بیشترین کاربرد ورق آلیاژی؛ فرآیند تولید و مزایا

اگر تا به حال از خود پرسیده‌اید که متداول‌ترین فلز مورد استفاده در جهان چیست، ممکن است متعجب شوید (یا تعجب نکنید) اگر بدانید این فلز، مجموعه‌ای از فلزات به نام «ورق آلیاژی فولادی» است. اما ورق آلیاژی چیست؟ و کاربرد ورق آلیاژی چگونه است؟ درواقع ورق آلیاژی فولادی همان صفحات فلزی قوی و پرکاربردی است که بسیاری از اشیایی که من و شما به‌طور منظم با آن‌ها تعامل داریم از آن ساخته شده است. در واقع، ورق آلیاژی نوعی فولاد است که با بیش از یک عنصر (عناصر آلیاژی) ترکیب شده است.

کاربرد ورق آلیاژی در زمانی است که می‌خواهیم استحکام، سختی، مقاومت در برابر سایش و چقرمگی را افزایش دهیم و فولاد نیرومندی تولید کنیم، هرچند عناصر آلیاژی اضافه شده به ساختار پایه آهن و کربن معمولاً بیش از 5 درصد از ترکیب مواد فولاد آلیاژی را تشکیل نمی‌دهند. ورق سیاه ST37 نیز از انواع ورق آلیاژی است که استحکام متوسطی دارد و مورد علاقه دست اندرکاران در صنعت ساخت و ساز است.

انواع آلیاژ فولادی

با استخراج سنگ آهن از زمین، ذوب سنگ معدن در کوره برای حذف ناخالصی‌ها و افزودن کربن، انواع ورق آلیاژی ساخته می‌شود. البته در حال حاضر، فرآیند ساخت فولاد شامل بازیافت فولاد نیز هست. طبق گزارش موسسه آهن و فولاد آمریکا، هیچ محدودیتی برای بازیافت و استفاده مجدد از فولاد (به‌عنوان یک ماده 100٪ قابل بازیافت) وجود ندارد. در حال حاضر، کوره‌های فولادسازی آمریکای شمالی، سالانه نزدیک به 70 میلیون تن قراضه داخلی فولاد را برای تولید فولاد جدید مصرف می‌کنند، چون بازیافت فولاد منجر به از دست دادن کیفیت یا استحکام آن نمی‌شود.

ورق A283 نوعی فولاد آلیاژی کم کربن است که به ورق A36 شباهت دارد. موارد کاربرد ورق آلیاژی A283 و ورق آلیاژی A36 معمولا در سازه‌ها، پل‌های فلزی و سایر کاربردهای ساختمانی است. انواع ورق فولادی شامل چهار گروه ضد زنگ، کربنی، ابزاری و آلیاژی هستند و بر اساس ترکیب شیمیایی فولاد گروه‌بندی می‌شوند که در ادامه درباره آن‌ها توضیح خواهیم داد:

فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ و فولاد کربنی مقاوم‌ترین فولاد در برابر خوردگی در بین چهار گروه فولادی شناخته شده و معمولاً شامل کروم، نیکل یا مولیبدن است که این عناصر حدود 11 تا 30 درصد آن را تشکیل می‌دهند. از این نوع فولاد معمولاً در صنایع حمل و نقل مواد غذایی، پردازش مواد غذایی، ابزار پزشکی، سخت افزار کامپیوتر و لوازم خانگی استفاده می‌شود.

فولاد ضد زنگ کربنی

 فولاد کربن کمتر از 10.5 درصد آلیاژ دارد، فولاد ضد زنگ دارای مواد اولیه مشابه آهن و کربن هستند، اما ترکیب آن‌ها در محتوای آلیاژ متفاوت است و به سه زیرگروه تقسیم می‌شود:

• فولاد کم کربن (0.03-0.15٪ کربن)
• فولاد کربن متوسط (0.25٪ – 0.50٪ کربن)
• فولاد کربن بالا (0.55٪ – 1.10٪ کربن)

ورق CK45 از جمله ورق های آلیاژی فولاد با کربن متوسط است که به‌علت دارا بودن عنصر کروم در ترکیبات خود، در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم نیست. با افزایش درصد کربن، فولاد سخت‌تر می‌شود و خمش یا جوش آن دشوارتر خواهد شد. فولادهای کم کربن به‌دلیل داشتن هزینه تولید پایین‌تر، شکل‌پذیری بیشتر و افزایش سهولت استفاده در ساخت، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، فولادهای کم کربن بیشتر تحت تنش تغییر شکل می‌دهند، در حالی‌که فولادهای با کربن بالا برای شکستن تحت فشار مساعدتر هستند.

