فولاد کربن چیست و چه کاربردی دارد؟

فولاد آلیاژی است که آهن، عنصر پایه و کربن، عنصر آلیاژی اصلی آن است. یکی از انواع فولادها، فولاد کربنی است که بالاترین میزان کربن آن ½ درصد است. درصد کربن موجود در فولادها متغیر بوده و فولاد کربن در 3 نوع کم‌کربن، کربن متوسط و پرکربن وجود دارد که هرکدام کاربردهای متفاوتی دارد.

البته این نکته را نیز باید به خاطر داشته باشیم که همه فولادها فقط از کربن و آهن تشکیل نمی‌‌شوند؛ بلکه دیگر عناصر آلیاژی نیز در کنار این دو عنصر قرار می‌گیرند. بدون وجود کربن، مقاومت فولاد تنها مشابه آهن معمولی است که با اضافه‌شدن کربن به آن، تبدیل به یک فلز قوی‌تر و سخت‌تر می‌شود.

به همین دلیل است که بسیاری از شرکت‌های تولیدی و ساختمانی، فولاد را به‌جای آهن انتخاب می‌کنند تا از ویژگی کربن در فولاد هم استفاده کنند. در ادامه به بررسی انواع فولاد کربنی و کاربرد آن‌ها می‌پردازیم. پس با مهدفولاد همراه شوید.

 فولاد کربن چیست؟

فولاد کربن (Plain Carbon Steel) که با نام فولاد کربنی هم شناخته می‌شود، طیف گسترده‌ای از فلز فولاد است که در آن کربن به‌عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی شناخته می‌شود. البته در فولادهای کربنی عناصر دیگری هم وجود دارند؛ اما آهن و کربن به‌عنوان عناصر پایه آن‌ها شناخته می‌شوند. خواص فولاد به میزان کربن به‌کار رفته در آن بسیار وابسته است.

در این زمینه، انجمن آهن و فولاد ایالات متحده امریکا که یکی از معتبرترین منابع در زمینه فولاد است، تعریف خاصی را برای فولاد ساده کربنی در نظر گرفته است که در این تعریف 3 شرط برای فولاد کربنی وجود دارد. این 3 شروط به قرار زیر است:

• حداقل مقدار مس موجود در فولاد نباید کمتر از ۰/۰۴ درصد باشد.
• حداکثر مقداری که برای عنصر منگنز، سیلیسیم و مس تعریف‌شده، به ترتیب ۱/۶۵ و ۰/۶ درصد است.
• عناصری مثل آلومینیوم، کروم، کبالت، نیوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و عناصر مشابهی که برای ایجاد یک تاثیر آلیاژی مناسب اضافه می‌شوند، حداقل مقداری برایشان وجود ندارد.

با توجه به 3 شرطی که در بالا ذکر شد، متوجه می‌شویم که علاوه‌بر کربن، یک فولاد ساده کربنی دارای چندین عناصر آلیاژی دیگر نیز هست. این عناصر که به ترکیبات فولاد کربنی اضافه می‌شوند را می‌توان به 3 دسته زیر تقسیم کرد:

• عناصری که میزان حضور آن‌ها باید در حداقل مقدار ممکن باشد؛ چراکه برای فولاد مناسب نیستند. این عناصر به‌صورت اتفاقی در ترکیب فولاد واردشده‌ و وجود بیش از حد آن‌ها به تضعیف خواص مکانیکی فولاد منجر خواهد شد؛ از جمله‌ این عناصر می‌توان به اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، گوگرد و فسفر اشاره کرد.
• در این دسته هم عناصری قرار دارند که به‌صورت اتفاقی وارد ترکیب فولاد شده، اما حضور آن‌ها برای فولاد ضرری را به همراه ندارد؛ مانند منگنز و سیلیسیم.
• در دسته سوم عناصری وجود دارند که در ترکیب فولاد وجود ندارند و به‌صورت عمدی وارد آن می‌شوند تا خاصیت ویژه‌ای در فولاد به وجود بیاورند. نیکل، کروم، مولیبدن، آلومینیوم و عناصری که برای حضور آن‌ها حداقلی وجود ندارد، در این دسته قرار می‌گیرند. این عناصر می‌توانند خواصی مانند افزایش استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و جوش‌پذیری را به فولاد اضافه کنند.

