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

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 بخاطر 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 و 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 دوم از معرفی فولادهای ماراجینگ را تقدیم علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می نماییم. قسمت اول این مطلب را هم می توانید از این لینک و قسمت سوم آن را ار این لینک ببینید. 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.

در قسمت اول این نوشته، معرفی فولادهای ماراجینگ، تاریخچه ابداع و توسعه آن ها، کاربردها و انواع این فولادها تقدیم علاقمندان شد. در این قسمت، تولید و فرآوری فولادهای ماراجينگ و متالورژی فیزیکی فولادهای ماراجینگ تقدیم می شود.

تولید و فرآوری فولادهای ماراجينگ

روش متداول برای تولید و فرآوری فولادهای ماراجينگ کار شده به ترتیب زیر است:

ذوب و ریخته گری
همگن سازی
آهنگری و نورد گرم
آنیل محلولی
پیرسازی

در فرآوری فولادهای ماراجينگ به دست آوردن استحکام بسیار بالا همراه با تافنس مطلوب، نیازمند کنترل دقیق ریز ساختار است. بدین منظور لازم است که میزان عناصر ناخالصی و گازهای محلول بسیار پایین باشد. به جهت تاثیر منفی بسیار شدید آخال ها روی تافنس شکست فولادهای ماراجينگ، آخال ها باید به شدت کنترل شوند و دارای حداقل کسر حجمی، ابعاد کوچک تر، مورفولوژی مناسب تر و توزیع یکنواخت تر باشند. با توجه به جدایش شديد عناصر آلیاژی در حین انجماد و تاثیر آن بر کاهش قابلیت آهنگری و نورد گرم و غیریکنواختی در خواص مکانیکی در قطعات کار شده لازم است که انجماد این فولادها نیز تحت کنترل و سریع باشد که بدین منظور از انجماد در قالب مسی آبگرد در روش های ذوب مجدد استفاده می کنند.

انتخاب روش ذوب و ریخته گری برای فولادهای ماراجينگ بستگی به استحکام و تافنس موردنظر، رده فولاد (میزان و نوع عناصر آلیاژی) و حساسیت کاربرد دارد. بدین ترتیب که با افزایش استحکام و میزان عناصر آلیاژی (به خصوص تیتانیم) استفاده از روش های پیشرفته تر الزامی می گردد. برای تهیه فولادهای ماراجينگ از روش های ذوب چند مرحله ای استفاده می کنند. روش استاندارد برای تهیه فولادهای ماراجينگ استفاده از روش ذوب تحت خلاء دو مرحله ای می باشد که در آن ابتدا به روش ذوب القایی تحت خلا ((Vacuum Induction Melting( VIM) آلیاژسازی انجام گرفته و سپس شمش تهیه شده به روش ذوب مجدد قوسی تحت خلاء ((Vacuum Arc Remelting( VAR) تصفیه می گردد.

عملیات حرارتی همگن کردن به منظور افزایش قابلیت کارپذیری شمش ها از طريق کاهش میزان جدایش عناصر آلیاژی انجام می گیرد. معمولاً همگن سازی فولادهای ماراجينگ در ۱۲۵۰ درجه سانتیگراد به مدت سه ساعت انجام گرفته و در ادامه فولاد تحت کار مکانیکی گرم قرار گرفته و یا سریع سرد می شود تا از تشکیل کاربید و نیترید تیتانیم (Ti(C,N در مرز دانه های آستنيت اولیه جلوگیری شود.

فولادهای ماراجینگ را با روش ها و دستگاه های متداول تحت آهنگری، نورد و اکستروژن گرم قرار می دهند. به جهت استحکام گرم بالاتر در انواع پرتیتانیم نیاز به نیروی تغيير شكل بالاتر با ابعاد کوچک تر شمش دارد. حداکثر دمای کار گرم فولادهای ماراجينگ ۱۲۶۰ درجه سانتیگراد است که در رده های بالاتر حاوی مقادیر بیشتر عناصر آلیاژی به جهت دوری جستن از ذوب مخفی بین دانه ای (Incipient Melting) دمای حداکثر تا ۱۲۳۰ درجه سانتیگراد کاهش می یابد. جهت حصول خواص مکانیکی بهتر با در نظر گرفتن ظرفیت دستگاه، انجام عملیات تغيير شكل گرم در دماهای پایین ترجیح دارد.

