فولاد کربنی چیست؟

فولاد کربنی چیست؟کربن یکی از عناصر معروف جدول مندلیف محسوب می شود، که انواع مختلفی از آن به شکل های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته می شود.
یکی از اصلی ترین کاربردهای این عنصر در صنعت خلاصه می‌شود، صنعتگران همواره در تلاش هستند تا با اضافه کردن عناصر مختلف به آهن ویژگی های آن را افزایش داده و بتوانند استفاده های بهتری از آن در عرصه های مختلف داشته باشند.
آلیاژ فولاد امروزه به یکی از پرمصرف ترین گزینه های صنعت محسوب می شود، که این آلیاژ متشکل از ترکیب دو عنصر آهن و کربن می باشد.
این آلیاژ دارای سختی بسیار بیشتری نسبت به آهن می باشد.
فولاد کربنی یک نوع فولاد است که حاوی مقدار قابل توجهی کربن می باشد، که به طور معمول کربن موجود در آن حداکثر تا ۲.۱ درصد می باشد.
کربن در فولاد ویژگی‌های مهمی مانند سختی و قوی بودن را به آن اضافه می‌کند. که به طور معمول ویژگی‌های فولاد کربنی به میزان کربن موجود در آن بستگی دارد.
تفاوت در مقادیر کربن و دیگر عناصر آلیاژی تعیین کننده خواص مکانیکی فولاد است.
در طی فرآیند تولید، فولاد ممکن است آلیاژهای دیگری مانند منگنز، سیلیسیم، فسفر، و گوگرد را نیز در خود داشته باشد.
اما در خصوص این موضوع توجه داشته باشید که، اساس اینکه بتوانیم یک آلیاژ را فولاد کربنی طلقی کنیم، نیازمند رعایت قوانین خاصی می باشد.
با توجه به تعاریفی که انجمن آهن ایالات متحده آمریکا، مطرح کرده است، باید حتما آلیاژ مورد نظر از سه شرط مهم پیروی کند.
نکته اول با توجه به مقدار مس به کار رفته می باشد، که میزان آن حتما باید بیشتر از  ۰/۰۴ درصد باشد.
شرط دومی که این آلیاژ باید از آن برخودار باشد این است که، میزان استفاده از عنصر منگنز و سیلیسیم در آن نباید از ۱/۶۵ و ۰/۶ درصد بیشتر باشد.
و آخرین شرط مشخص می‌کند که در خصوص عناصر دیگری همچون  آلومینیوم، کروم، کبالت، نیوبیوم، مولیبدن، نیکل، تیتانیوم، تنگستن، وانادیوم، زیرکونیوم و… مقدار مشخصی وجود ندارد، و در خصوص آنها محدودیت خاصی موجود نمی باشد.
عناصر مشابهی که برای ایجاد یک تاثیر آلیاژی مناسب اضافه می‌شوند، حداقل مقداری برایشان وجود ندارد.
البته در حین تولید فولاد کربنی حتما باید توجه شود که کدام یک از عنصر ها برای این ترکیب ضروری و در مصرف کدام یک از آنها باید به اندازه و میزان استفاده دقت و توجه داشت.

۱- افزایش عنصر هایی که برای فولاد مناسب نمی باشند.

زیاد بودن میزان برخی از عناصر همچون اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن و گوگرد در ترکیبات فولاد، برای آن گزینه ای مناسب نخواهد بود و موجب خواهد شد تا خواص مکانیکی آنها ضعیف شده و فولاد بازخورد منفی از خود به عمل آورد.

۲-عناصری که وجود آنها برای فولاد مضر نمی باشد.

برخی از عناصر نیز همچون منگنز و سیلیسیم، چنانچه طی هر دلیلی در ترکیبات فولاد وجود داشته باشند، ضرری برای فولاد نخواهد داشت.

