فولاد کربنی چیست؟ انواع، استاندارها و ویژگی ها

در واقع فولاد کربنی (Plain Carbon Steel) که با نام فولاد ساده کربنی نیز شناخته می شود، معرف طیف گسترده ای از فولاد ها می باشد که عنصر کربن، اصلی ترین عنصر آلیاژی آن می باشد. ب طور کلی درصد کربن موجود در آلیاژ فولاد ثابت نیست، اما هنگامی که از حداکثر مقدار درصد آن استفاده شود، فولاد کربنی به وجود می آید. در ادامه مطلب با عناصر موجود در فولاد کربنی و استانداردهای آن بیشتر آشنا می شوید.

با این وجود پیش از بررسی جزئیات فولاد کربنی باید گفت همان طور که می دانید عنصر ششم جدول مندلیف، کربن می باشد. این عنصر در قرن 18 به وسیله دانشمندان فرانسوی کشف گردید و به علت وجود اشکال مختلفی در کاربردهای مختلفی از آن استفاده می شود. از جمله مواردی که عنصر کربن جزء اصلی آن ها به شمار می آید شامل الماس، گرافیت و گاز کربن دی اکسید می باشند.

پس از شناخت کربن کم کم کاربردهای آن در صنعت گسترده شد و مزایای آن کشف گردید. با پیشرفت صنعت و گسترش استفاده از آهن، نیازهای جدیدی کشف شد. برخی اوقات افراد نیاز به داشتن قطعه ای سخت تر از آهن داشتند، به همین علت از ترکیب آهن و کربن، آلیاژی به نام فولاد با مقاومت بیشتر تولید شد که البته عناصر دیگری هم در تولید آن نقش دارند.

ترکیبات شیمیایی  فولاد کربنی

همان طور که اشاره کردیم عناصر دیگری در تولید فولاد کربنی نقش دارند، اما اصلی ترین آن ها کربن و آهن می باشند. خواص موجود در فولاد به مقدار کربن آن وابسته است.

هر کدام از این عناصر سبب ایجاد خواص متفاوتی در فولاد خواهند شد و به سه دسته بندی کلی تقسیم می شوند. برخی از این عناصر به طور اتفاقی در ترکیب شیمیایی فولاد کربنی قرار گرفته و افزایش بیش از حد آن ها سبب ضعف خواص مکانیکی فولاد خواهد شد؛ از این رو شامل نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن، گوگرد و فسفر هستند.

دسته دوم ضرری برای فولاد ندارند و شامل عنصرهای منگنز و سیلیسیم هستند، اما در نوع سوم عناصری وجود دارند که خواص مکانیکی اختصاصی را برای گریدهای فولاد کربنی ایجاد می کنند. این عناصر شامل نیکل، مولیبدن، کروم و آلومینیوم هستند.

تاثیر عناصر آلیاژی بر خواص فولاد کم کربن

حال که با فولاد کربنی و عناصر ضروری و غیر ضروری آن آشنا شدید، قصد داریم در مورد خواص هر کدام از این عناصر اطلاعاتی را در اختیار شما قرار دهیم:

کربن

عنصر کربن یکی از مهم ترین عناصر آلیاژی است که در ترکیبات شیمیایی فلزات به کار برده می شود. این عنصر سبب ایجاد خواص مکانیکی مهمی مانند سختی در فولادهای کربنی خواهد شد. در واقع درجه بندی فولادهای کربنی با توجه به درصد کربن ترکیبات آن ها مشخص خواهد شد. از سوی دیگر افزایش بیش از حد کربن در این فولادها، ممکن است سبب شکنندگی آن ها گردد.

به طور مثال ورق روغنی از جمله فولادهای کم کربن به شمار می آید که درصد کربن آن متغیر و بسته به گرید نهایی می باشد. این محصول از خاصیت انعطاف پذیری فوق العاده ای برخوردار می باشد، اما در برخی از گریدهای آن مانند ST12 در جهت افزایش سختی، کربن بیشتری یافت می شود. قیمت ورق روغنی نیز امروزه به علت داشتن این خواص و بسیاری از خواص مهم دیگر، برای سازندگان لوازم خانگی، مبلمان سازان، خودروسازان، قفسه سازان و ... حائز اهمیت است.

