فولاد هادفیلد یا فولاد منگنز چیست و چگونه تولید می شود؟

برای تولید محصولات مختلف فلزی نیاز به قطعاتی با یک سری خواص و قابلیت‌ها می‌باشد که معمولا در فلزات خالص موجود نمی‌باشد. به همین دلیل برای ایجاد و افزایش این خواص نیاز است تا فلز مورد نظر با مواد یا فلزاتی دیگر ترکیب شود. به مخلوط فلزی حاصل شده، آلیاژ می‌گویند. یکی از آلیاژهای معروف و پرکاربرد جهان فولاد هادفیلد می‌باشد که ترکیبی از عنصر منگنز و فولاد کربنی است. این آلیاژ پرکاربرد از خواص فوق‌العاده‌ای برخوردار است که آن را برای کاربردهای خاص مناسب می‌کند. در ادامه بیشتر با این فولاد شگفت‌انگیز آشنا خواهیم شد.

فولاد هادفیلد چیست؟

فولاد هادفیلد (به انگلیسی Hadfield steel) که با نام‌های فولاد منگنز (manganese steel) و منگالوی (Mangalloy) هم شناخته می‌شود آلیاژی ترکیب شده از فولاد کربنی و عنصر منگنز است. حاصل این آلیاژ، افزایش خواصی مانند سختی، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر ضربه می‌باشد. این فولاد که توسط سر رابرت ابوت هادفیلد ساخته شد آلیاژی منحصر به فرد و بسیار با دوام است که دنیای مواد صنعتی را متحول کرده است.

همان‌طور که گفتیم فولاد هادفیلد آلیاژی ترکیب شده از فولاد کربنی و منگنز است که 12 الی 14 درصد آن را منگنز و حدود 1 الی 1.4 درصد آن را کربن تشکیل داده است. این میزان بالای منگنز که خاصیت‌های منحصر به فردی را در آن به وجود آورده است باعث شده تا این فولاد به فولاد منگنز هم معروف باشد. همچنین وجود این عنصر علاوه بر تاثیر روی قیمت فولاد هادفیلد ریزساختار آن که ساختاری آستنیتی می‌باشد را تثبیت کرده و باعث افزایش سختی آن می‌شود.

تاریخچه فولاد هادفیلد

در اواخر قرن نوزدهم بود که متالورژیستی بریتانیایی به نام سر رابرت ابوت هادفیلد فولادی با خواص ویژه ساخت و نام آن را فولاد هادفیلد گذاشت. رابرت مطالعه‌ی بسیار زیادی روی آلیاژهای فولادی و کاربردهای آن‌ها داشت و همین تلاش‌های بی وقفه‌اش بود که منجر به ساخت این ماده انقلابی شد. هادفیلد در 28 نوامبر 1858 در شفیلد انگلستان متولد شد. او راه پدرش را دنبال کرده و به تجارت فولادسازی خانواده‌اش پیوست. او در همین دوران فعالیت در تجارت خانوادگی بود که به متالورژی و آلیاژهای فولاد علاقه‌مند شد.

در آن زمان صنایعی مثل معدن و حفاری به سرعت در حال گسترش بودند و تقاضا برای فولادهای با دوام رو به افزایش بود. در واقع آن‌ها متقاضی توسعه فولادهایی بودند که در شرایط سخت حفاری مقاومت کنند. همین موضوع جرقه‌ای شد تا هادفیلد به فکر ساخت آلیاژی فولادی بیفتد که توان مقاومت در برابر سایش و ضربه را داشته باشد. او آزمایشات زیادی را برای بررسی اثرات عناصر آلیاژی مختلف بر فولاد انجام داد تا اینکه اثر منگنز را مشاهده کرد. درواقع منگنز بود که باعث شد اولین قدم تولید فولاد هادفیلد برداشته شود.

