فولاد مارایجینگ چیست؟

فولاد مارایجینگ چیست؟

اگر در صنعت فولاد فعالیت می‌کنید، احتمالا اسم فولاد مارایجینگ به گوش‌تان خورده باشد. این فلز، جزو فولاد‌های آلیاژی است که تاریخچه نسبتا کوتاه‌تری نسبت به انواع شناخته‌شده تر فولاد دارد. این آلیاژ به دلیل استحکام بالا بدون از دست دادن خاصیت چکش‌خواری، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر ترک خوردن و... در صنایع کلیدی و ساخت بعضی از قطعات از اهمیت بسزایی برخوردار است.

روش تولید این فولاد آلیاژی، ترکیب اجزای سازنده شامل آهن و نیکل بصورت پایه و عناصر دیگری به مقدار کمتر از جمله مولیبدن، مس، آلومینیوم، تیتانیوم و... است که هر کدام خواص منحصربفردی به این آلیاژ اضافه خواهند کرد. برای آشنایی بیشتر با فولاد مارایجینگ با ما در بنیان فولاد همراه باشید.

قیمت انواع قوطی پروفیل بنیان فولاد

تاریخچه فولاد مارایجینگ

فولاد مارایجینگ در اواسط قرن بیستم و در سال 1958 تولید شد. این فولاد آلیاژی ابتدا با اضافه کردن 20 و 25 درصد نیکل به آهن ساخته شد و استحکام فوق‌العاده و در عین حال چکش خواری بالا سازندگان را شگفت زده کرد. برخلاف فولاد معمولی که استحکامش را مدیون کربن است، در این آلیاژ هرچه میزان کربن کاهش پیدا می‌کرد، مستحکم‌تر می‌شد.

در دهه 1960 که توجه بیشتری به ترکیب فلزات دیگر با فولاد صورت گرفت، عناصری همچون مولیبدن، تیتانیوم، آلومینیوم، مس،  کبالت و... به این فولاد آلیاژی اضافه شد که در نتیجه برخی از مورد مصرف‌ترین انواع این فولاد آلیاژی را بوجود آورد. از جمله این آلیاژها می‌توان به  فولاد مارایجینگ 18 نیکل کبالت دار در رده‌های 200، 250، 300 و 350 اشاره کرد که امروزه بعنوان فولاد مارایجینگ استاندارد در بازار شناخته می‌شوند.

در دهه 80 هم آلیاژ فولاد ضد زنگ از مارایجینگ بدون کبالت تولید شد که بعلاوه بر استحکام بالا، قیمت پایین‌‌تری از انواع کبالت دار دارد؛ چرا که کبالت فلزی گران قیمت است. در حال حاضر ده‌ها نوع مختلف آلیاژ زیرمجموعه فولاد مارایجینگ هستند که در ادامه انواع مهم‌تر آن‌ها، کاربرد و ویژگی‌های‌شان را با هم بررسی خواهیم کرد.

 

فولاد مارایجینگ چیست؟

از مهم‌ترین تفاوت‌های فولاد مارایجینگ می‌توان به عدم وجود کربن و یا وجود میزان بسیار اندک در آن اشاره کرد. مارایجینگ یا Maraging از ترکیب دو واژه انگلیسی martensite و age hardening بوجود آمده که به معنای پیرسختی مارتنزیت است. فولاد مارایجینگ از آلیاژهای پرکاربرد فولاد می‌باشد که دارای استحکامی بالاست و به قابلیت چکش‌خواری خوب مشهور است. این فولاد آلیاژی منحصر بفرد، از ترکیب آهن و نیکل و اجرای عملیات حرارتی نورد گرم روی آنها بوجود می‌آید.

از عناصر مهم دیگری که با آهن و نیکل ترکیب می‌شود می‌توان به کبالت، آلومینیوم، مس، مولیبدن و تیتانیوم اشاره کرد که کارشان ایجاد ترکیبات بین فلزی است. اضافه کردن کبالت تا حدود 12 درصد باعث افزایش سرعت واکنش رسوب پذیری، افزایش رسوب پذیری و یکنواختی میان ترکیبات استفاده می‌گردد.

