آلیاژ چیست و فولاد آلیاژی چه کاربردی دارد؟

آلیاژ از ترکیب یک فلز پایه با یک یا چند عنصر دیگر ساخته می‌شود تا رفتار آن در برابر فشار، سایش، ضربه، حرارت یا خوردگی تغییر کند. در فولاد آلیاژی نیز عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن، منگنز و وانادیوم با مقادیر کنترل‌شده به ترکیب آهن و کربن افزوده می‌شوند. نتیجه این تغییر می‌تواند فولادی مناسب برای ساخت چرخ‌دنده، شفت، قالب، مخزن تحت فشار یا قطعات فعال در دمای بالا باشد. بنابراین انتخاب فولاد آلیاژی به نام محصول محدود نیست و باید بر اساس ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی، شرایط کاری قطعه و خواص مکانیکی موردنیاز انجام شود.

آلیاژ چیست

آلیاژ ماده‌ای فلزی است که از ترکیب یک فلز پایه با یک یا چند عنصر فلزی یا غیرفلزی ساخته می‌شود. هدف از این ترکیب، ایجاد خواصی است که فلز خالص به‌تنهایی در اختیار ندارد. برای نمونه، آهن خالص شکل‌پذیری بالایی دارد، اما برای بسیاری از قطعات صنعتی از نظر استحکام و مقاومت سایشی کافی نیست. افزودن کربن و عناصر دیگر، ساختار آن را تغییر می‌دهد و امکان تولید فولادهایی با رفتار مکانیکی متفاوت را فراهم می‌کند.

اثر آلیاژسازی فقط به افزایش سختی محدود نیست. یک عنصر می‌تواند مقاومت به خوردگی را افزایش دهد، عنصر دیگر پایداری فولاد در دمای بالا را بهتر کند و عنصر سوم امکان سخت‌شدن مقاطع ضخیم را فراهم سازد. مقدار هر عنصر نیز اهمیت دارد. افزایش کنترل‌نشده عناصر آلیاژی می‌تواند جوش‌پذیری یا ماشین‌کاری را دشوار کند و هزینه تولید را بالا ببرد. به همین دلیل، در زمان خرید از مراکز خرده‌فروشی فولاد ، عنوان آلیاژی به‌تنهایی برای تشخیص کیفیت محصول کافی نیست. گرید، استاندارد تولید، آنالیز شیمیایی، شرایط عملیات حرارتی و شماره ذوب باید با نیاز فنی قطعه تطبیق داده شوند.

فولاد آلیاژی چیست

فولاد آلیاژی به نوعی از فولاد بر پایه‌‌ی آهن گفته می‌شود که در کنار کربن، دارای مقادیر کنترل‌شده‌ای از عناصر آلیاژی است. این عناصر برای دستیابی به خواصی مانند استحکام بیشتر، مقاومت به سایش، مقاومت به خوردگی، تحمل حرارت یا سختی‌پذیری بهتر افزوده می‌شوند.

فولاد نیز خود آلیاژی از آهن و کربن است که مقدار کربن آن کمتر از حدود ۲ درصد در نظر گرفته می‌شود. زمانی که عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن، وانادیوم یا تنگستن با هدف ایجاد عملکرد مهندسی مشخص به ترکیب اضافه شوند، محصول در گروه فولادهای آلیاژی قرار می‌گیرد.

عناصر آلیاژی فولاد

دو نوع فولاد ممکن است با وجود شباهت در برخی مشخصات، در برابر ضربه، خستگی و سایش رفتار متفاوتی نشان دهند. این تفاوت از ترکیب شیمیایی، ریزساختار و نوع عملیات حرارتی آن‌ها ناشی می‌شود. هر عنصر آلیاژی نیز با توجه به مقدار آن، درصد کربن و سرعت سردشدن، اثر مشخصی بر خواص نهایی فولاد می‌گذارد.

