فولادهای ماراجینگ، هر آن چیزی که نیاز دارید بدانید – قسمت اول

فولادهای ماراجینگ خانواده ای از فولادهای مارتنزیتی فوق مستحکم با تافنس شکست بالا هستند. این فولادها پر آلیاژی و دارای نیکل، (کبالت)، مولیبدن و تیتانیم بوده، میزان کربن و عناصر ناخالصی آن ها بسیار کم می باشد. در فولادهای ماراجینگ استحکام و تافنس بالا از طریق پیرسازی و در نتیجه تشکیل رسوبات بین فلزی بسیار ریز در ساختار مارتنزیتی حاصل می گردد. فولادهای ماراجینگ به خاطر استحکام و تافنس شکست بسیار بالا، قابلیت جوشکاری عالی، عملیات حرارتی ساده و سهولت قطعه سازی مورد توجه هستند و در صنایع هوافضا، نظامی، ابزارهای تولیدی و قالب ها کاربردهای فراوان دارند. فولادهای ماراجینگ در مقایسه با فولادهای کوئنچ – تمپر شونده متداول در استحکام یکسان تافتس شکست بالاتری داشته، از مقاومت به خوردگی، خوردگی تنشی و تردی هیدروژنی بالاتری برخوردار هستند.

در این نوشته از عصر مواد، قسمت اول از معرفی فولادهای ماراجینگ را تقدیم علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می نماییم. شما با مطالعه ی این نوشته ها می توانید با فولادهای ماراجینگ، تاریخچه، انواع، روش تولید، مکانیزم های استحکام دهی و خواص آن ها آشنایی کاملی پیدا نمایید. لازم به ذکر است که این مطلب، مقاله مروری جناب آقای دکتر حسین نژاد در خصوص فولادهای ماراجینگ است که در دوره دانشجویی در مقطع دکتری دانشگاه تهران به همراه استاد بزرگوار مهندسی متالورژی کشورمان جناب آقای دکتر محمود نیلی در سال ۱۳۸۰ با استناد به حدود ۲۰۰ مقاله و کتاب معتبر تالیف و منتشر نموده اند.

معرفی فولادهای ماراجینگ

فولادهای ماراجینگ (Maraging Steels) خانواده ای از فولادهای فوق مستحکم با تافنس شكست بالا هستند که در شرایط مارتنزیتی تحت عملیات پیرسازی قرار می گیرند و عنوان ماراجينگ آن ها نیز از پیرسازی (Aging) ساختار مارتنزیتی (Martensite) گرفته شده است. این فولادها پرآلیاژی نیکل دار و بر حسب نوع عمدتاً دارای عناصر کبالت، مولیبدن و تیتانیم بوده، میزان کربن و عناصر ناخالصی آن ها بسیار کم است. در فولادهای ماراجينگ استحکام و تافنس بالا از طریق پیرسازی و تشکیل رسوبات بین فلزی بسیار ریز (…,ɳ-Ni₃Ti,Fe₂Mo,Ni₃Mo) در ساختار مارتنزیتی حاصل می گردد.

با توجه به طیف وسیع کاربردها و خواص مورد نظر، فولادهای ماراجينگ با آلیاژهای متنوع تهیه و استفاده شده اند که می توان به آلیاژهای استاندارد کار شده، آلیاژهای ریختگی، انواع زنگ نزن، نوع مخصوص بدون كبالت برای کاربردهای هسته ای، نوع دارای خواص مغناطیسی برتر و … اشاره نمود. فولادهای ماراجينگ کار شده استاندارد (تجاری) برای استحکام تسليم های معینی طراحی شده اند که در چهار رده ۲۰۰، ۲۵۰، ۳۰۰ و ۳۵۰ عرضه می شوند و عنوان هر رده معرف استحكام تسليم آن بر حسب Ksi می باشد. هر Ksi برابر با ۶٫۸۹ مگاپاسکال است. آلیاژهای خاص تا استحكام تسليم Ksi ۶۰۰ نیز تهیه شده اند. فولادهای ماراجينگ ريختگی به جهت دارا بودن خواص مکانیکی و رفتار ریخته گری و انجمادی بهتر نسبت به سایر فولادهای استحکام بالای ریختگی مورد توجه هستند.

