فولاد مارایجینگ

فولاد مارایجینگ (maraging) یکی از انواع آلیاژهای آهنی است که تقریبا فاقد کربن بوده و مقادیر بالایی نیکل دارد. این فولاد استحکام فوق بالایی در کنار چقرمگی دارد. این دو ویژگی، به ندرت در یک ماده به طور همزمان دیده می شوند. کلمه Maraging از عبارت martensite age hardening که پیر سختی مارتنزیت معنا می شود، گرفته شده. در حقیقت این فلزات، از جمله فولادهای استحکام بالای کم کربن به شمار می روند که استحکام خود را نه از کربن، بلکه از رسوب ترکیبات بین فلزی کسب کرده اند. با آیرونید همراه شوید تا درباره این فولاد بیشتر بدانیم.

تاریخچه تولید فولاد ماریجینگ

فولادهای ماریجینگ در اواخر سال 1958 میلادی تحت بررسی قرار گرفتند و با تحقیق بر آن ها فولادهای رده 20 و 25 درصد نیکلی تولید شدند. در اوایل دهه 1960، با توجه به تاثیر مولیبدن و کبالت در افزایش استحکام و سختی این آلیاژها، فولادهای ماریجینگ 18 نیکل کبالت دار در سه رده 200، 250 و 300 توسعه داده شدند. هم اکنون این گریدها به عنوان فولاد ماریجینگ استاندارد شناخته می شوند. فولادهای ماریجینگ زنگ نزن و ماریجینگ بدون کبالت در دهه 1980 تحت بررسی قرار گرفتند. حذف کبالت از این فولادها به خاطر بالا بودن قیمت کبالت و افزایش قیمت آلیاژ می باشد.

کاربرد فولاد ماریجینگ

خواص فولاد مارایجینگ کاربردهای آن را در حوزه های مختلف به ویژه صنعت هوا و فضا افزایش داده. بدین ترتیب از کاربرد فولادهای ماریجینگ می توان به صنعت تولید هواپیما، ساخت قسمت های زیرین بالگردها، موتور موشک و دیگر قطعاتی که باید استحکام بالایی داشته باشند، اشاره کرد. قطعات زیر کارتریج، چفت و بست های بال هواپیما و پایه های چرخ های فرود هواپیما همگی از جنس فولاد ماریجینگ تولید می شوند.

فولادهای ماریجینگ پیش از پیر سختی ضمن داشتن استحکام، چکش خوارند. این دو ویژگی با هم این اجازه را می دهد که از آن ها برای ساخت جداره های راکت و موشک استفاده شود. با توجه به یکنواختی خواص و استحکام خیلی خوب این نوع فولاد، از آن برای ساخت سانتریفیوژ هم مورد استفاده قرار می گیرد. ساخت سوزن آتش اسلحه های اتوماتیک، دیگر کاربرد فولاد ماریجینگ می باشد. از دیگر کاربردها می توان به ساخت قطعات الکترومکانیکی، تیغه شمشیر در ورزش شمشیر بازی، ابزار جراحی و سرنگ های زیرپوستی اشاره کرد.

فولاد ماراجینگ در ایران، در انواع وارداتی قابل استفاده و تنها به طور خاص و سفارشی و یا در مقیاس آزمایشگاهی تولید می شود. فولاد مارجینگ آلیاژی است که به واسطه خواص خود، کاربردهای خاص دارد. از این رو در صنایعی چون صنعت ساخت هواپیما و صنعت هوا و فضا کاربرد دارد. فولاد مارایجینگ استحکام، چقرمگی و مقاومت به خوردگی بسیار بالایی دارد.

ترکیب شیمیایی فولاد ماریجینگ چیست؟

در ترکیب شیمیایی فولاد مارایجینگ، مقادیر بسیار کمی (حداکثر 0.03 درصد) کربن وجود دارد. همانطور که گفته شد این آلیاژ آهن – نیکلی، مقادیر زیادی نیکل (17 تا 19 درصد) دارد. مقدار کبالت 8 تا 12 درصد، مولیبدن 3 تا 5 درصد، تیتانیوم 1.8 تا 2 درصد و آلومینیوم 0.1 تا 0.15 درصد در ترکیبات فولاد مارایجینگ افزوده می شود.

مقدار کربن در این ترکیب با هدف جلوگیری از تشکیل رسوب کاربید تیتانیوم پایین می باشد. اگر مقدار کربن و در نتیجه کاربید تیتانیوم افزایش یابد، خواص مکانیکی این فولاد به شدت افت خواهد کرد. وجود کبالت در ترکیب شیمیایی فولاد مارایجینگ موجب شده است تا قیمت فولاد ماریجینگ بالاتر از انواع معمولی باشد. گریدهای زنگ نزن با حضور کروم تولید می شوند.

ریز ساختار فولاد مارایجینگ

نحوه تشکیل این نوع فولاد باعث شده که رسوبات تشکیل شده در زمینه مارتنزیتی بسیار کوچک بوده و در حد نانومتری باشند. این رسوبات تقریبا یکنواخت در زمینه پراکنده می شوند. نابجایی ها با مرز دانه ها در تعامل هستند.