کروم

کروم سختی‌پذیری، مقاومت سایشی و مقاومت به اکسیداسیون را در فولاد افزایش می‌دهد. در فولادهای زنگ‌نزن، وجود حداقل حدود ۱۰.۵ درصد کروم باعث تشکیل لایه‌ای محافظ روی سطح می‌شود. این لایه سرعت خوردگی را کاهش می‌دهد و از تماس مستقیم سطح فلز با محیط جلوگیری می‌کند.

نیکل

نیکل چقرمگی فولاد و مقاومت آن در برابر ضربه را افزایش می‌دهد و در برخی گریدها به پایداری ساختار آستنیتی کمک می‌کند. به همین دلیل، فولادهای حاوی نیکل برای ساخت قطعاتی مناسب هستند که در دمای پایین یا زیر بارهای متناوب کار می‌کنند و نباید دچار شکست ترد شوند.

مولیبدن

مولیبدن سختی‌پذیری فولاد را افزایش می‌دهد و افت استحکام در دمای بالا را محدود می‌کند. این عنصر در فولادهای مورد استفاده برای مخازن تحت فشار، تجهیزات نیروگاهی و قطعات داغ کاربرد دارد. مولیبدن همچنین می‌تواند مقاومت فولاد در برابر خزش را بهبود دهد.

منگنز

منگنز استحکام و سختی‌پذیری فولاد را افزایش می‌دهد. این عنصر با گوگرد ترکیب می‌شود و از شکنندگی فولاد هنگام شکل‌دهی گرم می‌کاهد. با این حال، افزایش بیش از حد منگنز می‌تواند سختی فولاد را بالا ببرد، جوش‌پذیری و شکل‌پذیری را کاهش دهد و احتمال ترک‌خوردگی پس از جوش‌کاری یا عملیات حرارتی را بیشتر کند.

وانادیوم

وانادیوم با تشکیل کاربیدهای سخت و ریزکردن دانه‌ها، مقاومت سایشی و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد. این عنصر در فولادهای ابزار، فنرها و قطعات تحت سایش دیده می‌شود.

تنگستن

تنگستن سختی فولاد را در دمای بالا حفظ می‌کند. این ویژگی در ابزارهای برش اهمیت دارد، زیرا لبه ابزار هنگام ماشین‌کاری با افزایش شدید دما روبه‌رو می‌شود.

انواع فولاد آلیاژی

مرز میان فولاد کم‌آلیاژ و پرآلیاژ در همه استانداردها یکسان نیست. به همین دلیل، درصد عناصر باید همراه با استاندارد و گرید محصول بررسی شود. طبقه‌بندی فولادهای آلیاژی بیشتر بر اساس مقدار عناصر، نوع کاربرد و رفتار متالورژیکی انجام می‌شود.

فولاد کم‌آلیاژ

فولادهای کم‌آلیاژ فقط به این دلیل در یک گروه قرار نمی‌گیرند که مقدار عناصر آلیاژی آن‌ها کم است. بلکه تفاوت چند دهم درصدی در کربن، کروم، نیکل یا مولیبدن می‌تواند مشخص کند که فولاد برای چه کاربردهایی مناسب است.

16MnCr5

برای نمونه فولاد 16MnCr5 حدود ۰.۱۴ تا ۰.۱۹ درصد کربن و ۰.۸۰ تا ۱.۱۰ درصد کروم دارد. کربن کم باعث می‌شود مغز قطعه پس از سمانتاسیون چقرمه باقی بماند، در حالی که سطح آن سخت و مقاوم به سایش می‌شود. به همین دلیل، این گرید بیشتر در ساخت چرخ‌دنده، بوش و پین استفاده می‌شود.

20MnCr5

در فولاد 20MnCr5 مقدار کربن و کروم کمی بیشتر است. این گرید حدود ۰.۱۷ تا ۰.۲۲ درصد کربن و ۱.۰۰ تا ۱.۳۰ درصد کروم دارد و نسبت به 16MnCr5 سختی‌پذیری بیشتری ایجاد می‌کند. از آن بیشتر برای چرخ‌دنده‌ها و محورهایی استفاده می‌شود که فشار و سایش بالاتری را تحمل می‌کنند.

