آلیاژ مونل چیست؟ بررسی ترکیب، خواص و کاربردها

آلیاژ مونل (Monel) یکی از فلزات مهندسی پرکاربرد و مقاوم است که پایه اصلی آن از نیکل و مس تشکیل می‌شود. این آلیاژ به‌دلیل ترکیب شیمیایی خاص خود، مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی، اکسیداسیون و محیط‌های اسیدی و قلیایی دارد. مونل در مقایسه با بسیاری از آلیاژهای فلزی دیگر، در دماهای بالا نیز خواص مکانیکی خود را حفظ می‌کند و به همین دلیل در صنایع حساس مانند نفت و گاز، پتروشیمی، صنایع دریایی و هوافضا جایگاه ویژه‌ای دارد. در ادامه به بررسی دقیق‌تر آلیاژ مونل، انواع و کاربردهای آن می‌پردازیم.

آلیاژ مونل چیست؟

همانطور که اشاره شد، آلیاژ مونل متشکل از نیکل (۶۵ الی ۷۰ درصد) و مس (۲۰ الی ۲۹ درصد) است. عناصر دیگری هم مانند آهن، کربن، منگنز و سیلیکون با درصد کم به ترکیب آن اضافه می‌شوند. درکل، ترکیب نیکل و مس با هم در کنار عناصر ذکرشده موجبات تشکیل یک محلول جامد یکدست را فراهم می‌کند. ضمنا، ساختار کریستالی مونل به شکل FCC (Face-Centered Cubic) است که مشخصات فنی باارزشی در آن ایجاد کرده و عملکردش را بهبود می‌بخشد. درمجموع، می‌توان گفت که مقاومت مونل مانند فولاد ضد زنگ بسیار بالا است و پایداری لازم را در شرایط سخت دارد.

انواع آلیاژ مونل

قبل از آشنایی با انواع مونل می‌توانید مقاله آلیاژ چیست را مطالعه کنید تا اطلاعات بیشتری در این حوزه به دست آورید. درادامه به معرفی انواع آلیاژ مونل و کاربردهای آن‌ها پرداخته شده است:

• مونل 400: آلیاژ مونل ۴۰۰ به واسطه داشتن مشخصاتی همچون فرم‌پذیری خوب، مقاومت در برابر خوردگی و رسانای حرارتی در مهندسی دریایی، شیمیایی، تولید تجهیزات موسیقی، مبدل‌های حرارتی، پمپ‌ها، دریچه‌ها و پردازش‌های هیدروکربن مورداستفاده قرار می‌گیرد. بیشترین استفاده از آن مربوط به صنعت دریایی می‌شود‌. درواقع، زمانی که غلظت هیدروفولئوریک اسید در آب افزایش یابد از مونل ۴۰۰ استفاده می‌کنند. ضمن اینکه نقطه ذوب آن در محدوده ۱۳۰۰ الی ۱۳۵۰ درجه سانتی‌گراد قرار دارد و دمای کاربری مناسبش هم ۵۳۸ درجه سانتی‌گراد است. به‌طورکلی، نیکل موجود در ترکیب آلیاژ ۴۰۰ مقاومتش را افزایش داده و مس هم به فرم‌پذیری بهتر و هدایت الکتریکی عالی آن کمک شایانی می‌کند.
• مونل 401: گرید ۴۰۱ یکی دیگر از انواع آلیاژ مونل است که با عملیات قوس گاز- تنگستن و خصوصیات لحیم‌کاری مناسب، جوش‌پذیری قابل‌قبولی از خود نشان می‌دهد. بعلاوه پوشش آن بر اساس استاندارد UNS N04401 انجام می‌گیرد و عمدتا در مصارف الکتریکی و الکترونیکی بکار می‌رود. درواقع، مونل ۴۰۱ به خاطر مقاومت حرارتی پایینی که دارد به بخش الکتریک و الکترونیک راه یافته است. همچنین، این آلیاژ با توجه به مشخصات فنی که دارد می‌تواند تحت فرآیندهای جوشکاری مانند جوشکاری مقاومتی و الکترود تنگستن قرار بگیرد. درمجموع، مدل ۴۰۱ مخصوص کاربردهای الکتریکی طراحی شده است و در لحیم‌کاری هم عملکرد مناسبی دارد.
• مونل 404: مونل ۴۰۴ نسبت به سایر مونل‌ها نیکل کمتری دارد؛ درصد نیکل آن به حدود ۵۲ الی ۵۷ درصد می‌رسد. میزان مس موجود در آن هم حدود ۴۲ الی ۴۷ درصد است. ترکیب مونل ۴۰۴ را به گونه‌ای در نظر گرفته‌اند که نفوذپذیری اندک و مشخصات لحیم‌کاری عالی داشته باشد. از این آلیاژ در ساخت قطعات الکترونیکی نظیر ترانزیستور استفاده می‌کنند. حتی امکان استفاده از آن در تولید تجهیزات دریایی همچون پمپ‌ها وجود دارد. ضمنا، یکی از مشخصات برجسته گرید ۴۰۴ دمای کوری ناچیز و قابلیت جوشکاری فوق‌العاده آن است. برهمین‌اساس، بر روی آلیاژ ۴۰۴ می‌توان عملیات ماشین‌کاری را خیلی خوب انجام داد.

