طبقه‌بندی فولاد

مقدمه

فولادها گروهی از آلیاژهای آهن- کربن و عناصر دیگر هستند که بیشترین کاربرد را درصنعت و فن آوری دارند. کاربرد وسیع فولادها ناشی از خواص کاملاً متنوع آنهاست که به کمک تغییر درصد کربن و یا تغییر درصد عناصر آلیاژی و یا تغییر نوع عملیات حرارتی حاصل می شود. گستره وسیع خواص متنوع فولادها ناشی از نوع، مقدار، اندازه و توزیع فازهای مختلف است.

استاندارد فلزات یک توافق نامه در سطح صنعتی برای تعریف فلزات می باشد. در این تعریف اطلاعات زیادی در مورد ترکیب شیمیایی، فرآیند تولید، عملیات حرارتی و دیگر اطلاعات مربوط به فلز آورده می شود. استاندارد معمولاً تلاش می کند تا تمام ویژگی های مختلف یک فلز را در یک کد ساده شامل عدد و حرف مشخص نماید. مهمترین کاربرد این استاندارد ها تبادل اطلاعات است.

مهندسین، نقشه کش ها، عوامل خرید و تامین کنندگان، همگی با یک زبان از فولاد، آلومینیوم، مس و … صحبت می کنند و از یکسان بودن محصولات اطمینان دارند.همانطور که زبان های مختلفی برای صحبت وجود دارد، استاندارد های مختلفی نیز در سراسر دنیا موجود است. استانداردهای بین المللی فلزات عبارتند از :

- آمریکا: ASTM, AISI, SAE, UNS- کانادا C.S.A- آلمان DIN- فرانسه AFNOR- انگلیس BS- ایتالیا UNI- ژاپن JIS همچنین دسته بندی های گوناگونی بر اساس سیستم های مختلف برای فولادها موجود است که در اینجا به مواردی از این تقسیم بندی ها اشاره می کنیم، این دسته بندی ها ممکن است بر اساس موارد زیر باشد:

- ترکیب شیمیایی، مانند فولادهای کربنی، کم آلیاژ یا زنگ نزن - روش تولید مانند فولادسازی با اکسیژن، زیمنس مارتین، روش کوره الکتریکی - روش پرداخت مانند نورد گرم یا نورد سرد - شکل محصول مانند میل گرد، ورق، نوار، لوله یا فرم ساختمانی - عملیات اکسیژن زدائی مانند فولاد آرام، نیمه آرام، سرپوشی یا نا آرام - ساختار میکروسکوپی مانند فولاد فریتی، پرلیتی، مارتنزیتی و … - سطح استحکام مورد نیاز که در استاندارد ASTM مشخص شده است -عملیات حرارتی مانند آنیلینگ، کوئنچینگ، تمپرینگ و فرآیندهای ترمو مکانیکی - کیفیت مورد نظر مانند کیفیت فورج و یاکیفیت اقتصادی

دسته بندی فولادها :

فولادها آلیاژ های آهن کربن هستند که تا 2% وزنی کربن دارند، آلیاژهایی که بیش از این کربن دارند به عنوان چدن شناخته می شوند. بر اساس تعریف موسسه آهن و فولاد آمریکا، American Iron and Steel Institute، فولادهای کربنی آلیاژهایی از آهن و کربن هستند که معمولاً در آنها مقدار کربن بیشتر از 1درصد، مقدار منگنز بیشتر از 65/1 درصد و مقدار مس و سیلیکون بیشتر از 6/0 درصد نیست. عناصر آلیاژی دیگر معمولاً مقادیر قابل توجهی نیستند. خواص و قابلیت جوش پذیری این فولادها بستگی به مقدار کربن آنها دارد، عناصر دیگر دارای تاثیر محدود هستند.

فولادهای کربنی بصورت کلاسه بندی شده بر اساس مقوله اکسیژن، به صورت زیر طبقه بندی می شوند:

1- فولادهای ناآرام: یک نوع فولاد کم کربن اکسیژن زدایی نشده است.

2- فولاد ریختگی شبیه فولاد نیمه آرام

3- فولاد نیمه آرام: به این فولاد اکسیژن زداهایی از قبیل سیلیسیم به میزان کم در حدود 1/0 درصد اضافه می شود.

4- فولاد آرام: فولادی که اکسیژن آن به طور کامل توسط منگنز و سیلیسیم و یا آلومینیوم قبل از ریختن، زدوده شود. عملیات اکسیژن زدایی و پروسه های ساخت فولاد بر روی مشخصات و خواص فولاد تاثیر می گذارد.

