انواع فولاد صنعتی؛ جدول گریدها، معادل‌ها، خواص و سختی

اگر به دنبال جدول انواع فولاد، مشخصات فولادهای صنعتی، معادل فولادها، فولادهای قابل عملیات حرارتی، جدول سختی فولادها یا انتخاب فولاد مناسب برای قطعات صنعتی هستید، این صفحه یک مرجع مهندسی برای مقایسه گریدهای پرکاربرد فولاد و استنلس استیل است.

در این دانشنامه، گریدهای مهم فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی، فولادهای سمانته، فولادهای مناسب چرخ‌دنده و گیربکس، فولادهای بلبرینگ و فنر، فولادهای ابزار و فولادهای زنگ‌نزن بررسی می‌شوند و برای هر گروه، نام گرید، شماره متریال، استانداردهای DIN و EN، AISI/SAE، JIS، UNS، کاربرد، سختی، خواص مهندسی و روش‌های عملیات حرارتی بررسی می‌شود.

هدف این جدول فقط معرفی نام فولادها نیست؛ بلکه کمک به مهندس، طراح، سازنده، تعمیرکار و واحد خرید برای انتخاب متریال مناسب قطعه، بررسی گریدهای نزدیک و تصمیم‌گیری درباره عملیات حرارتی است.

جدول سریع انواع فولادهای صنعتی

در جدول زیر تعدادی از پرکاربردترین فولادهای مهندسی و استنلس استیل را می‌بینید. برای بررسی دقیق هر گرید، به بخش مربوط به همان فولاد مراجعه کنید.

فولادهای قابل عملیات حرارتی چیستند؟

فولاد قابل عملیات حرارتی به فولادی گفته می‌شود که بتوان با کنترل چرخه گرمایش و سرمایش، ساختار متالورژیکی و در نتیجه خواصی مانند سختی، استحکام، چقرمگی، مقاومت سایشی یا مقاومت خستگی آن را تغییر داد.

قابلیت عملیات حرارتی یک فولاد به ترکیب شیمیایی، مقدار کربن، عناصر آلیاژی، ابعاد قطعه، ساختار اولیه و سیکل حرارتی بستگی دارد. بنابراین نمی‌توان صرفاً با دیدن نام یک گرید، عملیات حرارتی مناسب را تعیین کرد.

مهم‌ترین فولادهای قابل عملیات حرارتی

جدول عملیات حرارتی فولادها

نوع عملیات حرارتی باید بر اساس گرید فولاد، ترکیب شیمیایی، ابعاد قطعه، خواص موردنیاز و استاندارد مربوط به متریال تعیین شود. جدول زیر یک راهنمای کلی برای شناخت فرآیندهاست و جایگزین دستورالعمل حرارتی کارخانه یا استاندارد متریال نیست.

جدول سختی انواع فولاد

سختی فولاد یک مقدار ثابت مستقل از وضعیت متریال نیست و می‌تواند با عملیات حرارتی، شرایط تحویل، ریزساختار و روش آزمون تغییر کند. بنابراین هنگام مقایسه سختی باید وضعیت متریال و مقیاس سختی، مانند HB، HRC یا HV، مشخص باشد.

چگونه فولاد مناسب را انتخاب کنیم؟

انتخاب فولاد مناسب برای یک قطعه صنعتی فقط با مقایسه نام گریدها انجام نمی‌شود. ابتدا باید کاربرد قطعه و شرایط کاری مشخص شود.

1. نوع قطعه: شفت، محور، چرخ‌دنده، رول، بوش، بلبرینگ، پین، ابزار یا قطعه جوشی.
2. بارگذاری: بار استاتیکی، دینامیکی، ضربه‌ای یا سیکلی.
3. سایش: میزان تماس، لغزش، ضربه و سایش مورد انتظار.
4. محیط کاری: رطوبت، مواد شیمیایی، کلرید، دما و شرایط خورنده.
5. خواص موردنیاز: استحکام، سختی، چقرمگی، مقاومت خستگی یا مقاومت سایشی.
6. فرآیند ساخت: ماشینکاری، فورج، ریخته‌گری، جوشکاری و سنگ‌زنی.
7. عملیات حرارتی: سمانته، نیتراسیون، سختکاری القایی، کوئنچ و تمپر یا سایر فرآیندهای مناسب.
8. استاندارد و گواهی متریال: استاندارد محصول، شرایط تحویل و Mill Test Certificate باید بررسی شود.

بهترین فولاد برای شفت، چرخ‌دنده و گیربکس کدام است؟

یک گرید واحد را نمی‌توان برای تمام قطعات «بهترین» دانست. انتخاب فولاد به بار، ابعاد، سرعت، تنش، سایش، روش ساخت و عملیات حرارتی موردنیاز بستگی دارد.

برای مثال، C45 / CK45 در بسیاری از کاربردهای شفت و محور استفاده می‌شود؛ 4140 / 42CrMo4 برای قطعاتی که به استحکام و سختی‌پذیری بالاتری نیاز دارند کاربرد دارد؛ و فولادهایی مانند 16MnCr5، 20MnCr5، 18CrNiMo7-۶ و ۸۶۲۰ در طراحی قطعات سمانته مانند چرخ‌دنده و اجزای گیربکس مورد توجه هستند.

بنابراین به جای انتخاب فولاد صرفاً بر اساس نام تجاری یا یک جدول معادل‌سازی، باید استاندارد، ترکیب شیمیایی، وضعیت تحویل، خواص مکانیکی و سیکل عملیات حرارتی بررسی شود.