۳-عناصری که اضافه کردن آنها به ترکیب فولاد الزامی می باشد

برخی دیگر از عناصر باید حتما به ترکیبات فولاد اضافه شوند، از جمله آنها میتوان به نیکل، کروم، مولیبدن و آلومینیوم اشاره داشت، این عناصر می‌توانند ویژه های منحصر به فردی همچون استحکام بسیار بالا، و جوش پذیری را به فولادکربنی بیافزاید.
استفاده از فولاد کربنی در محصولات متنوعی از جمله ابزارهای دستی، قطعات خودرو، و تجهیزات ساختمانی است. هرچند که در مقایسه با فولادهای آلیاژی پیشرفته‌تر، ممکن است خواص مکانیکی کمتری داشته باشد، اما هنوز به علت هزینه مناسب و خواص مناسب در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی های فولاد کربنی

ویژگی‌های فولاد کربنی به مقدار کربن موجود در آن و دیگر عناصر آلیاژی بستگی دارد.
از این رو همواره فولاد کربنی در دو دسته قرار گرفته می شود، که اساس تشکیل این دو دسته مقدار کربن موجود در آنها و همچنین فرایند های شیمیایی که مربوط به تولید آنها شود، می باشد.

۱-میزان کربن

با توجه به اینکه به چه میزان کربن برای ساخت فولاد استفاده شده است، فولاد در سه دسته کم کربن، فولاد کربن متوسط و فولاد پر کربن قرار گرفته می‌شود.

فولاد کم کربن

چنانچه میزان کربنی که در فولاد استفاده شده است از ۰/۲ درصد کمتر باشد، در این دسته قرار گرفته می شود. میزان انعطاف پذیری آنها نسبت به سایر فولاد های کربنی به مراتب بیشتر می باشد، در نتیجه آنها از قابلیت شکل پذیری بسیار خوبی برخودار می باشند.
فرایند های مربوط به ساخت آنها دارای پیچیدگی و دشواری نمی باش و شکل‌پذیری سرد آن با روش‌هایی همچون چین، خمش یا پرس قابل انجام می باشد.
این دسته از فولاد ها مناسب برای ساخت اجزای ساختمانی، ظروف، جعبه‌ها، بدنه‌های کوره و ماشین‌آلات کشاورزی و…می‌باشند.
در واقع میزان استحکام این فولاد ها نسبت به سایر فولاد ها کمتر می باشد، و از جمله ویژگی‌ های بارز آنها این است که در صنعت برق از آن استفاده های متعددی می شود.

فولاد کربن متوسط

چنانچه درصد استفاده از کربن در فولاد بین ۰/۲ تا ۰/۶ درصد باشد، در دسته فولاد کربن متوسط قرار گرفته می شود.
از جمله نقاط ضعفی که این دسته از فولاد ها از آن برخودار می‌باشند، عملکرد ضعیف آنها در برابر فرایند جوشکاری می باشد.
این دسته از فولاد ها در حین جوشکاری به طور معمول با ترک سرد شد مواجه خواهند شد.
البته میزان استحکام آنها نسبت به فولاد کم کربن به مراتب بیشتر می باشد.

فولاد پرکربن

اگر میزان کربن استفاده شده از ۰/۶ درصد بیشتر باشد، به آن فولاد پر کربن گفته می‌شود. این دسته از فولاد تز میزان مقاومت و سختی بسیار بالایی برخودار می باشند و قادر خواهند بود تا در برابر عوامل مختلف از خود مقاومت به عمل آورند. و به همان اندازه نیز میزان انعطاف پذیری آنها نسبت به سایر فولاد ها، کاهش پیدا می‌کند.

۲- فرآیند های شیمیایی

دو فرایند یوتکتوئید و هیپویوتکتوئید در خصوص فولاد های کربنی وجود دارد.

فرایند یوتکتوئید

چنانچه درصد کربن موجود در فولاد برابر با ۰/۷۶ درصد باشد، فرایند به این صورت خواهد بود.

هایپریوتکتوئید

 و اگر درصد کربن موجود در فولاد از ۰/۷۶ درصد بیشتر باشد، فرایند به صورت هایپریوتکتوئید  انجام خواهد شد.
با توجه به توضیحاتی که ذکر شد.