هادفیلد در سال 1882 میلادی آلیاژ فولادی خود را که دارای میزان منگنزی در حدود 12 الی 14 درصد بود به ثبت رساند. او دریافت که این ترکیب می‌تواند با عملیات‌هایی مختلف منجر به ایجاد یک زیرساختار منحصر به فرد به نام آستنیت شود. این ریز ساختار فولاد هادفیلد که یک فاز غیر مغناطیسی بود باعث افزایش سختی، استحکام، چرمگی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر ضربه می‌شد. این خاصیت‌های بهبود یافته باعث شدند تا فولاد منگنزی راه ورود به صنایع مختلف را پیدا کند. صنایعی مثل صنایع معدنی و راه آهن جزو اولین صنایعی بودند که این فولاد شگفت‌انگیز را برای قطعات و تجهیزات مختلف به کار گرفتند.

محبوبیت و موفقیت فولاد هادفیلد به سرعت از مرزهای بریتانیا هم گذشته و شهرتی جهانی پیدا کرد. مهندسان و تولیدکنندگان فولاد ارزش بسیار زیاد این آلیاژ را درک کرده و شروع به استفاده از آن در طرح‌ها و تولیدات خود کردند. با اینکه کیفیت این فولاد به اندازه‌ی کافی زیاد بود اما آن‌ها به همین میزان هم بسنده نکرده و شروع به اضافه کردن مواد مختلف به آن کردند تا خواص مورد نیازشان را شخصی‌سازی کنند. امروزه فولاد هادفیلد در صنایعی که به سختی زیاد و مقاومت بالایی در برابر سایش نیاز دارند به طور گسترده‌ای به کار می‌رود.

ویژگی‌های فولاد منگنز

فولاد هادفیلد به ویژگی‌های منحصر به فردی که دارد مشهور شده است. این ویژگی‌ها هستند که باعث کاربردی بودن آن در صنایع مختلف شده‌اند. برخی از این ویژگی‌ها عبارتند از:

1. چقرمگی: فولاد هادفیلد چقرمگی فوق‌العاده‌ای را از خود نشان می‌دهد که آن را قادر به تحمل ضربه‌های سنگین می‌کند. این ویژگی باعث شده تا از این فولاد در تجهیزات معدن و اجزای راه آهن استفاده شود.
2. سردکاری: یکی از منحصر به فردترین خواص فولاد منگنزی این است که در برابر ضربه‌ یا فشارهای سنگین سخت می‌شود. این قابلیت به این صورت است که این فولاد حین قرار گرفتن زیر ضربه و فشار شدید دچار تغییر فاز شده و سختی و استحکامش افزایش می‌یابد. این توانایی باعث شده تا این فولاد برای استفاده در قطعاتی که زیر فشار شدید قرار می‌گیرند مناسب شود. از جمله‌ این قطعات می‌توان به مواردی مثل فک‌های سنگ‌شن و ریل‌های راه‌آهن اشاره کرد.
3. مقاومت در برابر سایش: وجود مقدار زیادی از منگنز در فولاد هادفیلد باعث شده تا این فولاد در برابر سایش مقاومت خوبی داشته باشد. این موضوع باعث شده تا این فولاد در قطعات حفاری معدن و صنایع بازیافت کاربرد پیدا کند.
4. جوش‌پذیری: فولاد هادفیلد با اینکه میزان منگنز زیادی دارد اما جوش‌پذیری خوبی را از خود نشان می‌دهد. این موضوع باعث شده تا قطعاتی که از این فولاد می‌باشند امکان تعمیر و ترکیب با قطعات دیگر را داشته باشند. اما با این حال لازم است اقداماتی احتیاطی برای جلوگیری از ایجاد ترک در طول جوشکاری انجام شود.

فرایند تولید فولاد هادفیلد

برای تولید فولاد هادفیلد باید چند مرحله حیاتی را طی کنیم تا به خواص مورد نظر برسیم. این مراحل عبارتند از:

ذوب و آلیاژسازی فولاد هادفیلد

برای ساخت فولاد هادفیلد در مرحله اول باید مواد مورد نیاز را تهیه کرده و با هم ترکیب کنیم. به این منظور مواد اولیه‌ای از جمله آهن خالص، منگنز و کربن را تهیه کرده و بر اساس ترکیب مورد نیاز وزن می‌کنیم. سپس این مواد را در کوره قوس الکتریکی یا کوره القایی ذوب می‌کنیم تا با هم ترکیب شده و آلیاژ مورد نظر را تشکیل دهند.