هشدار مهندسی: گریدهایی که در جداول مختلف به‌عنوان «معادل» یا «نزدیک» معرفی می‌شوند الزاماً جایگزین کامل یکدیگر نیستند. برای ساخت یا تعمیر قطعه صنعتی، استاندارد محصول، شرایط تحویل، خواص مکانیکی و گواهی متریال را بررسی کنید.

مبانی: فولاد و سیستم‌های نام‌گذاری

فولاد چیست؟

فولاد آلیاژی بر پایه آهن است که کربن و عناصر آلیاژی مختلف در آن وجود دارند.

مقدار کربن و عناصر آلیاژی روی خواصی مانند:

• استحکام کششی
• تنش تسلیم
• سختی
• چقرمگی
• مقاومت به سایش
• مقاومت خستگی
• سختی‌پذیری
• مقاومت خوردگی
• ماشینکاری
• جوشکاری
• قابلیت عملیات حرارتی

تأثیر می‌گذارند.

سیستم‌های نام‌گذاری فولاد

برای یک فولاد ممکن است چند نام مختلف وجود داشته باشد.

برای مثال:

42CrMo4

یک نام اروپایی بر اساس سیستم EN است.

همین فولاد در بازار ممکن است با نام:

AISI 4140

شناخته شود.

در بعضی منابع نیز نام:

UNS G41400

دیده می‌شود.

در نتیجه یک قطعه ممکن است در بازار با چند نام شناخته شود، اما این موضوع به معنی یکسان بودن کامل تمام استانداردها نیست.

DIN، EN، Werkstoff، AISI، SAE، ASTM، ASME، JIS و UNS چیست؟

DIN

استانداردهای آلمان هستند.

EN

استانداردهای اروپایی هستند.

Werkstoffnummer

شماره متریال اروپایی/آلمانی است.

مثلاً:

1.7225 = 42CrMo4

AISI

سیستم نام‌گذاری گریدهای فولاد در American Iron and Steel Institute است.

SAE

سیستم نام‌گذاری SAE برای فولادهای مهندسی بسیار رایج است.

در بسیاری از گریدها نام AISI/SAE به شکل مشترک استفاده می‌شود.

ASTM

ASTM بیشتر مشخصات محصول، روش آزمون و استاندارد مواد را تعریف می‌کند و همیشه یک «معادل گرید» مستقیم برای یک DIN نیست.

ASME

ASME در حوزه‌هایی مانند تجهیزات تحت فشار، بویلر، مخازن، لوله‌کشی و مواد مورد استفاده در این تجهیزات استانداردهای تخصصی دارد.

بنابراین برای یک فولاد باید مشخص کرد:

ASME Section + Material Specification + Grade

و نباید صرفاً یک نام ASTM را به‌عنوان «معادل ASME» معرفی کرد.

JIS

استاندارد صنعتی ژاپن است.

UNS

سیستم Unified Numbering System برای شناسایی آلیاژها است.

جدول جامع فولادهای پرکاربرد صنعت

برخی جدول‌های تجاری نیز همین روابط را برای ۴۱۴۰/42CrMo4، ۴۳۴۰/34CrNiMo6، ۵۲۱۰۰/100Cr6 و ۱۷-4PH/۱.۴۵۴۲ نشان می‌دهند.

فولادهای کربنی و آلیاژی

فولادهای کربنی عمدتاً بر اساس مقدار کربن دسته‌بندی می‌شوند.

فولاد کم‌کربن

نمونه:

• ST37
• S235
• A36

کاربرد:

• سازه
• شاسی
• ورق
• قطعات جوشی
• قطعات عمومی

فولاد متوسط کربن

مهم‌ترین نمونه:

CK45 / C45 / AISI 1045

کاربرد:

• شفت
• محور
• پین
• رول
• بوش
• قطعات انتقال قدرت

CK45 / C45 / AISI 1045

نام‌های رایج:

• CK45
• C45
• C45E
• AISI 1045
• SAE 1045
• JIS S45C
• DIN C45
• EN C45
• Werkstoff 1.0503

در برخی منابع مقایسه‌ای S45C و ۱۰۴۵ به‌عنوان گریدهای نزدیک معرفی می‌شوند، اما برای جایگزینی قطعه باید استاندارد محصول و شرایط تحویل بررسی شود.

کاربردها

• شفت
• محور
• پین
• رول
• چرخ
• فلکه
• قطعات ماشین‌آلات

عملیات حرارتی

• آنیل
• نرماله
• سختکاری
• تمپر
• سختکاری القایی

فولادهای آلیاژی

فولادهای آلیاژی دارای عناصر آلیاژی مانند:

• Cr
• Ni
• Mo
• Mn
• Si
• V
• Ti
• B
• W

هستند.

هدف از آلیاژسازی می‌تواند افزایش:

• استحکام
• سختی‌پذیری
• چقرمگی
• مقاومت سایشی
• مقاومت خستگی
• مقاومت حرارتی

باشد.

فولاد ۴۱۴۰ / 42CrMo4

نام‌های رایج

• AISI 4140
• SAE 4140
• 4140
• 42CrMo4
• DIN 42CrMo4
• EN 42CrMo4
• Werkstoff 1.7225
• UNS G41400
• JIS SCM440
• JIS SCM440H
• EN19 / 709M40 در برخی بازارها به‌عنوان گرید تجاری نزدیک

نکته مهم

EN19 و ۴۱۴۰ در بسیاری از جداول تجاری به‌عنوان معادل یا نزدیک معرفی می‌شوند، اما استانداردهای دقیق، ترکیب و خواص را باید جداگانه کنترل کرد.

