فولادها، جزء جدایی ناپذیر جامعه ی مدرن محسوب می‌شوند. فولاد، آلیاژی است که از ترکیب آهن با کربن و همچنین سایر عناصر ساخته می‌شود؛ این عناصر، مقاومت بینظیری را در آن به وجود می‌آورند. از ابتدای قرن بیستم می‌لادی تاکنون، صدها نوع فولاد توسعه یافته است که هرکدام دارای مشخصات منحصر به فرد خود هستند. برای کمک به ساماندهی این فولادها، موسسه ی آهن و فولاد آمریکا (AISI) و انجمن مهندسان خودرو (SAE) انواع خاصی از فولادها را مشخص کرده‌اند. در این مقاله به بررسی یک دسته از فولادها از خانواده ی فولادهای ضدزنگ – یعنی فولادهای که در برابر لکه‌ها، خوردگیها و زنگزدگی مقاومتر هستند – پرداخته می‌شود. این دسته از فولادهای ضدزنگ به استیل ۴۴۰ معروف هستند. به لطف سختی و مقاومت در برابر سایش خود، ماده ی بسیار محبوبی به حساب می‌آیند. کاربرد فولاد ضد زنگ ۴۴۰ را در صنایع مختلف می‌توان مشاهده کرد.
در این مقاله ویژگی‌ها، خصوصیات و کاربرد استیل ۴۴۰ مورد بررسی قرار خواهد گرفت. هدف از این کار این است که مخاطبین بتوانند موارد استفاده و نحوه ی به کارگیری این فلز را بیاموزند.
خصوصیات فیزیکی فولاد ضد زنگ ۴۴۰
فولاد ضد زنگ ۴۴۰ بخشی از فولادهای ضدزنگ یا فولادهای آلیاژی هستند که حداقل ۱۰% کروم دارند. این میزان کروم، این آلیاژها را در برابر خوردگی بسیار مقاوم می‌سازد. AISI یک شاخص نامگذاری سه رقمی برای فولادهای ضدزنگ ایجاد کرده است (برخلاف اسامی معمول چهار رقمی که به فولادهای غیرضدزنگ داده می‌شود) که رقم اول بیانگر نوع فولاد و عناصر آلیاژی است. فولادهای ضدزنگ همچنین بر اساس ساختار مولکولی خود دستهبندی شدهاند. بر این اساس، فولادهای ضدزنگ را می‌توان به انواع آستنیتی ، فریتی ، مارتنزیتی یا دوپلکس تقسیم کرد. تفاوت این چهار نوع در ساختارهای شبکه کریستالی آنها نهفته است که به فولادهای ضدزنگ ویژگیهای مفیدی مانند سختی بیشتر، چکش خواری یا مقاومت در برابر شکست را می‌دهد.
گریدهای استیل ۴۴۰
دسته ی xx4 فولادهای ضد زنگ با عنصر کروم آلیاژ شدهاند و از نظر ساختاری فریتی یا مارتنزیتی هستند. گریدهای استیل ۴۴۰ شامل چهار نوع فولاد A 440، B440 ، C440 و F440، بوده که تنها تفاوت آنها در میزان کربن آنها است. تمامی گریدهای استیل ۴۴۰ گزینه‌‌‌های محبوبی هستند، اما استیل C440 به دلیل دارا بودن بالاترین سختی، محبوبترین این چهار نوع است. در زیر ترکیبات شیمیایی هر نوع ذکر شده است:
عناصر مشترک در تمام گریدهای استیل ۴۴۰
- کروم ۱۸-۱۶%
- منگنز ۱%
- سیلیکون ۱%
- مولیبدن ۷۵/۰%
- فسفر ۰۴/۰%
- گوگرد ۰۳/۰%
- چند درصد کربن
فولاد A440
- ۷۵/۰-۶/۰% کربن
فولاد B440
- ۹۵/۰-۷۵/۰% کربن
استیل C440 و F440
- ۹۵/۰-۲۰/۱% کربن
تمام گریدهای ۴۴۰ قابل کارسختی بوده و از طریق عملیات حرارتی مقاومت بیشتری به دست می‌آورند. این فولادها به عنوان یک فولاد آلیاژی پر کربن در نظر گرفته می‌شوند. فولادهای ۴۴۰ با استفاده از عملیات حرارتی کارسختی، سختترین فولاد در بین فولادهای ضدزنگ می‌شوند. این عملیات، آنها را هم مقاوم در برابر سایش و هم مقاوم در برابر خوردگی می‌سازد. در حالت “آنیل شده ی” نرم، فولاد۴۴۰ به راحتی کارپذیر، قابل ماشینکاری و شکلپذیر است، سپس می‌توان آن را سخت کرد و استحکام بیشتری را که به آن معروف است، در آن ایجاد کرد.