فولادهای ماراجينگ را بعد از آهنگری و نورد گرم در دمای بالا آستنيته کرده و در هوا سرد می کنند که به دنبال آن ساختار مارتنزیتی حاصل می گردد. این عملیات به عملیات حرارتی آنیل محلولی معروف است و هدف از انجام آن به دست آوردن ساختار مارتنزیتی ظریف و فوق اشباع از عناصر آلیاژی است. عملیات آنیل محلولی متداول برای فولادهای ماراجينگ استاندارد ºC/1hr 820 و سرد کردن در هوا است. در عمل از عملیات آنیل محلولی مضاعف نیز استفاده می شود. آنیل محلولی مضاعف به جهت تکمیل تبلور مجدد و ایجاد دانه های ریزتر آستنيت اوليه سبب بهبود خواص مکانیکی فولاد می شود. فولادهای ماراجينگ برای مصارف ماشینکاری در شرایط آنیل محلولی شده عرضه می شوند. برای مقاصد آهنگری به جهت دگرگونی های ساختاری بعدی نیازی به تحویل در شرایط آنیل محلولی شده وجود ندارد.

عملیات پیرسازی متداول برای اغلب رده های استاندارد فولاد ماراجینگ ºC/3hr 480 تعریف شده است. در بعضی رده ها مثل انواع بدون كبالت پیرسازی در ºC/4hr 510 انجام می گیرد.

با قرار گرفتن در دمای پیرسازی، سختی فولاد شروع به افزایش کرده و پس از رسیدن به یک مقدار حداکثر سختی کاهش می یابد که ناشی از تشکیل آستنيت موسوم به آستنيت برگشتی (Reverted Austenite) و بخشی هم از فراپیری (Over Aging) ناشی از درشت شدن رسوبات است. با افزایش درجه حرارت پیرسازی حداکثر سختی و زمان رسیدن به آن کاهش می یابد.

در صورت نیاز به آشنایی با ریزساختار فولادها، نوشته زیر از عصر مواد توصیه می شود:

معرفی ساده و کاربردی ریزساختار فولادها: فریت، آستنیت، پرلیت، مارتنزیت و بینیت

متالورژی فیزیکی

خواص منحصر به فرد فولادهای ماراجينگ، علاقمندی ها و تلاش های فراوانی را جهت فهم و شناسایی رفتار و مکانیزم های متالورژیکی آن ها باعث شده است. فولادهای ماراجینگ متداول آلیاژهای آهن – نيكل با مقدار کربن بسیار پایین هستند و استحاله های فاز جامد آن ها از دیاگرام فازی دوتایی آهن – نیکل پیروی می کند. در شكل زیر طرف غنی از آهن دیاگرام فازی آهن – نيكل نشان داده شده است. در شكل الف که دیاگرام غیرتعادلی است تبدیل آستنیت به مارتنزیت در سرد کردن و عکس آن در گرم کردن نشان داده شده است که بین این دو استحاله پسماند وجود دارد. شكل ب که دیاگرام تعادلی است، نشان می دهد در مقادیر بالای نیکل، ساختار تعادلی در دمای پایین آستنيت و فريت است.

استحاله فاز جامد فولادهای ماراجينگ به هنگام سرد کردن از دمای آستينته یا آنیل محلولی مطابق دیاگرام غیرتعادلی آهن – نيكل صورت می گیرد. بدین ترتیب که با سرد کردن از دمای آنیل محلولی هیچ گونه واکنشی تا رسیدن به دمای شروع تشكيل مارتنزيت (Martensite Start Temperature) یا به اختصار M_Sصورت نمی گیرد. با رسیدن به این دما استحاله آستنیت به مارتنزیت شروع شده و با کاهش دما ادامه می یابد. در اين فولادها هیچ کدام از استحاله های متعارف مانند تشكيل فريت، پرلیت و بينيت رخ نمی دهد و بنابراین مشكل سختی پذیری حتی در مقاطع ضخیم ندارند. دمای شروع تشكيل مارتنزیت برای اغلب رده های تجاری فولادهای ماراجينگ بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد است و بنابراین در ساختار مارتنزیتی این فولادها آستنيت باقيمانده (Retained Austenite) پایدار نمی گردد.