ریخته‌گری فولاد هادفیلد

هنگامی که مواد ذوب شده به ترکیب و دمای مطلوب رسیدند با استفاده از روش‌های مختلفی مانند ریخته‌گری شن و ماسه یا ریخته‌گری گریز از مرکز به شکل مورد نظر درمی‌آیند. این فرایند باعث جلوگیری از ایجاد عیوب حیاتی خواهد شد.

عملیات حرارتی فولاد هادفیلد

پس از عملیات ریخته‌گری، فولاد را تحت یک فرایند عملیات حرارتی قرار می‌دهیم تا به خواص مورد نیاز دست پیدا کند. این فرایند به طور معمول شامل حرارت دادن فولاد تا دمای بالا و سپس خنک کردن کنترل شده‌ی آن (کوئنچینگ) می‌باشد. این فرایند عملیات حرارتی باعث افزایش سختی و چقرمگی فولاد می‌شود.

آنالیز فولاد هادفیلد

برای انالیز فولاد هادفیلد باید این فولاد را از جهات مختلفی مورد بررسی قرار دهیم که یکی از آن‌ها تجزیه و تحلیل شیمیایی آن است. در این آنالیز مواد موجود در این آلیاژ را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده و تاثیرات آن‌ها بر محصول نهایی را بررسی می‌کنیم. در ادامه به بررسی برخی از این مواد می‌پردازیم:

1. عنصر کربن: کربن که در فولاد کربنی نقشی اساسی را بازی می‌کند در منگالوی نیز تاثیرات مهمی دارد. از مهمترین تاثیرات آن بر این فولاد می‌توان به افزایش استحکام تسلیم و کاهش ازدیاد طول نسبی آن اشاره کرد.
2. عنصر منگنز: مهمترین عنصر فولاد هادفیلد منگنز است که خواص بی‌نظیری را در آن به وجود آورده است. از جمله این خواص می‌توان به افزایش سختی و چقرمگی و مقاومت در مقابل سایش اشاره کرد.
3. عنصر سیلیسیم: شاید به ندرت از این عنصر به عنوان عنصری آلیاژی در ترکیبات فولاد هادفیلد استفاده شود. اما گاها پیش می‌آید که از سیلیسیم برای اکسیژن زدایی و افزایش استحکام تسلیم منگالوی استفاده شود.
4. عنصر نیکل: نیکل باعث تثبیت فاز آستنیتی و کاهش خاصیت مغناطیسی و استحکام کششی می‌شود. بنابراین استفاده از نیکل در هادفیلد به اینکه کدام یک از این خاصیت‌ها مورد نظر باشد بستگی دارد.
5. عنصر وانادیم: از تاثیرات وانادیم در فولاد هادفید می‌توان به افزایش استحکام تسلیم و کاهش انعطاف‌پذیری آن اشاره کرد.
6. مس: اضافه شدن مس به فولاد هادفیلد می‌تواند تا 5 درصد فاز آستنیت را تثبیت کرده و در آن حالت شکنندگی ایجاد کند.
7. فسفر: وجود فسفر در فولاد هادفیلد باعث کاهش انعطاف‌پذیری آن (مخصوصا در دماهای پایین‌) شده و احتمال ترک برداشتن آن در دمای بالا را افزایش می‌دهد.

حالت استاندارد فولاد هادفیلد از فولاد کربنی و منگنز ساخته شده است. بنابراین به غیر از آهن خالص، کربن و منگنز که مواد اصلی تشکیل دهنده فولاد هادفیلد می‌باشند بقیه مواد عنوان شده فرعی هستند و بنا به نیاز صنعت باعث اضافه یا کم شدن ویژگی خاصی می‌شوند.

