٬ چون از این طریق گازهای محلول از محیط خارج می شوند و معمولا مرحله بازیابی را به دنبال دارد که در این هنگام بعضی از الیاژها که به سرباره منتقل شدهاند به مذاب برگشت داده می شود تا کمبودهای مورد نظر جبران شود به این ترتیب ٬ خواص فولادی است که از بار تازه به دست می اید .

کوره های ذوب :

از کوره های مختلفی برای تولید فولادهای پر الیاژ استفاده می شود از ان جمله می توان به فولادهای قوس الکتریکی – زیمنس مارتین و کوره های القائی و کنورتور ها اشاره کرد .

از این میان کوره های القائی برای تولید فولادهای الیاژی ارجحیت دارد .

کوره های ذوب القائی واحد های بسیار مناسبی را برای تولید فولادهای الیاژی تشکیل می دهند . در کوره های القئی بهتر است از قراضه های برگشتی که از ذوب در کوره های قوسی به دست امده و قبلا به منظور کاهش مقدار گازهای حل شده تصفیه شده اند ٬ استفاده شود .

در صورت امکان ٬ قراضه هایی که از کوره های القائی به دست می آید ٬ باید برای تصفیه به کوره های قوس برگشت داده می شود . کوره های القائی واحد بسیار مناسبی برای تولید فولاد های کرم _نیکل پر آستنیتی است

مشخصه های کاربید های الیاژی موجود در فولاد ها :

فولادهای زد زنگ :

مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن بسیار عالی می باشد ٬ این مقاومت از مقدار زیاد کرم در انها ناشی می شود . مقدار کم کرم ٬ مثلا 5٪ مقاومت به خوردگی اهن را مقداری افزایش می دهد . اما برای اینکه فولاد را زنگ نزن سازیم حداقل 12٪ کرم لازم است . مطابق با نظریه های کلاسیک ٬ کرم با تشکیل یک لایه اکسید سطحی که لایه های زیرین را از خوردگی محافظت می کند سطح اهن را رویین می سازد . برای ایجاد این لایه محافظ ٬ سطح فولاد زنگ نزن باید در تماس با عوامل اکسید کننده باشد .

افزایش نیکل به فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را در محیط های خنثی و یا اکسید کننده ضعیف بهبود می بخشد اما قیمت انها را افزایش می دهد زیرا امکان نگهداری استنیت (FCC ) در دمای اتاق را میسر می سازد . افزایش مولیبدن به فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی را در حضور یون های کلر افزایش می دهد ٬ حال انکه افزایش الومینیم مقاومت به پوسته شدن را در دما های بالا بهبود می بخشد . در این قسمت ابتدا الیاژها ی مهم فولاد های زنگ نزن به همراه ساختار متالورژیکی و خواص هر گروه خواهد امد .

الیاژهای اهن –کرم :

از انجا که عنصر اصلی تمام فولادهای زنگ نزن کرم است ٬

نمودار دو فازی اهن –کرم را بررسی می کنیم . دو قسمت مهم این نمودار فازی ٬ حلقه ע (گاما) و حضور فازס (دلتا)است .

تشکیل حلقه (گاما) :

از انجا که کرم شبیه به فریت ậ (الفا)دارای ساختار BCC است ٬

پایدار کننده فریت است و منطقه ậ را توسعه می دهد ولی منطقه فاز ע را کاهش می دهد . در نتیجه حلقه ע تشکیل می شود و نمودار اهن – کرم را به مناطقFCC و BCC تقسیم می کند .

در الیاژهای اهن –کرم با کمتر از 12 تا 13٪ کرم هنگام سرد کردن از دماهایی در گستره حلقه ע دگرگونی استنیت به فریت انجام می شود . در الیاژهایی با بیش از 12 تا 13 ٪ کرم دگرگونی FCC به BCC رخ نمی دهد بلکه در هنگام سرد کردن از دماهای بالا به صورت محلول جامد کرم در اهن الفا باقی میماند .