تغییرات اکسیژن زدایی و پروسه های ساخت فولاد بر روی خواص فولاد تاثیر می گذارد. تغییرات مقدار کربن بیشترین تاثیر را بر روی خواص مکانیکی دارد. با افزایش مقدار کربن، سختی و استحکام فولاد افزایش می یابد.

فولادهای ساده کربنی به چهار دسته تقسیم بندی می شوند که عبارتند از :

1- فولادهای کم کربن، Low Carbon Steel، با حداکثر 15/0 درصد کربن

2- فولادهای با کربن جزئی (معمولی)، Mild Steel، با 30/0-15/0 درصد کربن

3- فولادهای با کربن متوسط، Medium carbon steel، با 50/0-30/0 درصد کربن

4- فولادهای با کربن بالا (پرکربن)، High carbon steel، با 1-50/0 درصد کربن

1- فولادهای کم کربن:

درصد کربن این فولادها حداکثر 15/0% می باشد، در صنعت گاهی به فولادهای کششی نیز معروف می باشند، به علت اینکه تغییر طول نسبی بالایی دارند اکثراً به صورت ورقه های نازک تولید می شوند و گاهی هم به صورت سیم و یا مفتول به کار می روند، همچنین این فولادها از خواص مغناطیسی بالا و از قابلیت جوشکاری خوبی برخوردار بوده و مشکل خاصی در جوشکاری ندارند. درمواردی که قطعات تحت عملیات حرارتی سختکاری سطحی قرار می گیرند کاربرد خوبی دارند.

هر فلزی که جوش پذیری بهتری داشته باشد و به سادگی بتوان با آن به جوشی که خواص فلز جوش ، منطقه HAZ و فلز پایه یکسان دست یافت، جوشکاری ساده تری دارد. اگر فلزی جوش پذیری خوبی داشته باشد، با کمترین دانش فنی، می توان آن را به خوبی جوش داد.

در فولادها معمولاً جوش پذیری را با کربن معادل ارتباط می دهند، اکثراً هر چه کربن معادل بالاتر باشد جوش پذیری کمتر می شود، چرا که هر چه کربن معادل بیشتر باشد، سختی پذیری بیشتر می شود. بنابراین احتمال ایجاد فاز مارتنزیت و ایجاد تردی در فولادها بیشتر می شود، بنابراین جوش پذیری کاهش می یابد. به عبارت دیگر اتصال این فولادها با کمتر از 15/0% کربن که به عنوان فولادهای کم کربن شناخته می شوند، با روشهای جوشکاری و لحیم کاری به سهولت انجام می شود.

این فولادها دارای سختی پذیری پایینی هستند. یک فولاد حاوی 15/0% کربن وقتی با سرعت بالا سرد شود قابلیت سخت شوندگی HRC40-30 را دارد.

2- فولاد با کربن جزئی

درصد کربن در این فولادها 30/0 % -15/0% می باشد و آنها را فولادهای نرم می نامند. این فولادها دارای جوش پذیری خوبی هستند. تغییر طول نسبی کمتری نسبت به فولاد کم کربن دارند، اما این فولادها استحکام کششی بهتری دارند. معمولاً به صورت Plate دیده می شوند و گاهی اوقات به صورت نبشی و میلگرد نیز تولید می شوند. معرفترین فولاد از این دسته از فولادها، ST37 می باشد.

فولادهای کم کربن و کربن جزئی را به عنوان فولادهای ساختمانی می شناسند و در صنعت به آنها آهن آلات گفته می شود. جوشکاری با الکترود دستی معمول ترین روش جوشکاری فولادهای کم کربن و کربن جزئی می باشد، همچنین جوشکاری با قوس زیر پودری نیز دیگر روش معمول برای جوشکاری این دو نوع فولاد می باشد.

3- فولادهای کربن متوسط

درصد کربن در این فولادها 50/0 % -30/0% می باشد و تغییر چشم گیری در قابلیت جوش پذیری نسبت به دو گروه قبل دارند. فولادهای کربن متوسط به صورت گسترده ای در فولادهای ابزار مورد استفاده قرار می گیرند. بسیاری از این فولادها به دلیل مقاومت به سایش بالایی که دارند انتخاب می شوند و جهت حصول خواص مطلوب بر روی آنها عملیات حرارتی آنها انجام می گیرد، جوشکاری ممکن است قبل از عملیات حرارتی نهایی صورت گیرد.