انواع فولاد کربن و کاربردهای آن

همانطور که اشاره کردیم، فولادها میزان کربن یکسانی ندارند و به همین دلیل به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:

 فولاد کم کربن

کربن موجود در این نوع، حدود 0.3 درصد است و به هر میزان که کربن آن کمتر باشد، خاصیت جوش‌پذیری فولاد بالاتر می‌رود؛ به همین علت  این نوع فولاد قابلیت ماشین‌کاری و لحیم‌پذیری عالی داشته و در جهان این نوع فولاد تولیدشده، سهم بیشتری از تولیدات فولادی دارد.

این نوع از فولاد علاوه‌بر هزینه کم، انعطاف‌پذیری بیشتری دارد که کارایی آن را بیشتر کرده است. البته این گزینه، کارایی آن را برای دیگر کاربردها کمتر کرده است. شکل‌دهی سرد در این فولاد به خوبی صورت گرفته که با روش‌هایی مانند چین، خمش یا پرس انجام می‌شود.

 کابرد فولاد کم کربن

فولادهای کم‌کربن معمولا قبل از استفاده تحت عملیات حرارتی قرار نگرفته و معمولا برای ساخت اجزای مختلف ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های کوره و ماشین‌آلات کشاورزی، لوله فولادی قیمت مناسب، نوار فولادی یا ورق فولادی نورد استفاده می‌شوند.

فولاد کم کربن با کیفیت بالا در یک صفحه نازک نورد می‌شود تا در محصولاتی مانند روکش موتور و کابین خودرو از آنها استفاده شود. علاوه بر این، این نوع فولاد برای تولید قطعات مکانیکی که به استحکام کمتری نیاز دارند نورد می‌شود.

 فولاد کربن متوسط

کربن موجود در این نوع فولاد حدود 0.3 تا 0.60 درصد است و میزان استحکام آن متوسط است. از این نوع فولاد کربن اغلب در میل لنگ خودرو، پیچ اتصال و چرخ‌دنده استفاده می‌شود.

 کاربرد فولاد کربن متوسط

از فولاد کربن متوسط معمولا برای ساخت قطعات متحرک با استحکام بالا استفاده می‌شود. برخی از این‌ موارد عبارت است از کمپرسورهای هوا، پیستون‌های پمپ، پروانه‌های توربین بخار، چرخ‌دنده‌ها و قطعات سایش سطحی، میل لنگ، دوک‌های ماشین ابزار، غلتک‌ها، ابزارهای نیمکت، انواع پنجره ساختمانی و… .

فولاد پر کربن

مقدار کربن در این فولاد بیشتر از ۰.۶۰٪ است و این نوع از فولاد، سخت‌ترین و باکیفیت‌ترین فولاد غیرآلیاژی به شمار می‌رود. این فولاد مقاومت بالایی نسبت به سایش داشته و کاربرد آن اغلب در فنرها و تیغه فنرها است.

کاربرد فولاد پرکربن

با توجه به اینکه فولاد پرکربن دارای استحکام و میزان سختی زیادی است و در عین‌حال، حد الاستیک بالاتری در مقایسه با فولاد کم‌کربن دارد، به همین دلیل هنگام سردشدن به‌راحتی ترک برمی‌دارد. بنابراین معمولا از سردکردن دو مایع استفاده می‌کنند و اغلب برای قطعات با مقطع کوچک، از سخت‌شدن روغن استفاده می‌شود. فولاد کربنی معمولا در ساخت فنرها، قطعات سایش و ابزارهای سختی بالا به‌کار می‌رود.

1. تولید و طراحی ابزارآلاتی مانند اره، آچار و مته
2. ساخت تیغه‌ها و انواع فنرها
3. تولید انواع تیغه‌ها و تیغه اره‌ها
4. انواع صنایع خودرویی، کشاورزی و…..
5. ساخت کمک‌فنر چرخ‌های هواپیما

استانداردهای فولاد کربن

فولاد کربن مانند دیگر محصولات صنعتی نیاز به رعایت نکاتی دارد تا بتواند تأیید استانداردهای مختلف را به‌دست بیاورد. برخی از این استانداردها ملی هستند و برای استفاده در همان کشور کاربرد دارند و برخی دیگر نیز استانداردهای بین‌المللی هستند و در تمامی کشورها به‌عنوان مرجع شناخته می‌شوند. برخی از استانداردهای جهانی به شرح زیر است:

• استاندارد انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM)

این استاندارد، نام‌گذاری فولادها را بر اساس ترکیب حروف و اعداد انجام می‌دهد.