کاربرد ورق آلیاژی فولادهای کم کربن معمولا در پانل‌های بدنه خودرو، پیچ و مهره‌ها، فیکسچرها، لوله‌های بدون درز و ورق فولادی است. ورق A516 از انواع ورق آلیاژی کم کربن است که مقادیر اندکی از فلزات و نافلزاتی مانند فسفر، گوگرد، منگنز و سیلیکون را هم در ساختار خود دارد. از جمله مزایای استفاده از ورق آلیاژی A516 می‌توان به کاربرد آن در صنایع نفت و گاز است.

فولاد ابزاری

فولادهای ابزاری دارای محتوای کربن بین 0.5٪ تا 1.5٪ هستند. فولاد ابزاری حاوی مواد افزودنی دیگری از جمله تنگستن، کروم، وانادیم و مولیبدن است و به‌دلیل سختی زیاد و توانایی در نگه داشتن لبه برش در دماهای بالا معروف شده است. این ویژگی همراه با ویژگی مقاوم بودن در برابر سایش و تغییر شکل، فولاد ابزاری را برای استفاده در ماشین‌کاری و ساخت ابزار مناسب می‌سازد.

فولاد آلیاژی

اگر فنی هستید، حتما متوجه شده‌اید فولادی که در هر یک از این چهار طبقه‌بندی گروهی قرار می‌گیرد نوعی آلیاژ است، اما «فولاد آلیاژی» با «آلیاژهای فولادی» تفاوت دارد. فولاد آلیاژی، فولادی است که حدود 5 درصد عناصر آلیاژی را در ترکیب خود دارد. این عناصر آلیاژی می‌توانند شامل منگنز، کروم، وانادیم، نیکل و تنگستن باشند. افزودن عناصر آلیاژی به فولاد، قابلیت ماشین‌کاری کلی و مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد. بیشترین کاربرد ورق های آلیاژی برای تولید لوله‌ها، به‌ویژه لوله‌هایی برای کاربردهای مرتبط با انرژی و در ساخت عناصر گرمایشی در وسایلی مانند توستر، ظروف نقره، قابلمه، تابه و ظروف مقاوم در برابر خوردگی است. ورق ST52 از جمله ورق‌های آلیاژی پرکاربرد در صنایع زیربنایی است که به علت وجود مقادیر بیشتر سیلیس و منگنز از خاصیت خمش و پیچش بیشتری برخوردار است.

فرایند تولید فولاد آلیاژی

تقریباً همه فلزات به‌عنوان آلیاژ استفاده می‌شوند و اصولا آلیاژهای فلزات خواصی برتر از فلزات خالص دارند. آلیاژسازی به دلایل زیادی مانند افزایش استحکام، افزایش مقاومت در برابر خوردگی یا کاهش هزینه انجام می‌شود. اختلاط آلیاژها با فلزات در حالت مایع نسبتا آسان اما در حالت جامد آهسته و دشوار است، به‌طوری که اکثر آلیاژها با ذوب فلز پایه – به‌عنوان مثال، آهن، آلومینیوم یا مس – و سپس افزودن عوامل آلیاژی ساخته می‌شوند. برای جلوگیری از آلودگی آلیاژی هم باید مراقب بود، هرچند فرایند تصفیه نیز اغلب به‌طور همزمان با ذوب در حالت مایع انجام می‌شود. نمونه‌های تصفیه فولاد در صنعت در فولادسازی شامل موارد زیر است:

• گوگردزدایی از آهن کوره بلند
• کربن‌زدایی آهن در طول تبدیل آن به فولاد
• حذف اکسیژن از فولاد مایع در گاززدایی خلاء
• افزودن ذراتی از عوامل آلیاژی برای رساندن فولاد به ترکیب موردنظر

از سرباره برای محافظت از فلز در برابر اکسیداسیون استفاده می‌شود. بیشتر عناصر آلیاژی مورد نیاز در شارژ اولیه قرار می‌گیرند و ذوب با الکتریسیته یا با گرمایش القایی یا با ذوب قوس الکتریکی انجام می‌شود. ذوب القایی در یک بوته انجام می‌شود، در حالی‌که در ذوب قوس، قطرات ذوب شده از قوس بر روی یک پایه خنک شده با آب چکه می‌کنند و بلافاصله جامد می‌شوند. گاهی اوقات نیز ساختار ناهمگن و مرکب، مورد نظر است (مانند ابزارهای برش کاربید تنگستن سیمانی). در چنین مواردی، آلیاژ ذوب نمی‌شود، بلکه با تکنیک‌های متالورژی پودر ساخته می‌شود.