محصول تولید شده از این فرآیند دارای استحکام فوق‌العاده بالایی است که نه تنها چکش خوار است، بلکه ماشین‌کاری روی آن هم بسیار آسان بوده و با حداقل میزان اعوجاج فولاد همراه است. به دلیل وجود ترکیباتی مثل کبالت و یکنواختی بالا، در زمان عملیات حرارتی آلیاژ بصورت یکدست تغییر می‌کند. فولاد مارایجینگ همچنین مقاومت بسیار خوبی نسبت به خوردگی دارد و ایجاد ترک روی آن به ندرت اتفاق می‌افتد و بعد از پلیش هم از زیبایی قابل توجهی برخوردار است. در ادامه مطلب بصورت کامل کاربردها و ویژگی‌های آن را بررسی خواهیم کرد.

ترکیب شیمیایی فولاد مارایجینگ

در ترکیب فولاد مارایجینگ باید حداکثر 0.03 درصد کربن وجود داشته باشد. عنصر پایه آهن است ولی درصد بالایی نیکل در آن وجود دارد که می‌تواند تا 25 درصد باشد. 8 تا 12 درصد کبالت، 3 تا 5 درصد تیتانیوم، 1.8 تا 2 درصد تیتانیوم و 0.1 تا 0.15 درصد آلومینیوم از دیگر ترکیبات این آلیاژ هستند. در ضمن می‌توان برای تولید آلیاژ فولاد ضد زنگ، کروم را به این ترکیبات اضافه کرد. میزان پایین کربن در ترکیب این فولاد باعث جلوگیری از رسوب کاربید تیتانیوم می‌گردد. هرچه کربن در آلیاژ بیشتر باشد، کاربید تیتانیوم هم بیشتر خواهد بود.

قیمت انواع ضخامت های لوله در بنیان فولاد

انواع فولاد مارایجینگ

از مهم‌ترین استانداردهایی که برای دسته بندی این آلیاژ استفاده می‌شود MIL-S-46850D است. شاخص‌ترین انواع فولاد مارایجینگ کبالت دار 200، 250، 300 و 350 است که این اعداد در واقع نشان‌دهنده استحکام کششی فولاد بر حسب پوند به اینچ مربع است. از انواع مهم بدون کبالت هم می‌توان به 200، 250 و 300 اشاره کرد. در دو جدول زیر به خصوصیات و درصدهای هر عنصر در ساختار این آلیاژها اشاره کرده‌ایم تا بتوانید راحت‌تر آن‌ها را با هم مقایسه کنید.

 

	گرید 200	گرید 250	گرید 300	گرید 350
دمای پیرسختی (سانتی‌گراد)	480	480	480	480
تنش تسلیم (MPA)	1400	1700	1900	2400
چقرمگی شکست	140	100	70	40

 

	گرید 200	گرید 250	گرید 300	گرید 350
کبالت	8.5	8.5	9	12.5
تیتانیوم	0.2	0.4	0.7	0.3
آلومینیوم	0.1	0.1	0.1	0.1
مولیبدن	3.5	5	5	4.2
نیکل	18	18	18	18

 

 

روش های تولید فولاد مارایجینگ

روش‌های گوناگونی برای تولید این آلیاژ وجود دارد که هر کدام را به اختصار شرح خواهیم داد:

• روش ریخته گری: در این روش تمام موادی که قرار است برای ساخت فولاد مارایجینگ استفاده شود ابتدا ذوب شده و در حالت مایع به داخل قالب‌های مورد نظر ریخته می‌شود. بعد از آنکه مایع مورد نظر خنک شود، به شکل قالب مورد نظر در آمده و از قالب خارج می‌شود.
• روش اندودینگ: در این روش، آلیاژ در فشار و دمای بسیار بالا و در محیطی گازی تولید می‌گردد.
• روش تخته گردانی: در این روش، تولید آلیاژ مارایجینگ به روش تخته گردانی انجام می‌پذیرد؛ آن هم به شکل صفحه‌ای و با ضخامت از قبل تعیین شده.

از روش‌های پردازش معمول برای این آلیاژ هم می‌توان به سخت شدن با تثبیت کربن و ترمیم حرارتی اشاره کرد.

 

عملیات حرارتی فولاد مارایجینگ چگونه صورت می‌پذیرد؟

ابتدا فولاد مارایجینگ را در دمای 820 درجه سانتی گراد بمدت 15 الی 30 دقیقه برای مقاطع نازک و یک ساعت به ازای هر 25 میلیمتر ضخامت حرارت می‌دهیم. (یعنی اگر ورقه‌ای 100 میلیمتر ضخامت دارد، باید حدود 4 ساعت حرارت داده شود.)