ویژگیهای مکانیکی استیل ۴۴۰
جدول ۱ در زیر، برخی از ویژگیهای مکانیکی مهم فولاد ۴۴۰ را نشان می‌دهد. توجه به این نکته ضروری است که هر مخلوط آلیاژی مقادیر منحصر به فرد خود را دارد و این مقادیر بر اساس عملیات استحکام بخشی تغییر می‌کند. جدول ۱ مقادیر مربوط به فولاد ضدزنگ ۴۴۰ AISI را نشان می‌دهد، که به فولاد ضد زنگ C440 نزدیکتر است:
جدول ۱. ویژگیهای مکانیکی فولاد ۴۴۰
| ویژگیهای مکانیکی | متریک | انگلیسی |
| استحکام کششی نهایی | MPa 1750 | psi 254000 |
| استحکام تسلیم کششی | MPa 1230 | psi 186000 |
| سختی (راکول) | ۵۸ | ۵۸ |
| مدول الاستیسیته | GPa 200 | ksi 29000 |
| ضربه ی شارپی | J 19 | ft-lb 14 |
همانطور که از استحکام تسلیم کششی و نهایی مشخص است، فولاد ۴۴۰ از استحکام به شدت بالایی برخوردار است. این معیارها از تست‌های تنش آزمایشگاهی بدست آمده است. در این تست‌ها، نمونه‌ای از فولاد ۴۴۰ به صورت محوری کشیده می‌شود و منحنی کرنش برحسب تنش آن رسم می‌شود. تنش تسلیم حداکثر میزان تنشی است که یک نمونه قبل از تغییر شکل پلاستیک (یا دائمی) می‌تواند تجربه کند. استحکام نهایی حداکثر تنشی است که نمونه قبل از شکست تجربه می‌کند. این معیارها در کاربردهای سازه‌ای، جایی که ماده نباید تحت وزن شدید تغییر شکل دائمی دهد، و در کاربردهای پر تنش، جایی که شکست نباید رخ دهد، مفید هستند.
سختی فولاد ضد زنگ ۴۴۰
سختی مواد یک معیار مقایسه‌ای از دشواریِ خراش برداشتن، اچ شدن یا آسیب دیدن سطح ماده است. مقیاسهای زیادی مانند مقیاسهای سختی محبوب برینل، ویکرز و موس وجود دارد، اما فولاد اغلب بر اساس مقیاس سختی راکول درجهبندی می‌شود. سختی راکول استیل ۴۴۰، ۵۸ است که کاملا سخت تلقی می‌شود. برای مقایسه، سختی فولادهای سخت که برای لبههای تیغه به کار می‌روند، ۶۰ است؛ بنابراین واضح است که فولاد ۴۴۰ نسبت به تغییر شکل سطحی کاملا مقاومت دارد.
