برای ساخت تیرآهن از چه آلیاژی استفاده می شود؟

مقدمه

تیرآهن به دلیل یکپارچگی در سازه یکی از مصالح ساختمانی پرکاربرد است. در ساخت سازه های پل و سایر صنایع از این مصالح به عنوان مقاومت بیشتر استفاده می شود و این مقطع فولادی معمولاً در طول های 12 متری و در اندازه های مختلف در بازار موجود است. این بخش فولادی باید مقاومت خوبی در برابر خوردگی و تنش ها داشته باشد و همچنین در سازه مقاوم باشد. در طول ساخت این بخش، با توجه به اینکه هر آلیاژ خاصیت منحصر به فردی دارد، مواد اولیه با برخی از آلیاژها ترکیب می شود. البته در نظر داشته باشید که درصد آلیاژ باید دقیق باشد تا تاثیر مثبت داشته باشد. بسیاری از مصرف کنندگان می پرسند از چه آلیاژی برای ساخت تیرآهن ها استفاده می شود بنابراین در ادامه به توضیح برخی از آلیاژها می پردازیم.

آلیاژ آهن چیست؟

آلیاژ فلز معمولا از دو یا چند فلز مانند آهن و کروم – آهن و منگنز – آهن و وانادیم تشکیل شده است. همچنین آلیاژ می تواند از عناصر فلزی و غیرفلزی مانند کربن ساخته شود که در ادامه به توضیح آن ها می پردازیم. کلمه آلیاژ از کلمه فرانسوی Alliage به معنای ذوب شده گرفته شده است. فولاد، برنز و چدن از جمله آلیاژهای مفید بسیاری هستند. از آلیاژهای تیتانیوم و وانادیوم نیز برای ساخت قاب دوچرخه استفاده می شود. همان طور که می دانید خواص آلیاژها می تواند کمی با خواص عناصر تشکیل دهنده آن ها متفاوت است.

برای ساخت تیرآهن از چه آلیاژهایی استفاده می شود؟

کربن، کروم، منگنز، مس، نیکل، تیتانیوم، مولیبدن و نیتروژن، نوبیوم و سیلیسیم، فسفر و گوگرد آلیاژهای مورد استفاده در ترکیبات تیرآهن هستند. کدام آلیاژ خاصیت ضد زنگ به تیرآهن می دهد و کدام یک چه تاثیری دارد یکی یکی به آن ها پرداخته می شود. برای ساخت تیرآهن ها از فولاد با درجات مختلف استفاده می شود. فولادهایی که به صورت شمش هستند برای تبدیل شدن به تیرآهن ها وارد مرحله نورد می شوند.در مطالب زیر، به آلیاژهای تیرآهن و ویژگی های آن ها می پپردازیم.

• فسفر و گوگرد (Phosphorus and sulfur)

فسفر و گوگرد از جمله عناصری هستند که خاصیت ضد خوردگی به فولاد می دهند. مقاطع فولادی هنگام قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت دچار خوردگی می شوند که این عامل ممکن است خسارات زیادی را به همراه داشته باشد. بنابراین با افزودن عناصر آلیاژی، نقاط ضعف فولاد را بهبود می بخشند. افزودن گوگرد و فسفر علاوه بر افزایش مقاومت تیرهای فولادی آن ها را در برابر خوردگی، برش و ماشینکاری مقاوم می کند.

• کروم (Chromium)

کروم یکی از دیگر عناصر مقاوم در برابر خوردگی است. مقدار مجاز افزودن این آلیاژ 10.5 تا 27 درصد است. لازم به ذکر است که کروم یکی از محبوب ترین عناصر افزودنی در میان آلیاژهای تیرآهن است.

• مس (Copper)

استفاده از مس اجازه نمی دهد تیرآهن در اثر خوردگی و رطوبت آسیب ببیند. این موضوع مقاومت آن را در برابر محیط های اسیدی و سولفاتی افزایش می دهد. در واقع قدرت آلیاژها در تقویت فلزات در عین حفظ بهترین خواص آن ها است.

• تیتانیوم (Titanium)

با افزودن عنصر تیتانیوم، جوش پذیری تیرآهن 0.25 تا 0.6 درصد افزایش می یابد. اگر در آلیاژهای تیرآهن تیتانیوم باشد، این آلیاژ بسیار برای عملیات جوشکاری ایده آل است.