فولادهای حاوی حدوداً 30/0% کربن و مقادیر نسبتاً پایین منگنز دارای قابلیت جوشکاری خوبی می باشند. اگر فولاد دارای 50/0% کربن باشد و رویه های جوشکاری فولاد های نرم برای آن استفاده شود، بی شک در اثر جوشکاری ترک ایجاد می شود. همچنین هر گاه درصد کربن در فولاد افزایش یابد بایستی رویه های جوشکاری جهت جلوگیری از شکل گیری مقادیر بالای مارتنزیت در منطقه متاثر از حرارت طراحی شود.

4- فولادهای با کربن بالا

فولادهای با درصد کربن بالاتر از 50/0% فولاد های پرکربن هستند که قابلیت جوش پذیری خیلی ضعیف دارند. فولادهای کربن بالا معمولاً برای کاربردهایی که سختی و مقاومت به سایش بالایی نیاز است بکار می رود، این خواص با عملیات حرارتی حاصل می شوند.

2- سیستم نامگذاری فولادها بر اساس DIN

2-1 فولادهای غیر آلیاژی

فولادهای غیر آلیاژی دارای یکسری عناصر همراه هستند که مقدار آنها از مقادیر اعلام شده ذیل هیچگاه بالاتر نمی رود. این عناصر همراه از طریق ذوب مواد اولیه وارد فولاد می شوند.

P<0.09%

S<0.06%

Ti<0.1%

Si<0.5%

Mn<0.8%

Ai<0.1%

این فولادهای غیر آلیاژی به دو قسمت تقسیم می شوند، این تقسیم بندی بر اساس اینکه آیا برای این فولاد عملیات حرارتی در نظر گرفته شده است یا نه انجام می شود.

دسته اول:

فولادهای انبوه که توسط علامت St نشان داده می شود، که بعد از آن عددی دو رقمی می آید که حداقل استحکام کششی را اعلام می کند. بر اساس این استاندارد گاهی اوقات نحوه تولید و همچنین موارد خاص توسط حروفی که در ابتدای St آورده می شوند. این دسته برای عملیات حرارتی در نظر گرفته نشده اند.

دسته دوم: فولادهای مرغوب هستند که برای عملیات حرارتی در نظر گرفته شده اند. در این فولادها از حرف C به عنوان مشخصه استفاده می شود، که بعد از حرف C درصد متوسط کربن به صورت صد برابر ارائه شده است.

جهت تمایز فولادهای غیر آلیاژی و مشخص نمودن ویژگی خاصی در آنها، بعد از علامت C حروف زیر با معانی معینی می آید:

f: فولاد سخت کاری شده شعله ای یا القایی، مثلاً Cf53

k: فولاد نجیب با مقدار پائین فسفر و گوگرد، مثلاً Ck15

m: فولاد نجیب با محدوده معینی از گوگرد- نه فقط حد مجاز بالا- ، مثلاً Cm35

q: فولاد کربوره و بهسازی جهت کله زنی، Heading، سرد، مثلاً Cq35

گاهی اوقات بعد از عدد مشخصه مقدار کربن، حرف مشخصه زیر نیز می آید:

W: کیفیت فولاد ابزار، مثلاً C110W

W1: فولاد ابزار با کیفیت درجه اول، مثلاً C80W1

W2: فولاد ابزار با کیفیت درجه دوم، مثلاً C80W2

به عنوان مثال:

[Only Registered And Activated Users Can See Links]

در استاندارد آلمانی از حروف زیر جهت مشخص نمودن روش تولید استفاده می شود:

B: فولاد بسمر

E: فولاد الکتریکی

M: فولاد زیمنس

R: فولاد آرام

T: فولاد توماس

U: فولاد نا آرام

گاهی اوقات بعد از ترکیب شیمیایی نوع عملیات انجام گرفته بر روی فولاد نیز در استاندارد DIN بیان می شود. به عنوان مثال اگر بر روی فولاد عملیات حرارتی های زیر انجام شده باشد از حروف اختصاری زیر استفاده می شود:

V: برای فولاد عملیات حرارتی شده

N: برای فولاد نرماله شده

H: برای فولاد سخت شده

K: برای فولاد تغییر شکل سرد شده

پس به طور خلاصه می توان گفت ابتدا روش تولید، سپس آنالیز شیمیایی و بالاخره بعد از آن نوبت به نوع عملیات حرارتی انجام گرفته می رسد.

به عنوان مثال C35V70 فولادی است با 0.35% C که عملیات حرارتی شده و استحکام کششی آن 700MPa می باشد.