کاربرد

• شفت
• محور
• چرخ‌دنده
• پین
• قطعات هیدرولیک
• قطعات انتقال قدرت
• قطعات تحت بار
• قطعات گیربکس

عملیات حرارتی

• آنیل
• نرماله
• کوئنچ و تمپر
• سختکاری القایی
• نیتراسیون

فولاد ۴۳۴۰ / 34CrNiMo6

نام‌های رایج

• AISI 4340
• SAE 4340
• 4340
• 34CrNiMo6
• DIN 34CrNiMo6
• EN 34CrNiMo6
• Werkstoff 1.6582
• UNS G43400
• EN24
• 817M40
• SNCM439

34CrNiMo6 معمولاً به‌عنوان نزدیک‌ترین معادل اروپایی ۴۳۴۰ مطرح می‌شود، ولی ۴۳۴۰ یک معادل EN کاملاً یکسان ندارد و باید مشخصات مکانیکی و استاندارد محصول بررسی شود.

کاربرد

• شفت‌های سنگین
• محور
• چرخ‌دنده
• قطعات هوافضا
• قطعات تحت بار دینامیکی
• قطعات انتقال قدرت

فولادهای سمانته

فولاد سمانته برای ایجاد:

سطح سخت + مغز چقرمه

طراحی می‌شود.

در فرآیند سمانتاسیون، کربن به سطح فولاد نفوذ می‌کند.

سپس با عملیات حرارتی مناسب، لایه سطحی سخت می‌شود.

فولادهای BOZ

اصطلاح BOZ در بازار ممکن است به شکل تجاری یا عرفی استفاده شود و نباید بدون مشاهده استاندارد یا آنالیز شیمیایی آن را معادل قطعی یک گرید خاص دانست.

بنابراین برای متریالی که در بازار با نام BOZ معرفی می‌شود باید این موارد مشخص شوند:

• آنالیز شیمیایی
• استاندارد
• شماره متریال
• گواهی Mill Test Certificate
• سختی
• عملیات حرارتی
• کاربرد قطعه

اگر در یک کارخانه یا سازنده، BOZ به یک فولاد مشخص اشاره کند، می‌توان با انجام OES و بررسی ترکیب شیمیایی، نزدیک‌ترین گرید استاندارد را تعیین کرد.

BOZ را نباید بدون مدرک به‌عنوان معادل قطعی 16MnCr5، 20MnCr5، ۸۶۲۰ یا هر فولاد دیگری معرفی کرد.

فولاد 16MnCr5

نام‌ها

• 16MnCr5
• DIN 16MnCr5
• EN 16MnCr5
• Werkstoff 1.7131
• SAE ۵۱۱۵ به‌عنوان گرید نزدیک
• JIS SCr415 به‌عنوان گرید نزدیک
• ISO 683-3 family
• AFNOR 16MC5 در جداول تطبیقی
• UNI 16MnCr5 در برخی جداول تجاری

برخی منابع مقایسه‌ای 16MnCr5 را در کنار SAE ۵۱۱۵ و JIS SCr415 قرار می‌دهند، اما اینها را نباید بدون بررسی استاندارد، «یکسان» فرض کرد.

کاربرد

• چرخ‌دنده
• پینیون
• شفت
• قطعات گیربکس
• قطعات انتقال قدرت
• قطعات مقاوم به سایش

عملیات حرارتی

• کربوره
• سختکاری
• کوئنچ
• تمپر

فولاد 20MnCr5

نام‌ها

• 20MnCr5
• DIN 20MnCr5
• EN 20MnCr5
• Werkstoff 1.7147
• SAE ۵۱۲۰ به‌عنوان گرید نزدیک
• JIS SCr420 به‌عنوان گرید نزدیک
• UNI 20MnCr5
• AFNOR 20MC5

20MnCr5 یکی از فولادهای شناخته‌شده Case Hardening برای چرخ‌دنده و قطعات انتقال قدرت است.

کاربرد

• چرخ‌دنده
• پینیون
• گیربکس
• شفت
• قطعات انتقال قدرت

فولاد 18CrNiMo7-۶

نام‌ها

• 18CrNiMo7-6
• DIN 18CrNiMo7-6
• EN 18CrNiMo7-6
• Werkstoff 1.6587
• ۴۸۲۰ در جداول SAE نزدیک
• 17CrNiMo6 به‌عنوان گرید اروپایی نزدیک
• SNCM420 به‌عنوان گرید ژاپنی نزدیک

برخی جداول تجاری 18CrNiMo7-۶ را با SAE ۴۸۲۰ مقایسه می‌کنند، اما این تطبیق باید به‌عنوان معادل نزدیک تلقی شود، نه جایگزینی خودکار.

کاربرد

این فولاد برای قطعات سنگین‌تر و قطعاتی که به سختی‌پذیری، چقرمگی و مقاومت خستگی بالاتر نیاز دارند بسیار مناسب است.

