مقایسه فولاد کربنی با فولاد ضد زنگ

بسیاری از ما با فولاد ضد زنگ آشنا هستیم و با فولاد کربنی آشنایی چندانی نداریم. هر دو نوع این فولادها اهمیت خاص خودشان را دارند و برای کاربردهای مختلفی تولید می‌شوند. در این مقاله با مقایسه فولاد کربنی و ضد زنگ با هر دو نوع این فولاد آشنا می‌شویم.
فولاد انواع و شکلهای مختلفی دارد از جمله فولاد نرم، فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ و . . . در تمام شکلهای مختلف آن، فولاد به عنوان یک ماده منتخب در ساخت اکثر ابزارها، تجهیزات و تمام سازه‌هایی است که در اطراف خود می‌بینیم. در حقیقت فولاد همراه آهن به صورت گسترده و وسیع توسط بشر به کار گرفته می‌شود به همین دلیل مهم است و باید با فولاد و انواع آن آشنا شویم.
در ادامه ابتدا، در مورد اینکه فولاد چیست و چگونه ساخته می‌شود بحث می‌کنیم سپس با دو نوع پر کاربرد آن یعنی فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ آشنا می‌شویم. در نهایت تفاوتهای اساسی بین این دو نوع فولاد را بررسی می‌کنیم.

فولاد :

به عنوان آلیاژی از آهن و کربن، فولاد با مقاومت کششی بالا و هزینه‌ی پایین آن شناخته می‌شود. آهن خالص به شدت انعطاف پذیر است و برای کاربردهایی که با تنش زیادی درگیرند، مناسب نیست. وقتی که کربن و عناصر دیگر مثل تنگستن، کروم و . . . به آهن خالص اضافه شوند چقرمگی را افزایش می‌دهند، ساختار شبکه‌ی کریستالی را محکم می‌کنند و از نابجاییهای اتمهای آهن جلوگیری می‌کنند.
فولاد بر حسب درصد کربن آن رده‌بندی می‌شود. معمولاً کربن 0.2 تا 2.1 % وزن فولاد را تشکیل می‌دهد. این مقدار بسیار کم، استحکام و صلبیت کافی به فولاد می‌بخشد. این عناصر آلیاژی بر چگالی فولاد که عموماً بین 7750 تا 8050 کیلوگرم بر متر معکب است تأثیر می‌گذارند.
فولاد در ساخت ساختمان‌ها، پل‌ها، استادیوم‌ها و . . . به کار می‌رود. هم چنین در تولید اتوموبیل‌ها، هواپیماها، کشتی‌ها و . . . کاربرد دارد. این ماده در تولید ماشین آلات کوچک و بزرگ در صنعت نیز استفاده می‌شود. حتی بسیاری از وسایل خانگی نظیر لوازم آشپزخانه، مبل و . . . از فولاد ساخته می‌شوند.

فولاد کربنی :

همان طوری که از اسمش پیداست در فولاد کربنی مهم‌ترین عنصر آلیاژی، کربن است. عناصر دیگر ممکن است وجود داسته باشند اما هیچ قانون دقیقی در مورد درصدهای آنها وجود ندارد. کربن توانایی سخت کردن فولاد در طول عملیات حرارتی را دارد اما انعطاف پذیری آن را کاهش می‌دهد. بنابراین اگرچه فولاد کربنی مقاوم‌تر است اما انعطاف پذیری کمی دارد. هم چنین درصد کربن بالاتر فولاد، قابلیت جوش پذیری آن را کاهش می‌دهد.

به طور عمده چهار رده مختلف از فولاد کربنی وجود دارد که درصد واقعی کربن در آنها با یکدیگر فرق می‌کند.
1. فولاد کم کربن یا فولاد نرم: درصد کربن این فولاد بین 0.05 تا 0.3 % است و بسیار انعطاف پذیر و چکش خوار است و به طور گسترده در صنعت استفاده می‌شود.
2. فولاد با کربن متوسط: این فولاد بین 0.25 تا 0.6 % کربن دارد و تعادل مناسبی بین سختی، انعطاف پذیری و چکش خواری دارد و در ساخت ماشین آلات بزرگ و قطعات اتوموبیل کاربرد دارد.
3. فولاد پر کربن: درصد کربن این فولاد بین 0.9 تا 2.5 % است و بسیار مستحکم است و در ساخت سیمهای حامل بار و حلقه های بزرگ استفاده می‌شود.
4. فولاد بسیار کربن بالا: نزدیک 2.5 تا 3 % وزن این نوع فولاد را کربن تشکیل می‌دهد و به شدت مستحکم است اما انعطاف پذیری بسیاری کمی دارد و در ساخت چاقوها، تبرها و . . . کاربرد دارد.
روی وسایلی که با فولاد کربنی ساخته شده‌اند به خصوص چاقوها و تیغه‌ها اگر در تماس با اسید باشند، تغییر رنگ و لکه‌هایی ظاهر می‌شوند. آنهایی که با فولاد پر کربن ساخته شده‌اند به مرور زمان کاملاً سیاه می‌شوند و اگر در تماس با آب باشند خورده می‌شوند. هم چنین فولاد پر کربن که با روشهای عملیات حرارتی سخت شده باشد خواص مغناطیسی خود را حفظ می‌کند.