سیلیسیم

یکی از عناصری که بر اساس برخی از استانداردها در ترکیبات فولادهای کربنی اضافه می شوند، سیلیسیم نامیده می شود و هیچ عیوبی را در فولادهای کربنی ایجاد نمی کند. از سوی دیگر می توان گفت حضور سیلیسیم البته در قالب فرو سیلیس سبب اکسیژن زدایی فولاد و کاهش عیوب ساختاری آن می گردد. از دیگر مزایای وجود این عنصر نیز می توان به جلوگیری از به وجود آمدن حفره های گازی اشاره داشت.

حتما بخوانید:ورق روغنی چیست؟کاربرد و انواع آن

منگنز

منگنز دومین عنصری است که اگر در ترکیبات فولادهای کربنی مورد استفاده قرار بگیرد، هیچ ضرری برای این فلزات نخواهد داشت. همچنین سبب اکسیژن زدایی آن ها شده و به طور اتفاقی در ترکیبات اضافه می گردد. البته لازم به ذکر است افزایش بیش از حد منگنز منجر به ایجاد ترک در فولادها خواهد شد.

مس

مس یکی از زیباترین عناصر آلیاژی بوده که البته وجود آن در فولادهای کربنی با حداکثر و حداقل همراه خواهد بود. حساسیت این موضوع نیز به زمانی برمی گردد که در صورت افزایش عنصر مس در حدود 1 درصد یا کاهش آن، آسیب هایی به فولادها خواهد رسید؛ در صورتی که حضور این عنصر به شکل استاندارد سبب تقویت محصول می گردد.

گوگرد

یکی از مهم ترین عناصری که البته به شکل خالص در ترکیب شیمیایی فولاد کربنی به کار نمی رود، گوگرد است و بیشتر به صورت سولفید آهن یا منگنز به کار می رود. از میان این دو ترکیب عناصری، بهتر است از سولفید منگنز استفاده شود؛ زیرا ضرر کمتری را ایجاد خواهد کرد. حتی می توان گفت به کارگیری سولفید آهن منجر به ضعیف شدن خواص مکانیکی فولادهای کربنی خواهد شد.

فسفر

فسفر دومین عنصر ناخالص در ترکیبات فولاد کربنی بوده و به صورت فسفید آهن مورد استفاده قرار می گیرد. با این وجود سبب تقویت استحکام کششی و تسلیم فولادها شده که البته این موضوع با انعطاف پذیری آن ها ارتباط معکوس خواهد داشت.

نیتروژن

همان طور که می دانید نیتروژن یکی از عناصری است که در اتمسفر هوا یافت شده و برای کنترل درصد آن برای فولادها، باید اتمسفر هوایی که آلیاژ کربنی در آن تولید می گردد، به خوبی تنظیم شود. همچنین باید گفت نیتروژن در فولادها عنصری همیشگیست.

هیدروژن

در بین تمامی عناصر ذکر شده، از نظر سرعت نفوذ هیدروژن رتبه برتر دارد و سبب ایجاد ترک های مویی در فولادهای کربنی خواهد شد. در واقع هیدروژن نوعی گاز مضر در فولادها بوده و باید به وسیله روش هایی از ضرر های آن کاست. همچنین باید درصد هیدروژن کاملاً کنترل شده باشد؛ زیرا ترک های فولادی و خاصیت تردی را بسیار راحت ایجاد می کند.

اکسیژن

و در نهایت نیز باید گفت وجود اکسیژن در ترکیبات فولادهای کربنی همان طور که سبب افزایش دمای انتقال می گردد، از انعطاف پذیری و چقرمگی این فلزات می کاهد.