فولادهای ماراجينگ را می توان به طور همزمان با عملیات پیر سازی نیتروره کرد که سبب افزایش استحکام خستگی و مقاومت سایشی آن ها می شود. همچنین امکان تهیه قطعات متالورژی پودر با استحکام و داکتیلیتی مطلوب از این آلیاژها وجود دارد.

این فولادها در مقایسه با فولادهای کوئنچ – تمپر شونده متداول در استحكام يكسان تافنس شکست بالاتری داشته، از مقاومت به خوردگی، خوردگی تنشی (SCC) و تردی هیدروژنی بالاتری نیز برخوردار هستند. علاوه بر این، دارای فرایند قطعه سازی ساده تری هستند. به دلیل این که فولادهای ماراجينگ پس از سرد کردن از دمای آنیل محلولی نرم هستند، لذا به راحتی قابل ماشین کاری می باشند و از آنجایی که در اثر عملیات پیر سازی تغییراتی ابعادی بسیار کمی از خود نشان می دهند به ماشین کاری مجدد نیاز ندارند.

فولادهای ماراجينگ به خاطر استفاده از روش های ذوب در خلاء، عناصر آلیاژی گران قيمت و نیاز به دانش فنی و تکنولوژی پیشرفته جهت تولید و فرآوری، بسیار گران قیمت هستند. سهولت عملیات حرارتی و قطعه سازی آسان از مواد اولیه فرآوری شده سبب جبران بخشی از هزینه تولید اولیه فولادهای ماراجينگ می گردد که در نتیجه، استفاده از آن ها را در بعضی موارد صرف نظر از خواص مکانیکی و متالورژیکی منحصر به فرد از لحاظ اقتصادی نیز توجیه می کند.

تاربخچه فولادهای ماراجينگ

تحقیق بر روی فولادهای ماراجينگ از اواخر سال ۱۹۵۸ در آمریکا (شرکت بین المللی نيكل .INCO Ltd) با ابداع رده های ۲۰ و ۲۵ درصد نیكل شروع شد. با پی بردن به تاثير مولیبدن و كبالت در افزایش استحکام و سختى آلیاژهای فوق، در اوایل دهه ۱۹۶۰، رده فولادهای ماراجينگ ۱۸ نیكل كبالت دار بر پایه سیستم آلیاژی Fe- Ni – Co – Mo حاوی تیتانیم در سه رده تجاری ۲۰۰، ۲۵۰ و ۳۰۰ توسعه داده شده و بازاریابی شدند. در اواخر دهه ۶۰ رده ۳۵۰ از همین نوع نیز ابداع گردید که امروزه این رده ها به عنوان فولادهای ماراجينگ استاندارد شناخته می شوند. با کمیاب شدن کبالت و افزایش شدید قیمت آن به دنبال کشمکش های رخ داده در کشورهای آفریقایی دارنده معادن مس (زئیر و زامبيا)، تولید و مصرف فولاد ماراجينگ در امریکا با رکود جدی مواجه گردید. در پی تلاش برای کاهش وابستگی به کبالت و کاهش هزینه تولید فولاد، انواع ۱۸ نیكل بدون کبالت در اوایل دهه ۱۹۸۰ ابداع گردیده و در سه رده ۲۰۰، ۲۵۰ و ۳۰۰ توسعه داده شدند.

تحقیقات جامعی در جهت جایگزینی نیکل با منگنز به منظور کاهش هزینه تولید فولاد آن سال ۱۹۶۴ در ژاین و شوروی سابق شروع گردید و سپس محققین انگلیسی، هندی، آمریکایی، فرانسوی، كره ای و … تحقیقات مختلفی را در این راستا انجام دادند. با توجه به عدم حصول خواص مکانیکی مطلوب در این آلیاژها تحقیق در این زمینه هنوز مورد توجه است. فولادهای ماراجينگ زنگ نزن نیز همواره مورد توجه بوده اند و چندین نوع فولاد ماراجینگ زنگ نزن در کشورهای روسیه، فرانسه، سوئد و ابداع شده و توسعه یافته اند.

