تمام ماده‌ها بسته به شرایط خاصی که دارند دارای یک ویژگی منحصر به فرد هستند. اما انسان‌ها به این قابلیت‌ها قانع نیستند و برای ایجاد یا بهبود قابلیتی خاص در فلزات از روش آلیاژسازی استفاده می‌کنند. هرچند ساخت ماده‌ای که چند قابلیت مختلف را به صورت یکجا داشته باشد کار ساده‌ای نیست. به طور مثال برخی از فولادها مقاومت بسیار بالایی دارند و برخی دیگر از چکش‌خواری و چقرمگی خوبی برخورداند. اما به ندرت می‌توان ماده‌ای را یافت که هر دوی این ویژگی‌ها را باهم داشته باشد. در ادامه با ما همراه باشید تا به معرفی فولادی با این ویژگی‌ها پرداخته و کاربردهای آن را بررسی کنیم.
فهرست مطالب
فولاد ماریجینگ چیست؟
یکی از انواع آلیاژهای آهنی که تقریبا فاقد کربن بوده و از نیکل بالایی برخوردار است فولاد ماریجینگ (به انگلیسی Maraging steel) می‌باشد. در حقیقت این فولاد مستحکم، استحکام خود را به جای کربن از رسوب ترکیبات فلزی گرفته است. از جمله این ترکیبات می‌توان به عناصری مثل مولیبدن، آلومینیوم، مس، تیتانیم و کبالت اشاره کرد که در دمایی نزدیک به 480 درجه سانتی‌گراد مستحکم شده‌اند.
فولاد Maraging که نام خود را از عبارت martensite age hardening یا پیرسختی مارتنزیت، گرفته است از استحکام و چقرمگی بالایی برخوردار است. در کنار این‌ها ماریجینگ منجر به افزایش عمر مفید و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری هم می‌شود و به ندرت می‌توان ماده‌ای را یافت که همه‌ی این ویژگی‌ها را به صورت همزمان داشته باشد. وجود همین ویژگی‌ها باعث شده تا از این فولاد به عنوان یکی از مهمترین مواد اولیه در تولید قطعاتی مثل میل لنگ موتور، پین شلیک سلاح، گیربکس و واحدهای سانتریفیوژ گاز استفاده شود. به همین دلیل می‌توان گفت که امروزه فولادهای ماریجینگ جایگاه خود را در صنایع مختلف تثبیت کرده و نقشی جدایی ناپذیر را در زندگی انسان‌ها بازی می‌کنند.
تاریخچه فولاد ماریجینگ
شاید بتوان آغاز آلیاژ ماریجینگ را جنگ جهانی دوم و نیاز به مواد مستحکم در مقابل ضربه دانست. اما در حقیقت بررسی اصلی آن در اواخر سال 1958 میلادی و با تولید رده‌های 20 و 25 درصد نیکلی انجام شد. چند سال بعد و در اوایل دهه 1960 تاثیر مولیبدن و کبالت در افزایش استحکام و سختی این آلیاژها مورد بررسی قرار گرفته و فولادهای ماریجینگ در سه رده 200، 250 و 300 توسعه داده شدند.
در نهایت در سال 1961 اولین فولاد ماریجینگ به جهان معرفی شد. کبالت که به عنوان عنصر تقویت‌کننده در این فولاد به کار برده شده بود در اوایل دهه 70 افزایش قیمت زیادی را تجربه کرد و باعث شد تا کار بر روی این فولاد نیز کمرنگ شود. به همین دلیل به جای کبالت از تیتانیوم استفاده شد و کلاس جدیدی از این ماده را ارائه کرد. در دهه 1980 نیز فولادهای ماریجینگ ضدزنگ مورد بررسی قرار گرفته و به بازار ارائه شدند. امروزه این فولادها در قطعات و صنایع مختلف به کار رفته و به عضوی جداناپذیر از زندگی انسان‌ها تبدیل شده‌اند.