ویژگی‌های مهم فولاد کربنی عبارتند از مواردی که در ادامه قصد داریم به معرفی هریک پرداخته و آنها را مورد بررسی قرار داده ایم‌.

۱-سختی

فولاد کربنی از میزان سختی بسیار بالایی برخودار می باشد، چراکه از جمله ویژگی‌ های بارزی که با اضافه کردن کربن به فولاد به وجود می آید، افزایش میزان سختی فولاد و مقاومت بالای آن می‌باشد.

۲-قوی بودن و مقاومت بالا

قطعا یکی از اصلی ترین ویژگی‌ هایی که یک فولاد می‌بایست از آن برخودار باشد، مقاومت و استحکام بالا می باشد. چرا که به این ترتیب آنها می‌توانند در شرایط سخت نیز گزینه ای مناسب محسوب شوند، کربن به عنوان یک عنصر استحکام فلز را افزایش می‌دهد.

۳-لیزینگ

فولاد کربنی از این خصلت برخوردار می باشد که در همه شرایط پایداری خود را حفظ نماید، و از جمله قابلیت های مهم و قابل توجه فولاد کربنی تحمل لغزش یا انعطاف در همه مواقع می باشد.

۴-مقاومت در برابر خستگی

فولاد کربنی مقاومت بسیار بالایی در برابر خستگی و شکست از خود ارائه می دهد، و همواره گزینه ای مناسب جهت استفاده در ابزار های مختلف محشوب می شود.

۵-تشکیل حالت‌های مختلف

فولاد کربنی در کنار حفظ پایداری، و استحکام کافی خود می بایست از این امکان نیز برخوردار باشد که به حالت های مختلف تغییر کند. امکان تشکیل حالت‌های مختلف فولاد به وسیله تغییرات در فرآیند گرمایش و سرد کردن به وجود می آید.

۶-قابلیت تراکم و فرآیندهای حرارتی

این فولاد از قابلیت تحمل به تغییرات حرارتی و فرآیندهای حرارتی برخودار می باشند.

۷-سادگی تولید

از جمله اصلی ترین ویژگی های بارز فولاد کربنی سادگی فرایند مربوط به تولید آنها می باشد، در واقع مراحل تولید و فرآیند ساخت ساده‌تری نسبت به بسیاری از فولادهای آلیاژی دارند، در نتیجه این گزینه برای آنها به عنوان یک حسن محسوب می‌شود.

۸-هزینه مناسب

 به دلیل استفاده از مواد ارزان‌تر، فولاد کربنی هزینه کمتری نسبت به بعضی فولادهای آلیاژی دارد.
همچنین، مهم است به این نکته توجه داشت که درصد کربن و سایر آلیاژها می‌تواند در تولید فولادهای مختلف متغیر باشد و ویژگی‌ها به تناسب ترکیبات مختلف آن‌ها تغییر می‌یابد.

مشخصات فولاد کربنی

فولاد کربنی مشخصات مختلفی دارد که بستگی به درصد کربن و سایر عناصر آلیاژی دارد. که در ادامه این مقاله به برخی از مشخصات اصلی آن اشاره کرده ایم.

۱-درصد کربن

 اولین و مهم ترین شناسه ای که مربوط به فولاد کربنی میشود، درصد کربن موجود در آن می باشد. معمولاً درصد کربن در فولاد کربنی حداکثر تا ۲.۱ درصد است. که به طور معمول افزایش درصد کربن، سختی و استحکام فولاد را افزایش می‌دهد.

۲-دیگر عناصر آلیاژی

فولاد کربنی ممکن است حاوی مقدار کمی از عناصر دیگر مانند منگنز، سیلیسیم، فسفر، و گوگرد باشد که ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی آن را تحت تأثیر قرار خواهند داد.

۳-سختی

سختی فولاد کربنی نیز از جمله مشخصات این فولاد محسوب می شود که به مقدار کربن و فرآیند حرارتی که آن را تجربه می‌کند بستگی دارد.

۴-میزان قدرت کششی

قدرت کششی بالا و استحکام مکانیکی خوب یکی از ویژگی‌های فولاد کربنی است.