در جدول زیر روند تاریخی توسعه فولادهای ماراجينگ داده شده است:

سال	موضوع
دهه ۱۹۴۰	تحقیق بر روی آلیاژهای مغناطیسی Fi-Ni
۱۹۵۸-۱۹۵۹	ابداع آلیاژهای ۲۵Ni و ۲۰Ni
۱۹۶۰	ابداع آلیاژ ۱۸Ni رده ۲۵۰، اولین ذوب صنعتی
۱۹۶۱	تولید آلیاژ ۱۸Ni رده ۲۰۰ و ۳۰۰، کاربرد در هوافضا
۱۹۶۱-۱۹۶۵	تولید آلیاژ ۱۸Ni رده ۳۵۰، ۴۰۰ و ۵۰۰، شروع تحقیق روی آلیاژهای Fe-Ni-Mn در شوروی
۱۹۶۵-۱۹۷۰	شروع تحقیقات در ژاپن – کاربرد در ابزار تولیدی و قالب ها
دهه ۱۹۷۰	تحقیقات وسیع در شوروی و ژاپن، افزایش قیمت کبالت و رکود تولید و مصرف فولادهای ماراجینگ
دهه ۱۹۸۰	تولید آلیاژ ۱۸Ni بدون کبالت، فولادهای ماراجینگ زنگ نزن و آلیاژهای جدید
دهه ۱۹۹۰	شناسایی دقیق تر ریزساختار میکروسکوپی و مکانیزم های متالورژیکی، مکانیزم شکست و تردی آلیاژهای Fe-Ni-Mn، تولید آلیاژهای جدید

کاربردهای فولاد ماراجینگ

فولادهای ماراجينگ به لحاظ داشتن ترکیب عالی استحکام و تافنس، قابلیت جوشکاری عالی، سهولت قطعه سازی و عملیات حرارتی ساده در صنایع هوافضا، نظامی، ابزار تولیدی و قالب ها کاربردهای زیادی پیدا نموده اند. ویژگی اصلی فولادهای ماراجينگ برای استفاده از آن ها در صنایع هوافضا و نظامی، دارا بودن استحکام و تافنس بالا، قابلیت جوشکاری عالی و در ابزار تولیدی و قالب ها علاوه بر خواص مکانیکی مطلوب، امكان ماشین کاری شکل های پیچیده در شرایط نرم، پیرسختی با حداقل اعوجاج و امکان بازسازی مناطق ساییده شده می باشد. فولادهای ماراجينگ با توجه به استحکام و تافنس بالا می توانند در ساخت کامپوزیت ها نیز مورد استفاده قرار گیرند. به برخی کاربردهای این فولادها اشاره می شود:

فولاد ماراجینگ برای اجزای چرخ فرود هواپیما

صنایع هوافضا، نظامی و انرژی اتمی

پوسته موتور راکت و موشک، ریل مهار سکوی سیار پرتاب موشک، پیچ انفجاری و کمک فنر مدول لونار، اجزای چرخ فرود هواپیما، قلاب نگهدارنده هواپیما، مفصل بال در هواپیما، شفت انتقال گشتاور، قطعات آهنگری شده هواپیما، شفت موتور جت، شفت های انتقال نیرو در هلیکوپتر، پروانه استارتر موتور جت، بست های چند منظوره، فنر ریکویل توپ، پل های متحرک سبک، بدنه زیر دریایی، تجهیزات بازیابی زیردریایی، روتورهای غنی سازی در انرژی اتمی و …

ابزار الات تولیدی و قالب ها

قالب پلاستیک، قالب آهنگری گرم، قالب ریخته گری تحت فشار، پوسته و قالب کله زنی سرد، محفظه، قالب و پیستون اکستروژن، مندرل کاهش سرد در تولید لوله، پانچ و پیچ های قالب در آهنگری سرد، میل پیستون چکش آهنگری، نگهدارنده قالب های کاربیدی، شفت پینیونی اکستروژن پلاستیک، شفت انتقال نیروی مفصلی، صفحات انديکس مقاوم سایش، چرخ دنده ماشین آلات، پیستون، صفحات کلاچ، انواع شفت، مخازن تحت فشار و …

میل لنگ ساخته شده از فولاد ماراجینگ

سایر کاربردها

قطعات اتومبیل های مسابقه ای، تیغه شمشیربازی، سنجه های پرفشار، رول برینگ، کمربندهای ایمنی، تجهیزات جراحی، فنر تلفن، ترنسدیوسرهای فشاری، پوسته و پروانه پمپ، فنرهای شب کلاهی، لوله های هیدرولیک، تجهیزات آزمایش کشش، سوکت کابل، دسته چوبه گلف، تجهیزات پزشکی و …