انواع فولاد کربنی

فولادهای کربنی به سبب داشتن مزیت های فراوان مانند قابلیت جوش پذیری، چقرمگی مناسب، قابلیت ماشین کاری، استحکام مناسب، قابلیت انجام عملیات حرارتی و ... از کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف برخوردار می باشند، اما بهتر است بدانید این فولاد دارای انواع مختلفی از نظر درصد انجام این عملیات ها و وجود این ویژگی ها بوده و هر کدام طبیعتاً مصارف مختلفی را در بر می گیرند. فولادهای کربنی بر اساس مقدار کربن و ساختار آن در فرایندهای شیمیایی شامل دسته بندی زیر ( Low Carbon Steel، Medium Carbon Steel،  High Carbon Steel) می شوند:

فولاد کم کربن (0.05 تا 0.25 درصد کربن)

فولاد کم کربن یکی از نرم ترین نوع فولادها به شمار می آید که از قابلیت انعطاف پذیری و جوش پذیری فوق العاده ای برخوردار می باشد. به طور معمول استفاده از این نوع فولادها برای مواردی مانند ساخت لوله، ورق فولادی و سیم رایج می باشد.

به طور مثال ساخت ورق سیاه با گرید st37 و البته سایر گریدهای رایج باید بر اساس استانداردهای ساخت فولادهای کم کربن صورت بگیرد؛ به همین علت قیمت ورق سیاه مقرون به صرفه می باشد. از سوی دیگر خواص ذکر شده برای فولادهای کم کربن در این فلزات یافت می شوند. همچنین بهتر است بدانید اگر مقدار وجود عنصر کربن کمتر از 2/0 درصد باشد، به آن فولاد کم کربن گفته می شود.

فولاد کربن متوسط (0.3 تا 0.5 درصد کربن)

همان طور که از نام این فولاد پیداست، درصد کربن بالاتری نسبت به نوع قبلی داشته و طبیعتاً از انعطاف پذیری آن کمی کاسته خواهد شد، اما فولاد کربن متوسط دارای استحکام و سختی بالاتری می باشد. ساخت پیچ، مهره، میخ و قطعاتی از این قبیل به وسیله این فولاد صورت می گیرد. در واقع اگر مقدار کربن بین 2/0 تا 6/0 درصد باشد فولاد کربن متوسط نامیده می شود.

فولاد پر کربن (0.6 تا 1.0 درصد کربن)

قوی ترین نوع فولادها، با درصد کربن بیش از 6/0 درصد، فولاد پرکربن می باشد و دارای استحکام و سختی بسیار زیادی می باشد. از این فولاد برای ساخت قطعاتی مانند ابزارآلات، چرخ دنده، چاقو و ... استفاده می کنند.

فولاد اولترا کربن (1.0 تا 2.1 درصد کربن)

و در نهایت مستحکم ترین فولاد، با نام اولترا کربن شناخته شده و دارای استحکام بسیار بالاتری حتی نسبت به فولاد پرکربن می باشد. قطعاتی که نیاز به استحکام و مقاومت به فشار بسیار بالایی دارند، با استفاده از فولاد اولترا کربن ساخته می شوند.

فولاد یوتکتوئید

جالب است نوع دیگری از فولادهای کربنی را به شما معرفی کنیم. از این رو باید بدانید آلیاژهای کربنی طی فرایند شیمیایی یوتکتوئید می شوند. در این فولادها نیز اگر مقدار درصد کربن موجود در فولاد کمتر از نقطه یوتکتوئید یعنی 76/0 درصد باشد، با نام هیپویوتکتوئید شناخته می شود. همچنین اگر درصد کربن آن برابر با این مقدار باشد یوتکتوئید و اگر بیشتر از مقدار 76/0 درصد باشد، هایپریوتکتوئید معرفی می شود. (Hypo eutectoid، Eutectoid، Hypereutectoid)

حتما بخوانید:انواع ورق سیاه

استاندارد های فولاد کربن

برخی از استانداردها ملی بوده و تنها در همان کشور مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله این استانداردها می توان به بوریو مربوط به کشور هند اشاره کرد. برخی دیگر از استانداردها بین المللی بوده و در تمامی کشورها به عنوان مرجع استانداردها استفاده می شوند. از مهم ترین آن ها برای استفاده در فولاد های کربنی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استاندارد انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) : جالب است بدانید برای نام گذاری یک آلیاژ تحت عنوان فولاد کربنی تنها وجود درصد زیادی از کربن کافی نیست. انجمن فولاد و آهن ایالات متحده آمریکا که از معتبرترین منابع در این حوزه است، سه شرط را برای تعریف فولاد کربنی در نظر گرفته است و لزوم نام گذاری فولاد کربنی، این سه شرط می باشد که به شرح زیر است:

1.  کمترین مقدار مس که در فولاد وجود دارد، نباید کمتر از 0.04 درصد باشد.
2. حداکثر مقداری که برای عنصر منگنز، سیلیسیم و مس در نظر گرفته می شود به ترتیب 1/65 و 6/0 درصد می باشد.
3. عناصری مثل آلومینیوم، کروم، کبالت، نیوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و عناصر مشابهی که برای ایجاد یک خواص آلیاژی مناسب به فولاد افزوده می شوند، حداقل مقداری برایشان وجود ندارد. همچنین این استاندارد نامگذاری فولادهای کربنی را با ترکیب حروف و اعداد انجام می دهد.

• استاندارد انجمن ریخته گران آمریکا(AISI) : این استاندارد نامگذاری را بر اساس یک کد چهار رقمی صورت داده و در برخی مواقع نیز از پسوند و پیشوند استفاده می کند.
• سیستم واحد نامگذاری (UNS) : این استاندارد نیز برای نامگذاری فولادها از یک حرف و پنج عدد استفاده می کنند که حرف نشان دهنده کلاس آن گرید یا آلیاژ و اعداد مطابق با استاندارد AISI/SAE هستند. البته این استاندارد نیز قوانین خود را داشته و حرف پنجم نام این فولادها مطابق با استاندارد ذکر شده بسته به حروف اعداد 1، 4 و 6 استفاده می شود.
• موسسه استاندارد آلمان (DIN) : این استاندارد یکی از معتبر ترین و بهترین استانداردها برای ساخت فولادهای کربنی شناخته می شود. در این استاندارد، نامگذاری فولادها با اعداد و حروف صورت می گیرد. حروف آن نشان دهنده میزان مقاومت، استحکام تسلیم، کششی و ... می باشد. اعداد آن نیز نشان دهنده میزان و درصد وجود مقاومت و استحکام فولادها می باشند.
• موسسه استاندارد بریتانیا (BN) : این استاندارد نیز بسیار رایج بوده و معمولاً با نام EN اروپا نیز شناخته می شود. جالب است بدانید ورق های اسیدشویی هم بر اساس این استاندارد و هم استاندارد آلمانی قابل تولید بوده و بیشتر در دسته فولادهای کم کربن قرار می گیرند. قیمت ورق اسیدشویی نیز امروزه بسته به گریدی که دارد، بیشتر برای خودروسازان و قطعه سازان که به ظاهر عملیات اهمیت می دهند، مهم می باشد.

کاربرد فولاد کم کربن

فولادهای ساده کربنی یا کم کربن، کاربردهای زیادی را در صنایع به خود اختصاص داده اند و به علت داشتن درصد قابل توجهی از عنصر کربن، سختی بالایی دارند. البته بسته به میزان کربن به کار رفته در آلیاژ آن، کاربردهای مختلفی دارد.

از جمله کاربردهای فولاد کربنی ساده می توان به ساخت قطعات مهندسی و ابزارآلات، صنعت برق، مواردی که نیاز به هدایت مغناطیسی دارند، ساخت تجهیزات صنایع کوچک و عمومی مانند بسته بندی مواد غذایی، داروها و ... اشاره کرد. از جمله رایج ترین فولادهای ساده کربنی در این مصارف می توان به ورق قلع اندود اشاره کرد. البته باید گفت قیمت ورق قلع اندود نسبت به سایر ورق های فولادی سیاه، روغنی و ... بالاتر می باشد و این موضوع نیز به مواد اولیه و فرآیند تولید طولانی این محصول برمی گردد.

جمع بندی

فولادهای کربنی سبب به وجود آمدن طیف وسیعی از محصولات فولادی می شوند و تحت عنوان یکی از گروه های مهم استیل در صنعت شناخته می شوند. این محصول بسته به مقدار کربن در وجود خود کاربردهای مختلفی در بیشتر صنایع دارد؛ زیرا انواع مختلفی دارد. فولادها بر اساس درصد وجود کربن به سه نوع کم کربن، کربن متوسط و پرکربن تقسیم بندی می شوند که هر کدام به سبب وجود این عنصر آلیاژی خواص و ویژگی های متنوعی را به خود اختصاص می دهند.