فولاد HSLA یا میکروآلیاژی (مشخصات و انواع، کاربرد، تولید)

مقدمه

فولادهای آلیاژی به‌دلیل ویژگی‌ها و مزایای متنوعی که ارائه می‌دهند، در صنایع مختلف، بسیار پرکاربرد هستند. یکی از این فولادها، فولاد HSLA نام دارد که به آن فولاد‌ «میکروآلیاژی» نیز گفته می‌شود. فولادهای HSLA حاوی مقادیر کمی از عناصر آلیاژی هستند. در این مقاله می‌خواهیم فولادهای میکروآلیاژی را تعریف کنیم و کاربردها، روش‌های ساخت، ترکیبات شیمیایی، خواص و موارد دیگر مربوط به آن را بیان کنیم. اگر شما هم می‌خواهید با صفرتا‌صد فولاد HSLA آشنا شوید، تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.

فولاد HSLA چیست؟

«HSLA» مخفف فولاد کم آلیاژ با مقاومت بالا (High Strength Low Alloy) است. همان‌طور که از نام آن پیداست، این نوع فولاد علاوه‌بر آهن و کربن معمولی، تنها مقادیر کمی عناصر آلیاژی مثل گوگرد، فسفر، مولیبدن و سیلیکون را دارد. این عناصر آلیاژی استحکام و خواص مکانیکی فولاد را افزایش می‎دهند. فولاد HSLA با ترکیب خواص عالی از‌جمله استحکام، چقرمگی و شکل‌پذیری بالا شناخته شده است، در مقایسه با فولاد کربنی، سختی بیشتری دارد و در برابر عملیات حرارتی مقاوم‌تر است.

دسته‌بندی فولاد HSLA

فولادهای HSLA به چند دستۀ مختلف طبقه‌بندی می‌شوند که هر کدام برای پاسخ‌گویی به کاربردهای ویژۀ خواص مکانیکی طراحی شده‌اند. آن‌ها به نام‌های زیر شناخته می‌شوند:

• فولاد corten یا هوازده (Weathering steels)
• فولاد Control-rolled
• فولاد پرلیتی (Pearlite-reduced steel)
• فولاد فریتی سوزنی (Acicular ferrite steel)
• فولاد دو فازی (Dual-phase steel)

ناگفته نماند که کورتن به‌دلیل مقاومت در برابر خوردگی جوی و استحکام کششی بالا مشهور است.

فولادهای میکروآلیاژی چه کاربردی دارند؟

فولاد HSLA به‌دلیل دارا بودن استحکام، چقرمگی و سایر خواص مطلوب در طیف وسیعی از کاربردها استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای رایج فولاد HSLA عبارت‌اند از:

1. اجزا و قطعات خودرو مثل شاسی، زیرقاب، چرخ‌ها و سیستم تعلیق
2. ساخت‌و‌ساز ساختمان، پل‌ها و پروژه‌های زیربنایی با مصالح دارای مقاومت بالا برای تحمل بارهای سنگین و شرایط محیطی
3. خطوط لوله برای انتقال نفت، گاز و سایر سیالات
4. بدنۀ کشتی و سایر اجزای حیاتی دریایی
5. کاربردهای مهندسی سازه شامل ساختمان‌های بلند، استادیوم‌ها و تأسیسات صنعتی
6. تجهیزات و سازه‌ها در صنعت نفت و گاز از‌جمله دکل‌های حفاری، مخازن ذخیره‌سازی و سکوهای دریایی

مراحل تولید فولاد HSLA

فولاد HSLA تقریبا مانند سایر انواع فولاد و با طی مراحل زیر تولید می‌شود:

1. مخلوط کردن سنگ‌آهن و زغال‌سنگ در کوره
2. ذوب مواد با حرارت بالا و از بین بردن مقداری از ناخالصی
3. استفاده از فرمول آلیاژی خاص بسته به نوع فولاد
4. حذف ناخالصی‌های باقی‌مانده در فولاد پس‌از رسیدن به ترکیب شیمیایی مناسب
5. تبدیل مواد به شمش جامد [به‌شکل مستطیلی بزرگ] پس‌از خنک شدن فولاد
6. پردازش بیشتر شمش برای رسیدن به اندازه و شکل نهایی

رایج‌ترین نوع فولاد HSLA

رایج‌ترین نوع فولاد HSLA بسته به منطقه و کاربردهای خاص می‌تواند متفاوت باشد. با‌این‌حال، یکی از مدل‌های محبوب به نام ASTM A572 Grade 50 شناخته می‌شود. این آلیاژ توازن بین استحکام، جوش‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی را ایجاد می‌کند و آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای ساختاری در ساخت‌و‌ساز و سایر صنایع مناسب می‌کند.