۵-لیزینگ

قابلیت فولاد برای تحمل لغزش و انعطاف در برخی مواقع را خاصیت لیزینگ نامیده می شود، که فولاد کربنی از این ویژگی برخودار می باشد.

۶- برخودار بودن از قابلیت شکل‌دهی

قابلیت فولاد برای شکل‌دهی و تشکیل حالت‌های مختلف در فرآیند حرارتی از دیگر ویژگی های فولاد کربنی محسوب می‌شود.

۷-مقاومت به خستگی و شکست

این فولاد می‌تواند مقاومت بسیار زیادی را در برابر خستگی و شکست از خود به عمل آورده، و به سادگی دچار آسیب‌دیدگی نشود.

۸-ترکیبات حرارتی

امکان تشکیل حالت‌های مختلف به وسیله تغییرات در فرآیند گرمایش و سرد کردن، در خصوص فولاد کربنی وجود دارد در نتیجه می‌توان از آن استفاده های متعددی در زمینه های مختلف داشت.

۹-مقرون به صرفه بودن

ترکیبات موجود در فولاد کربنی مشتکل از موادی ارزان می باشد، در نتیجه در مقایسه با سایر فولاد های آلیاژی از میزان قیمت کمتری برخوردار بوده، و گزینه ای مقرون به صرفه می‌باشند.
توجه به ترکیبات دقیق فولاد و فرآیند تولید آن اهمیت دارد تا به این ترتیب امکان تعیین ویژگی‌های دقیق فولاد وجود داشته باشد.

کاربرد فولاد کربنی در صنعت

فولاد کربنی به دلیل ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی خود، در صنایع مختلف به عنوان یک جزء اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از کاربردهای فولاد کربنی عبارتند از مواردی که در ادامه مطرح شده اند‌.

۱-ابزارهای دستی

  یکی از اصلی ترین کاربرد های فولاد کربنی در صنعت در زمینه  ساخت ابزار های دستی طلقی می شود. با استفاده از فولاد کربنی میتوان اقدام به ساخت ابزارهای دستی مانند خودکارها، چاقوها، و سایر ابزارهای دستی دیگر نمود.

۲-خودروسازی

 در صنعت خودرو سازی نیز از جمله مهم ترین نقش های فولاد کربنی اجرا می شود، از آن می‌توان در ساخت قطعات خودروها، از جمله جلوهای خودرو، ریل‌ها، و قطعات دیگر استفاده کرد.

۳-ساخت سازه‌ها و ساختمان‌ها

 باتوجه به ترکیبات موجود در این فولاد و خواص متنوعی که از آن برخودار می باشد، استفاده از آن در ساخت سازه‌ها و قطعات ساختمانی به عنوان جزء‌های مقاوم و قوی، دیده می شود.

۴-ابزارهای کشاورزی

در خصوص این زمینه باید حتما توجه داشت که استفاده از فولاد کربنی تنها مختص به فعالیت های صنعتی نمی شود، بلکه استفاده از آن در ساخت ابزارهای کشاورزی مانند بیل‌ها، داس ها و سایر ابزارهای مورد نیاز برای انجام فعالیت های کشاورزی دیگر، رایج می‌باشد .

۵-صنایع خدماتی

از فولاد کربنی میتوان استفاده های بسیاری در صنایع خدماتی مانند صنعت گردشگری و مضاف بر آن برای تولید اجسام تزئینی و هنری نیز داشت.

۶-ابزارهای صنعتی

از فولاد کربنی میتوان به عنوان یک ماده اولیه در  ساخت ابزارهای صنعتی، ماشین‌آلات، و تجهیزات صنعتی استفاده کرد.

۷-تولید وسایل خانگی

با توجه به اینکه فولاد کربنی از میزان خواص بسیاری برخودار می باشد، در ساخت وسایل خانگی از جمله قابلمه‌ها، ظروف آشپزخانه، و لوازم دیگر میتوان آن را به کار برد.