42CrMo4

فولاد 42CrMo4 با حدود ۰.۳۸ تا ۰.۴۵ درصد کربن، ۰.۹۰ تا ۱.۲۰ درصد کروم و ۰.۱۵ تا ۰.۳۰ درصد مولیبدن، برای سمانتاسیون انتخاب نمی‌شود. این فولاد پس از آب‌دهی و برگشت، استحکام و سختی بالایی در کل مقطع پیدا می‌کند و برای ساخت شفت، محور، پین، میل‌لنگ و پیچ‌های پرمقاومت به کار می‌رود.

34CrNiMo6

در گرید 34CrNiMo6 علاوه بر کروم و مولیبدن، حدود ۱.۳۰ تا ۱.۷۰ درصد نیکل وجود دارد. نیکل چقرمگی فولاد را افزایش می‌دهد و احتمال شکست ترد را در قطعات ضخیم کاهش می‌دهد. به همین دلیل، این فولاد برای شفت‌های بزرگ، محورهای سنگین و قطعاتی استفاده می‌شود که هم‌زمان زیر بار ضربه‌ای و تنش بالا قرار دارند.

18CrNiMo7-6

گرید 18CrNiMo7-6 نیز حدود ۰.۱۵ تا ۰.۱۹ درصد کربن، ۱.۶۰ تا ۱.۸۰ درصد کروم، ۱.۵۰ تا ۱.۷۰ درصد نیکل و ۰.۲۵ تا ۰.۳۵ درصد مولیبدن دارد. کربن کم، مغز قطعه را چقرمه نگه می‌دارد و ترکیب کروم، نیکل و مولیبدن سختی‌پذیری و مقاومت خستگی را افزایش می‌دهد. این گرید بیشتر برای چرخ‌دنده‌های بزرگ، گیربکس‌های صنعتی و قطعاتی استفاده می‌شود که بارهای سنگین و متناوب را تحمل می‌کنند.

جدول مقایسه فولادهای پرآلیاژ

گرید	کربن	کروم	نیکل	مولیبدن	کاربرد اصلی
16MnCr5	۰.۱۴ تا ۰.۱۹ درصد	۰.۸۰ تا ۱.۱۰ درصد	ـ	ـ	چرخ‌دنده، بوش و پین سمانته‌شده
20MnCr5	۰.۱۷ تا ۰.۲۲ درصد	۱.۰۰ تا ۱.۳۰ درصد	ـ	ـ	چرخ‌دنده و محور گیربکس
42CrMo4	۰.۳۸ تا ۰.۴۵ درصد	۰.۹۰ تا ۱.۲۰ درصد	ـ	۰.۱۵ تا ۰.۳۰ درصد	شفت، محور، پین و پیچ پرمقاومت
34CrNiMo6	۰.۳۰ تا ۰.۳۸ درصد	۱.۳۰ تا ۱.۷۰ درصد	۱.۳۰ تا ۱.۷۰ درصد	۰.۱۵ تا ۰.۳۰ درصد	شفت و محور قطور زیر بار ضربه‌ای
18CrNiMo7-6	۰.۱۵ تا ۰.۱۹ درصد	۱.۶۰ تا ۱.۸۰ درصد	۱.۵۰ تا ۱.۷۰ درصد	۰.۲۵ تا ۰.۳۵ درصد	چرخ‌دنده‌های بزرگ و قطعات سمانته‌شده

پس تفاوت فولادهای کم‌آلیاژ فقط در مقدار عناصر نیست. نوع عنصر و درصد آن تعیین می‌کند که فولاد تا چه عمقی سخت شود، چه مقدار ضربه را تحمل کند و برای چه نوع عملیات حرارتی و قطعه‌ای مناسب باشد.