این حرارت باعث می‌شود که فولاد اصطلاحا آنیل شود تا ساختاری اوستینیتی شکل بگیرد. در مرحله بعد اجازه می‌دهیم تا آلیاژ به دمای اتاق رسیده و سرد شود تا ساختار مارتینزتی آهن – نیکل که اسم این آلیاژ برگرفته از آن است، ایجاد گردد. سپس نوبت به عملیات پیرسازی که بخش دوم نام این آلیاژ است می‌رسد.

در این مرحله، برای آلیاژهای معمول تجاری، آلیاژ به مدت 3 ساعت در دمای 480 تا 500 درجه سانتی گراد قرار می‌گیرد تا ترکیب عناصر بصورت یکنواخت در بیایند و عناصر اضافه شده ثالث مثل سیلیسیم، مس، تیتانیوم، آلومینیوم، مولیبدن و ... در جای صحیح خود در ترکیب فلزی قرار بگیرند.

در فرآیند پیرسازی خواص آلیاژ ممکن است کاهش بیابد و به همین دلیل بهتر است به دقت انجام پذیرد. حال شاید برای‌تان سوال پیش بیاید که چرا این کار انجام می‌شود؟ در طی این فرآیند رسوبات شبه پایدار و همبسته حل شده و سطح انرژی آلیاژ کاهش می‌یابد که در نتیجه این عناصر به یکدیگر پیوند می‌خورند. به زبان ساده‌تر، رسوبات کوچک حل شده و به درون رسوبات بزرگتر کشیده می‌شوند. اگر عملیات حرارتی بیش از حد انجام شود، ترکیبات مارتنزیت ساختار به اوستنیت تبدیل خواهند شد که چیزی نیست که به دنبال آن هستیم.

ناودانی و انواع آن

نحوه جوشکاری فولاد مارایجینگ

از دید جوش پذیری، فولاد مارایجینگ پس از خنک شدن از دمای اوستینیتی، نسبتا نرم باقی می‌ماند. این امر به این معناست که مناطقی از قطعه که بوسیله گرمای جوش نرم شده‌اند، باعث کم شدن دمای پسماند می‌گردد و هیدروژن تمایل کمتری به ترک سرد خواهد داشت و بدلیل عدم و یا وجود بسیار اندک کربن در این فولاد، تنش‌های پسماند در آن هم ناچیز خواهد بود.

از همین رو برای جوشکاری احتیاجی به از پیش گرم کردن و آماده سازی مقاطع نیست. برای برگشت خواص نقطه جوش در این نوع آلیاژ، کافی است پیرسازی مجدد صورت بگیرد. برای عملیات جوشکاری هم سیم‌های پرکننده بکار گرفته می‌شوند که به ترکیب ورق پایه نزدیک باشند. از طرفی هم از آنجا که اعوجاج در این نوع آلیاژ به ندرت به چشم می‌خورد، خوب است از آنیل محلولی استفاده گردد.

 

مقاومت نسبت به زنگ زدگی و خوردگی

فولاد مارایجینگ مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی و زنگ زدگی از خود نشان می‌دهد که آن را مناسب استفاده در محیط‌هایی مثل سکو‌های دریایی و سازه‌هایی که دائما در تماس با رطوبت و آب هستند و یا کارگاه‌ها و کارخانه‌های صنعتی که با مواد شیمیایی سر و کار دارند کرده است.

بطور کلی هر محیطی که اسیدی، نمکی و یا مرطوب باشد، برای استفاده از این آلیاژ مناسب است. همچنین میزان پایین شکست هیدروژنی و خوردگی تنشی از دیگر خواص منحصر بفرد این آلیاژ است. برای افزایش این خواص نیز می‌توان از آبکاری فسفاته و یا کادمیوم بهره برد و لایه‌ای بسیار مقاوم در برابر خوردگی ایجاد کرد.

 