• مولیبدن و نیتروژن (Nitrogen & Molybdenum)

مقاومت آلیاژ تیرآهن را در محیط های کلر و گوگرد افزایش می دهد. این عناصر مانند عنصر فسفر مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشند.

• نیکل (Nickel)

نیکل نیز یکی از عناصری است که بر مقاومت تیرآهن های فولادی تأثیر مثبت دارد. این عنصر مقاومت لازم را در برابر دما دارد و تیرآهن را از این نظر مقاوم می کند.

• کربن (Carbon)

کربن آلیاژ اصلی اضافه شده به تمام تیرآهن های فولادی است. کربن مقاومت، سختی و کشسانی را به تیرآهن می افزاید و همچنین آن را در برابر سایش، زنگ زدگی و خوردگی مقاوم می کند.

• سیلیکون و نیوبیم (Silicon and Niobium)

این عنصر مقاومت حرارتی بالایی را به خواص فیزیکی تیرآهن می افزاید. سیلیکون در هنگام ذوب به دلیل اثر اکسید کننده به فولاد اضافه می شود.

• منگنز (Manganese)

منگنز یکی از عناصر تشکیل دهنده آستنیت است و جایگزین مناسبی برای نیکل (به دلیل قیمت بالای نیکل) در تیرآهن ها است . افزودن منگنز به فرآیند تولید آلیاژ تیرآهن، باعث بهبود خواص مکانیکی، افزایش سختی و مقاومت تیرآهن فولادی می شود. آستنیت به معنای گرم کردن آهن یا آلیاژهای مبتنی بر آهن برای رسیدن به دمای تغییر ساختار بلوری از فریت به آستنیت است. آستنیته کردن فولاد اغلب اولین مرحله عملیات حرارتی لازم برای یکنواخت کردن غلظت کربن در بلورهای آستنیت می باشد.

فولاد کربنی چیست؟

فولاد کربنی پرکاربردترین آلیاژ تیرآهن در سراسر جهان است. همانطور که از نام آن مشخص است عنصر غالب در این نوع فولاد کربن است و به دلیل خواص کربن، تیرآهن های ساخته شده از سختی و دوام بالایی برخوردار است. بر این اساس، هر چه مقدار کربن مصرفی در یک مقطع فولادی خاص مانند میلگرد یا تیرآهن بیشتر باشد، انعطاف پذیری آن کمتر و شکنندگی آن بیشتر می شود. البته برخی از روش های تولید باعث بهبود خواص مکانیکی ذکر شده می شود. استانداردهای مختلفی برای نامگذاری و طبقه بندی فولاد کربنی و انواع آلیاژهای فولادی وجود دارد که ASTM آمریکایی معروفترین و پرکاربردترین آن هاست. همچنین می توانید طبقه بندی انواع فولاد کربنی را مشاهده کنید:

• فولاد کم کربن با محتوای کربن کمتر از 0.2٪
• فولاد کربن متوسط ​​با محتوای کربن بین 0.2 تا 0.6 درصد
• فولاد کربن بالا با محتوای کربن بالای 0.6٪

عموماً در فرآیند تولید فولاد کربنی هیچ آلیاژ دیگری به آن اضافه نمی شود. یعنی فرآیند تولید شمش فولاد کربنی با حرارت دادن سنگ آهن استخراج شده از معدن آغاز می شود و با شکل دهی و خنک سازی آن به پایان می رسد. به همین دلیل برخی از انواع آن را فولادهای غیر آلیاژی نیز می نامند. اگر قصد محاسبه میزان تیرآهن های مورد نیاز در پروژه خود را دارید در جدول اندازه تیرآهن ها اعداد مربوط به هر اندازه مربوط به تیرهای ساخته شده از فولاد کربنی وجود دارد.