فولاد پرآلیاژ

فولاد پرآلیاژ یک محصول مشخص با کاربرد ثابت نیست. در این گروه، درصد بیشتری از عناصری مانند کروم، نیکل، مولیبدن و وانادیوم به فولاد افزوده می‌شود تا مقاومت به خوردگی، سایش یا حرارت افزایش یابد. برای نمونه، فولادهای زنگ‌نزن دست‌کم ۱۰.۵ درصد کروم دارند، اما مقدار کروم به‌تنهایی برای انتخاب گرید کافی نیست. نوع محیط خورنده، دمای کار، نیاز به جوش‌کاری و میزان سایش تعیین می‌کند که کدام فولاد انتخاب شود.

X2CrNi18-9

فولاد 304L با نام اروپایی X2CrNi18-9 و شماره متریال 1.4307، حدود ۱۸ درصد کروم و ۸ درصد نیکل دارد. کربن پایین این گرید، خطر خوردگی بین‌دانه‌ای پس از جوش‌کاری را کاهش می‌دهد. 304L برای ساخت مخازن، تجهیزات صنایع غذایی، سینک، لوازم آشپزخانه و قطعاتی استفاده می‌شود که در محیط‌های معمولی با رطوبت یا مواد خورنده ضعیف کار می‌کنند. اما وجود کلرید زیاد در محیط می‌تواند انتخاب گرید مقاوم‌تر را ضروری کند.

X2CrNiMo17-12-2

در فولاد 316L با نام X2CrNiMo17-12-2 و شماره متریال 1.4404، حدود ۱۷.۲ درصد کروم، ۱۰.۱ درصد نیکل و ۲.۱ درصد مولیبدن وجود دارد. مولیبدن مقاومت فولاد را در برابر خوردگی حفره‌ای افزایش می‌دهد؛ به همین دلیل، 316L در تجهیزات شیمیایی، صنایع دارویی، خطوط فرایندی، مبدل‌های حرارتی و محیط‌هایی که با نمک یا کلرید تماس دارند، بیشتر از 304L استفاده می‌شود. کربن این گرید حدود ۰.۰۲ درصد است و برای قطعات جوش‌کاری‌شده نیز انتخاب مطمئن‌تری به شمار می‌رود.

X8CrNi25-21

فولاد 310S با نام X8CrNi25-21 و شماره متریال 1.4845، حدود ۲۵ درصد کروم و ۲۰ درصد نیکل دارد. کروم بالا مقاومت به اکسیداسیون را افزایش می‌دهد و نیکل به حفظ ساختار فولاد در دمای بالا کمک می‌کند. این گرید برای قطعات کوره، سبدهای عملیات حرارتی، لوله‌های تابشی و اجزایی استفاده می‌شود که دمای کار آن‌ها می‌تواند به حدود ۱۰۵۰ درجه سانتی‌گراد برسد. 310S برای محیط داغ طراحی شده است و نباید فقط به‌دلیل درصد بالای عناصر، جایگزین فولادهای مقاوم به خوردگی آبی شود.

X153CrMoV12

گریدهای پرآلیاژ فقط به فولادهای زنگ‌نزن محدود نمی‌شوند. فولاد ابزار D2 با نام X153CrMoV12 و شماره متریال 1.2379، حدود ۱.۵۵ درصد کربن، ۱۱.۳ درصد کروم، ۰.۸ درصد مولیبدن و ۰.۸ درصد وانادیوم دارد. کربن و کروم بالا، حجم زیادی از کاربیدهای سخت ایجاد می‌کنند و مقاومت سایشی فولاد را افزایش می‌دهند. به همین دلیل، D2 برای سنبه، ماتریس، تیغه برش و قالب‌های سردکار استفاده می‌شود؛ اما برای ابزارهایی که ضربه شدید می‌بینند، چقرمگی آن باید با دقت بررسی شود.