نحوه برش فولاد هادفیلد

همان‌طور که در ویژگی‌های فولاد هادفیلد عنوان کردیم یکی از قابلیت‌های این فولاد خاص، سردکار بودن است که به معنی سخت‌تر شدن آن حین قرار گرفتن تحت ضربه و فشار می‌باشد. این موضوع باعث شده تا این فولاد زیر ابزارهای برش و سنگ‌زنی سخت شده و به راحتی برش داده نشود. به همین دلیل برای ماشین‌کاری آن نیاز به ابزار و روش‌هایی خاصی می‌باشد. در ادامه به بررسی این روش‌ها می‌پردازیم:

ماشینکاری یا سنگ‌زنی

همان‌طور که می‌دانید این روش یکی از روش‌های مرسوم برشکاری است. اما اگر با همین روش معمول به برش فولاد هادفیلد بپردازیم این فولاد سخت‌تر شده و ایجاد مشکل می‌کند. بنابراین برای استفاده از این روش باید دیسک‌های الماس مخصوص به این کار را استفاده کرده و حین برشکاری از خنک شدن مدوام فولاد اطمینان حاصل کنیم. این کار به این دلیل است که داغ شدن بیش از حد فولاد می‌توان اثراتی را بر خواص آن داشته باشد.

برش پلاسما

در این روش از برشکاری، یک قوس پلاسمایی با دمای بالا ایجاد می‌شود تا ماده را ذوب کرده و آن را برش دهد. این قوس پلاسما به طور معمول از گازی بی اثر مثل آرگون و گازی واکنش‌دهنده مثل اکسیژن تشکیل می‌شود. پلاسما با گرمای شدیدی که ایجاد می‌کند فولاد را ذوب کرده و با دور کردن مواد ذوب شده، بریدگی را ایجاد می‌کند. این روش به دلیل توانایی برش قطعات ضخیم شناخته شده است و می‌تواند فولاد هادفیلد را به خوبی برش دهد.

برش لیزری

یکی از دقیق‌ترین روش‌های برش فولاد، روش برش لیزری است. این روش شامل استفاده از یک پرتو لیزری پرقدرت است که گرمایی شدید را روی فولاد متمرکز می‌کند. این گرمای شدید موادی که در مسیر برش هستند را ذوب کرده و درجا تبخیر می‌کند. این اتفاق باعث شده تا برش لیزری دقت بالایی داشته باشد و امکان برش‌ اشکال پیچیده را هم فراهم کند.

برش با واتر جت

در این روش، آبی که اغلب با ذرات ساینده‌ مخلوط شده است با فشاری بسیار زیاد خارج می‌شود. این سرعت بالا باعث فرسایش مواد شده و یک برش تمیز و دقیق را ایجاد می‌کند. واتر جت بدون ایجاد حرارت عملیات برشکاری را انجام ‌می‌دهد و این باعث شده تا بتواند انواع ضخامت‌های فولاد هادفیلد را برش دهد.

توجه به این نکته هم از اهمیت بالایی برخوردار است که استفاده از اکثر روش‌های برش باعث ایجاد گرما شده و این می‌تواند بر ساختار فولاد هادفیلد تاثیرگذار باشد. بنابراین حین برش این فولاد حتما از خنک‌کننده‌های مناسب استفاده کنید تا مناطق متاثر از حرارت به دمای متعادل برگردند. علاوه بر این بسیار مهم است که برای برش فولاد هادفیلد حتما از ابزارهای مخصوص و با کیفیتی استفاده کنید تا برش‌های تمیز و یکپارچه‌ای حاصل شود.

نحوه جوش فولاد هادفیلد

جوشکاری فولاد هادفیلد به دلیل ترکیب و خواص منحصر به فردی که دارد نیازمند تکنیک‌ها و ملاحظاتی خاص می‌باشد. چرا که به دلیل داشتن ساختار آستنیتی و وجود میزان بالایی از منگنز احتمال ترک‌خوردگی و اعوجاج آن حین جوشکاری وجود دارد. این ترک خوردگی در اثر ایجاد گرمای شدید به وجود می‌آید که با پایین نگه داشتن حرارت و خنک کردن سریع منطقه جوش داده شده می ‌توان از آن جلوگیری کرد. بنابراین اگر نکات زیر رعایت شوند جوشکاری موفق داشته و به فولاد آسیب نخواهد رسید.

