آلیاژی از اهن است که بین ۰٫۰۰۲ تا ۲٫۱ درصد وزن آن کربن است. خواص فولاد به کمک تغییر در درصد کربن، عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی قابل کنترل است.
برای ساخت فولاد، دو روش عمده وجود دارد. روش اول استفاده از آهن اسفنجی و کورههای قوس الکتریکی برای ذوب آهن اسفنجی و سپس آلیاژسازی است. روش دوم استفاده از آهن خام (آهن تولید شده در فرایند احیای غیرمستقیم) و سوزاندن کربن اضافی آن است. طی این فرایند میزان کربن آهن خام از بازهٔ ۵٫۳ تا ۶ به ۲٫۰ تا ۱٫۵ درصد وزنی کاهش مییابد، سپس عناصر دیگر در آن افزوده میشوند تا ترکیب مورد نظر بدست آید.
استحکام فولاد با «میزان کربن محلول» به شدت افزایش مییابد اما از طرفی این افزایش استحکام باعث کاهش قابلیت جوشکاری و افزایش احتمال شکست ترد میشود. استحکام فولادهای فریتی (فرومغناطیس) رابطه معکوسی با شکلپذیری دارد. تلفیق استحکام و شکلپذیری با پایدارسازی فاز آستنیت (پارامغناطیس) در فولادهای مدرن چندفازی قابل بهبود است.
آلیاژهای فلزی
روش خمیری
در آغاز صنعت فولادسازی، فولاد به این روش ساخته میشد. در این روش آهن خام را در تشت کوره ی شعلهای گذاشته میشود و روی آن شعله دمیده میشود تا مذاب شود. آهنخام مذاب شده به هم زده میشود تا کربن آن با تماس با اکسیژن هوا بسوزد. پس از آن که کربن آن به مقدار قابل توجهی به صورت گاز از آن جدا شد، دمای ذوب آن بالا میرود و به صورت خمیری درمیآید. خمیر فولاد به صورت تکهتکه با گازانبر از کوره بیرون آورده میشود و با پتک روی آن میکوبند تا سرباره تشکیل شده از آن جدا شود و یکپارچه شوند. سپس از فولاد بدست آمدهاستفاده میشود. این روش به دلیل آن که ظرفیت تولید کافی نداشته و فولاد به دست آمده همواره کیفیت یکسانسی نداشت دیگر مورد استفاده قرار نمیگیرد.
روش ذوب
امروزه تقریباً تمامی فولاد جهان از طریق ذوب آهن به روشهای مختلف به دست میآید. این روشها میتوانند شامل فولادسازی در کنورتور یا فولادسازی در کورههای EAFباشد.
در روشهایی که از کنوروتور استفاده میشود، آهنخام مذابی که از که فرایند کوره بلند به دست آمدهاست درون کنورتور ریخته میشود تا با استفاده از دمش گاز اکسیژن کربن اضافی آن سوزانده شود. بدین ترتیب کربن فولاد به میزان مورد نظر خواهد رسید. سپس با اضافه کردن عناصر آلیاژی به آن استحکام فولاد افزایش خواهد یافت.
نمایی از کنورتور LD برای تولید فولاد
در روشهایی که از کورههای قوس الکتریکی استفاده میکنند، ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرایند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته میشود تا ذوب گردد. دمای این کورهها به حدی است که در همان ذوب اولیه فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید میشود. سپس فولاد تولید شده درون کورهٔ پاتیلی ریخته میشود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدستسازی ترکیب فولاد است.
پس از بدست آمدن ترکیب شیمیایی مورد نظر در فولاد، لازم است که آن را به صورت مورد نیاز ریختهگری کرد. در اکثر موارد فولاد بدست آمده به صورت تختال، تیرآهن یا میلگرد ریختگری مداوم میگردد.
افزودن مقادیر معین از مواد آلیاژ دهنده به آهن
منگنز، فسفر و سیلیسیم در چدن مذاب توسط هوا یا اکسیژن به اکسید تبدیل میشوند و با کمک ذوب مناسبی ترکیب شده، به صورت سرباره خارج میشوند. گوگرد به صورت سولفید وارد سرباره میشود و کربن هم میسوزد و مونوکسید کربن (CO) یا دیاکسید کربن CO2در میآید. چنانچه ناخالصی اصلی منگنز باشد، یک کمک ذوب اسیدی که معمولاً دیاکسید سیلسیم (SiO2) است.
تبدیل آهن به فولاد آلیاژی
آهن مذاب تصفیه شده را با افزودن مقدار معین کربن و فلزهای آلیاژ دهنده مثل وانادیم، کروم، تیتانیم، منگنز و نیکل به فولاد تبدیل میکنند. فولادهای ویژه ممکن است مولیبدن،تنگستن یا فلزهای دیگر داشته باشند. این نوع فولادها برای مصارف خاصی مورد استفاده قرار میگیرند. در دمای زیاد، آهن و کربن با یکدیگر متحد شده، کاربید آهن به نام سمنتیت تشکیل می دهند.
فورج چیست؟
آهنگری (Forging) کار بر فلز توسط پتک کاری یا پرس کاری و در آوردن آن به یک شکل مفید است. در این فرآیند نیروهای بزرگی به کار گرفته می شود و لوازم کار اغلب بسیار سنگین هستند.
کاربرد انواع مختلف فولاد
از فولادی که تا ۰٫۲ درصد کربن دارد، برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده میشود. فولاد متوسط ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار میبرند. فولادی که ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزارآلات، فنر و کارد و چنگال استفاده میشود.