• استاندارد انجمن ریخته‌گران فولاد آمریکا (AISI)

این استاندارد، از یک کد چهار رقمی برای نام‌گذاری فولادهای کربنی استفاده می‌کند که در این نام‌گذاری احتمال دارد از برخی پسوند و پیشوندها هم استفاده ‌شود.

• سیستم واحد نامگذاری (UNS)

سیستم استاندارد (UNS) برای نام‌گذاری از یک حرف و پنج عدد استفاده می‌کند. حرف، کلاس آلیاژ را تعیین می‌کند و چهار رقم طبق استاندارد AISI/SAE برای آلیاژ تعیین می‌شود. برای رقم پنجم، طبق علائم قراردادی در استاندارد AISI/SAE ، به‌جای حرف «B» رقم «۱»، به‌جای حرف «L» رقم «۴» و به‌جای حرف «E» رقم «۶» مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• مؤسسه استاندارد آلمان (DIN)

یکی از معتبرترین استانداردهای اروپا در این زمینه، استاندارد آلمان است که برای نام‌گذاری فولادها دارای الگوی خاصی نیست. در این نام‌گذاری‌ها، تعداد ارقام متفاوتی برای نام‌گذاری مشاهده می‌شود. رقم سمت چپ این نام‌گذاری، گروه اصلی که ماده در آن هست را معرفی می‌کند. برای فولادها این عدد برابر با عدد یک است.

دو رقم بعدی در این نام‌گذاری هم شماره نوع فولاد است. این شماره برای فولادهای پایه، فولادهای کیفی و فولادهای نجیب متفاوت است. دو رقم بعدی پس از این نشان از ارقام، شمارنده دارد. اما مشکل این ارقام آن‌ است که در ارتباط با کربن و دیگر عناصر آلیاژی فولاد نمی‌توان اطلاعاتی را به‌دست آورد.

رقم‌های آخر این نام‌گذاری، ارقام پیوست بوده و تنها زمانی کاربرد دارند که برای مشخص‌کردن واضح مواد، لازم است. اولین رقم از ارقام پیوست برای مشخص‌کردن فرآیند تولید فولاد و دومین رقم آن برای تعیین‌کردن وضعیت عملیات حرارتی که اتفاق افتاده، است.

• موسسه استاندارد بریتانیا انگلیس (BN)

نام‌گذاری فولادها بر اساس استاندارد انگلیسی بسیار شایع است. با استفاده از این استاندارد در ابتدای نام‌گذاری حروف EN می‌آید. سپس اعداد دیگری می‌آید که ارتباطی با ترکیب یا خواص فولاد ندارد.

جمع‌بندی

"فولاد" آلیاژی است که آهن، عنصر پایه و کربن، عنصر آلیاژی اصلی آن است. یکی از انواع فولادها، فولاد کربنی است که بالاترین میزان کربن آن ½ درصد است.  فولاد کربن (Plain Carbon Steel) که با نام فولاد کربنی هم شناخته می‌شود، طیف گسترده‌ای از فلز فولاد است که در آن کربن به‌عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی شناخته می‌شود. البته در فولادهای کربنی عناصر دیگری هم وجود دارند؛ اما آهن و کربن به‌عنوان عناصر پایه آن‌ها شناخته می‌شوند.

فولادهای کم‌کربن معمولا قبل از استفاده تحت عملیات حرارتی قرار نگرفته و اغلب برای ساخت  اجزای مختلف ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های کوره و ماشین‌آلات کشاورزی، لوله فولادی قیمت مناسب، نوار فولادی یا ورق فولادی نورد استفاده می‌شوند.

با توجه به اینکه فولاد پرکربن دارای استحکام و میزان سختی زیادی است و در عین‌حال، حد الاستیک بالاتری در مقایسه با فولاد کم‌کربن دارد، به همین دلیل در هنگام سردشدن به‌راحتی ترک برمی‌دارد.

فولاد کربن مانند دیگر محصولات صنعتی نیاز به رعایت نکاتی دارد تا بتواند تأیید استانداردهای مختلف را به‌دست بیاورد. برخی از این استانداردها ملی هستند و برای استفاده در همان کشور کاربرد دارند و برخی دیگر نیز استانداردهای بین‌المللی هستند و در تمامی کشورها به‌عنوان مرجع شناخته می‌شوند.