عناصر آلیاژی دمای شروع تشكيل مارتنزیت را تحت تاثیر قرار می دهند. نیكل، مولیبدن و تیتانیم سبب کاهش و كبالت سبب افزایش آن می گردد. در فولادهای ماراجينگ از یک طرف افزایش مقدار عناصر آلیاژی رسوب دهنده (نيكل، مولیبدن و تیتانیم) جهت افزایش حجم رسوبات و در نتیجه سختی و استحکام بالاتر مورد توجه است و از طرف دیگر دمای شروع تشكيل مارتنزیت باید به حد کافی بالاتر از دمای محیط باشد تا آستنیت باقیمانده در ساختار پایدار نگردد. بنابراین یکی از نقش های کبالت در اين فولادها، افزایش دمای شروع تشكيل مارتنزیت است که امکان استفاده از مقدار بیشتر عناصر آلیاژی را جهت رسیدن به استحكام های بالاتر فراهم می نماید.

آستنیت باقیمانده در محل های غنی از عناصر آلیاژی از قبیل جدایش ها و باندها پایدار می شود. حضور آستنيت باقيمانده سبب غیریکنواختی خواص مکانیکی می گردد و انجام عملیات کوئنچ زیر صفر برای تبدیل آن به دلیل عدم اطمینان از تبدیل کامل و تکرارپذیری مطلوب نیست.

مورفولوژی مارتنزیت در فولادهای ماراجينگ از نوع لایه ای (Lath Martensite) است که در آن به جهت میزان کربن بسیار پایین اعوجاج وجود نداشته و ساختار کریستالی bcc است. در فولادهای ماراجينگ ۱۸ نیکل کبالت دار ساختار مارتنزیت لایه ای عاری از دوقلویی است. در حالی که در انواع ۱۸ نیكل بدون كبالت در داخل لایه ها ریز دوقلوهایی تشکیل می گردد. افزودن عناصر الیاژی و در نتیجه کاهش دمای استحاله آستنیت به مارتنزیت سبب ایجاد دوقلویی می گردد و گفته می شود که وجود دوقلویی سبب کاهش داکتیلیتی و تافنس مارتنزیت می شود.

سه نوع زیرساختار (Substructure) در ریز ساختار مارتنزیتی فولادهای ماراجينگ قابل تشخیص است که عبارتند از پاکت ها، بلوک ها و لایه ها. بدین ترتیب که در داخل هر کدام از دانه های آستنيت اوليه چندین پاکت وجود دارد که تعداد زیادی بلوک در داخل هر کدام از آن ها به صورت هم راستا قرار گرفته اند. بلوک ها نواحی مجزا از هم هستند و در داخل هر کدام از آن ها یک سری لایه های ریز مارتنزیتی قرار دارند که این لایه ها دارای دانسیته بسیار بالایی از نابجایی ها هستند و ضخامت آن ها در حدود ۰٫۲۵ میکرون است. از این سه زیرساختار پاکت ها و بلوک ها با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده اند ولی جهت مشاهده لایه ها نیاز به میکروسکوپ الکترونی عبوری است.

در فولادهای ماراجينگ استحکام بسیار بالای همراه با تافنس شکست مطلوب از ایجاد رسوبات بین فلزی بسیار ریز و با دانسیته بالا در زمینه مارتنزیتی نرم به دست می آید. Chao نشان داده است که در فولادهای ماراجینگ حدود چهل درصد استحکام ناشی از استحکام زمينه مارتنزیتی که دارای دانسیته بالایی از نابجایی ها و عیوب ساختاری است به دست آمده و بقیه آن ناشی از تشکیل رسوبات می باشد.

در فولادهای ماراجينگ ۱۸ نيكل دو نوع رسوب در ساختار آستینی تشکیل می گردد که عبارتند از: (Ti(C,N و (Fe₂(Mo,Ti. این رسوبات عامل اصلی پیرسختی و استحکام نیستند. (Ti(C,N در دمای بالا در مرز دانه های آستنيت اولیه رسوب کرده و سبب تردي مرز دانه ای می گردد که از طريق عملیات حرارتی و یا ترمومکانیکی از رسوب آن جلوگیری می شود. (Fe₂(Mo,Ti در انواع فوق مستحکم که دارای مقادیر بسیار بالاتری از عناصر آلیاژی کبالت و مولیبدن هستند (رده های ۴۰۰ و بالاتر) تشکیل می گردد.

در جدول زیر رسوبات مختلف شناسایی شده در انواع مختلف فولادهای ماراجينگ ارائه شده است.