مدول الاستیسیته استیل ۴۴۰
مدول الاستیسیته معیاری از چگونگی پاسخ یک ماده حین تغییر شکل الاستیک یا تغییر شکل غیر دائمی است. مدول الاستیسیته ی بالا بدان معنی است که برای کشیدن یک ماده به تنش بسیار بالایی نیاز است، یعنی ماده سفتی زیادی دارد. استیل ۴۴۰ مدول الاستیسیته ی بالایی دارد، به این معنی که به راحتی در برابر تنش تسلیم نمی‌شود، و به این ترتیب در کل یک ماده ی سفت محسوب می‌شود.
آزمایش ضربه شارپی
آزمایش ضربه شارپی میزان انرژی جذب شده توسط یک ماده را در شرایط شدید، یعنی تحت شرایط شکست یا کرنش بالا تعیین می‌کند. در این آزمایش، یک آونگ سنگین به یک نمونه ی آزمایشی فاقدار فولادی برخورد می‌کند. طی آن یک سنجه میزان انرژی جذب شده توسط ماده را بر حسب ژول اندازه گیری می‌کند. به طور کلی، مواد با مقاومت بالا به راحتی انرژی زیادی را جذب نمی‌کنند، زیرا به جای جذب انرژی به راحتی می‌شکنند (به یاد داشته باشید؛ تردی با استحکام افزایش می‌یابد). در نتیجه، بیشتر فولادها انرژی ضربه ی شارپی نسبتا پایینی دارند و استیل ۴۴۰ نیز از این مورد مستثنی نیست. این مصداق دیگری برای سختی و استحکام فولادهای ۴۴۰ است، زیرا در هنگام ضربه ی آونگ تست شارپی کمتر از ۲۰ ژول انرژی جذب می‌کنند.
مقاومت در برابر خوردگی و اثرات دما
در حالی که بیشتر فولادهای ضد زنگ در برابر زنگ زدگی مقاوم هستند، فولادهای ۴۴۰ مقاومت در برابر خوردگی کمتری دارند. این نتیجه ی ساختار مارتنزیتی آن است که باعث افزایش سختی آن می‌شود. اما نسبت به فولادهای ضدزنگ آستنیتی و فریتی، آن را به خوردگی مستعدتر می‌سازد. این بدان معنا نیست که فولاد ۴۴۰ به راحتی زنگ می‌زند، زیرا نسبت به بیشتر فولادها در برابر خوردگی مقاومتر است، اما در نظر بگیرید که نباید آن را صرفا برای مقاومت در برابر زنگزدگی آن انتخاب کرد.
همچنین مهم است بدانید که فولادهای ۴۴۰ در دماهای بالا به خوبی کار نمی‌کنند. آنها در دماهای زیاد استحکام خود را از دست می‌دهند، زیرا بیش از حد تمپر می‌شوند و نرمتر می‌شوند. در دمای زیر ۰ درجه سانتیگراد نیز داکتیلیته ی خود را از دست می‌دهند. این واقعیت برای هر طراحی که مایل به استفاده از این فولاد در محیط‌های خشن است، از اهمیت بسیاری برخوردار است، زیرا احتمالا فولاد ۴۴۰ بهترین انتخاب نخواهد بود.
کاربرد استیل ۴۴۰
استیل ۴۴۰ را در اکثر مغازه‌های ماشینکاری می‌توان یافت، زیرا در حالت آنیل شده به آسانی ماشینکاری می‌شود و در عین حال پس از عملیات حرارتی مستحکم و مقاوم می‌شود. این ماده برای اجزایی که باید در برابر خوردگی مقاومت نسبتا خوبی داشته باشند و در عین حال در اثر استفاده ی مکرر دچار سایش نشوند، فوق العاده خوب است. این فولاد یک گزینه ی عالی برای لبههای چاقو است، زیرا سختی آن هنگام استفاده در ابزارهای برنده ی آشپزخانه بهتر می‌شود. در ادامه نمونه کاربرد استیل ۴۴۰ معرفی شده است:
- قالب و سنبه
- اجزای شیر
- وسایل/ابزارهای اندازهگیری
- اجزای نساجی
- یاتاقان ساچمه‌ای