X40CrMoV5-1

فولاد H13 با نام X40CrMoV5-1 و شماره متریال 1.2344، حدود ۰.۳۹ درصد کربن، ۵.۲ درصد کروم، ۱.۴ درصد مولیبدن و ۰.۹ درصد وانادیوم دارد. این ترکیب به فولاد کمک می‌کند تا استحکام و سختی خود را در دمای بالا حفظ کند و در برابر ترک‌های ناشی از گرم و سردشدن پی‌درپی مقاوم باشد. H13 برای قالب‌های دایکست، قالب فورج، اکستروژن گرم و ابزارهای گرم‌کار استفاده می‌شود.

جدول مقایسه فولادهای پرآلیاژ

گرید	نام اروپایی	ترکیب شاخص	مسئله‌ای که حل می‌کند	کاربرد اصلی
304L	X2CrNi18-9	حدود ۱۸٪ کروم و ۸٪ نیکل	خوردگی در محیط‌های معمولی و جوش‌کاری	مخزن، تجهیزات غذایی و لوازم آشپزخانه
316L	X2CrNiMo17-12-2	۱۷.۲٪ کروم، ۱۰.۱٪ نیکل و ۲.۱٪ مولیبدن	خوردگی حفره‌ای در محیط‌های نمکی و فرایندی	تجهیزات شیمیایی، دارویی و مبدل حرارتی
310S	X8CrNi25-21	حدود ۲۵٪ کروم و ۲۰٪ نیکل	اکسیداسیون و افت خواص در دمای بالا	کوره، لوله تابشی و سبد عملیات حرارتی
D2	X153CrMoV12	۱.۵۵٪ کربن و ۱۱.۳٪ کروم	سایش شدید در ابزارهای سردکار	تیغه، سنبه و قالب برش
H13	X40CrMoV5-1	۵.۲٪ کروم، ۱.۴٪ مولیبدن و ۰.۹٪ وانادیوم	خستگی حرارتی و تغییر شکل در دمای بالا	قالب دایکست، فورج و اکستروژن گرم

این اعداد نشان می‌دهند که افزایش مقدار عناصر آلیاژی هدف واحدی ندارد. 316L برای مقابله با خوردگی انتخاب می‌شود، 310S برای تحمل حرارت، D2 برای مقاومت سایشی و H13 برای ابزارهایی که زیر بار مکانیکی و حرارتی هم‌زمان کار می‌کنند. بنابراین، عنوان پرآلیاژ به‌تنهایی معیار خرید نیست و گرید باید بر اساس نوع خرابی احتمالی قطعه انتخاب شود.

تفاوت فولاد آلیاژی و فولاد ساده

فولاد ساده کربنی خواص خود را بیشتر از مقدار کربن دریافت می‌کند، در حالی که رفتار فولاد آلیاژی حاصل اثر هم‌زمان کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی است. فولاد ساده برای بسیاری از سازه‌ها، ورق‌ها و قطعات عمومی انتخاب اقتصادی‌تری است، اما در برابر سایش شدید، ضربه مداوم، حرارت بالا یا محیط خورنده محدودیت دارد.

برای نمونه، یک ورق فولادی سیاه کم‌کربن جوش‌پذیری و شکل‌پذیری خوبی دارد و در ساخت مخزن غیرتحت‌فشار، بدنه تجهیزات و سازه‌های عمومی استفاده می‌شود. همین ورق برای ساخت قالب تحت سایش یا قطعه‌ای که باید سخت‌کاری عمقی شود، انتخاب درستی نیست.

کاربرد فولاد آلیاژی

کاربرد فولاد آلیاژی زمانی توجیه دارد که فولاد ساده نتواند عمر کاری، ایمنی یا دقت موردنیاز را تامین کند.

قطعات انتقال قدرت

در چرخ‌دنده، شفت، محور و پین، سطح قطعه با فشار تماسی، سایش و بارهای تکراری روبه‌رو است. فولاد آلیاژی پس از عملیات حرارتی می‌تواند سطح سخت و مغز چقرمه ایجاد کند. این ترکیب مانع سایش زودرس دندانه‌ها و شکست ناگهانی محور می‌شود.