فولاد ضد زنگ یا آلیاژ فولاد ضد زنگ چیست؟

دومین آلیاژ پرکاربرد در بین آلیاژهای تیرآهن، فولاد ضد زنگ است. این نوع فولاد بیشتر در صنایع و مکان هایی که مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدگی اولویت دارد استفاده می شود. میزان کربن در این نوع فولاد در مقایسه با فولاد کربنی به وضوح کمتر است و کمبود این عنصر توسط عناصر دیگری مانند کروم، منگنز، سیلیکون، مولیبدن و نیکل جبران می شود. این عناصر علاوه بر افزایش مقاومت فولاد در برابر خوردگی، استحکام کششی و استحکام تسلیم فولاد ضد زنگ را کاهش داده و انعطاف پذیری آن را افزایش می دهند. انواع فولاد ضد زنگ به 5 دسته زیر تقسیم می شوند:

• فولاد ضد زنگ مارتنزیتی
• فولاد ضد زنگ فریتی
• فولاد ضد زنگ آستنیتی
• فولاد سخت شده در اثر بارش
• فولاد زنگ نزن آستنیتی-فریتی

برخلاف فرآیند تولید آلیاژ فولاد کربنی، در تولید آلیاژ فولاد ضد زنگ، برخی از عناصر جانبی مانند کروم و نیکل به سنگ آهن مذاب اضافه می شود.

تیرآهن آلیاژی

تیرآهن آلیاژی از فولاد آلیاژی ساخته شده است که توسط عناصر مختلف ساخته می شود. برای بهبود خواص مکانیکی فولاد، می توان وزن آن را از 1 ٪ تا 50٪  آلیاژ کرد. به طور کلی آلیاژهای فلزی 85 درصد تیرآهن های فولادی را تشکیل می دهند. همانطور که گفتیم برای ساخت تیرآهن می توان از آلیاژهای مختلفی استفاده کرد که پرکاربردترین آلیاژهای تیرآهن  از نوع ضد زنگ هستند.

انواع آلیاژ تیرآهن پرکاربرد بر اساس استاندارد ASTM

 ASTM مخفف American Society for Testing and Materials است. این موسسه یکی از بزرگترین توسعه دهندگان استاندارد در سراسر جهان است که برای بهبود عملکرد در تولید مواد، محصولات، فرآیندها، سیستم ها و خدمات فعالیت می کند. در زمینه فولاد، استاندارد ASTM یکی از شناخته شده ترین استانداردهایی است که مشخصات، روش های آزمایش و بسیاری از ویژگی های انواع فولاد را تعیین می کند. در استاندارد ASTM، با استفاده از یک سری حروف با اعداد، توضیحاتی در مورد محصول ارائه می شود. مثلا حرف A نشان دهنده فلز آهن و عدد 36 شماره سریال یا کد است (این شماره سریال یک عدد متوالی 1 تا 4 رقمی است و ربطی به خواص فلز ندارد). در ادامه 4 نمونه از آلیاژهای تیرآهن بر اساس استاندارد ASTM را معرفی می کنیم:

1. استاندارد ASTM A36

یکی از رایج ترین فولادهای کربنی در ساخت تیرآهن، فولاد A36 است. فولاد ASTM A36 علاوه بر تیرآهن در تولید انواع ورق، میلگرد، نبشی، ناودانی و پروفیل نیز کاربرد دارد. فولاد A36 کمتر از 0.3 درصد کربن دارد و در دسته فولادهای کم کربن قرار می گیرد. این آلیاژ تیرآهن دارای مقاومت فشاری حدود 200 گیگا پاسکال و چگالی 7800 کیلوگرم بر متر مکعب می باشد. همچنین حداکثر استحکام کششی آن در حدود 58000 تا 79800 پوند بر اینچ است.

• استاندارد ASTM A572

ASTM A572 مشخصات استاندارد فولاد کم آلیاژ با مقاومت بالا است. در این حالت تیرآهن با استفاده از فرآیند نورد گرم و آبکاری و پوشش سطح (مثلاً گالوانیزه) ساخته می شود. از این روش برای ساخت تیرآهن های INP و IPE که مطابق با استاندارد اروپایی هستند استفاده می شود. در این نوع تیرآهن ها عرض از 42 تا 215 میلی متر و عمق از 80 تا 600 میلی متر می باشد. همچنین ضخامت تیر می تواند 3.8 تا 21.6 میلی متر باشد.

• استاندارد ASTM A992

استاندارد ASTM A992 مشخصات آلیاژ فولاد سازه ای را تعیین می کند و حاوی مقدار کمی از عناصر وانادیوم، کلمبیوم، نیکل، کروم، مولیبدن و … است که در ساخت تیرآهن های آلیاژی استفاده می شود. چگالی فولاد ASTM A992 تقریباً 7850 کیلوگرم بر متر است.