ترکیبات شیمیایی فولاد ماریجینگ
همان‌طور که گفتیم فولاد ماریجینگ از کربن بسیار پایینی که حداکثر 0.03 درصد می‌باشد تشکیل شده است. در عوض مقدار زیادی نیکل را که 17 الی 19 درصد می‌باشد شامل می‌شود. دیگر عناصر این فولاد نیز شامل 8 تا 12 درصد کبالت، 3 تا 5 درصد مولیبدن، 0.1 الی 0.15 درصد آلومینیوم و 1.8 الی 2 درصد تیتانیوم می‌شود. با توجه به این ترکیبات به این موضوع پی می‌بریم که اگر میزان کربن بالاتر بود مقدار کاربید تیتانیوم افزایش پیدا کرده و خواص مکانیکی فولاد به شدت کاهش می‌یافت. درمورد بقیه عناصر هم میزان استفاده شده دقیق بوده و حاصل سال‌ها آزمایش و تجربه می‌باشند.
عملیات حرارتی Maraging steel
یکی از مهمترین مراحل در تولید فولاد ماریجینگ عملیات حرارتی آن می‌باشد. در این فرایند برای تشکیل فازی که به طور کامل آستنیتی باشد نیاز است تا ماده را تا دمایی در حدود 850 درجه سانتی‌گراد حرارت دهیم. پس از آن فولاد را به آهستگی سرد کرده و شاهد فاز آستنیتی آن خواهیم بود. مرحله بعد، عملیات پیرسختی در محدوده 480 الی 500 درجه سانتی‌گراد بوده و باعث پراکندگی رسوبات سخت در زمینه مارتنزیتی خواهد شد.
خواص فولاد ماریجینگ
ترکیبات مختلفی که در فولاد ماریجینگ وجود دارد باعث می‌شود تا خواصی را شامل شود که در بسیاری از مواد وجود ندارد. از جمله این خواص می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ضریب انبساط حرارتی پایین
- استحکام تسلیم بالا
- قابلیت جوشکاری
- استحکام کششی بالا
- سهولت در نیتریده کردن
- چقرمگی بالا
- تغییر یکنواخت ابعاد در هنگام عملیات حرارتی
- شکل‌پذیری بالا
- قابلیت پولیش بسیار خوب
- قدرت ضربه بالا
- مقاومت به خوردگی و انتشار ترک
- قدرت خستگی بالا
- قابلیت ماشین‌کاری آسان با حداقل اعوجاج
البته این خواص در همه‌ی رده‌ها یکسان نبوده و تفاوت‌های آن‌ها به شکل زیر می‌باشد:
| 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 |
انواع فولاد ماریجینگ
بر اساس استاندارد MIL-S-46850D فولادهای ماریجینگ به گریدهای 200، 250، 300 و 350 تقسیم‌بندی می‌شوند. دلیل نامگذاری این گریدها با شکل عددی این است که هر کدام نشان‌دهنده میزان استحکام کششی فولاد ماراِیجینگ بر حسب پوند بر اینچ مربع می‌باشند. همان‌طور که در جدول بالا هم ذکر کردیم هر کدام از این گریدها در مواردی مثل دمای پیرسختی و تنش تسلیم و چقرمگی متفاوت بوده و خواص مختلفی را از خود نشان می‌دهند. در ادامه میزان عناصر مختلف در هر کدام از گریدها را بررسی می‌کنیم:
| 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 تولید فولاد ماریجینگ
برای تولید آلیاژ ماریجینگ از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها را به مختصر شرح می‌دهیم:
روش اندودینگ
در این روش فولاد را در محیطی گازی و با دما و فشار بسیار بالا تولید می‌کنند.
روش تخته گردانی
ساخت فولاد ماریجینگ از طریق روش تخته گردانی به شکل صفحه‌ای و با ضخامت مشخص انجام می‌گیرد.
روش ریخته‌گری
در این روش مواد لازم برای تولید فولاد ماریجینگ را ذوب کرده و به صورت مایع در قالب‌های مختلف می‌ریزیم. پس از گذر زمان و خنک شدن مواد مذاب به شکل مورد نظرمان می‌رسیم.
درکنار روش‌های تولید فولاد ماریجینگ، روش‌هایی برای پردازش آن‌ها وجود دارد که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به روش ترمیم حرارتی و سخت شدن با تثبیت کربن اشاره کرد.
مزایای فولاد ماریجینگ
مزایای استفاده از فولاد ماریجینگ به خواص مثبت آن بازمی‌گردد. به عنوان مثال مقاومت بالای این فولاد در برابر خوردگی، سایش، ضربه و فشار باعث شده تا قطعات تولید شده از این فولاد بسیار پایدار و قابل اطمینان باشد. یا قابلیت جوشکاری آن باعث شده تا از این فولاد برای ساخت قطعاتی با اشکال مختلف استفاده شود.