فولاد ضد زنگ :

فولاد ضد زنگ که به نام فولاد اینوکس مشهور است به خاطر ترکیب شیمیایی‌اش در مقابل اکسیداسیون مقاومت می‌کند. فولاد کربنی معمولی در تماس با آب و رطوبت اکسید شده و زنگ می‌زند. آهن موجود در آن با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل آهن اکسید می‌دهد. این فرآیند ادامه می‌یابد تا اینکه یک لایه آهن اکسید روی سطح تشکیل شود؛ این لایه تشکیل شده فرآیند اکسیداسیون را تسریع می‌کند تا اینکه کل فولاد زنگ بزند.
فولاد ضد زنگ به طور متوسط 10.5 درصد وزنی کروم دارد که مقاومت آن را در برابر خوردگی تضمین می‌کند. در سطح مولکولی کروم با اکسیژن ترکیب شده و یک لایه اکسید کروم تشکیل می‌دهد که داخلی است. فولاد ضد زنگ قادر است که تمام خواص فولاد معمولی را داشته باشد و هم زمان هم از خوردگی محافظت کند.
فولاد ضد زنگ در تمام محل‌هایی که رطوبت و آب وجود دارد و از فولاد معمولی نمی‌توان استفاده کرد، به کار می‌رود. 150 رده مختلف از فولاد ضد زنگ وجود دارد که در ساخت پل، لوازم آشپزخانه، قطعات اتوموبیل، هواپیما و . . . استفاده می‌شود. هم چنین به خاطر جلا و درخشندگی‌اش در وسایلی چون زیورآلات و مجسمه‌ها نیز کاربرد دارد. از لحاظ خواص مغناطیسی، فولاد ضد زنگ در ماهیت غیر مغناطیس است.

مقایسه فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ :

- فولاد ضد زنگ مقدار کروم بیشتری نسبت به فولاد کربنی دارد.
- کروم موجود باعث تشکیل یک لایه اکسید کروم روی فولاد ضد زنگ وقتی در تماس با آب و رطوبت باشد، می‌شود. این لایه در فولاد کربنی وجود ندارد.
- لایه کروم محافظ فولاد ضد زنگ را نسبت به خوردگی کمتر مستعد می‌کند در حالی که فولاد کربنی به آسانی زنگ می‌زند.
- فولاد ضد زنگ برای محیطهای نرم و مرطوب و فولاد معمولی برای محیطهای خشک مناسب است.
- معمولاً آلیاژها نسبت به فلزات خالص گرمای کمتری را از خود عبور می‌دهند. حضور حداقل 10.5 % کروم در فولاد ضد زنگ هدایت گرمایی آن را کاهش می‌دهد. فولاد کربنی و هم چنین آلیاژها درصد ناخالصی کمتری به شکل کربن دارند بنابراین هدایت گرمایی بیشتری دارند.
- کروم به علت مقاومت خوردگی به فولاد ضد زنگ اضافه می‌شود. اما درصد کربنی که می تواند به آن اضافه شود را کاهش می‌دهد چون به طور شیمیایی با کربن واکنش می‌دهد. بنابراین فولاد ضد زنگ کربن کمتری دارد در نتیجه استحکام و سختی کمتری نسبت به فولاد کربنی دارد.
- تقریباً تمام رده‌های فولاد کربنی مغناطیس هستند اما مقدار کمی از فولادهای ضد زنگ مغناطیس هستند.
- فولاد کربنی نرم نسبت به فولاد ضد زنگ چکش خوارتر و انعطاف پذیرتر است و هم چنین جوش پذیری بهتری دارد.
- فولاد کربنی بیشترین حجم تولید را به خود اختصاص می‌دهد چون به طور وسیعی در صنایع استفاده می‌شود. فولاد ضد زنگ در زیورآلات و تزئینات استفاده می‌شود و در منازل، معماری و . . . کاربرد دارد.
- در پروژه‌های بزرگ که حجم زیادی از فولاد نیاز است، فولاد کربنی به علت هزینه‌ی پایین آن نسبت به فولاد ضد زنگ انتخاب بهتری است.
فولاد کربنی و ضد زنگ مزایایی نسبت به آهن خام چون افزایش استحکام کششی دارند. علاوه بر این هر کدام ویژگی‌های منحصر به خود را دارند که آنها را برای کاربردهای خاص مناسب می‌سازند. آشنایی با هر یک از این ویژگی‌ها در انتخاب درست هر کدام مفید است.