خواص فولاد مارایجینگ

• امکان حفظ استحکام تا 350 درجه و بیشترین عمر سرویس در دمای بالای 400 درجه در برخی آلیاژهای این دسته.
• ترکیبی فوق‌العاده از استحکام کششی و تسلیم که در کنار این دو چقرمگی و چکش خواری بالایی نیز دارد که در بین تمام آلیاژهای فولاد، این محصول را منحصر بفرد ساخته است.
• ساختار منعطف به علت وجود مارتنزیت کم کربن. فولاد مارایجینگ پیش از عملیات پیرسازی می‌تواند توسط نورد سرد 80 تا 90 درصد تغییر شکل دهد، بدون این که در ساختارش ترک ایجاد شود.
• سختی یکنواخت قطعات تولید شده به دلیل نوع ساختار مولکولی یکنواخت و نحوه تولید آلیاژ و سختی پذیری بالای آن.
• امکان ماشین‌کاری تا قبل از انجام پروسه پیرسازی. پس از پروسه پیرسازی نیز تغییر ابعاد آلیاژ بسیار اندک است.
• اعوجاج بسیار کم در قطعات تولید شده به دلیل عملیات حرارتی ساده.
• عدم ایجاد و یا ایجاد حداقلی ترک و شکستی در هنگام انجماد به دلیل وجود مارتنزیت انعطاف پذیر آهن – نیکل.
• قابلیت جوشکاری منحصر بفرد که حتی بعد از جوشکاری با انجام عملیات حرارتی قابل بازگشت خواهد بود.
• عدم وجود و یا میزان بسیار کم کربن که مشکل دکربوره شدن که در سایر فولادهای آلیاژی وجود دارد را از بین می‌برد.
• امکان ایجاد لایه محافظ پوششی بوسیله ایجاد پوشش کادمیوم و یا فسفاته کردن.
• مقاومت بسیار بالا نسبت به زنگ زدن، خوردگی، تردی هیدروژنی و خوردگی تنشی.

 

کاربرد فولاد مارایجینگ

حال که در مورد ویژگی‌ها، خواص و چیستی فولاد مارایجینگ صحبت کردیم، به موارد استفاده آن در صنایع مختلف اشاره خواهیم کرد. این خواص منحصر بفرد از کوچک‌ترین قطعات و صنایع نسبتا ساده تا پیچیده‌ترین صنایع مثل ساخت راکت را در بر می‌گیرد.

 

فولاد مارایجینگ در ورزش

از این آلیاژ در ساخت بسیاری از لوازم رشته‌های ورزشی استفاده می‌گردد. برای مثال نحوه استفاده از فولاد مارایجینگ را در سه رشته مختلف بررسی می‌کنیم.

• ساختن تیغه شمشیر مسابقاتی: همانطور که گفتیم این آلیاژ مقاومت بسیار بالایی نسبت به ترک خوردن و شکستگی دارد (میزان ترک خوردن این آلیاژ یک دهم فولاد معمولی است) و وزن آن هم نسبت به فولادهایی با حجم یکسان به طرز قابل توجهی پایین‌تر است. این خصوصیات کمک می‌کنند تا از شکستن شمشیرها جلوگیری شود و مصدومیت‌ها نیز کاهش بیابند. از همین رو از فولاد مارایجینگ در ساخت شمشیر که به هر دوی این ویژگی‌ها نیازمند است، استفاده می‌شود.
• ساختن بدنه دوچرخه: وزن پایین و استحکام بالای این فولاد، شرکت‌های دوچرخه سازی حرفه‌ای در آمریکا و انگلستان را بر آن داشته تا با تولید و استفاده از لوله‌های مارایجینگ، بدنه‌های جدیدی با وزن حداقلی و استحکامی فوق‌العاده تولید کنند تا دوچرخه سواران حرفه‌ای بتوانند تا حد امکان از رقبای خود پیشی بگیرند.
• ساختن چوب گلف: ورزش دیگری که استقبال خوبی از این نوع فولاد نشان داده، گلف است. در این ورزش تمام مهارت بازیکن به چوب گلف وابسته است. در این مورد هم وزن پایین و استحکام بالا هرآنچه که برای ورزشکاران این رشته مورد نیاز است را فراهم آورده تا بتوانند توانایی‌های خود را بیش از پیش به نمایش بگذارند.

 

فولاد مارایجینگ در ساخت راکت و موشک

از آنجا که این آلیاژ پیش از عملیات پیرسازی دارای استحکام بالا و چکش خواری فوق‌العاده مطلوبی است، این امکان وجود دارد که آلیاژ به پوسته‌های نازک تغییر شکل پیدا کند. این ویژگی آلیاژ مارایجینگ را برای استفاده در صنعت راکت و موشک سازی مناسب می‌نماید. بدلیل این که این آلیاژ، نسبت استحکام به وزن بسیار خوبی نسبت به سایر فولادهای آلیاژی دارد، می‌تواند وزن نهایی راکت را کاهش دهد که این خود موجب کاهش نیاز به سوخت خواهد بود و از این رو می‌توان حجم راکت را نیز تا حد قابل توجهی کم کرد. همچنین کارکرد بسیار خوب این این فولاد در دمای بالای 400 درجه و حفظ کامل خواص و عمر سرویس بالا، به خوبی با سیستم راکت و حرارت تولید شده از موتور‌های جت آن همخوانی دارد.

