فولاد مارایجینگ چیست؟ کاربرد و فرایند تولید

فولاد ماریجینگ (maraging) یکی از انواع آلیاژهای آهنی محسوب می‌شود که تقریبا فاقد کربن است و مقادیر بالایی نیکل در خود دارد. این فولاد استحکام فوق بالایی در کنار چقرمگی از خود نشان می‌دهد. این دو ویژگی، به ندرت در یک ماده به صورت همزمان دیده می‌شوند. 

کلمه Maraging از عبارت martensite age hardening که پیرو سختی مارتنزیت معنا می‌شود، گرفته شده‌است. در حقیقت باید بگوییم که این فلزات، از جمله فولادهای استحکام بالای کم کربن به شمار می‌روند که استحکام خود را نه از کربن، بلکه از رسوب ترکیبات بین فلزی گرفته‌اند.

دیگر عناصر آلیاژی مهم عبارت‌اند از مولیبدن، آلومینیوم، مس و تیتانیم که برای ایجاد ترکیبات بین‌فلزی افزوده می‌شود. کبالت حدود ۱۲درصد برای افزایش سرعت واکنش رسوب‌سختی و نیز یکنواختی و افزایش میزان رسوبات اضافه می‌شود. 

در این مقاله، به شما خواهیم گفت که آلیاژ فولاد ماریجینگ چیست و چه خواص و کاربردهایی در صنایع مختلف دارد.

تاریخچه فولاد ماریجینگ

شاید بتوان شروع آلیاژ ماریجینگ را به قدمت 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 گرفت. چند سال بعد و در اوایل دهه 1960 تاثیر مولیبدن و کبالت در افزایش استحکام و سختی این آلیاژها به دقت مورد بررسی قرار گرفت و فولادهای ماریجینگ در سه رده 200، 250 و 300 توسعه داده شدند.

در نهایت در سال 1961 اولین فولاد ماریجینگ در دنیا 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 بدین ترتیب سبب شد تا کار بر روی این فولاد نیز کمرنگ‌تر از گذشته شود. به همین خاطر به جای کبالت از تیتانیوم استفاده شد و کلاس جدیدی از این ماده را ارائه نمود. در دهه 1980 نیز فولادهای ماریجینگ ضدزنگ مورد بررسی قرار گرفتند و روانه بازار شدند. امروزه این فولادها در قطعات و صنایع مختلف بکارگرفته شده و به عضوی جداناپذیر از زندگی انسان‌ها تبدیل شده‌اند.

فولاد ماریجینگ چیست؟

فولاد ماریجینگ نوعی آلیاژ آهنی است که نیکل زیادی دارد و فاقد کربن است. این فولاد در کنار چقرمگی، مقاومت فوق‌العاده‌ای داشته که چنین خصوصیاتی در مواد کمی یافت می‌شود. ضمنا، کلمهMaraging برگرفته از عبارت Martensite age hardening است که آن را در زبان فارسی، پیر سختی مارتنزیت معنا کرده‌اند. در هر حال، فولاد ماریجینگ در گروه فولادهای مقاوم کم کربن قرار دارد؛ این فولاد مقاومتش را از رسوب ترکیبات بین فلزی می‌گیرد و کربن در استحکام آن نقشی ندارد.

همچنین، فولاد ماریجینگ در صنایعی مهمی مانند صنعت هوا و فضا مورد استفاده قرار می‌گیرد. موارد مصرف آن عبارتند از ساخت هواپیما و تولید بخش‌های زیرین بالگردها که به مقاومت بالایی نیاز دارند. با استفاده از فولاد ماریجینگ می‌توان قطعاتی با مقاومت حداکثری تولید کرد؛ بسیاری از قطعات حوزه هوا و فضا مانند پایه‌های چرخ‌های فرود هواپیما، چفت و بست‌های مربوط به بال هواپیما، قطعات زیر کارتریج از جنس فولاد ماریجینگ هستند. این آلیاژ آهنی علاوه بر داشتن استقامت عالی، چکش‌خوار است و برای ساخت جداره‌های موشک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورتیکه قصد دارید با قیمت روز آهن آلات اطلاع داشته باشید، می‌توانید به صورت روزانه به صفحه فوق مراجعه کنید و جداول لیست قیمت مقاطع موردنظر خود را ملاحظه بفرمایید.

کاربرد فولاد ماریجینگ چیست؟

خواص فولاد مارایجینگ کاربردهای آن را در حوزه‌های مختلف به ویژه صنعت هوا و فضا به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. بدین ترتیب از کاربرد فولادهای ماریجینگ می‌توان به صنعت تولید هواپیما، ساخت قسمت‌های زیرین بالگردها، موتور موشک و دیگر قطعاتی که می‌بایست استحکام بالایی داشته باشند، اشاره نمود. قطعات زیر کارتریج، چفت و بست‌های بال هواپیما و پایه‌های چرخ‌های فرود هواپیما همگی از جنس فولاد ماریجینگ تولید و روانه بازار می‌شود.