بازدهی اقتصادی این فولاد نیز بسیار مورد توجه است. چرا که به دلیل خواصی که دارد طول عمر بالایی را ایجاد کرده و هزینه‌های نگهداری، تعمیر و تعویض قطعات را کاهش می‌دهد. به همین دلیل است که از این فولاد در صنایع مختلف استفاده شده و طرفداران زیادی را پیدا کرده است.
کاربرد فولاد ماریجینگ
همان‌طور که در این مقاله با فولاد مارایجینگ آشنا شدید این فولاد از خواص فوق‌العاده‌ای برخوردار است. همین خواص باعث شده‌اند تا از این فولاد در صنایع مختلف استفاده شده و طرفداران زیادی را پیدا کند. برخی از این کاربردها عبارتند از:
صنعت هوا فضا
در صنعت هوافضا برای ساخت قطعات مختلفی مثل قطعات زیر کارتریج، چفت و بست‌های بال‌های هواپیما، پایه‌های چرخ‌های فرود و قسمت‌های زیرین بالگردها از فولاد ماریجینگ استفاده می‌شود. چرا که این فولادها تمام خواص لازم برای ساخت این قطعات را داشته و طول عمر بالایی را برای آن‌ها فراهم می‌کنند.
پوسته راکت و موشک
استحکام و چکش‌خواری فولادهای ماریجینگ باعث می‌شود تا بتوان از آن‌ها جداره‌های راکت و موشک را ساخته و علاوه بر استحکام بالا، وزن کم را ارائه داد.
قطعات اتومبیل مسابقه‌ای
برخی از قطعات اتومبیل مسابقه‌ای از جمله شفت و چرخ‌دنده‌ها به موادی نیاز دارند که علاوه بر استحکام و شکل‌پذیری، وزن بالایی نداشته باشند. از این رو بهترین فولاد برای آن‌ها فولاد ماریجینگ است که تمام این خواص را به طور همزمان دارا می‌باشد.
ساخت سانتریفیوژ
مشخصاً برای دستگاهی مثل سانتریفیوژ که برای فراوری اورانیوم از آن استفاده می‌شود نیاز به استحکام بالا و یکنواختی خاصی می‌باشد. به همین دلیل است که برای ساخت این دستگاه از فولاد ماریجینگ استفاده می‌شود.
سوزن آتش اسلحه‌های اتوماتیک
سوزن اسلحه‌های اتوماتیک طوری عمل می‌کنند که دائما در حال گرم و سرد شدن هستند و نیرو و ضربه زیادی را متحمل می‌شوند. تمام قابلیت‌های گفته شده، خواص فولاد ماریجینگ بوده و همین امر است که باعث شده تا از این فولاد برای ساخت سوزن اسلحه استفاده شود.
استفاده در قطعات الکترومکانیکی
فولاد ماریجینگ استحکام بالایی دارد و همین موضوع آن را به ماده‌ای مناسب برای استفاده در قطعات الکترومکانیکی تبدیل می‌کند.
ساخت تیغه شمشیر
فولاد ماریجینگ علاوه بر اینکه ترک خوردگی بسیار کندتری نسبت به فولاد کربنی دارد، وزن پایین‌تری را نسبت به آن نیز ارائه می‌دهد. بنابراین استفاده از آن برای ساخت تیغه‌های شمشیر کاملا منطقی می‌باشد.
قطعات داخلی موتورها
برای ساخت قطعاتی مانند میل‌لنگ و دنده‌ها که نیاز به مقاومت در دمای بالای 400 درجه سانتی‌گراد را دارند نیز از فولاد ماریجینگ استفاده می‌شود.
اجزای سازنده آلیاژ فولاد مارجینگ
اجزای سازنده آلیاژ فولاد مارجینگ عبارتند از:
- آهن: آهن جزء اصلی فولاد مارجینگ است و حدود 90 درصد از آن را تشکیل می‌دهد.
- نیکل: نیکل جزء اصلی دیگری است که به فولاد مارجینگ استحکام و چقرمگی می‌دهد. درصد نیکل در فولاد مارجینگ معمولاً بین 8 تا 12 درصد است.