۸-صنایع نظامی

تجهیزات نظامی و ابزار های نظامی نیازمند ماده اولیه ای می باشند که به مقدار کافی به آنها مقاومت و استحکام بیفزاید، قطعا استفاده از فولاد کربنی  در تولید تجهیزات نظامی و ابزارهای نظامی، گزینه ای معقول و مناسب محسوب می‌شود.

۹-تجهیزات الکتریکی

همواره شاهد استفاده از فولاد کربنی در ساخت قطعات الکتریکی و الکترونیکی نیز می‌توان بود.
استفاده از فولاد کربنی به دلیل برخودار بوده از خواص و ساختار شیمیایی منحصر به فرد، به عنوان یک ماده مقاوم و چندمنظوره، در انواع صنایع مختلف ادامه دارد.

مزیت های استفاده از فولاد کربنی

همانطور که در پیش تر نیز به این موضوع پرداختیم، از فولاد کربنی استفاده های متعددی در خصوص زمینه های مختلف می شود.
که علت آن هم به خاطر میزان مزایای آن و عملکرد خوبی که از خود ارائه میدهد می باشد.

در ادامه به برخی از مزیت های استفاده از فولاد کربنی در زمینه های مختلف پرداخته ایم.

۱-هزینه مناسب

قطعا یکی از اصلی ترین مواردی که افراد حین خرید و تهیه فولاد، به آن توجه ویژه ای خواهند داشت، میزان هزینه ای است که می‌بایست متقبل شوند.
فولاد کربنی به دلیل استفاده از مواد ارزان‌تر و فرآیندهای مربوط به تولید آن که به صورت ساده‌تر مورد انجام قرار گرفته می شوند، هزینه کمتری نسبت به بسیاری از فولادهای آلیاژی دارند.

۲-سختی و قدرت کشش بالا

لازمه دیگری که یک فولاد می‌بایست از آن برخودار باشد، سختی و قدرت کشش آن می باشد، از آنجایی که فولاد کربنی حاوی کربن به مقدار مناسب می باشد، در نتیجه میزان سختی آن به مقدار زیادی افزایش پیدا کرده و از قدرت کشش کافی نیز برخودار می باشد.

۳-تشکیل حالت‌های مختلف

برای اینکه بتوان از فولاد در جهت ابزار ها و فعالیت های صنعتی مختلف استفاده کرد، باید از این ویژگی برخودار باشد که بتوان از آن حالت های مختلفی تشکیل کرد.فولاد کربنی می‌تواند تحت تأثیر تغییرات در فرآیند گرمایش و سرد کردن، حالت‌های مختلفی به خود بگیرد.

۴-قابلیت شکل‌دهی

این نوع فولاد به راحتی قابل شکل‌دهی است و در تولید انواع محصولات و قطعات متنوع مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نتیجه این گزینه برای آن یک مزیت بسیار قابل توجه محسوب می شود.

۵-تراکم

تراکم مزیت دیگری است که فولاد کربنی از آن برخودار می باشد، فولاد کربنی دارای تراکم مناسبی می باشد در نتیجه گزینه ای معقول و مناسب برای کاربردهای مختلف است.

۶-مقاومت به خستگی

 از دیگر مزیت های بارز فولاد کربنی میتوان به میزان مقاومت خوب آن در برابر خستگی و شکست، اشاره داشت.

۷-قابلیت حرارتی

این فولاد می‌تواند تحت عنوان فرایند های حرارتی قرار گرفته، که به این ترتیب تغییرات دلخواه در آن لحاظ خواهد شد.

۸-استفاده در برخی از محیط‌های خاص

میزان مقاوم بودن این فولاد در برابر عوامل مختلف بسیار بالا می باشد در نتیجه، به دلیل مقاومت به برخی از محیط‌های شیمیایی، فولاد کربنی در برخی از شرایط خاص کاربرد دارد.

۹-بازیافت پذیری

فولاد کربنی اغلب قابلیت بازیافت دارد که در حفظ محیط زیست گزینه ای موثر است.
همه این ویژگی‌ها باعث استفاده گسترده از فولاد کربنی در صنایع مختلف می‌شود.