 یکی دیگر از گریدهای بسیار محبوب HSLA ASTM A36 بوده که یک آلیاژ همه‌منظوره است. این آلیاژ مقرون‌به‌صرفه، با قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری راحت مناسب طیف گسترده‌ای از کاربردهای مکانیکی است و عمدتا برای سازه‌ها استفاده می‌شود.

ترکیب شیمیایی فولاد HSLA

فولادهای HSLA معمولا بین 0.25درصد تا 0.05 درصد کربن تا 2درصد منگنز دارند. با‌این‌حال، از‌آنجایی‌که گریدهای بسیار متفاوتی از فولاد میکروآلیاژی در بازار دیده می‌شود که هر کدام ترکیب آلیاژی خاص خود را دارند، هیچ لیست ترکیب شیمیایی واحدی وجود ندارد. ترکیبات شیمیایی دو آلیاژ ASTMA572 و A656  در جداول 1 و 2 در ادامه آورده شده است.

عناصری که به فولاد اضافه می‌شوند، چه نقشی را ایفا می‌کنند؟

• کربن (C): افزایش مقاومت در برابر خوردگی (به‌طور معمول بین 0.05٪ و 0.25٪)
• منگنز (Mn): بهبود خاصیت چقرمگی (تافنس) و استحکام
• وانادیوم (V): ریزدانه کردن، افزایش استحکام و چقرمگی
• نیوبیم (Nb): ریزدانه کردن و پیرسختی
• تیتانیوم (Ti): ریزدانه کردن و جلوگیری از رشد دانه‌ها
• مس (Cu): افزایش مقاومت در برابر خوردگی
• نیکل (Ni)، کروم (Cr) و مولیبدن (Mo): افزایش سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی

ویژگی‌ها

فولادهای HSLA دارای چندین ویژگی اصلی هستند که آن‌ها را ارزشمند و متمایز می‌کند؛ از‌جملۀ این ویژگی‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. به‌طور قابل توجهی مستحکم‌تر از فولاد کربنی استاندارد با ضخامت مشابه هستند. نسبت مطلوب استحکام به وزن یکی از مهم‌ترین ویژگی آن‌ها است که باعث مناسب بودنشان برای طراحی‌های سبک وزن و در عین حال مستحکم می‌شود.
2. چقرمگی و مقاومت خوبی در برابر شکست دارند. این امر باعث می‌شود که بادوام باشند و در برابر ضربه و تنش بدون شکستگی مقاومت کنند.
3. شکل‌پذیری راحتی دارند بدون اینکه بخواهند استحکام یا یکپارچگی ساختاریشان را از دست بدهند.
4. این فولادها جوش‌پذیری خوبی دارد.
5. برخی از گریدهای فولاد HSLA برای مقاومت در برابر خوردگی طراحی شده‌اند.
6. فولاد HSLA غالبا انعطاف‌پذیر بوده که باعث می‌شود قطعات بدون شکستگی کشیده یا تغییر شکل دهند.
7. در انواع مختلف موجود هستند که هر کدام ترکیبی از خواص ویژه خود را دارند که امکان انتخاب دقیق براساس نیازهای خاص را فراهم می‌کند.
8. خاصیت مغناطیسی دارند. خواص مغناطیسی فولاد عمدتا تحت‌تأثیر میزان آهن آن است و ازآنجایی‌که فولادهای میکروآلیاژی حاوی مقادیر قابل توجهی آهن هستند، عموما مغناطیسی‌اند. بااین‌حال، درجۀ مغناطیسی آن بسته به ترکیب خاص و پردازش فولاد HSLA متفاوت است.

فولاد HSLA سخت است یا نرم؟

فولادهای HSLA بسته به گریدشان و میزان عملیات حرارتی می‌توانند سطوح سختی متفاوتی داشته باشند. آن‌ها ذاتا به‌عنوان «سخت» یا «نرم» طبقه‌بندی نمی‌شوند با توجه به سختی فولاد HSLA می‌توان آن را برای نیاز‌های خاص استفاده کرد.

برخی از گریدهای این فولاد استحکام بالایی دارند و آن‌ها را برای کاربردهایی مناسب می‌سازد که در آن سختی از عوامل ضروری‌ست مثل ساخت ابزارهای برش. این گریدها معمولا تحت فرآیندهای عملیات حرارتی قرار می‌گیرند تا به‌سختی مورد نظر دست یابند.

از سوی دیگر، گریدهای دیگری نیز وجود دارند که برای حفظ شکل‌پذیری و چقرمگی خوب و در عین حال استحکام کافی مهندسی شده‌اند. این گریدها ممکن است مقادیر سختیِ فوق‌العاده بالایی نداشته باشند و در مقایسه با انواع سخت‌تر، نسبتا «نرم» در نظر گرفته می‌شوند.

جدول خواص 2 گرید فولاد میکروآلیاژی

خواص فولاد HSLA گریدهای A572-50 و A36 به‌صورت خلاصه در جدول3 نشان داده شده است.