استفاده از فولاد کم‌کربن معمولی در چنین قطعاتی ممکن است ماشین‌کاری را آسان کند، اما سطح قطعه زیر بار به‌سرعت تغییر شکل می‌دهد. فولادهای آلیاژی قابل‌سخت‌کاری برای انتقال گشتاور و تحمل ضربه انتخاب مطمئن‌تری هستند.

مخازن تحت فشار

در پوسته مخزن، عدسی، فلنج و اجزای تحت فشار، فولاد باید تنش داخلی، دمای کار و احتمال رشد ترک را تحمل کند. فولادهای کروم‌مولیبدن برای برخی تجهیزات پالایشگاهی، نیروگاهی و پتروشیمی انتخاب می‌شوند، زیرا در دمای بالا افت استحکام کمتری دارند.

در این کاربرد، جایگزینی گرید تعیین‌شده با فولاد سازه‌ای می‌تواند خطر خزش، ترک یا پارگی را افزایش دهد. کنترل گواهی متریال، عملیات حرارتی و آزمون‌های غیرمخرب بخش اصلی فرایند خرید است.

ابزار و قالب

در لبه مته، تیغه برش، سنبه و سطح قالب، مقاومت سایشی و حفظ سختی اهمیت دارد. فولاد ابزار به‌دلیل وجود عناصری مانند کروم، مولیبدن، وانادیوم و تنگستن می‌تواند لبه برنده یا سطح قالب را برای مدت بیشتری حفظ کند.

فولاد ساختمانی در این بخش به‌سرعت کند یا دفرمه می‌شود. انتخاب گرید ابزار باید بر اساس دمای کار، نوع ضربه، سرعت برش و روش خنک‌کاری انجام شود.

تجهیزات خورنده

در مخازن صنایع غذایی، لوله‌های فرایندی، تجهیزات شیمیایی و محیط‌های مرطوب، خوردگی می‌تواند ضخامت قطعه را کاهش دهد یا محصول را آلوده کند. فولادهای زنگ‌نزن کروم‌دار برای تشکیل لایه محافظ سطحی استفاده می‌شوند. حضور نیکل نیز شکل‌پذیری و چقرمگی برخی گریدها را بهبود می‌دهد. البته انتخاب گرید فقط بر اساس نام استنلس کافی نیست. محیط کلریدی، اسیدی یا دمای بالا می‌تواند به گرید مقاوم‌تری نیاز داشته باشد.

ماشین‌آلات سنگین

در پین، چرخ زنجیر، تیغه و اجزای ماشین‌آلات معدنی، بار ضربه‌ای و سایش هم‌زمان رخ می‌دهد. فولاد آلیاژی می‌تواند سختی لازم برای مقابله با سایش را ایجاد کند، بدون آن‌که قطعه به ماده‌ای شکننده تبدیل شود. یک شرکت فولاد هنگام تامین این محصولات باید امکان ردیابی شماره ذوب، ارائه گواهی آنالیز و کنترل شرایط تحویل را فراهم کند. نبود این اطلاعات احتمال خرید گرید اشتباه را افزایش می‌دهد.

جمع‌بندی

فولاد آلیاژی زمانی انتخاب درستی است که شرایط کار قطعه به خواصی فراتر از فولاد ساده نیاز داشته باشد. مقدار بیشتر عناصر آلیاژی نیز همیشه مزیت نیست. گرید باید بر اساس بار، سایش، دما، خوردگی، روش جوش‌کاری و عملیات حرارتی انتخاب شود.خریدارانی که فقط قیمت هر کیلو را مقایسه می‌کنند، ممکن است هزینه اصلی را در قالب خرابی قطعه، ماشین‌کاری دوباره یا توقف دستگاه بپردازند. مقایسه گواهی متریال، وضعیت تحویل و قابلیت ردیابی شماره ذوب، مسیر مطمئن‌تری برای انتخاب فولاد آلیاژی است.