آماده‌سازی قبل از جوش

برای جوشکاری فولاد هادفیلد بسیار مهم است که پیش از ایجاد جوش سطح کار تمیز و عاری از آلودگی‌هایی مانند روغن و گریس و زنگ باشد. برای از بین بردن ناملایمات سطح کار می‌توان از ماشین‌کاری استفاده کرده و به جوشی صحیح و تمیز دست پیدا کرد.

مواد پرکننده

انتخاب مواد پرکننده مناسب برای جوشکاری فولاد منگنز بسیار ضروری است. فلز پرکننده باید ترکیبی مشابه با فلز پایه داشته باشد تا خواص مورد نظر را حفظ کند. برای جوشکاری فولاد هادفیلد به طور معمول از الکترودهای فولاد ضدزنگ آستنیتی از جمله AWS E309 یا E310 استفاده می‌شود. این الکترودها استحکام و شکل‌پذیری خوبی داشته و در برابر ترک خوردن مقاومند.

تکنیک‌های جوشکاری

برای جوشکاری فولاد هادفیلد می‌توان از تکنیک‌های زیر استفاده کرد:

1. جوشکاری قوس فلزی محافظ (SMAW) که به جوشکاری چوبی هم شناخته می‌شود یکی از روش‌های مناسب برای فولاد منگنزی می‌باشد. این روش شامل استفاده از یک الکترود پوشش داده شده است که حرارت ورودی و طول قوس را به خوبی کنترل کرده و خطر اعوجاج و ترک خوردگی را به حداقل می‌رساند.
2. جوشکاری قوس تنگستن گازی (GTAW) که برای مقاطع نازک یا جوش‌های پیچیده استفاده می‌شود گرمای زیادی را ایجاد کرده و نیاز به کنترل حرارت ورودی دارد. در صورتی که این حرارت به خوبی کنترل شود این روش یکی از بهترین روش‌های جوش فولاد هادفیلد خواهد بود.
3. جوشکاری با هسته شار (FCAW) برای جوش دادن فولاد هادفیلد روشی مناسب خواهد بود. چرا که این روش با استفاده از یک الکترود هسته شار با تغذیه مداوم هم فلز پرکننده را فراهم می‌کند و هم نیاز به گاز محافظ خارجی را از بین می‌برد.

کنترل حرارت و عملیات پس از جوشکاری

با کنترل پارامترهای مختلفی مثل ولتاژ و آمپر می‌توان حرارت وارده بر فولاد را کنترل کرد. اما این کافی نیست و حتی پس از جوشکاری هم باید کنترل دما را با استفاده از آب یا خنک‌کننده‌های دیگر انجام داد. این اتفاق برای جلوگیری از اعوجاج و ترک خوردگی ضروری می‌باشد.

همچنین فعالیت‌هایی مثل آنیلینگ و تمپرینگ هم برای کاهش تنش‌های پسماند و ترک خوردگی لازم هستند. چرا که این فعالیت‌ها ناحیه جوش داده شده را گرم کرده و به آهستگی خنک می‌کنند. این موضوع باعث بهبود خواص مکانیکی جوش شده و  امکان ترک‌خوردگی آن را کاهش می‌دهد.

بازرسی جوش و تضمین کیفیت

کنترل و بررسی اتصالات جوش داده شده از اهمیت بسیار بالایی برخودارند. چرا که اگر از یکپارچگی این جوش‌ها اطمینان حاصل نکنید امکان وارد شدن آسیبی خسارت بار وجود خواهد داشت. روش‌های بازرسی که برای جوش فولاد هادفیلد مورد استفاده قرار می‌گیرد شامل بازرسی بصری، آزمایش نفوذ رنگ و آزمایش اولتراسونیک می‌شود.

اشاره به این نکته هم از اهمیت زیادی برخوردار است که جوشکاری فولاد هادفیلد باید توسط جوشکاران مجرب و ماهری انجام شود که به چالش‌های خاص این ماده آشنا باشد.