2-2- فولادهای آلیاژی:

فولادهای آلیاژی فقط بر حسب ترکیب شیمیایی نامگذاری می شوند. این روش، مشخصه دقیق فولاد را بیان می کند. به علاوه این روش، نامگذاری دقیق فولاد را در حالت بلوک خام ریخته گری را امکان پذیر می کند. البته نمی توان به نوع فرآیند و عملیات حرارتی که روی آن انجام می شود و یا خواص استحکامی آن پی برد.

نامگذاری کامل یک فولاد آلیاژی به ترتیب زیر است:

- حروف شناسایی نوع ذوب ریزی

- حروف شناسایی خواصی که مشروط به فرآیند ذوب ریزی و عمل آوری آن است

- عدد مشخصه کربن

- علامت شیمیایی عناصر آلیاژی

- عدد مشخصه افزوده های آلیاژی

- رقم مشخصه محدوده های تضمینی

- حروف مشخصه وضعیت عملیات حرارتی

- عدد مشخصه استحکام کششی تضمینی و یا سایر خواص تعیین کننده

عدد مشخصه کربن:

صد برابر مقدار کربن به عنوان عدد مشخصه کربن مطرح می شود، جهت تمایز مارکهای خیلی مشابه، درصورت نیاز مقدار آن به اندازه 1 واحد کم و یا زیاد نشان داده می شود. در فولاد های آلیاژی به منظور خیلی کوتاه شدن، از علامت C صرفنظر می شود. این علامت فقط در فولادهای غیر آلیاژی قبل از عدد مشخصه C قرار می گیرد. عدد مشخصه C همواره اول قرار می گیرد.

علامت شیمیایی عناصر آلیاژی:

برای مشخص نمودن اجزاء آلیاژی، اصولاً علائم شیمیایی به کار می رود. این علائم به ترتیب مقدار، بلافاصله بعد از عدد مشخص کننده کربن قرار می گیرند، در صورت یکسان بودن درصد، علائم به صورت الفبایی مرتب می شوند. بعد از این گروه علائم، اعداد مشخص کننده درصد عناصر آلیاژی به ترتیب علائم قرار می گیرند، در حقیقت گروه اعداد در کنار هم می آیند.

به عنوان یک قاعده می توان گفت که عناصر آلیاژی ای برای نامگذاری انتخاب می شوند که برای تمایز فولاد از سایر فولادهای مشابه لازم است.

اعداد مشخصه افزوده های آلیاژی و ضرایب آنها

مفهوم و هدف از استفاده از ضرایب، کوچکتر کردن اعداد مشخصه تا حد ممکن می باشد( همچنین بدون اعشار). بدین ترتیب هر فولاد را می توان بسته به نوع و مقدار آلیاژ آن مرتب کرد.

2-2-1- فولاد های کم آلیاژ

در این فولادها درصد عناصر آلیاژی کمتر از 5% وزنی می باشد، در اینجا استاندارد DIN به این صورت است که به جای حروف C و یا St که در فولادهای غیر آلیاژی کاربرد داشت از عددی که صد برابر مقدار متوسط کربن را به درصد مشخص می کند استفاده می شود، سپس از علامت عناصر آلیاژی به ترتیب زیاد بودن آن عنصر استفاده می شود و همچنین ضرایب معینی برای نشان دادن درصد عناصر آلیاژی انتخاب می گردد. به نحوی که این ضرائب در مقدار درصد متوسط آن عنصر آلیاژی ضرب می شود. بدین معنی که بایستی عدد ذکر شده در نام آلیاژ را بر این ضرایب تقسیم نمود تا درصد عنصر مورد نظر در آلیاژ بدست آید.

این ضرایب برای عناصر مختلف به صورت زیر هستند:

به عنوان مثال: 15Cr3 فولاد کم آلیاژی می باشد که مقدار متوسط کربن آن 15/0% بوده و ضمناً عنصر آلیاژی آن کرم حدود 75/0% می باشد. فولاد E36CrNiMo4V فولادی است که روش تولید آن با استفاده از کوره ذوب الکتریکی بوده و تحت عملیات حرارتی قرار گرفته است و همچنین درصد کربن آن 36/0% و کرم آن 1% و مقادیری نیکل و مولیبدن دارد.