• استاندارد ASTM A53

مشخصات این استاندارد مربوط به فولاد کربنی گالوانیزه می باشد. در فولاد گالوانیزه از پوشش روی برای جلوگیری از خوردگی و زنگ زدگی استفاده می شود که به آن فرآیند گالوانیزه گرم می گویند. یک پوشش استاندارد روی بین 1.6 تا 1.8 اونس در هر فوت مربع است.

قیمت تیرآهن

یکی از پارامترهای مهم در تعیین قیمت تیرآهن ساختمانی، نوع آلیاژ و عناصر به کار رفته در ساخت تیرآهن می باشد. در مرحله اول، تیرآهن های تولید شده با فولاد کربنی قیمت کمتری نسبت به تیرآهن های ساخته شده با فولاد ضد زنگ دارند. دلیل این امر قیمت کمتر کربن نسبت به عناصر آلیاژی مورد استفاده در تولید تیرآهن ساختمانی است. دومین موضوع مهم در تعیین قیمت روز تیرآهن ساختمانی میزان آلیاژ مورد استفاده و انواع آن می باشد. به عنوان مثال، نیکل و منگنز تقریباً یک نوع خاصیت را به تیرآهن می افزایند و استفاده از آن ها مقاومت به خوردگی تیرآهن ساختمانی را افزایش می دهد. در این بین قیمت نیکل بسیار بالاتر از منگنز است و در نتیجه استفاده از آن باعث افزایش قیمت تیرآهن می شود. این موضوع در مورد سایر عناصر آلیاژی مورد استفاده در ساخت تیرآهن نیز صدق می کند و وجود یا عدم وجود هر عنصر و درصد آن بر قیمت این محصولات تاثیر کلیدی دارد.

قیمت روز تیرآهن

در طول قرن بیستم، رقابتی بین بتن مسلح و تیرآهن وجود داشت. اما در اواخر دهه 1930 با پیشرفت و تغییرات ظاهری سازه ها، تیرآهن به یکی از پروفیل های مهم در صنایع مختلف تبدیل شد. در حال حاضر تیرآهن یکی از مهمترین عناصر در ساخت و ساز ساختمان است که وظیفه آن تحمل نیرو و بار وارد بر سازه می باشد. اگرچه قیمت روز تیرآهن از بتن مسلح بیشتر است. اما ساخت سازه های فولادی زمان کمتری نسبت به سازه های بتنی می برد. استفاده از تیرآهن مزایا و معایبی دارد که ازمزایای استفاده از تیرآهن در سازه می توان به امکان توسعه سازه پس از اتمام، سرعت بالا در اجرا و نصب، استفاده در ارتفاع و اشغال فضای کمتر نسبت به بتن اشاره کرد.

قیمت آنلاین تیرآهن

تیرآهن به دلیل نقش کلیدی و حجم مصرف بالا در اسکلت ساختمان، در تعیین قیمت نهایی مسکن تاثیرگذار است. به همین دلیل برای کنترل هزینه های ساخت وساز، قیمت روز تیرآهن و قیمت آنلاین آن اهمیت بسیاری دارد. قسمت اصلی و عمده قیمت آلیاژ تیرآهن مربوط به خرید مواد اولیه و فرآیند تولید این قطعه فولادی می باشد. با این حال، شرایط روزانه بازار مانند نوسانات ارز یا میزان عرضه و تقاضا، به افزایش یا کاهش قیمت روزانه آهن همراه می باشد. به همین دلیل باید با تمامی عوامل موثر بر قیمت تیرآهن فولادی آشنا شوید تا بتوانید خریدی مقرون به صرفه داشته باشید.

جمع بندی

در فرآیند تولید تیرآهن علاوه بر فولاد کربنی از ترکیب عناصر دیگر نیز استفاده می شود. استفاده از عناصر مختلف در تولید تیرآهن که به آن ها آلیاژ تیرآهن می گویند باعث تغییر و بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی تیرآهن می شود. در این مقاله تمامی آلیاژهایی که ممکن است در هنگام ذوب و ریخته گری به تیرآهن اضافه شوند را بررسی کرده ایم. همچنین انواع آلیاژهای تیرآهن بر اساس استانداردهای ASTM را معرفی کردیم که جزو پرکاربردترین آلیاژها هستند.