هدف از تولید ورق آلیاژی

یکی از اهداف تولید ورق آلیاژی، افزایش قدرت و استحکام فلز است که وقتی موانع لغزش به‌طور یکنواخت در سرتاسر دانه‌های کریستالی توزیع شوند، رخ می‌دهد. در بهترین مقیاس، این کار با حل کردن عوامل آلیاژی در زمینه فلزی انجام می‌شود. در این روش، اتم‌های فلزات آلیاژی ممکن است جایگزین اتم‌های ماتریس در مکان‌های معمولی شوند. یا اگر به‌طور محسوسی کوچک‌تر از اتم‌های ماتریس باشند، ممکن است مکان‌هایی را بین مکان‌های معمولی اشغال کنند.

در فلزاتی که در اثر حرارت از یک ساختار بلوری به ساختار دیگر تبدیل می‌شوند (مانند آهن یا تیتانیوم)، تفاوت در حلالیت املاح بین فازهای دمای بالا و پایین اغلب ملاک قرار می‌گیرد. به‌عنوان مثال، در فولادهای کم آلیاژ مورد استفاده برای ابزار و چرخ دنده، کربن رسوب سخت را تشکیل می‌دهد. کربن در فاز fcc با دمای بالا (آهن گاما که آستنیت نیز نامیده می‌شود) بسیار بیشتر از فاز bcc با دمای پایین (آهن آلفا یا فریت) حل می‌شود.

سایر عناصر آلیاژی اضافه شده (مانند کروم، نیکل و مولیبدن) تبدیل آستنیت را در هنگام خنک شدن به تاخیر می‌اندازند، به‌طوری که تبدیل fcc به bcc در دمای پایین توسط یک تبدیل ناگهانی و برشی اتفاق می‌افتد. این موضوع اجازه نمی‌دهد زمانی برای رسوب کربن وجود داشته باشد و فولاد را سخت‌تر می‌کند. گرم کردن مجدد رسوب را درشت می‌کند و در نتیجه شکل‌پذیری ورق آلیاژی را افزایش می‌دهد. معمولاً به این حالت تعدیل می‌گویند.

ویژگی‌های ورق آلیاژی 

افزایش مقاومت در برابر خوردگی، یکی دیگر از اهداف برای بهینه‌سازی کاربرد ورق آلیاژی محسوب می‌شود. آلیاژها می‌توانند مقاومت اکسیداسیون بسیار بهتری نسبت به فلزات خالص در دمای بالا داشته باشند. عناصر آلیاژی که بیشتر برای این منظور استفاده می‌شوند، کروم و آلومینیوم هستند که هر دو لایه‌ای از اکسید پایدار را روی سطح ورق تشکیل می‌دهند که از فلز در برابر اکسیداسیون بیشتر محافظت می‌کند. برای تولید فولاد ضد زنگ، حدود 11 درصد یا بیشتر، کروم به آهن اضافه می‌شود، در حالی‌که معمولاً به سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل یا کبالت که در قطعات با بالاترین درجه حرارت موتورهای جت استفاده می‌شوند، 10 تا 15 درصد کروم و 3 تا 5 درصد آلومینیوم اضافه می‌شود. مهار خوردگی آلیاژها در آب بسیار متنوع‌تر و پیچیده‌تر از مهار اکسیداسیون در دمای بالا است. بااین‌وجود، یکی از رایج‌ترین تکنیک‌ها افزودن عناصر آلیاژی است که از خوردگی جلوگیری می‌کند.

آلیاژسازی همچنین می‌تواند برای کاهش نقطه ذوب یک فلز انجام شود. به‌عنوان مثال، افزودن سرب به قلع، نقطه ذوب آلیاژ غنی از قلع را کاهش می‌دهد و افزودن قلع به سرب، نقطه ذوب آلیاژ غنی از سرب را کاهش می‌دهد. آلیاژ 62 درصد قلع و 38 درصد سرب، که ترکیب یوتکتیک نامیده می‌شود، کمترین نقطه ذوب را در بین تمام فلزات دارد. برای لحیم‌کاری از آلیاژهای سرب-قلع یوتکتیک استفاده می‌شود.