انواع فولادهای ماراجینگ

۱- آلیاژهای تجاری

فولادهای ماراجينگ تجاری در حال حاضر به دو گروه ۱۸ نیكل كبالت دار و ۱۸ نيكل بدون کبالت تقسیم می شوند. انواع کبالت دار در چهار رده ۲۰۰، ۲۵۰، ۳۰۰ و ۳۵۰ و انواع بدون کبالت در سه رده ۲۰۰، ۲۵۰ و ۳۰۰ عرضه می شوند. علاوه بر اینها برخی انواع کم کبالت ۱۸ نیکل، آلیاژهای ریختگی و متفرقه نیز وجود دارند. در جدول زیر ترکیب شیمیایی انواع فولادهای ماراجينگ ۱۸ نيكل به همراه آلیاژهای ریختگی و متفرقه داده شده است.

ترکیب شیمیایی فولادهای ماراجينگ تجاری و برخی از آلیاژهای اولیه و ریختگی

۲- آلیاژهای جدید

توسعه آلیاژهای جدید در کنار آلیاژهای استاندارد به منظور رسیدن به خواص مکانیکی و متالورژیکی بهتر و یا کاهش هزینه تولید فولاد همواره مورد توجه و تحقیق بوده است. در جدول زیر این آلیاژها دسته بندی شده و ترکیب شیمیایی برخی از آن ها داده شده است.

دسته بندی، معرفی و ترکیب شیمیایی برخی از فولادهای ماراجينگ جدید

تلاش های زیادی در جهت کاهش هزینه تولید فولادهای ماراجینگ از طریق جایگزینی عناصر آلیاژی گرانقیمت با عناصر ارزان قيمت صورت گرفته است. در این راستا جایگزینی نیكل با منگنز در این فولادها مورد توجه و تحقيق فراوان است. نتايج نشان داده است که امکان جایگزینی تمامی نیكل وجود نداشته، ليكن قابلیت پیرسختی بالایی در آلیاژهای سه تایی Fe-Ni-Mn وجود دارد. این آلیاژها در شرایط آنیل محلولی شده شکست نرم داخل دانه ای (Ductile Dimpled Transgranular Fracture) داشته ولی در شرایط پیرسخت شده شکست ترد مرز دانه ای (Brittle Intergranular Fracture) در امتداد مرز دانه های آستنيت اولیه نشان می دهند. برخی از محققین علت تردی و شکست مرز دانه ای را جدایش اتم های منگنز به مرز دانه های آستنيت اولیه در حین عملیات پیرسازی ذکر کرده اند. در مقابل برخی دیگر از محققین جدایش منگنز را عامل اصلی تردی و شکست مرز دانه ای نمی دانند.

تحقیقات زیادی در جهت رفع تردی و بهبود خواص مکانیکی این آلیاژها از طريق بهینه سازی ترکیب شیمیایی و افزودن عناصر آلیاژی دیگر صورت گرفته است و در این راستا تاثیر مثبت افزودن مولیبدن، افزودن کروم، افزودن تنگستن و کاهش محتوای منگنز آلياژ در بهبود خواص مکانیکی گزارش شده و خواص مکانیکی مناسبی در آلیاژهای (Fe-Ni-Mo- Mn-(Cr)-(Ti به دست آمده است.

در راستای کاهش هزینه تولید این فولادها همچنین می توان به حذف کبالت و جایگزینی مولیبدن با تنگستن در آلیاژ Korean-W250 یا جایگزینی کبالت، تیتانیم و یا وانادیم در آلیاژ Russian-N16F6M6 اشاره نمود.

در انواع نیکل-کبالت-مولیبدن دار که دارای مقادیر بالاتری از کبالت و مولیبدن هستند، استحکام بالاتر از رده های استاندارد مورد توجه بوده و به انواع فوق مستحکم (Ultra High Strength Variaties) معروف هستند. فولادهای ماراجينگ زنگ نزن گروهی دیگر از فولادهای ماراجينگ هستند که به جهت مقاومت به خوردگی خوب همراد با استحکام و تافنس بالا مورد توجه هستند. این گروه از فولادهای ماراجينگ دارای عناصر آلیاژی Si, Ti, Cu, Mo, Ni, Co, Cr و … هستند.

قسمت دوم و سوم از این نوشته را می توانید از لینک های زیر دنبال کنید:

فولادهای ماراجینگ، هر آن چیزی که نیاز دارید بدانید – قسمت دوم

فولادهای ماراجینگ، هر آن چیزی که نیاز دارید بدانید – قسمت سوم و پایانی