میلگرد فنری چیست؛ خواص و انواع میلگرد فولاد فنری

هر چند اغلب افراد میلگرد را به عنوان یکی از مصالح رایج در ساخت‌ و ساز می‌شناسند، اما این محصول فولادی به عنوان ماده اولیه در صنایع مختلف دیگر نیز کاربرد گسترده‌ای دارد. کمتر کسی است که نداند میلگرد چیست، اما شاید بسیاری ندانند که نوع خاصی از آن وجود دارد که به خاصیت فنری خود شناخته می‌شود.

این نوع میلگرد به گونه‌ای طراحی شده است که هنگام اعمال فشار، تغییر شکل می‌دهد و پس از برداشتن بار، بدون آسیب‌دیدگی به حالت اولیه باز می‌گردد. به همین دلیل، به آن میلگرد فولاد فنری گفته می‌شود.
در این مقاله، به طور جامع بررسی می‌کنیم که میلگرد فنری چیست، چه ویژگی‌ها و مزایایی دارد و سپس به معرفی انواع، روش تولید و کاربردهای رایج آن می‌پردازیم.

میلگرد فنری چیست؟

میلگرد فنری نوعی میلگرد تخصصی است که برای ساخت فنرها، اجزای سیستم تعلیق خودرو و ابزارهای صنعتی به کار می‌رود. برخلاف میلگردهای معمولی که سفت و صلب هستند، میلگرد فولاد فنری می‌تواند هنگام اعمال فشار، به طور موقت تغییر شکل دهد و پس از برداشتن نیرو، بدون آسیب‌دیدگی به حالت اولیه بازگردد.

ین نوع میلگرد از فولاد خاصی تولید می‌شود که به آن فولاد فنر گفته می‌شود و به همین دلیل، از نظر ترکیب شیمیایی با میلگردهای ساختمانی معمولی متفاوت است. فولاد فنری معمولا درصد کربن بالاتری دارد (حدود 0.5 تا 1 درصد کربن در مقایسه با تقریبا 0.2 تا 0.3 درصد در فولاد نرم) و اغلب عناصر آلیاژی دیگری نظیر سیلیسیم، نیکل، منگنز، کروم، وانادیوم یا مولیبدن به آن افزوده می‌شود تا خواص مکانیکی آن بهبود یابد.

عنصر مشترک و کلیدی در ساخت فولاد فنر، سیلیسیم است. سیلیسیم ضمن افزایش دوام، توانایی فولاد را برای حفظ شکل و انعطاف‌پذیری در برابر فشار به طور چشمگیری بالا می‌برد. این عنصر با افزایش استحکام تسلیم فولاد (یعنی فشاری که در آن فولاد دچار تغییر شکل دائمی می‌شود)، موجب می‌شود که میلگرد فنری در برابر خم شدن و شکم‌دادگی مقاومت بالاتری از خود نشان دهد.

خواص میلگرد فنری

میلگرد فولاد فنری به دلیل ترکیب شیمیایی خاص خود، نسبت به فولادهای آلیاژی معمولی عملکرد بهتری در برابر بارگذاری سیکلی (چرخه‌ای) دارد که آن را برای تولید فنرها و قطعات مشابه بسیار ایده‌آل می‌سازد.
برخی از خواص منحصر‌ به فرد این میلگرد عبارتند از:

• فنریّت: میلگرد فنری می‌تواند به طور مکرر تحت بارهای فشاری یا کششی قرار گیرد و بدون تغییر شکل یا افت عملکرد، به شکل اولیه خود بازگردد.
• استحکام تسلیم بالا: یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های میلگردهای فولاد فنر، استحکام تسلیم بالای آن‌ها است که باعث می‌شود حتی تحت بارهای سنگین، شکل و عملکرد خود را حفظ کنند. استحکام تسلیم به بیشترین مقدار کشش یا فشاری گفته می‌شود یک ماده قبل از آنکه دچار تغییر شکل دائمی شود، می‌تواند تحمل کند.
• دوام و مقاومت بالا در برابر خستگی: مقاومت در برابر خستگی به توانایی یک ماده در تحمل چرخه‌های مکرر بارگذاری و باربرداری بدون بروز شکست اشاره دارد. میلگردهای فولاد فنر در برابر بارهای سنگین و تکرار شونده که در آلیاژهای دیگر موجب ترک، شکست یا افت عملکرد می‌شوند، مقاومت بالایی نشان می‌دهند.
• خاصیت کشسانی (الاستیسیته): الاستیسیته به توانایی یک ماده در بازگشت به شکل اولیه خود پس از اعمال نیرو و تغییر شکل موقت گفته می‌شود. میلگرد فولاد فنری الاستیسیته بالایی دارد که باعث می شود بتواند در برابر خم شدن، پیچش یا فشرده‌ شدن مقاومت کرده و بدون تغییر شکل دائمی، به حالت اولیه خود بازگردند.
• مقاومت در برابر خوردگی: میلگردهای فولاد فنر بسته به ترکیب آلیاژی خاص خود مقاومت قابل‌توجهی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهند. مقاومت بالا در برابر خوردگی، طول عمر میلگرد را افزایش داده و خواص مکانیکی آن را حتی در شرایط سخت حفظ می‌کند.
• سختی و چقرمگی: میلگرد فولاد فنر به دلیل سختی بالا، مقاومت مناسبی در برابر نیروهای سایشی و آسیب‌های سطحی دارد. علاوه بر این، خاصیت چقرمگی یا ضربه‌پذیری باعث می شود که بتواند ضربات سنگین را بدون شکستگی جذب کند.
• فرم‌پذیری و قابلیت عملیات حرارتی: میلگرد فنری قابلیت شکل‌دهی و فرم‌پذیری دارد و حتی پس از عملیات حرارتی نیز، شکل خود را حفظ می‌کند. قابلیت عملیات حرارتی به تولیدکنندگان امکان می‌دهد تا خواص مکانیکی ماده را متناسب با نیازهای خاص هر کاربرد تنظیم کنند.
• پایداری ابعادی: میلگرد فولاد فنری، حتی تحت بارهای متغیر و در دماهای مختلف، پایداری ابعادی خود را حفظ می‌کند. پایداری ابعادی تضمین می‌کند که قطعات به درستی کار کرده و عملکرد خود را در شرایط محیطی متغیر حفظ کنند.

انواع میلگرد فولاد فنری

اصطلاح فولاد فنری دامنه وسیعی از فولادها را شامل می‌شود که هر یک ترکیب شیمیایی و در نتیجه، خواص مکانیکی متفاوتی دارند. این تفاوت‌ها بر ویژگی‌هایی مانند استحکام، خاصیت کشسانی، دوام، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد فولاد تحت بارهای سنگین، دمای بالا یا شرایط محیطی دشوار تاثیر می‌گذارند. ترکیب عناصر آلیاژی، بر قیمت میلگرد نیز اثرگذار است. از این‌رو، انتخاب نوع مناسب میلگرد فنری باید بر اساس نیاز مکانیکی، شرایط محیطی و بودجه‌ مورد نظر انجام شود.

در ادامه، انواع رایج میلگرد فولاد فنری معرفی شده است:

• فولاد پر کربن (high-carbon steel): این نوع فولاد دارای درصد بالایی از کربن و مقدار کمی از عناصر آلیاژی است و به دلیل سختی و استحکام تسلیم مناسب، گزینه مقرون‌به‌صرفه‌ای برای کاربردهای پایه فنری محسوب می‌شود. با این حال، مهم‌ترین نقطه ضعف آن، مقاومت پایین در برابر خوردگی و افت استحکام در دماهای بالا است. از این فولاد در فنرهای شمشی قدیمی خودروها، ابزارهای دستی و قطعات مکانیکی که در معرض سایش شدید یا دمای بالا نیستند، استفاده می‌شود.
• سیلیسیم-منگنز: این نوع فولاد فنری در ترکیب خود حاوی سیلیسیم برای افزایش خاصیت ارتجاعی و منگنز برای افزایش سختی فولاد در حین عملیات حرارتی است. بنابراین، برای ساخت قطعاتی که تحت بارگذاری مکرر خم می‌شوند، مانند فنر پارابولیک در کامیون‌ها، لوازم ورزشی و وسایل نقلیه کشاورزی، مناسب است. هر چند این فولاد تا دمای 200 درجه سانتیگراد عملکرد مناسبی دارد، اما مقاومت خوردگی پایینی دارد.
• کروم-وانادیوم: این آلیاژ استحکام و مقاومت بالایی در برابر خستگی و سایش دارد و به ویژه در قطعاتی که بارگذاری سیکلی را تجربه می‌کنند، مانند فنرهای پیچشی خودرو، میله‌های پیچشی، ماشین‌آلات کشاورزی و برخی تجهیزات صنعتی سنگین استفاده شود. این فولاد در دماهای متوسط عملکرد خوبی دارد، اما قیمت آن نسبت به فولادهای فنری پایه بالاتر است و به عملیات حرارتی دقیق‌تری نیاز دارد.
• کروم-مولیبدن: این نوع میلگرد فنری به دلیل استحکام و چقرمگی بالا در برابر بارهای ضربه‌ای سنگین عملکرد خوبی دارد و به همین دلیل برای ساخت فنرهای برگ کامیون و تریلر، سیستم تعلیق خودروهای آفرود و ابزارهای بزرگ به کار می‌رود. با این حال، مقاومت آن در برابر خوردگی محدود است و برای محیط‌های با دمای بالا توصیه نمی‌شود.
• کروم-سیلیسیم: این آلیاژ می‌تواند تنش و دمای بالا را تحمل کند و عملکرد مناسبی در فنرهای سوپاپ خودرو، فنرهای کلاچ و سیستم‌های تعلیق پرفشار، به ویژه در موتور اسپرت دارد. با این حال، شکل‌دهی و فرآوری آن نسبت به سایر فولادهای فنری دشوارتر و گران‌تر است.
• فولادهای نیکل-کروم-مولیبدن: این آلیاژ استحکام و مقاومت بالایی در برابر خستگی و ترک خوردگی دارد و برای کاربردهای حساس هوافضا و دفاعی مانند ارابه‌های فرود هواپیما، میله‌های پیچشی وسایل نقلیه نظامی و قطعات مسابقه‌ای که باید در برابر ضربه و خستگی شدید مقاومت کنند، مناسب است. با این حال، این نوع فولاد هزینه بالایی دارد، در برابر خوردگی مقاوم نیست و به محیط‌های کنترل‌شده برای عملیات حرارتی نیاز دارد.
• فولادهای فنری ضدزنگ: این نوع میلگرد فولاد فنری علاوه بر استحکام و خاصیت ارتجاعی بالا، مقاومت مناسبی در برابر خوردگی دارد و برای محیط‌هایی مناسب است که علاوه بر عملکرد مکانیکی، نیاز به مقاومت بالا در برابر خوردگی شیمیایی یا زنگ‌زدگی دارد. از این نوع فولاد در کاربردهای دریایی، پزشکی، هوافضا و شیمیایی مانند فنرهای سوپاپ و موتور، ابزارهای جراحی و ایمپلنت‌ها، فنرهای چاقو، تجهیزات دریایی، مترهای نواری و فنرهای ساعت استفاده می‌شود.

روش‌های تولید میلگرد فنری

فولادهای فنری باید بتوانند در برابر پیچش یا خمیدگی قابل‌توجه، بدون تغییر شکل دائمی، مقاومت کنند. محصولات تولیدشده از این فولادها می‌توانند به طور مکرر خم، فشرده، کشیده یا پیچیده شوند و همچنان بدون تغییر باقی بمانند و به شکل اولیه خود بازگردند. این ویژگی به دلیل استحکام تسلیم بالای فولاد فنری است که حاصل ترکیب شیمیایی خاص و فرایندهای سخت‌کاری آن است.
برای دستیابی به خواص مورد نیاز، فولاد فنری باید دو مرحله اصلی را طی کند:

1. عملیات حرارتی
   در این فرایند، فولاد ابتدا تا دمای بالا حرارت داده می‌شود و سپس به صورت کنترل‌شده سرد می‌گردد. این کار ساختار کریستالی فولاد را تغییر داده و موجب افزایش سختی آن می‌شود. اما در این مرحله فولاد بسیار شکننده می‌شود؛ بنابراین، با گرم کردن مجدد تا دمای پایین‌تر (مرحله‌ برگشت یا Tempering) شکنندگی کاهش یافته و تعادل مناسبی میان سختی و انعطاف‌پذیری ایجاد می‌شود. این تعادل برای قطعات فنری ضروری است.
2. کار مکانیکی سرد (سخت‌کاری مکانیکی)
   در این مرحله، فولاد در دمای محیط با روش‌هایی مانند نورد سرد، کشش، خم‌کاری یا چکش‌کاری شکل داده می‌شود. این فرایند باعث فشرده‌سازی ساختار دانه‌ای فولاد شده و استحکام کششی آن را افزایش می‌دهد. بسته به طراحی قطعه، کار سرد ممکن است پیش یا پس از عملیات حرارتی انجام شود.