کاربردها:

• چرخ‌دنده صنعتی
• گیربکس سنگین
• پینیون
• شفت
• چرخ‌دنده توربین
• سیستم‌های انتقال قدرت

فولاد AISI ۸۶۲۰

نام‌ها

• AISI 8620
• SAE 8620
• 8620
• UNS G86200
• DIN 20NiCrMo2-2
• EN 20NiCrMo2-2
• Werkstoff 1.6523
• JIS SNCM220
• BS 805M20
• G8620
• 20NiCrMo2
• 21NiCrMo2-۲ در برخی جداول

برخی منابع، ۸۶۲۰ را با 20NiCrMo2-۲ / ۱.۶۵۲۳ و SNCM220 مرتبط می‌کنند.

کاربرد

• چرخ‌دنده
• پینیون
• شفت
• قطعات گیربکس
• هزارخار
• قطعات انتقال قدرت

مزیت اصلی

مغز چقرمه + سطح سخت

جدول مقایسه فولادهای سمانته

تفاوت 16MnCr5، 20MnCr5 و ۸۶۲۰

هر سه برای سختکاری سطحی و ایجاد سطح سخت و مغز چقرمه استفاده می‌شوند، اما ترکیب شیمیایی، سختی‌پذیری، رفتار عملیات حرارتی و استاندارد آنها متفاوت است.

16MnCr5

مناسب برای بسیاری از چرخ‌دنده‌های کوچک و متوسط.

20MnCr5

یکی از فولادهای بسیار رایج برای چرخ‌دنده و قطعات گیربکس.

18CrNiMo7-6

برای قطعات بزرگ‌تر و تحت بارهای سنگین‌تر مناسب‌تر است.

8620

فولاد سمانته معروف در سیستم AISI/SAE برای چرخ‌دنده و قطعات انتقال قدرت است.

بهترین فولاد برای چرخ‌دنده چیست؟

پاسخ به اندازه، بار، سرعت، مدول، جنس جفت چرخ‌دنده، روانکاری، سختی سطح و عمر مورد نیاز بستگی دارد.

گریدهای متداول:

• 16MnCr5
• 20MnCr5
• 18CrNiMo7-6
• 8620
• 4140
• 4340

برای چرخ‌دنده‌های سمانته، موارد زیر اهمیت ویژه دارند:

• عمق لایه سخت
• سختی سطح
• سختی مغز
• کربن سطح
• ساختار متالورژیکی
• اعوجاج
• تنش پسماند
• مقاومت خستگی تماسی

فولادهای بلبرینگ و فنر

فولادهای بلبرینگ باید در برابر:

• خستگی تماسی
• سایش
• تغییر شکل پلاستیک
• بارهای سیکلی

مقاومت بالایی داشته باشند.

یکی از مهم‌ترین گریدها:

AISI 52100 / 100Cr6

است.

فولاد ۵۲۱۰۰ / 100Cr6

نام‌ها

• AISI 52100
• SAE 52100
• 52100
• DIN 100Cr6
• EN 100Cr6
• Werkstoff 1.3505
• JIS SUJ2
• UNS G52986
• BS EN31
• EN31
• 535A99

برخی منابع EN31، 100Cr6 و ۵۲۱۰۰ را به‌عنوان گریدهای مرتبط معرفی می‌کنند.

کاربرد

• بلبرینگ
• رولبرینگ
• ساچمه
• رینگ بلبرینگ
• قطعات تماس غلتشی

فولادهای فنر

فولادهای فنر برای بارگذاری سیکلی طراحی می‌شوند.

گریدهای رایج:

• 6150
• 50CrV4
• 51CrV4
• 9260
• 9254

فولاد ۶۱۵۰ / 50CrV4

نام‌ها

• AISI 6150
• SAE 6150
• 6150
• DIN 50CrV4
• EN 50CrV4
• 51CrV4
• Werkstoff 1.8159
• JIS SUP10

این ارتباط‌ها در جداول تطبیقی گریدهای فنر نیز گزارش شده‌اند.

کاربرد

• فنر
• میله پیچشی
• قطعات الاستیک
• قطعات تحت بار سیکلی

استنلس استیل چیست؟

استنلس استیل یا فولاد زنگ‌نزن گروهی از فولادهای آلیاژی است که به دلیل داشتن مقدار مناسب کروم، مقاومت خوردگی قابل توجهی دارند.

خانواده‌های اصلی:

1. آستنیتی
2. فریتی
3. مارتنزیتی
4. Duplex
5. Precipitation Hardening

استیل ۳۰۴

نام‌ها

• AISI 304
• SAE 304
• UNS S30400
• DIN X5CrNi18-10
• EN X5CrNi18-10
• Werkstoff 1.4301
• JIS SUS304

ویژگی

• مقاومت خوردگی مناسب
• جوشکاری مناسب
• شکل‌پذیری خوب
• کاربرد گسترده

کاربرد

• صنایع غذایی
• تجهیزات صنعتی
• مخزن
• لوله
• تجهیزات شیمیایی
• تجهیزات فرآیندی

استیل 304L

نام‌ها

• AISI 304L
• UNS S30403
• EN X2CrNi18-9
• Werkstoff 1.4307
• JIS SUS304L

304L نسخه کم‌کربن ۳۰۴ است و در بسیاری از کاربردهای جوشکاری‌شده استفاده می‌شود.

استیل ۳۱۶

نام‌ها

• AISI 316
• SAE 316
• UNS S31600
• EN X5CrNiMo17-12-2
• DIN X5CrNiMo17-12-2
• Werkstoff 1.4401
• JIS SUS316

ویژگی

وجود مولیبدن باعث می‌شود در بسیاری از محیط‌های حاوی کلرید، مقاومت خوردگی موضعی بهتری نسبت به ۳۰۴ داشته باشد.