فولادهای ماریجینگ پیش از پیر سختی ضمن برخورداری از استحکام، چکش‌خوار نیز هستند این دو ویژگی با هم این اجازه را می‌دهد که از آن‌ها برای ساخت جداره‌های راکت و موشک استفاده گردد. با توجه به یکنواختی خواص و استحکام خیلی بالای این نوع فولاد، از آن برای ساخت سانتریفیوژ هم کمک گرفته می‌شود. ساخت سوزن آتش اسلحه‌های اتوماتیک، دیگر کاربرد فولاد ماریجینگ است. از سایر کاربردهای این فولاد می‌توان به ساخت قطعات الکترومکانیکی، تیغه شمشیر در ورزش شمشیر بازی، ابزار جراحی و سرنگ‌های زیرپوستی اشاره داشت.

ترکیب شیمیایی و اجزای فولاد ماریجینگ چیست؟

در ترکیب شیمیایی فولاد ماریجینگ مقادیر بسیار کمی کربن وجود دارد. همان‌گونه که اشاره شد، این آلیاژ آهن_نیکلی دارای مقادیر زیادی نیکل (۱۷ تا ۱۹) درصد دارد. مقدار کبالت ۸ تا ۱۲ درصد، مولیبدن ۳ تا ۵ درصد، تیتانیوم ۱.۸ تا ۲ درصد و آلومینیوم ۰.۱ تا ۰.۱۵ درصد در ترکیبات فولاد ماریجینگ اضافه خواهد شد. گفتنی است که میزان کربن در این ترکیب با هدف جلوگیری از تشکیل رسوب کاربید تیتانیوم پایین خواهد بود. در صورتی که مقدار کربن و در نتیجه کاربید تیتانیوم افزایش پیدا کند، خواص مکانیکی این فولاد به شدن افت خواهد نمود.

از طرفی، وجود فولاد در ترکیب شیمیایی فولاد ماریجینگ موجب شده است تا قیمت فولاد ماریجینگ بالاتر از انواع معمولی موجود در بازار باشد. ناگفته نماند که گریدهای ضد زنگ با حضور مردم تولید می‌شوند.

انواع فولاد ماریجینگ

فولاد ماریجینگ طبق استاندارد  MIL-S-46850Dشامل گریدهای 200، 250، 300 و ۳۵۰ می‌شود. علت نامگذاری انواع فولاد ماریجینگ به شکل عدد این است که آن‌ها بیانگر میزان مقاومت کششی برحسب پوند بر اینچ مربع هستند. این گریدها از نظر تنش تسلیم، چقرمگی و دمای پیر سختی با یکدیگر تفاوت دارند. همچنین، میزان کبالت و تیتانیوم گریدهای بالاتر بیشتر است و گریدهای 200، ۲۵۰ و ۳۰۰ فاقد کبالت هستند.

فرایند تولید فولاد ماریجینگ

تولید فولاد ماریجینگ تحت سه فرآیند زیر انجام می‌گیرد:

فرآیند اندودینگ

تولید فولاد ماریجینگ در این فرآیند با دما و فشار بسیار بالا در محیط گازی انجام می‌گیرد.

فرآیند تخته گردانی

آلیاژ ماریجینگ در فرآیند تخته‌گردانی به حالت صفحه‌ای و با ضخامت مشخص تولید می‌شود.

فرآیند ریخته گری

تولیدکنندگان برای ساخت فولادهای ماریجینگ در فرآیند ریخته‌گری ابتدا مواد را ذوب کرده و به داخل قالب می‌ریزند. مواد داخل قالب بعد از سرد شدن به شکل نهایی تبدیل می‌شوند.

خواص و ویژگی های فولاد ماریجینگ

ترکیبات متعددی که در فولاد ماریجینگ وجود دارد موجب می‌شود تا خواصی را شامل شود که در بسیاری از مواد نمی‌توان آن‌ها را یافت. لذا برخورداری از مقاومت فوق‌العاده بالا یکی از خصوصیات بارز فولادهای ماریجینگ است که باعث استفاده گسترده از آن در صنعت مهم و حساس هوا و فضا شده است. از جمله این خواص می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:

• چقرمگی بالا
• چکش‌خوار بودن
• قابلیت پولیش مطلوب
• سهولت در نیتریده کردن
• استقامت در برابر خوردگی و نشر ترک
• قابلیت ماشین‌کاری راحت با حداقل اعوجاج
• تغییر یکنواخت ابعاد در زمان عملیات حرارتی
• ضریب انبساط حرارتی پایین
• استحکام تسلیم بسیار بالا
• قابلیت جوشکاری مطلوب
• استحکام کششی بالا
• سهولت در نیتریده کردن
• شکل‌پذیری بسیار بالا
• قدرت ضربه بالا
• قدرت خستگی خیلی بالا