تنش کششی نهایی

استحکام کششی نهایی برای گریدهای مختلف HSLA متفاوت است، اما این فولادها معمولا تا 450 مگاپاسکال با شکل‌پذیری تا 30درصد می‌رسند.

استحکام تسلیم فولاد HSLA

در شرایط نوردشده، اکثر فولادهای HSLA دارای استحکام تسلیم بالایی هستند که بیش از 275 مگاپاسکال است. مقادیر دقیق استحکام تسلیم برای انواع فولاد HSLA متفاوت خواهد بود.

اَشکال رایج

فولاد میکروآلیاژی را می‌توان در شکل‌های مختلف متناسب با کاربردهای متفاوت خریداری کرد. اشکال رایج عبارت‌اند از:

• ورق و کلاف

فولاد HSLA اغلب به‌شکل ورق یا کویل تولید می‌شود که برای مواردی مانند پانل‌های بدنۀ خودرو، اجزای ساختمانی و ساخت‌وساز عمومی استفاده می‌شود.

• صفحه

این صفحات فولادی ضخیم‌تر از ورق‌ها هستند و معمولا در کاربردهای سازه‌ای مثل ساخت‌و‌ساز ساختمان، پل‌ها و اجزای تجهیزات بزرگ استفاده می‌شوند.

• میله

میلگردهای فولادی HSLA در اشکال مختلف از‌جمله میله گرد، مربع و تخت موجود هستند. به‌دلیل استحکام و شکل‌پذیری بالا برای شفت‌ها، بست‌ها و اجزای ساختاری مناسب هستند.

• لوله‌ و تیوب‌

فولاد HSLA را می‌توان به لوله‌ها و تیوب‌ها برای کاربرد در مواردی چون صنعت خودروسازی، ساخت‌و‌ساز زیرساخت‌ها و خطوط لوله نفت و گاز تبدیل کرد.

• برای ساختن شکل‌های مختلف

فولاد HSLA برای تولید شکل‌های مختلف از‌جمله تیرهای I، کانال‌ها و نبشی‌ها استفاده می‌شود. این موارد غالبا در صنعت ساخت‌و‌ساز ساختمان و سایر کاربردهای سازه‌ای به کار می‌روند.

معادل گریدهای فولاد HSLA

معادل برخی از گریدهای رایج فولاد HSLA در جدول 4 فهرست شده است:

مزایای فولاد HSLA

1. آن‌ها استحکام قابل توجه بالاتری نسبت به فولاد معمولی با ضخامت مشابه دارند.
2. نسبت استحکام به وزن فولاد HSLA باعث کاهش وزن در کاربردهایی مانند خودروسازی، هوافضا و ساخت‌و‌ساز می‌شود.
3. آن‌ها برای حفظ چقرمگی خوب و مقاومت در برابر ضربه، مهندسی شده‌اند.
4. فولاد HSLA با وجود استحکام بالا، انعطاف‌پذیر و شکل‌پذیر است.
5. برخی از گریدهای فولاد HSLA به‌طور خاص برای مقاومت در برابر خوردگی طراحی شده‌اند.

معایب

1. در برخی موارد، فولاد HSLA به‌دلیل عناصر آلیاژی گران و فرآیندهای ساخت تخصصی می‌تواند گران‌تر از فولاد معمولی باشد.
2. افزایش استحکام فولاد میکروآلیاژی، کاهش انعطاف‌پذیری را به همراه دارد و در نتیجه ظرفیت کمتری برای خم شدن یا کشش بدون شکست ایجاد می‌کند.

فولاد میکروآلیاژی چه تفاوتی با فولاد معمولی دارد؟

مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مثل نیوبیم، وانادیم و تیتانیوم، علاوه‌بر آهن و کربن را در خود جای داده است. این عناصر استحکام فولاد را افزایش می‌دهند و در عین حال میزان کربن نسبتا کمی را دارا هستند. این عامل منجر به افزایش نسبت مقاومت به وزن فولاد  HSLA در مقایسه با فولاد معمولی می‌شود.

فولاد HSLA علی‌رغم استحکام بالا، شکل‌پذیری خوبی دارد، بنابراین می‌توان آن را به شکل‌های پیچیده با همان استحکام درآورد. معمولا برای قطعات خودرو، تجهیزات ساختمانی و عناصر ساختاری استفاده می‌شود. در مقابل، فولاد معمولی تقریبا به‌طور کامل از آهن و کربن به‌عنوان اجزای اصلی تشکیل شده است و فاقد عناصر آلیاژی و خواص بهبود یافته در مقایسه با فولاد HSLA است. 

آیا HSLA همان فولاد ضد زنگ است؟

خیر؛ فولاد HSLA مشابه فولاد زنگ نزن هم نیست. این دو نوع فولاد متمایز هستند و ترکیبات و خواص متفاوتی دارند.