کاربرد

• صنایع شیمیایی
• صنایع دریایی
• تجهیزات فرآیندی
• صنایع غذایی
• تجهیزات دارویی

استیل 316L

نام‌ها

• AISI 316L
• UNS S31603
• EN X2CrNiMo17-12-2
• Werkstoff 1.4404
• JIS SUS316L

316L نسخه کم‌کربن ۳۱۶ است.

استیل ۳۲۱

نام‌ها

• AISI 321
• UNS S32100
• EN X6CrNiTi18-10
• Werkstoff 1.4541
• JIS SUS321

ویژگی

تیتانیوم باعث پایدارسازی این گرید می‌شود.

کاربرد

• تجهیزات دمایی
• تجهیزات جوشکاری‌شده
• صنایع فرآیندی
• قطعات در معرض حرارت

استیل ۴۱۰

نام‌ها

• AISI 410
• UNS S41000
• EN X12Cr13
• Werkstoff 1.4006
• JIS SUS410

۴۱۰ یک استنلس مارتنزیتی است.

قابلیت مهم

قابلیت سختکاری حرارتی

کاربرد

• شفت
• قطعات مکانیکی
• قطعات سایشی
• شیرآلات
• قطعات صنعتی

استیل ۴۲۰

نام‌ها

• AISI 420
• UNS S42000
• EN X30Cr13
• Werkstoff 1.4028
• JIS SUS420J2

کاربرد

• تیغه
• ابزار
• قطعات سایشی
• قطعات مکانیکی

استیل ۴۳۰

نام‌ها

• AISI 430
• UNS S43000
• EN X6Cr17
• Werkstoff 1.4016
• JIS SUS430

۴۳۰ یک استنلس فریتی و معمولاً مغناطیسی است.

کاربرد

• تجهیزات آشپزخانه
• لوازم خانگی
• تجهیزات صنعتی
• قطعات تزئینی

استیل 440C

نام‌ها

• AISI 440C
• UNS S44004
• EN X105CrMo17
• Werkstoff 1.4125
• JIS SUS440C

ویژگی

مقاومت سایشی و قابلیت دستیابی به سختی بالا.

کاربرد

• بلبرینگ‌های خاص
• ابزار
• قطعات دقیق
• قطعات مقاوم به سایش

استیل Duplex ۲۲۰۵

نام‌ها

• Duplex 2205
• UNS S32205
• UNS S31803
• EN X2CrNiMoN22-5-3
• Werkstoff 1.4462
• JIS SUS329J3L

۲۲۰۵ دارای ساختار آستنیت-فریت است.

کاربرد

• نفت و گاز
• پتروشیمی
• صنایع شیمیایی
• صنایع دریایی
• تجهیزات فرآیندی

استیل Super Duplex ۲۵۰۷

۲۵۰۷ از خانواده Super Duplex است.

ویژگی

• مقاومت خوردگی بسیار بالا
• مقاومت در محیط‌های کلریدی
• استحکام بالا

کاربرد

• نفت و گاز
• آب دریا
• تجهیزات دریایی
• صنایع شیمیایی

استیل ۱۷-4PH / ۶۳۰

نام‌ها

• 17-4PH
• AISI 630
• UNS S17400
• EN X5CrNiCuNb16-4
• Werkstoff 1.4542
• JIS SUS630
• ASTM A564 Type ۶۳۰ در محصولات و شرایط مشخص
• AMS ۵۶۴۳ در کاربردهای هوافضایی مشخص

این روابط در جداول تطبیقی نیز گزارش شده‌اند.

ویژگی

قابلیت رسوب‌سختی و دستیابی به استحکام بالا.

کاربرد

• شفت
• قطعات صنعتی
• تجهیزات فرآیندی
• قطعات تحت بار
• صنایع هوافضا

جدول مقایسه استنلس استیل

خواص مکانیکی فولاد

مهم‌ترین خواص مکانیکی عبارت‌اند از:

• استحکام کششی
• تنش تسلیم
• سختی
• چقرمگی
• ازدیاد طول
• کاهش سطح مقطع
• مقاومت خستگی
• انرژی ضربه

استحکام کششی

Ultimate Tensile Strength یا UTS بیشترین تنشی است که نمونه در آزمون کشش قبل از شکست تحمل می‌کند.

تنش تسلیم

Yield Strength تنشی است که پس از آن تغییر شکل پلاستیک قابل توجه آغاز می‌شود.

سختی

سختی مقاومت ماده در برابر نفوذ یا تغییر شکل موضعی است.

روش‌های رایج:

• Brinell
• Rockwell
• Vickers

مقیاس‌های سختی

تبدیل HRC، HB و HV تقریبی است و برای کنترل دقیق قطعه باید از استاندارد تبدیل مناسب استفاده شود.

سختی‌پذیری فولاد

Hardness با Hardenability تفاوت دارد.

Hardness = سختی Hardenability = سختی‌پذیری

سختی نشان‌دهنده مقاومت ماده در برابر نفوذ است.

سختی‌پذیری توانایی فولاد برای ایجاد ساختار سخت‌شده در عمق قطعه در هنگام عملیات سختکاری است.

عناصر:

• Cr
• Ni
• Mo
• Mn
• B

می‌توانند روی سختی‌پذیری اثر قابل توجهی داشته باشند.