میلگرد فنری در فرایندهایی مانند کشش سرد یا نورد سرد، از میان قالب‌هایی عبور داده می‌شود تا به قطر دلخواه برسد. این روش نه تنها استحکام مکانیکی را بالا می‌برد، بلکه موجب بهبود کیفیت سطحی و یکنواختی ابعاد نهایی نیز می‌شود. در نتیجه این مراحل، فولاد فنری به صورت ورق، نوار، میله یا میلگرد آماده‌سازی می‌شود و قابلیت استفاده در کاربردهای دقیق و صنعتی را پیدا می‌کند.

کاربرد میلگرد فولاد فنری

میلگرد فولاد فنری در صنایع گوناگون کاربرد گسترده‌ای دارد و کمتر دستگاه و ماشینی را می‌توان یافت که فولاد فنری در آن به کار نرفته باشد. برخی از مهم‌ترین کاربردهای میلگرد فنری عبارتند از:

• گیره‌ها و بست‌ها
  فولاد فنری به دلیل استحکام بالا و مقاومت عالی در برابر خستگی مکانیکی، برای ساخت گیره‌ها، خارها، بست‌ها و اجزایی به کار می‌رود که وظیفه نگه‌ داشتن قطعات در کنار یکدیگر را دارند.
• فنرها
  متداول‌ترین کاربرد فولاد فنری، تولید انواع فنرها از جمله فنرهای مارپیچ، فشاری، پیچشی، تخت یا شمشی است. این فنرها در ماشین آلات صنعتی، خودروها و تجهیزات مختلف استفاده می‌شوند.
• تجهیزات پزشکی
  فولاد فنری به دلیل انعطاف پذیری، استحکام و دوام بالا و قابلیت استریل شدن، در صنعت پزشکی برای ساخت ابزارهایی مانند ابزارهای جراحی، وسایل ارتودنسی و ایمپلنت‌ها کاربرد دارد.
• ماشین‌آلات
  فولاد فنری در ساخت تجهیزات صنعتی و ماشین‌آلات مختلف شامل چمن‌زن‌ها، نوار نقاله‌ها، پمپ‌ها و حتی قطعات هواپیما و تجهیزات هوافضا کاربرد دارد.
• ابزارهای دستی
  با توجه به استحکام کششی بالا و دوام فوق‌العاده، فولاد فنری گزینه‌ مناسبی برای تولید ابزارهای دستی مقاوم مانند انبردست‌، آچار و قیچی‌ به حساب می‌آید.

میلگرد فولاد فنری به دلیل خاصیت کشسانی، فنریّت، استحکام تسلیم بالا و مقاومت مکانیکی مناسب، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف دارد. ترکیب شیمیایی خاص و فرایندهای دقیق عملیات حرارتی، آن را از میلگرد معمولی متمایز می‌سازد و برای کاربردهایی مانند ساخت فنرها، گیره‌ها، بست‌ها و تجهیزات صنعتی بسیار ایده‌آل می‌کند.

میلگرد فنری بر اساس ترکیب آلیاژی خود در انواع مختلفی عرضه می‌شود و انتخاب نوع مناسب آن باید با در نظر گرفتن نوع کاربرد و هزینه مورد نظر صورت گیرد. با این حال، استفاده از مشاوره‌های تخصصی می‌تواند به تصمیم گیری آگاهانه کمک کند. در این زمینه، فولادسل به عنوان مرجع تخصصی تامین آهن‌آلات، با ارائه خدمات کارشناسی و تامین انواع محصولات فولادی نورد سرد و گرم، از جمله میلگرد به طور مستقیم از درب کارخانه همراه مطمئن پروژه‌های شما خواهد بود.