خواص مکانیکی

در نتیجه ترکیب شیمیایی آلیاژ فولاد ماریجینگ، خواصی در آن به وجود می آیند که مهم ترین آن ها عبارت است از:

• استحکام و چقرمگی بالا
• سهولت در نیتریده کردن
• مقاومت به خوردگی و انتشار ترک
• تغییر یکنواخت ابعاد در زمان عملیات حرارتی
• قابلیت ماشین کاری آسان با حداقل اعوجاج
• قابلیت پولیش بسیار خوب

استحکام بالای این نوع فولاد فاقد کربن، به خاطر تشکیل رسوب ترکیبات بین فلزی می باشد. کروم نه تنها از زنگ زدن جلوگیری می کند، بلکه کاهش سختی پذیری که به خاطر حضور نیکل اتفاق افناده است را هم جبران می کنند.

نکته مهم در این نوع فولاد، ایجاد ترک خستگی و رشد آن به خاطر افزایش تراکم نابجایی و شرایط ایجاد شده در مرز دانه می باشد. در فولاد مارایجینگی که مقادیر کمی تیتانیوم داشته باشد هم مقاومت در مقابل رشد ترک پایین است

فولادهای ماریجینگ در اتمسفرهای صنعتی و محیط های دریایی مقاومت خوبی در مقابل خوردگی از خود نشان می دهند. در این محیط ها تقریبا نرخ خوردگی فولاد مارایجینگ نصف فولادهای معمولی می باشد. در محیط های نمکی و اسیدی هم فولادهای مذکور تا حدودی مقاومت به خوردگی بهتری از خود نشان می دهند.

شایان ذکر است که این نوع فولاد نسبت به فولاد معمولی، در مقابل خوردگی تنشی و شکست هیدروژنی هم مقاومت بالاتری دارند. مقاومت به خوردگی بیشتر را می توان با آبکاری کادمیوم یا فسفاته هم به دست آورد. فولاد مارایجینگ زنگ نزن علاوه بر مقاومت در مقابل خوردگی، تافنس و استحکام بالایی دارد.

انواع فولاد مارایجینگ

بر اساس استاندارد MIL S 46850D، گریدهای مهم فولادهای ماریجینگ، با اعداد 200، 250، 300 و 350 مشخص می شوند. این اعداد، استحکام کششی فولاد ماریجینگ بر حسب صدها پوند بر اینچ مربع را نشان می دهند. گریدهای بالاتر از این موارد، کبالت و تیتانیوم بیشتری در ترکیب خود دارند. انواع الیاژ فولاد ماریجینگ بدون کبالت در سه گرید 200، 250 و 300 عرضه می شوند.

جوشکاری فولاد مارایجینگ

انواع فولاد مارایجینگ را می توان به روش های مختلف جوشکاری کرد. از آن جایی که کربن در این نوع فولاد بسیار پایین است، تنش های پسماند زیاد در این نوع فولاد ایجاد نمی شود. به همین دلیل، نیازی به عملیات پیش گرم و آماده سازی قطعه پیش از جوشکاری نیست.

راه برگشت خواص منطقه جوش فولاد ماریجینگ پس جوشکاری آن، پیرسازی مجدد آن می باشد. اگر مشکل اعوجاج وجود نداشته باشد، باید آنیل محلولی مجدد انجام داد. برای جوشکاری از سیم های پرکننده ای مورد استفاده قرار می گیرد که ترکیب شیمیایی نزدیک به صفحه پایه داشته باشند.

فرایند جوشکاری مورد استفاده اثر اندکی بر استحکام جوش ها دارد. می توان از انواع روش جوشکاری برای اتصال فولادهای ماراجینگ با بازده 90 درصدی استفاده کرد. چقرمگی جوش هم تحت تاثیر نوع فرایند جوشکاری تغییر می کند. بهترین روش جوشکاری فولاد مارایجینگ، جوشکاری قوس گاز تنگستنی می باشد.

عملیات حرارتی فولاد ماریجینگ

عملیات حرارتی در تولید فولاد مارایجینگ، کلیدی ترین مرحله می باشد. این مرحله شامل حرارت دادن فولاد تا دمای حدود 850 درجه سانتی گراد به منظور تشکیل یک فاز کاملا آستنیتی می باشد. بعد، سرد کردن آهسته با هدف تشکیل یک ریز ساختار مارتنزیتی انجام می شود.

فولاد هایپویوتکتیک با سرد شدن آهسته دارای دو فاز فریت و پرلیت می شود. این در حالی است که در صورت سرد شدن سریع در آب یا روغن، ریز ساختار مارتنزیت به خود می گیرد. فولاد مارایجینگ به واسطه داشتن عنصر نیکل، دارای فاز فریت و پرلیت نخواهد شد و ریز ساختار مارتنزیتی با سختی کمتر را نشان می دهد. پس از سرد کردن، عملیات پیرسختی در محدوده دمایی 480 تا 500 درجه سانتی گراد انجام می شود. این فرایند باعث پراکندگی رسوبات سخت در زمینه مارتنزیتی می گردد.