آزمون متداول:

Jominy End Quench

جدول خواص و ترکیب نمونه گریدها

اعداد زیر مقادیر تقریبی رایج در وضعیت ذکرشده‌اند (برای استنلس‌ها حداقل‌های متداول ASTM). خواص واقعی به استاندارد، ابعاد محصول، سیکل عملیات حرارتی و گواهی ذوب بستگی دارد؛ برای طراحی نهایی از استاندارد و گواهی تأمین‌کننده استفاده کنید. توجه: ۴۳۴۰ و 34CrNiMo6 دقیقاً هم‌ارز نیستند و درصد Ni و Cr آن‌ها تفاوت دارد.

داده‌های فیزیکی و انبساط حرارتی فولادها

ضریب انبساط حرارتی استنلس‌های آستنیتی بیشتر از فولادهای کربنی است؛ این موضوع در نصب گرم بلبرینگ و طراحی اتصالات اهمیت دارد (ماشین‌حساب انبساط حرارتی بلبرینگ).

عملیات حرارتی فولاد

برای شرح کامل هر فرایند، دما، سیکل و جدول انتخاب، صفحه عملیات حرارتی فولاد؛ سمانته، نیتراسیون و سختکاری القایی مرجع اصلی ماست و این بخش فقط خلاصه است.

مهم‌ترین فرآیندها:

• Annealing
• Normalizing
• Hardening
• Tempering
• Stress Relieving
• Carburizing
• Nitriding
• Carbonitriding
• Induction Hardening
• Precipitation Hardening

آنیل فولاد

هدف:

• کاهش سختی
• افزایش ماشینکاری
• کاهش تنش
• اصلاح ساختار
• آماده‌سازی برای عملیات بعدی

نرماله کردن

در Normalizing فولاد تا محدوده دمایی مناسب گرم و سپس معمولاً در هوا سرد می‌شود.

اهداف:

• اصلاح ساختار
• یکنواختی
• کنترل دانه
• آماده‌سازی برای عملیات بعدی

سختکاری فولاد

Hardening معمولاً شامل:

Austenitizing → Quenching

است.

قطعه تا دمای مناسب گرم و سپس سریع سرد می‌شود.

محیط کوئنچ می‌تواند:

• آب
• روغن
• پلیمر
• گاز
• حمام نمک

باشد.

تمپر فولاد

Tempering بعد از سختکاری انجام می‌شود.

هدف:

• کاهش تردی
• کاهش تنش
• تنظیم سختی
• افزایش چقرمگی

سمانتاسیون

Carburizing فرآیندی است که در آن کربن به سطح فولاد کم‌کربن نفوذ می‌کند.

پس از آن قطعه سختکاری می‌شود.

هدف:

سطح سخت + مغز چقرمه

است.

عمق سمانته

عمق لایه سخت به موارد زیر وابسته است:

• دمای فرآیند
• زمان
• پتانسیل کربن
• ترکیب شیمیایی
• روش کربوره
• ابعاد قطعه
• سیکل سختکاری

سختکاری القایی

دستگاه‌ها و خدمات: دستگاه سخت‌کاری القایی؛ و برای نصب گرم بلبرینگ: گرمکن القایی بلبرینگ ایرانی.

در Induction Hardening سطح قطعه با میدان الکترومغناطیسی سریعاً گرم و سپس کوئنچ می‌شود.

مزایا:

• سرعت بالا
• کنترل عمق
• گرمایش موضعی
• کاهش گرم شدن مغز
• اتوماسیون
• مناسب تولید انبوه

فولادهای رایج:

• CK45
• 4140
• 4340
• 410
• 420

نیتراسیون

در Nitriding نیتروژن به سطح فولاد نفوذ کرده و لایه‌ای سخت ایجاد می‌کند.

مزایا:

• سختی سطح بالا
• مقاومت سایشی
• مقاومت خستگی سطحی
• اعوجاج کمتر در بسیاری از فرآیندها

کربونیتراسیون

Carbonitriding ترکیبی از نفوذ کربن و نیتروژن به سطح است.

این فرآیند برای برخی قطعات کوچک و متوسط استفاده می‌شود.

مقایسه سمانته، نیتراسیون و سختکاری القایی

آنالیز شیمیایی فولاد

مهم‌ترین عناصر:

• C
• Si
• Mn
• P
• S
• Cr
• Ni
• Mo
• V
• Cu
• Ti
• Nb
• B

آنالیز شیمیایی به تعیین گرید و بررسی تطابق متریال کمک می‌کند.

روش‌های شناسایی فولاد

روش‌های متداول:

OES

Optical Emission Spectroscopy

برای آنالیز دقیق ترکیب بسیاری از فولادها بسیار کاربردی است.

XRF

برای شناسایی عناصر آلیاژی مختلف مناسب است، اما محدودیت‌هایی در اندازه‌گیری برخی عناصر سبک دارد و باید برای نوع متریال مناسب انتخاب شود.

سختی‌سنجی

برای بررسی وضعیت عملیات حرارتی.

متالوگرافی

برای بررسی:

• فازها
• دانه‌بندی
• کاربید
• مارتنزیت
• بینیت
• پرلیت
• عیوب ساختاری

آیا می‌توان فولاد را از روی ظاهر تشخیص داد؟

خیر.

ظاهر، رنگ، وزن و حتی تست جرقه می‌توانند اطلاعات اولیه بدهند اما برای شناسایی قطعی گرید کافی نیستند.

برای شناسایی دقیق باید در صورت نیاز از:

• آنالیز شیمیایی
• سختی‌سنجی
• متالوگرافی
• گواهی متریال
• آزمون مکانیکی

استفاده شود.