10

دقیــقه مطالعه

فولاد زنگ نزن یا استنلس استیل (Stainless Steel)

در میان فولادهای آلیاژی، فولاد زنگ نزن نامی آشنا محسوب می شود که تاکنون بارها نا...

فولاد HSLA همان‌طور که از نامش پیداست با استحکام بالا و میزان عنصر آلیاژی کم شناخته می‌شود. معمولا میزان کربن و منگنز در کنار میزان کمی از عناصر آلیاژی مانند نیوبیم، وانادیم، تیتانیوم و غیره است. فولاد HSLA به‌گونه‌ای طراحی شده که جوش‌پذیری و شکل‌پذیری خوبی را دارا باشد. معمولا در کاربردهایی که نیاز به تعادل میان استحکام و سایر خواص دارند، مانند ساخت‌و‌ساز، خودروسازی و اجزای ساختاری استفاده می‌شود.

درحالی‌که فولاد ضد‌زنگ، یک آلیاژ فولادی مقاوم در برابر خوردگی است که حاوی مقدار قابل توجهی کروم (معمولا حداقل 10.5) است. مقدار بالای کروم یک لایه محافظ از اکسید کروم بر روی سطح فولاد تشکیل می‌دهد که فولاد ضدزنگ را مقاوم در برابر خوردگی می‌کند. فولاد ضدزنگ در گریدها و انواع مختلفی مانند آستنیتی، فریتی و مارتنزیتی وجود دارد که هر کدام خواص و کاربردهای خاص خود را دارند. این مورد به‌طور گسترده در کاربردهایی استفاده می‌شود که خواص مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی ضروری است مثل لوازم آشپزخانه، کارد و چنگال، تجهیزات پزشکی و سازه‌های معماری.

تفاوت بین فولاد HSLA و فولاد DP چیست؟

فولادهای DP (دو فازی) دارای ویژگی‌های هستند که آن‎ها را از فولاد HSLA متمایز می‌کند.

1. فولاد DP از دو فاز اولیه تشکیل شده‌ است. یک فاز فریت نرم که مناطقی از اجزای فاز مارتنزیت سخت‌تر را احاطه کرده است. فریت، فولاد DP را بسیار انعطاف‌پذیر می‌کند درحالی‌که مارتنزیت به استحکام کششی چشمگیر آن‌ها کمک می‌کند.
2. یکی از تمایزهای مهم، در «فرآیند تولید» است. فولاد DP به تجهیزات تخصصی و کنترل دقیق بر روی شیمی، خنک‌کاری و فرآوری نیاز دارند که فقط کارخانه‌های خاصی می‌توانند به آن دست یابند. این در حالی است که فولادهای HSLA را می‌توان در اکثر کارخانه‌های ورق فولادی تولید کرد.
3. تفاوت دیگر در «سازگاری فولاد» در بین فولادسازان مختلف است. فولاد میکروآلیاژی خواص و ترکیب ثابتی را در بین تولید‌کنندگان دارد اما تولید ریزساختار فولاد DP براساس تجهیزات و قابلیت‌ها متفاوت است که منجر به تفاوت در شیمی مذاب فولاد، به‌ویژه از نظر کربن معادل و جوش‌پذیری می‌شود.
4. «شکل‌پذیری» نیز یک تمایز کلیدی است. فولادهای DP به‌راحتی شکل می‌گیرند، همان‌طور که با نسبت مقاومت تسلیم به استحکام کششی کمتر (YS/TS) و کرنش سخت‌شوندگی بالاتر (n-value) در محدودۀ کرنش کمتر نشان داده می‌شود. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که فلز در طول شکل‌گیری کرنش را به‌طور یکنواخت توزیع شود.
5. فولادهای DP همچنین از «سخت شدن هنگام پخت» بهره‌مند هستند و استحکام تسلیم آن‌ها را از طریق سخت شدن در طول شکل‌دهی افزایش می‌دهد.

جمع‌بندی

در این مقاله به معرفی فولاد HSLA یا همان میکروآلیاژی پرداختیم که به‌خاطر ویژگی‌های منحصر‌به‌فردش یکی از پرکاربردترین فولادهای آلیاژی است. همان‌طور که بیان شد، فولاد میکر‌وآلیاژی که به آن فولاد کم آلیاژ با مقاومت بالا هم گفته می‌شود استحکام، مقاومت در برابر حرارت، شکل‌پذیری و چقرمگی بالایی دارد. همۀ این عوامل دست‌به‌دست هم داده‌اند تا مصارف این فولاد را در صنایع مختلف بیش از پیش کنند.  این مورد تا‌حدی پیش رفته که به‌جرات می‌توان گفت حذف این فولاد از صنعت امروز جهان غیرممکن است.