فولاد مارایجینگ در صنعت خودروسازی

همانطور که اشاره شد، حفظ خواص در دمای بالا و بیشترین عمر سرویس در دمای بالای 400 درجه و همچنین استحکام و چکش خواری این آلیاژها، فولاد مارایجینگ را به آلیاژی عالی برای تولید قطعات داخلی موتور خودرو، میل لنگ، دنده‌ها و غیره تبدیل کرده است. همچنین برخی از چرخ دنده‌ها و شفت‌های ماشین‌های مسابقه‌ای از این آلیاژ بهره می‌برند؛ در این خودروها وزن پایین و شکل پذیری و مقاومت بالا از نکات کلیدی انتخاب فلز است که آلیاژ مارایجینگ تمام این خصوصیات را دارد.

 

فولاد مارایجینگ در ساخت سانتریفیوژ

برای فرآوری اورانیوم در دستگاه‌های سانتریفیوژ، به استحکامی فوق‌العاده بالا، تحمل حرارتی قابل توجه و یکنواختی آلیاژ سازنده باید توجه داشت؛ چراکه در صورت بروز کوچک‌ترین مشکلی تلفات آن غیرقابل جبران خواهد بود. به همین دلیل استفاده از فولاد مارایجینگ در صنعت هسته‌ای توصیه شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

فولاد مارایجینگ در پزشکی

از دیگر استفاده‌های فولاد مارایجینگ می‌توان به سرنگ زیر پوستی و ابزار جراحی استفاده کرد. آلیاژ فولاد ضد زنگ مارایجینگ برای ساخت این ابزار بصورت گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. البته به دلیل نبود کربن در ترکیب این نوع فولاد، امکان حفظ تیزی لبه وجود ندارد و از همین رو برای چاقو‌های جراحی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

 

فولاد مارایجینگ در صنعت اسلحه سازی

از آنجا که سوزن آتش سلاح‌های اتوماتیک سیکل سرد و گرم شدن سریع و بسیار کوتاهی دارد و در عین حال دائما تحت ضربه و نیروی ایجاد شده توسط سایر بخش‌های اسلحه است، باز هم خصوصیات این فولاد مثل استحکام، مقاومت در برابر ترک خوردگی، مقاومت حرارتی بالا و غیره این آلیاژ را به بخشی جدایی ناپذیر در این صنعت تبدیل کرده است.

فولاد مارایجینگ در ساخت خطوط تولید

قابلیت ماشین‌‌کاری آسان و همچنین انبساط یکنواخت مولکولی این آلیاژ پیش از پروسه پیرسازی، استفاده از فولاد مارایجینگ را در بخش‌هایی که در در معرض سایش مداوم قرار دارند، ایده‌آل می‌کند. این خصوصیات در خطوط تولید گوناگون که دائما در حال کار هستند و ساییده می‌شوند بسیار کاربردی است. از آنجا که سایر فولادهای با مقاومت بالا، ذرات کاربید قابل توجهی دارند (که به دلیل وجود کربن است) قابلیت پردازش بسیار کمتری نسبت به آلیاژهای مارایجینگ دارند.

 

نتیجه گیری

در این مقاله سعی کردیم هرآنچه برای آشنایی و نحوه استفاده فولاد مارایجینگ مورد نیازتان است ارائه کنیم. با تاریخچه و چیستی این فولاد آلیاژی شروع کردیم و ترکیبات شیمیایی‌اش را بازگو کردیم. سپس به انواع آن و روش‌های تولیدش پرداختیم؛ در مورد نحوه انجام عملیات حرارتی و جوشکاری این محصول توضیح دادیم و از خواص و کاربردهایش برای‌تان سخن گفتیم و در آخر برخی از صنایعی که در حال حاضر از این فولاد بهره می‌برند را معرفی کردیم.

اگر سوال و یا نکته‌ای در مورد این مقاله و یا صنعت فولاد دارید، می‌توانید با همکاران ما در بخش مشاوره بنیان فولاد با مدیریت جناب آقای مهندس شبستری تماس بگیرید. همچنین برای دریافت آخرین قیمت های آهن و فولاد، آلیاژها و مقاطع فلزی، از صفحه اصلی وبسایت دیدن کنید و یا با تیم فروش ما در تماس باشید.