مزایای استفاده از ورق آلیاژی فولاد

اگر پروژه شما به مقاومت در برابر خوردگی پیشرفته، ماشین‌کاری، استحکام یا مجموعه‌ای از کیفیت‌های بالا نیاز داشته باشد، فولاد آلیاژی می‌تواند ویژگی‌های مورد نیاز شما را فراهم کند. با کمک عملیات حرارتی افزوده شده، فولادهای آلیاژی می‌توانند طیف گسترده‌ای از ویژگی‌های مفید زیر را ارائه دهند:

• مقاومت در برابر خوردگی
• افزایش سختی‌پذیری
• استحکام و سختی برتر
• ویژگی‌های آلیاژی منحصر به‌فرد
• لحیم‌کاری بهتر
• دوام بیشتر
• وزن سبک‌تر
• رسانایی گرمایی
• رسانایی الکتریکی

کیفیت متمایز فولاد پرآلیاژ و کم آلیاژ

فولاد پرآلیاژ دارای عناصر آلیاژی (غیر از کربن یا آهن) است که بیش از 8 درصد از ترکیب آن را تشکیل می‌دهد. فولاد ضد زنگ، محبوب‌ترین فولاد پرآلیاژ است که حداقل 10.5٪ کروم، جرم دارد. این نسبت باعث می‌شود فولاد ضد زنگ از مقاومت بیشتری در برابر خوردگی برخوردار باشد. پوشش اکسید کروم نیز به‌عنوان لایه قربانی عمل کرده و زنگ زدگی مواد زیر لایه کروم را کُند می‌کند. فولاد کم آلیاژ فقط با میزان کمی از عناصر دیگر اصلاح می‌شود که مزایای جزئی در سختی‌پذیری، استحکام و ماشین‌کاری آزاد را به آن می‌بخشد. با کاهش محتوای کربن به حدود 0.2٪، فولاد کم آلیاژ استحکام خود را حفظ می‌کند و شکل‌پذیری آن نیز بهبود می‌یابد.

کاربردهای عناصر متداول در ورق آلیاژ فولادی

وقتی صحبت از فولاد به میان می‌آید، عناصر زیادی را می‌توان به مواد پایه این فلز اضافه کرد. عناصر آلیاژی رایج در کاربرد ورق آلیاژی شامل موارد زیر است:

• منگنز: آلیاژ فولادی که همراه با مقادیر کمی گوگرد و فسفر استفاده می‌شود و باعث شکننده‌تر شدن و چکش‌خواری بهتر فولاد می‌شود.
• کروم: درصد کمی کروم (0.5٪ – 2٪) می‌تواند به سخت شدن آلیاژ کمک کند. درصد قابل توجهی از آن نیز (4٪ – 18٪) در جلوگیری از خوردگی اثر دارد.
• وانادیوم: تنها وجود %15/0، این عنصر می‌تواند استحکام، مقاومت در برابر حرارت و بهبود ساختار کلی دانه را افزایش دهد. آلیاژ فولاد در ترکیب با وانادیوم بسیار سخت‌تر می‌شود اما شکل‌پذیری خود را حفظ می‌کند.
• نیکل: تا 5% این عنصر آلیاژی، استحکام فولاد را بهبود می‌بخشد و بیش از 12٪ آن، مقاومت در برابر خوردگی قابل توجهی ایجاد می‌کند.
• تنگستن: مقاومت در برابر حرارت را افزایش می‌دهد و نقطه ذوب بالاتری دارد. ساختار فولاد را هم بهبود می‌بخشد.

کاربرد ورق آلیاژی فولاد

آلیاژهای فولادی را می‌توان به اشکال مختلف برای ساخت پروفیل لوله‌ها، کویل‌ها، سیم‌ها، اتصالات آهنگری، اتصالات لب به لب، فلنج‌ها، بست‌ها، مخازن و غیره استفاده کرد اما کاربردهای صنعتی ورق آلیاژی فولاد شامل موارد زیر است:

• خودروسازی
• معدن
• ساخت ابزار و دستگاه
• راه‌سازی
• راه آهن
• لوازم خانگی
• کشتی‌رانی
• ساختمان‌سازی

سخن پایانی

آلیاژهای فولادی به‌طور سنتی با ترکیب درصدی از عناصر خالص تا زمانی که ترکیب شیمیایی مناسب حاصل شود، تولید می‌شوند. اختلاط کافی در حالت مایع به‌راحتی انجام می‌شود اما در اشکال جامد بسیار کُند و چالش برانگیز است. از جمله مزایای استفاده از ورق آلیاژی و کاربرد ورق آلیاژی می‌توان به کاربرد در فرایندهای خودروسازی، صنایع ساخت و ساز، کشتی‌سازی، راه‌سازی، راه آهن و… اشاره کرد.