انتخاب فولاد بر اساس کاربرد

انتخاب فولاد برای شفت

شفت عمومی

CK45

شفت با بار بالاتر

4140

شفت با استحکام و چقرمگی بالا

4340

شفت مقاوم به خوردگی

۳۱۶، ۱۷-4PH یا گرید مناسب دیگر بر اساس محیط

شفت مقاوم به سایش

۴۱۴۰ با عملیات سطحی مناسب یا فولادهای تخصصی بسته به نوع سایش

انتخاب فولاد برای چرخ‌دنده

گریدهای متداول:

• 16MnCr5
• 20MnCr5
• 18CrNiMo7-6
• 8620
• 4140
• 4340

انتخاب باید بر اساس:

• گشتاور
• سرعت
• مدول
• قطر
• بار دندانه
• خستگی تماسی
• سایش
• سختی سطح
• عمق لایه سخت

انجام شود.

انتخاب فولاد برای گیربکس

در گیربکس معمولاً یک گرید واحد برای تمام قطعات استفاده نمی‌شود.

برای مثال:

شفت

CK45 / 4140 / 4340

چرخ‌دنده

16MnCr5 / 20MnCr5 / 18CrNiMo7-6 / 8620

بلبرینگ

52100 / 100Cr6

قطعات مقاوم به خوردگی

304 / 316 / Duplex / 17-4PH

انتخاب فولاد مقاوم به سایش

بسته به مکانیزم سایش می‌توان از:

• 52100
• 440C
• فولادهای ابزار
• فولادهای سمانته
• ۴۱۴۰ سختکاری‌شده
• فولادهای مخصوص مقاوم به سایش

استفاده کرد.

هیچ فولادی برای تمام انواع سایش «بهترین» نیست.

انتخاب استنلس استیل

اگر مقاومت خوردگی عمومی مهم باشد:

304

اگر محیط کلریدی یا خورنده‌تر باشد:

316

اگر استحکام بالا همراه با مقاومت خوردگی مورد نیاز باشد:

2205

اگر استحکام بالا و رسوب‌سختی لازم باشد:

17-4PH

اگر سختی و مقاومت سایشی مهم باشد:

410 / 420 / 440C

جدول نهایی انتخاب سریع متریال

جدول نام‌های جایگزین و معادل‌های رایج

این جدول باید به‌عنوان Cross Reference استفاده شود، نه مجوز جایگزینی مستقیم مواد. برای مثال منابع مقایسه‌ای تصریح می‌کنند که برخی تطبیق‌ها «similar grades» هستند و ممکن است خواص مکانیکی یا الزامات استاندارد یکسانی نداشته باشند.

نکته مهم درباره ASTM و ASME

برای جلوگیری از یک اشتباه رایج در بازار فولاد:

ASTM، AISI، SAE، DIN، EN و ASME الزاماً سیستم‌های نام‌گذاری هم‌ارز نیستند.

برای مثال:

AISI ۴۱۴۰ یک designation برای گرید فولاد است.

اما ASTM ممکن است مشخصات یک محصول مانند:

• Plate
• Bar
• Forging
• Pipe
• Tube

را تعیین کند.

ASME نیز در بسیاری از موارد همان مواد را برای کاربردهای خاص تحت Pressure Vessel و Boiler با الزامات مخصوص پوشش می‌دهد.

بنابراین عبارت:

«معادل ASME فولاد ۴۱۴۰ چیست؟»

بدون مشخص کردن:

• شکل محصول
• کاربرد
• Section
• Material Specification
• Grade
• Condition

پاسخ دقیق و مهندسی ندارد.

چرا شماره متریال اهمیت دارد؟

شماره متریال مانند:

1.7225

به شناسایی دقیق‌تر خانواده متریال کمک می‌کند.

مثال:

42CrMo4 → 1.7225 16MnCr5 → 1.7131 20MnCr5 → 1.7147 18CrNiMo7-6 → 1.6587 100Cr6 → 1.3505 304 → 1.4301 316 → 1.4401 316L → 1.4404 17-4PH → 1.4542

چک‌لیست انتخاب متریال

قبل از انتخاب فولاد باید این موارد مشخص شوند:

1. نوع قطعه
2. مقدار بار
3. نوع بارگذاری
4. سرعت
5. گشتاور
6. دمای کاری
7. محیط کاری
8. خوردگی
9. سایش
10. خستگی
11. ضربه
12. ابعاد
13. روش ساخت
14. ماشینکاری
15. جوشکاری
16. عملیات حرارتی
17. سختی مورد نیاز
18. عمق سختکاری
19. عمر طراحی
20. هزینه و قابلیت تأمین

نکات مهندسی و کاربرد عملی

مسیر پیشنهادی مطالعه متریال در ماتسوکو

برای انتخاب صحیح متریال یک قطعه صنعتی، این مسیر می‌تواند استفاده شود:

نوع قطعه → شرایط کاری → انتخاب خانواده فولاد → انتخاب گرید → عملیات حرارتی → خواص مکانیکی → ماشینکاری → کنترل کیفیت → ساخت و مونتاژ

در صورتی که قطعه بخشی از یک سیستم انتقال قدرت باشد، انتخاب متریال باید همزمان با طراحی کل مجموعه انجام شود.

فولاد مناسب برای مهندسی معکوس

در مهندسی معکوس قطعات صنعتی، ممکن است نقشه یا گواهی متریال موجود نباشد.