کاربرد فولاد هادفیلد

خواص منحصر به فرد فولاد هادفیلد باعث شده تا این فولاد در صنایع گوناگون کاربرد موثری پیدا کند. کاربردهایی که به این فولاد وابسته شده و در صورت نبودن خواص این فولاد دچار مشکل خواهند شد. در ادامه به بررسی برخی از این کاربردها خواهیم پرداخت.

صنایع معدنی

ویژگی‌هایی مثل چقرمگی استثنایی و مقاومت در برابر سایش باعث شده‌اند تا از فولاد هادفیلد در صنعت معدن استفاده شود. از جمله کاربردهای این فولاد در معدن می‌توان به استفاده از آن در بیل‌های مکانیکی، سنگ‌شکن‌ها و قطعاتی که در معرض سایش قرار می‌گیرند اشاره کرد.

تجهیزات ساخت و ساز و خاکبرداری

فولاد هادفیلد علاوه بر تحمل فشارها و بارهای سنگین، مقاومت خوبی در برابر سایش از خود نشان می‌دهد. این ویژگی‌ها باعث شده تا از این فولاد در تیغه‌های بولدوزر و گریدر و لودر استفاده شود.

راه‌آهن

ریل‌ها فشار و سایش بسیار زیادی را از سوی قطارها تحمل می‌کنند. بنابراین باید از ماده‌ای استفاده کنند که در برابر فشار و سایش مقاوم باشد. همان‌طور که می‌دانید فولاد منگنز مقاومت بسیار بالایی را از خود در برابر ساییدگی و بارهای سنگین نشان می‌دهد. به همین دلیل است که از این فولاد در ریل‌ها، سوئیچ‌ها و سایر اجزای تحت فشار و ساییدگی راه‌آهن استفاده می‌کنند.

صنایع سیمان‌سازی و سنگ‌شکن‌ها

تجهیزاتی مثل چکش‌ها، سنگ‌شکن‌ها و پرس‌کننده‌ها به فولادی نیاز دارند که از چقرمگی و مقاومت در برابر سایش خوبی برخوردار باشند. به همین دلیل از فولاد هادفیلد برای ساخت این تجهیزات استفاده می‌شود.

جمع‌بندی

فلزات خالص به خودی خود ویژگی‌ها و خواص مورد نیاز در صنایع و تولیدات مختلف را ندارند. به همین منظور آن‌ها را با عناصر و موادی دیگر مخلوط می‌کنند تا ویژگی‌های آن را بهبود ببخشند. حاصل این کار ایجاد آلیاژهایی خواهد بود که بسته به ترکیب انجام شده خواص مورد نظر شما را پیدا کرده است. فولاد هادفیلد هم که به منگالوی یا فولاد منگنز نیز معروف می‌باشد یک فولاد آلیاژی است که از ترکیب آهن و کربن و منگنز تشکیل شده است.

این فولاد برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم توسط متالورژیستی بریتانیایی به نام سر رابرت ابوت هادفیلد ساخته شد. رابرت پس از ساخت این فولاد نام خود را روی آن گذاشت و سپس آن را به جهان معرفی کرد. این فولاد شامل ویژگی‌های منحصر به فردی مثل چقرمگی بالا، سردکار بودن، مقاومت در برابر سایش و جوش‌پذیری می‌باشد که آن را به فولادی خاص تبدیل کرده‌اند. برای تولید منگالوی باید مراحلی مثل ذوب و آلیاژسازی، ریخته‌گری و عملیات حرارتی را طی کرده و از درستی و کیفیت این مراحل نیز اطمینان حاصل کنیم. فولاد هادفیلد تولید شده به دلیل مزایای خاصی که دارد در صنایعی مثل معدن، ساخت و ساز، راه آهن و سیمان‌سازی کاربرد داشته و از آن برای ساخت تجهیزاتی مثل سنگ‌شکن‌ها و ماشین‌آلات حفاری استفاده می‌شود. در آینده قطعا از این فولاد استفاده بیشتری خواهد شد و کاربردهای ویژه‌تری را از آن خواهیم دید.

پرسش و پاسخ

فولاد و آلیاژ, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 17 آبان 1402