- مولیبدن: مولیبدن نیز به استحکام و چقرمگی فولاد مارجینگ کمک می‌کند. درصد مولیبدن در فولاد مارجینگ معمولاً بین 3 تا 5 درصد است.
- آلومینیوم: آلومینیوم به استحکام و چقرمگی فولاد مارجینگ کمک می‌کند و همچنین باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. درصد آلومینیوم در فولاد مارجینگ معمولاً بین 0.1 تا 0.15 درصد است.
- تیتانیوم: تیتانیوم به استحکام و چقرمگی فولاد مارجینگ کمک می‌کند و همچنین باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. درصد تیتانیوم در فولاد مارجینگ معمولاً بین 1.8 تا 2 درصد است.
علاوه بر این اجزا، عناصر دیگری نیز ممکن است در فولاد مارجینگ وجود داشته باشند، مانند:
- کروم: کروم باعث افزایش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود.
- وانادیم: وانادیم باعث افزایش استحکام و سختی می‌شود.
- تانتالیم: تانتالوم باعث افزایش استحکام و سختی می‌شود.
ترکیب شیمیایی فولاد مارجینگ بر خواص آن تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، فولاد مارجینگ با درصد نیکل بالاتر، استحکام و چقرمگی بالاتری خواهد داشت. همچنین، فولاد مارجینگ با درصد آلومینیوم و تیتانیوم بالاتر، مقاومت در برابر خوردگی بالاتری خواهد داشت.
جمع‌بندی
زمانی که از استحکام حرف می‌زنیم ماده‌ای خشک و سخت در ذهنمان پدیدار می‌شود. این اتفاق به این دلیل است که وجود این دو ویژگی در کنار هم بسیار کمیاب و بعید بوده و در مواد بسیار کمی آن را مشاهده می‌کنیم. اما نوعی از آلیاژ وجود دارد که علاوه بر این ویژگی‌ها خواصی مثل چقرمگی بالا، مقاومت در برابر ترک خوردگی، استحکام کششی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین را ارائه می‌دهد. این فولاد که فولاد Maraging نام دارد در گریدهای مختلفی ساخته شده و برای استفاده در مواردی مثل صنعت هوا فضا، ساخت سانتریفیوژ، ساخت تیغه شمشیر و قطعات داخلی موتورها کاربرد دارد. بنابراین می‌توان گفت که فولاد ماریجینگ عضوی جداناپذیر از صنایع گوناگون شده و نقش مهمی را در زندگی انسان‌ها ایفا می‌کند.
پرسش و پاسخ
تفاوت فولاد ماریجینگ با دیگر فولادها در چیست؟
فولادها دارای سه نوع اصلی فولاد کربنی، فولاد آلیاژی و فولاد ضد زنگ می‌باشند. هر کدام از این فولادها ویژگی‌های منحصر به فردی دارند که در دیگری نمی‌توان یافت. مثلا فولاد کربنی در مقابل خوردگی و فشار مقاومت خوبی را از خود به نمایش می‌گذارد. فولاد آلیاژی نیز در برابر خوردگی و فشار مقاوم است اما هزینه بالایی را شامل می‌شود. فولاد ضدزنگ هم که از نامش مشخص است در برابر زنگ زدگی مقاومت خوبی دارد.
تمام این‌ها در حالی است که فولاد ماریجینگ تقریبا همه‌ی این ویژگی‌ها را به صورت یکجا ارائه می‌دهد. به عبارت دیگر قیمت فولاد ماریجینگ نسبت به کارایی آن پایین‌تر بوده و از مقاومتی بالا در برابر فشار، خوردگی، حرارات و زنگ زدگی برخوردار است. همین امر باعث شده تا این فولاد به ماده‌ای خاص برای استفاده در صنایع مختلف تبدیل شود.
آیا در قطعات ریز و حساس هم از فولاد ماریجینگ استفاده می‌شود؟
برخی قطعات ریز نیاز به قابلیت‌هایی دارند که تنها در فولاد ماریجینگ یافت می‌شود. از جمله این قطعات می‌توان به سوکت برخی کابل‌ها، ابزار جراحی و سوزن‌های زیر پوستی اشاره کرد.
فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 23 آذر 1402