این فولاد جزء کلاس فولاد کم‌کربن با استحکام فوق بالا دسته‌بندی می‌شود که استحکام آنها بدلیل کربن نیست بلکه بدلیل رسوب ترکیبات بین‌فلزی می‌باشد. ایده توسعه این آلیاژها از فولادی با ۲۵-۲۰درصد نیکل که مقادیر اندکی آلومینیم، تیتانیم و نایوبیم داشت ایجاد شد. نمونه شناخته شده این آلیاژ که گرید زنگ‌نزن نمی‌باشد دارای ۱۹درصد نیکل، ۱۲-۸درصد کبالت، ۵-۳درصد مولیبدن و ۶/۱-۲/۰درصد تیتانیم است. گرید زنگ‌نزن وابسته به عنصر کروم می‌باشد البته نه تنها به دلیل جلوگیری از زنگ زدن بلکه بدلیل تقویت قابلیت سختی‌پذیری آلیاژ که با وجود نیکل کاهش یافته‌است. این مورد تغییر فاز به مارتنزیت را در حین عملیات حرارتی تسهیل می‌کند. برخلاف آلیاژهای پرکروم که مارتنزیتی هستند، آلیاژهای با درصد نیکل بالا دارای ساختار اوستنیتی بوده و توانایی استحاله مارتنزیتی در آنها وجود ندارد.

فولاد ماریجینگ چگونه تولید می‌شود؟

برای تولید آلیاژ ماریجینگ از روش‌های گوناگونی استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها را به مختصر برای شما شرح می‌دهیم:

روش اندودینگ

در این روش فولاد را در محیطی گازی و با دما و فشار بسیار بالا تولید خواهند کرد.

روش تخته گردانی

ساخت فولاد ماریجینگ از طریق روش تخته گردانی به شکل صفحه‌ای و با ضخامت مشخص انجام خواهد گرفت.

روش ریخته‌گری

در این روش مواد لازم برای تولید فولاد ماریجینگ را ذوب می‌کنند و به صورت مایع در قالب‌های مختلف می‌ریزند. پس از گذر زمان و خنک شدن مواد مذاب به شکل مورد نظر خواهیم رسید.

گفتنی است که 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 نمود.

عملیات حرارتی فولاد ماریجینگ

عملیات حرارتی در تهیه و ساخت فولاد ماریجینگ، مهم‌ترین مرحله به شمار می‌رود. این مرحله شامل حرارت دادن فولاد تا دمای حدود ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد به‌منظور تشکیل یک فاز کاملا آستینتی خواهد بود. پس از آن، سرد کردن آهسته با هدف تشکیل یک زیر ساختار مارتنزیتی انجام می‌گیرد. فولاد هایپوتکنیک با یزد شدن آهسته دارای دو فاز فریت و پرلیت خواهد شد. این در حالی است که در صورت سرد شدن سریع در آب یا روغن، زیر ساختار مارتنزیت را به خود می‌گیرد. فولاد ماریجینگ به دلیل داشتن عنصر نیکل در ترکیبات خود، فاز فریت و پرلیت را نخواهد داشت و زیر ساختار مارتنزیتی با سختی کمتری را از خود به نمایش می‌گذارد.

پس از سرد کردن عملیات پیرسختی در محدوده دمایی ۴۸۰ الی ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد صورت می‌گیرد. این فرآیند سبب پراکندگی رسوبات سخت در زمینه مارتنزیتی خواهد شد.

جوشکاری فولاد ماریجینگ چیست؟

انواع فولاد مارایجینگ را می‌توان به روش‌های گوناگونی جوشکاری کرد. از آن‌جایی که میزان کربن در این نوع فولاد بسیار پایین است، لذا تنش‌های پسماند زیاد در این نوع فولاد ایجاد نخواهد شد. به همین علت، نیازی به عملیات پیش‌گرم و آماده‌سازی قطعه پیش از جوشکاری نیست.

راه برگشت خواص منطقه جوش فولاد ماریجینگ پس از عملیات جوشکاری آن، پیرسازی مجدد آن است. در صورتی که مشکل اعوجاج وجود نداشته باشد، بهتر است آنیل محلولی مجدد انجام گیرد. جهت انجام جوشکاری از سیم‌های پرکننده‌ای استفاده می‌شود که از ترکیب شیمیایی نزدیک به صفحه پایه برخوردار باشند.

لازم است بدانید که فرایند جوشکاری مورد استفاده اثر اندکی بر استحکام جوش‌ها دارد. به همین خاطر می‌توان از انواع روش جوشکاری برای اتصال فولادهای ماراجینگ با بازده ۹۰ درصدی استفاده کرد. همچنین چقرمگی جوش نیز تحت تاثیر نوع فرایند جوشکاری تغییر می‌کند. بهترین روش جوشکاری فولاد مارایجینگ، جوشکاری قوس گاز تنگستنی خواهد بود.