• مونل R-405: پوشش مونل R-405 تحت‌عنوان UNS N04405 بر اساس استانداردهای معتبر ASME SB-164 و ASTM B-164 صورت می‌گیرد. این مونل ماشین‌کاری آزاد از گرید ۴۰۰ است که در زمینه استوک ماشین پیچ خودکار مورداستفاده قرار می‌گیرد. همچنین، درصد گوگرد آن به محدوده ۰۲۵/۰ الی ۰۶۰/۰ درصد می‌رسد که منجر به تشکیل سولفیدهای نیکل مس می‌شود که این وضعیت، قابلیت ماشین‌کاری را بهبود می‌بخشد.
• مونل K500: مونل K500 علاوه بر نیکل و مس دارای آلومینیوم و تیتانیوم است؛ به‌همین‌خاطر، مقاومت و سختی قابل‌توجهی دارد. این مونل با توجه به ویژگی‌هایش برای شفت پمپ‌های گریز در صنعت دریایی پیشنهاد می‌شود که از موارد مصرف آن می‌توان به قطعات الکترونیکی، شفت پمپ، تیغه‌های جراحی، پروانه‌های چرخشی، ابزار چاه نفت و... اشاره کرد.
• مونل 502: مونل ۵۰۲ در مقابل خزش و اکسیداسیون مقاومت بالایی دارد. بعلاوه اشکال مختلف را با این آلیاژ می‌توان ایجاد کرد و قابلیت ماشین‌کاری آن مشابه فولادهای آستنیتی است. درضمن، شماره آلیاژ ۵۰۲ را در UNS معادل N05502 در نظر گرفته‌اند.

مهم ترین کاربردهای آلیاژ مونل

در میان آلیاژهای مقاوم و باکیفیت صنعتی، آلیاژ مونل به‌دلیل ترکیب منحصربه‌فرد نیکل و مس، جایگاه ویژه‌ای دارد. این آلیاژ به‌خاطر مقاومت بالا در برابر خوردگی، حرارت و فشار، در بسیاری از صنایع حساس مورد توجه قرار گرفته است. از آلیاژ monel در صنایع دریایی، هوافضا، تولید ادوات موسیقی و تصفیه انواع روغن استفاده می‌کنند که جزئیات هر یک از این موارد در ادامه آورده شده است:

• صنایع دریایی: آلیاژهای مونل به دلیل مقاومت بالایی که در محیط‌های خورنده دارند در تجهیزات مرتبط با آب و دریا اعم از سیستم‌های لوله‌کشی، شافت پمپ، سبدهای صافی، شیرآلات و همین‌طور، هدایت مواد در مخازن زیر آب بکار گرفته می‌شوند. البته به علت واکنش‌های الکترولیتی در آب ناشی از عایق نشدن درست مونل گاها اتفاقات زیان‌باری به همراه دارد؛ از‌این‌رو، باید تمام جوانب قبل از استفاده موردبررسی قرار بگیرد.
• صنایع هوافضا: آلیاژ مونل به دلایلی نظیر مقاومت در مقابل گرمای ناشی از اصطکاک آیرودینامیکی در زمان پرواز با سرعت زیاد و همین‌طور، تاثیر نداشتن بر روی سرعت و وزن بدنه در دهه ۶۰ میلادی در ساخت هواپیما مخصوصا مدل‌های آزمایشی و موشکی کاربرد داشت. امروزه کاربرد این آلیاژها به سیم‌کشی استاندارد در هواپیماها محدود شده است.