در این شرایط می‌توان از:

• اندازه‌گیری ابعادی
• آنالیز شیمیایی
• سختی‌سنجی
• متالوگرافی
• بررسی شکست
• بررسی سایش
• بررسی عملیات حرارتی

برای شناسایی متریال استفاده کرد.

این روش در:

• بازسازی گیربکس
• ساخت چرخ‌دنده
• ساخت شفت
• بازسازی محور
• ساخت قطعات یدکی
• تعمیر تجهیزات صنعتی

کاربرد بسیار زیادی دارد.

چرا خواص مکانیکی یک گرید ثابت نیست؟

یک فولاد مشخص می‌تواند در شرایط مختلف خواص کاملاً متفاوتی داشته باشد.

برای مثال ۴۱۴۰ در حالت:

• Annealed
• Normalized
• Quenched & Tempered
• Induction Hardened
• Nitrided

خواص متفاوتی دارد.

بنابراین هنگام بررسی دیتاشیت باید همیشه موارد زیر مشخص شوند:

Grade + Standard + Product Form + Condition + Heat Treatment + Test Method

مقایسه‌های پرتکرار: کدام بهتر است؟

آیا فولاد ۳۰۴ بهتر از ۳۱۶ است؟

خیر.

انتخاب به محیط کاری بستگی دارد.

۳۰۴ برای بسیاری از کاربردهای عمومی مناسب است.

۳۱۶ در بسیاری از محیط‌های دارای کلرید و شرایط خورنده‌تر مزیت دارد.

بنابراین «بهتر بودن» باید نسبت به کاربرد تعریف شود.

آیا ۴۱۴۰ بهتر از CK45 است؟

نه به‌صورت مطلق.

۴۱۴۰ معمولاً سختی‌پذیری و ظرفیت دستیابی به استحکام بالاتری دارد.

CK45 برای بسیاری از شفت‌ها و قطعات عمومی گزینه اقتصادی و مناسبی است.

آیا ۴۳۴۰ بهتر از ۴۱۴۰ است؟

۴۳۴۰ به دلیل ترکیب نیکل، کروم و مولیبدن می‌تواند برای کاربردهای نیازمند استحکام و چقرمگی بالا مناسب‌تر باشد.

اما هزینه، ماشینکاری، عملیات حرارتی و نیاز واقعی قطعه باید در نظر گرفته شود.

آیا 16MnCr5 بهتر از 20MnCr5 است؟

هیچ پاسخ مطلقی وجود ندارد.

هر دو فولاد سمانته هستند و انتخاب آنها به:

• ابعاد
• سختی‌پذیری
• بار
• عمق لایه
• سختی سطح
• طراحی چرخ‌دنده

وابسته است.

آیا 18CrNiMo7-۶ برای گیربکس سنگین مناسب است؟

بله.

این فولاد یکی از گریدهای مهم برای قطعات سمانته تحت بار بالا است و در چرخ‌دنده‌ها و سیستم‌های انتقال قدرت سنگین کاربرد دارد.

آیا فولاد ۸۶۲۰ برای چرخ‌دنده مناسب است؟

بله.

۸۶۲۰ یکی از فولادهای شناخته‌شده Case Hardening برای چرخ‌دنده و قطعات انتقال قدرت است.

آیا CK45 قابل سختکاری القایی است؟

بله.

CK45 یکی از فولادهای رایج برای سختکاری القایی است.

آیا ۴۱۴۰ قابل سختکاری القایی است؟

بله.

۴۱۴۰ قابلیت سختکاری القایی دارد و می‌توان با کنترل:

• فرکانس
• توان
• زمان
• سرعت حرکت
• طراحی کویل
• فاصله کویل
• دمای سطح
• روش کوئنچ

عمق سختکاری مورد نظر را ایجاد کرد.

آیا ۳۰۴ با کوئنچ سخت می‌شود؟

۳۰۴ مانند فولادهای مارتنزیتی ۴۱۰ و ۴۲۰ با کوئنچ و تمپر معمولی سخت نمی‌شود.

افزایش سختی ۳۰۴ عمدتاً از طریق کارسختی حاصل می‌شود.

آیا ۴۱۰ سختکاری می‌شود؟

بله.

۴۱۰ یک استنلس مارتنزیتی است و قابلیت سختکاری حرارتی دارد.

آیا ۴۲۰ سخت‌تر از ۴۱۰ است؟

۴۲۰ معمولاً به دلیل کربن بالاتر قابلیت دستیابی به سختی بیشتری نسبت به ۴۱۰ دارد، اما مقدار واقعی به ترکیب دقیق و سیکل عملیات حرارتی بستگی دارد.

آیا ۴۳۰ مغناطیسی است؟

بله.

۴۳۰ یک فولاد زنگ‌نزن فریتی و معمولاً مغناطیسی است.

آیا ۳۱۶ کاملاً غیرمغناطیسی است؟

۳۱۶ در حالت آستنیتی آنیل‌شده معمولاً رفتار مغناطیسی بسیار کمی دارد، اما کارسرد و فرآیند ساخت می‌تواند میزان مغناطیس را افزایش دهد.

صفحات مرتبط و ادامه مسیر یادگیری

جمع‌بندی

انتخاب فولاد مناسب یک فرآیند مهندسی است.

برای انتخاب صحیح باید:

آنالیز شیمیایی + خواص مکانیکی + سختی + سختی‌پذیری + شرایط کاری + عملیات حرارتی + روش ساخت + استاندارد

سوالات متداول