2-2-2- فولادهای پر آلیاژ

مقدار درصد عناصر آلیاژی در آنها بیش از 5% می باشد. در نامگذاری این آلیاژها ابتدا از حرف X استفاده می شود و سپس درصد وزنی کربن را می آوریم و بعد از آن همانند فولادهای کم آلیاژ حرف اختصاری عناصر آلیاژی را به ترتیب از زیاد تا کم در فولاد می آوریم، با این تفاوت که در اینجا کربن ضریب 100 و عناصر آلیاژی دیگر ضریب 1 را دارند. مانند X20CrMo13

- حذف حرف مشخصه X

اگر عدد مشخصه مقدار کربن به جهت عدم اهمیت حذف شود، به منظور کوتاه شدن مشخصه فولاد از نوشتن علامت X نیز صرفنظر می شود. مانند: NiCr20TiAl

2-2-3- سیستم نامگذاری فولادهای ریخته گری

نامگذاری فولادهای ریختگی، چدنها خاکستری و چدن های چکش خوار با علامت ریختگی G شروع می شود، سپس بعد از علامت خط تیره (-) مشخصه فولاد ذکر می شود. مانند: G-X7CrNiNb18 9 (C:0.07, Cr: 18, Ni: 9%, Nb)

2-2-4- علامت اختصاری فولادهای تند بر

علامت اختصاری فولادهای تندبر بدین ترتیب تشکیل می شود که بعد از علامت S (فولادهای تند بر (S= Schnellarbeitsstahl) اعدادی نوشته می شود که به ترتیب مقادیر عناصر آلیاژی تنگستن، مولیبدن، وانادیم و کبالت را بیان می کند، مثلاً فولاد S 6-5-2-5. اگر فولادی کبالت نداشته باشد چهارمین عدد حذف می شود. مثلاً فولاد S 6-5-2

سیستم شماره گذاری فولادها طبق DIN17007

شماره مواد یک عدد شش رقمی به شکل زیر است:

X.YYYY.Z

X: گروه اصلی مواد

Y: شماره نوع

Z: ارقام پیوست

• · عددهای مشخصه گروه اصلی مواد برای گروه اصلی مواد می توان نوشت:

0 آهن خام، چدنها و آلیاژهای فرو

1 فولادها

2 فلزات سنگین غیر از Fe

3 فلزات سبک

4 تا 8 فلزات

9 آزاد برای کاربردهای داخلی

گروه اصلی 0 و 1 مربوط به همه موادی است که در آن آهن (Fe) بیشترین مقدار را دارد.

• · شماره نوع دو رقم اول شماره نوع فولاد و دو رقم بعدی ارقام شمارنده می باشد.

نوع فولاد به گروههای زیر تقسیم بندی می شود:

1- فولادهای پایه و کیفی

2- فولادهای نجیب

این گروه ها بر حسب ترکیب شیمیایی و نیز ویژگی های قابل توجه که از شرایط فنی کاربردی و تولیدی حاصل می شود، دوباره به زیر مجموعه های کوچکتر تقسیم بندی می شود.

از ارقام شمارنده هیچ نتیجه گیری نسبت به مقدار کربن و عناصر آلیاژی نمی شود.

ارقام پیوست فقط وقتی به کار می رود که برای مشخصه واضح مواد لازم است. اولین رقم پیوست جهت مشخصه فرآیند تولید فولاد به کار می رود، بدین ترتیب که: 0 نامعین یا اهمیت نامشخص 1 فولاد توماس نا آرام 2 فولاد توماس آرام 3 فولاد ناآرام سایر انواع ذوب ریزی ها، مثلاً فولاد ویژه- هوادمش 4 فولاد آرام سایر انواع ذوب ریزی ها، مثلاً فولاد ویژه- هوادمش 5 فولاد زیمنس – مارتین نا آرام 6 فولاد زیمنس – مارتین آرام 7 فولاد اکسیژن دمش ناآرام 8 فولاد اکسیژن دمش آرام 9 فولاد الکترو دومین رقم پیوست جهت مشخصه وضعیت عملیات حرارتی به کار می رود: 0 بدون عملیات حرارتی یا عملیات حرارتی دلخواه (بعد از شکل دان هیچگونه عملیات حرارتی معینی لازم نیست و انجام هم نمی شود، معمولاً در وضعیت نورد گرم محصولات به همان صورت تحویل داده می شود.) 1 آنیل گرم 2 آنیل نرم 3 عملیات حرارتی جهت ماشینکاری آسان 4 بهسازی چقرمه 5 بهسازی 6 بهسازی 7 تغییر شکل سرد 8 تغییر شکل سرد، سختی فنری 9 عملیات حرارتی بر حسب داده های مشخص مثال: از شماره مواد 1.2713 می توان نتیجه گرفت: 1 شماره اصلی= فولاد 27 کلاس نوع= فولاد ابزاری دارای نیکل 13 ارقام شمارنده= مخصوص فولاد با ترکیب شیمیایی تقریبی: 0.55%C, 0.7%Cr, 1.7% Ni, 0.3% Mo, V