• تولید تجهیزات موسیقی: عملکرد خوب آلیاژ مونل باعث راهیابی آن به تولید ادوات موسیقی شده است. از این آلیاژ در ساخت ادوات بادی نظیر فرنچ هورن، ترومپت و توبا استفاده می‌کنند. همچنین، آلیاژهای مونل در ساخت سازهای زهی هم کاربرد دارند. کمپانی‌های بزرگ این عرصه نظیر گیبسون جهت ساخت تارهای ویولون، گیتار و ماندولین از آلیاژهای مونل استفاده می‌کنند.
• تولید و تصفیه روغن‌های مختلف: استفاده از آلیاژهای مونل در تولید برخی از محصولات شیمیایی علل‌خصوص روغن‌های مختلف مرسوم است؛ زیرا از آسیب جدی به تولیدات در مرحله آلكیلاسیون جلوگیری می‌کند. در این مرحله، اسید هیدروفولئوریک غلیظ باعث خوردگی وسایل فلزی در تماس با خود می‌شود. علاوه‌براین، مونل در مقابل اسیدهای سولفوریک و هیدروکلریک هم مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد.
• صنایع شیمیایی: تجهیزات ذخیره‌سازی، انتقال و واکنش‌ در کارخانه‌های تولید اسید و مواد شیمیایی معمولاً از مونل ساخته می‌شوند؛ زیرا این آلیاژ در تماس مستقیم با مواد خورنده، دچار زنگ‌زدگی یا تغییر ساختار نمی‌شود.
• صنایع نفت و گاز: به‌دلیل پایداری بالا در محیط‌های اسیدی و سولفوره، از مونل در ساخت شیرآلات، مبدل‌های حرارتی، تجهیزات حفاری و خطوط انتقال سیالات در پالایشگاه‌ها استفاده می‌شود.

مشخصات فنی آلیاژ مونل

آلیاژ مونل یکی از مقاوم‌ترین آلیاژهای نیکل-مس است که به دلیل دوام بالا در برابر خوردگی و حرارت، در صنایع سنگین کاربرد گسترده‌ای دارد. این ماده رنگ خاکستری دارند و نقطه ذوب آن‌ها حدود ۱۳۰۰ الی ۱۳۵۰ درجه سانتی‌گراد برآورد می‌شود. ساير مشخصات فنی آلیاژ مونل به شرح زیر است:

• ضریب پوآسون: ۳۲/۰
• مدول الاستیک: ۱۷۹ گیگاپاسکال
• میزان سختی: ۱۱۰ الی ۱۵۰ برینل
• چگالی: ۸۰/۸ کیلوگرم بر مترمکعب
• مقاومت کشش نهایی: ۵۵۰ مگاپاسکال
• میزان مقاومت الکتریکی: ۷/۵۴ اهم-متر
• ازدیاد طول در نقطه شکست: ۴۸ درصد
• هدایت حرارتی: ۸/۲۱ وات بر مول کلوین
• مقاومت کششی: ۲۴۰ مگاپاسکال در نقطه تسلیم
• ظرفیت گرمایی ویژه: ۴۲۷ ژول بر کیلوگرم کلوین

ترکیبات شیمیایی آلیاژ مونل

این آلیاژ، به‌دلیل ترکیب خاص نیکل و مس، در برابر خوردگی، اسیدها و آب دریا مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهد. این ویژگی‌ها باعث شده است که در صنایع دریایی، شیمیایی و نفت‌وگاز کاربرد گسترده‌ای داشته باشد. ترکیبات شیمیایی آلیاژ مونل که منجر به مقاومت بی‌نظیر آن شده است شامل موارد زیر می‌شود:

• عنصر نیکل: ۶۵ الی ۷۰ درصد
• عنصر مس: ۲۰ الی ۲۹ درصد
• آهن: ۲ الی ۳ درصد
• ساير عناصر: کربن، منگنز و سیلیکون با درصد کم

مزایای آلیاژ مونل

آلیاژ مونل با ترکیب منحصر‌به‌فرد نیکل و مس، نه‌تنها دوام مکانیکی بالایی دارد بلکه در برابر خوردگی، اکسیداسیون و دمای بالا نیز عملکردی عالی از خود نشان می‌دهد. این ویژگی‌ها آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای محیط‌های سخت صنعتی تبدیل کرده است. آلیاژهای مونل ظاهر جذاب با ساختاری مقاوم دارند؛ به‌همین‌دلیل، چندین دهه است که همچنان در صنایع مختلف بکار گرفته می‌شوند. درادامه لیستی از مهم‌ترین مزایای این آلیاژ قید شده است:

• قابلیت شکل‌پذیری
• مقاومت مکانیکی عالی
• ضریب انبساط حرارتی کم
• مقاومت بالا در دماهای کم
• قابلیت چکش‌خواری مطلوب

• مقاوم در مقابل خوردگی اسید و قلیایی
• ارائه در اشکال کاربردی ازجمله میله، لوله، ورق گرم و سرد
• پایداری فوق‌العاده در محیط‌های دریایی و شور
• مقاومت بالا در برابر سایش و خستگی فلزی
• قابلیت جوش‌پذیری مناسب با روش‌های مختلف صنعتی

معایب آلیاژ مونل

هرچند آلیاژ مونل از نظر مقاومت و دوام در میان آلیاژهای نیکل‌پایه جایگاه ویژه‌ای دارد، اما مانند هر ماده صنعتی دیگری بدون نقص نیست و محدودیت‌هایی نیز دارد. این آلیاژ، جزو آلیاژهای محبوب با مزایای قابل‌توجه است؛ اما معایبی هم دارد که باید نسبت به آن‌ها آگاه بود. از معایب آن به موارد زیر اشاره کرد:

• ماشین‌کاری نسبتا ضعیف
• احتمال خوردگی گالوانیکی
• احتمال خوردگی حفره‌ای در آب شور
• قیمت بالا به‌دلیل درصد بالای نیکل در ترکیب شیمیایی
• سختی بالا و دشواری در شکل‌دهی سرد یا نوردکاری در دماهای پایین

جوشکاری آلیاژ مونل

آلیاژ مونل به دلیل ترکیب نیکل و مس، هنگام جوشکاری رفتاری متفاوت از فولادهای معمولی دارد و نیازمند دقت و کنترل حرارتی بالاست. استفاده از تجهیزات مناسب و الکترودهای مخصوص، در کیفیت نهایی جوش این آلیاژ تأثیر بسزایی دارد. برای جوشکاری بر روی هر فلز و آلیاژی باید سلسله مراتب اصولی آن را رعایت کرد. مراحل جوشکاری این ماده بدین شرح است:

1. پاکسازی لایه نازک اکسید تیره در نواحی جوشکاری با برس یا سمباده

2. عدم نیاز به گرم کردن از قبل

3. بکارگیری الکترودهایی با پوشش ضخیم

4. رعایت زاویه الکترود نسبت به خط قائم درجه در مدل تخت و الکترود عمود بر صفحه در سایر مدل‌ها

5.ایجاد گرده‌های باریک

عوامل موثر بر قیمت آلیاژ مونل

قیمت آلیاژ مونل، همانند سایر فلزات صنعتی، به عوامل متعددی وابسته است و تغییر در هر یک از این فاکتورها می‌تواند باعث نوسان در نرخ نهایی آن شود. آگاهی از این عوامل به خریداران کمک می‌کند تا انتخابی دقیق‌تر و اقتصادی‌تر داشته باشند. به‌ویژه در بازار پرنوسان فلزات، توجه به جزئیات ترکیب شیمیایی، برند تولیدکننده و شرایط عرضه، اهمیت ویژه‌ای دارد. در ادامه مهم‌ترین عوامل مؤثر بر قیمت آلیاژ مونل را مرور می‌کنیم:

• شرکت تولیدکننده: برندهای معتبر به دلیل استفاده از فناوری‌های پیشرفته و کنترل دقیق‌تر کیفیت، معمولاً قیمت بالاتری دارند.
• نوع و گرید مونل: مونل در گریدهای مختلف مانند Monel 400 یا K500 تولید می‌شود که هرکدام ترکیب و مقاومت متفاوتی دارند.
• درصد عناصر تشکیل‌دهنده: میزان نیکل، مس و سایر عناصر آلیاژی تأثیر مستقیمی بر خواص فیزیکی و در نتیجه قیمت نهایی دارد.
• ویژگی‌های فنی و کاربردی: هرچه مقاومت آلیاژ در برابر خوردگی، فشار و حرارت بیشتر باشد، قیمت آن نیز افزایش می‌یابد.
• مرکز فروش و شرایط بازار: محل خرید، هزینه حمل‌ونقل و میزان تقاضا در بازار از دیگر عوامل تعیین‌کننده قیمت هستند.