در مورد فولاد‌ هادفیلد چه می دانید؟

خلاصه

ترکیب اصلی فولادهای منگنزی آستنیتی، شامل حدوداً % 2/1 کربن و    %12 منگنز می‌باشد. این دسته از  فولادها برای اولین بار در سال 1882 توسط آقای رابرت ‌هادفیلد ساخته شدند. این فولادها از لحاظ اینکه دارای خواص مرکبی مثل سختی بالا، قابلیت چکش خواری با ظرفیت بالای کار سختی و مقاومت سایشى معمولاً خوب‌اند، مورد توجه قرار گرفته اند. به همین دلیل تلاش‌های زیادی برای ارایه طرح‌هایی در جهت بهبود این خواص انجام شده است ولی فقط در تعداد کمی از این  طرح‌ها شاهد پیشرفت و بهبود چشمگیر در خواص بوده‌ایم.در طرح‌های ذکر شده تلاش بر این بوده که با ایجاد تغییراتی در میزان درصد کربن،  منگنز و یا اضافه کردن عناصری از قبیل : کرم، نیکل ، مولیبدن ، وانادیم ، تیتانیم و بیسموت خواص را بهبود ببخشند.

نظر یادتون نره

ترکیب اصلی فولاد‌‌هاد‌فیلد ( فولادهای منگنزی آستنیتی )  شامل 2/1% کربن و 12% منگنز است و به دلیل خواصی از قبیل سختی بالا ، قابلیت چکش خواری و مقاومت سایشی خوب به سرعت به عنوان یک ماده مهندسی خیلی سودمند مقبولیت یافته‌اند. فولاد‌های ‌هادفیلد هنوز هم به طور گسترده‌ای‌ ‌( البته با ایجاد تغییرات و اصلاحات جزیی در ترکیب آن‌ها و انجام عملیات حرارتی ) اصولاً در زمینه‌های معدن کاری ، استخراج از معادن ، حفاری چاه‌های نفت ، فولاد سازی ، در صنایع راه‌آهن ، چوب بری و تولید سیمان به طور گسترده استفاده می‌شوند . این فولاد‌ها همچنین در تجهیزات مربوط به جابجایی و فرایند مواد معدنی مثل خرد کننده‌ها ( سنگ شکن‌های فکی و ژیراتوری) ، آسیاب‌ها ، بیل‌های مکانیکی و پمپ‌های مربوط به جابجایی نخاله‌ها و سنگ‌ها استفاده می‌شوند . از جمله کاربرد‌های دیگر این فولاد‌ها می توان به صنایع اتومبیل سازی ، صنایع بازیافت و صنایع نظامی اشاره کرد.

از میان تلاش‌های زیاد محققان برای بهبود خواص این  فولاد‌ها فقط دسته کمی از آن‌ها موفقیت آمیز بوده‌اند. محققان سعی کرده اند تا با تغییر میزان درصد کربن و یا  منگنز و اضافه کردن عناصر آلیاژی مثل کرم ، نیکل ، مولیبدن ، وانادیم ، تیتانیم و بیسموت به بهبود خواص کمک کنند .در این میان مشاهده شده است که خواص مکانیکی این فولاد‌ها با تغییر مقادیر کربن و منگنز تغییر می‌کند‌.

قبل از اینکه وارد جزییات بیشتری در مورد این فولاد‌ها شویم بهتر است ابتدا به اختصار استاندارد فولاد‌های منگنزی آستنیتی را معرفی کنیم . در سیستم  ASTM  ، علامت128A / 128 M  معرف استاندارد فولاد‌های ریخته‌گی منگنزی آستنیتی است.

با افزایش مقدار کربن ، نگه داشتن تمام کربن در حالت محلول جامد دشوار می شود و نهایتاً این امر به کاهش مقاومت کششی و قابلیت چکش خوارى منجر خواهد شد. اما با این وجود چون با افزایش کربن مقاومت سایشی افزایش می یابد ممکن است ترجیحاً از مقادیر کربن بیشتر از % 2/1 در موارد خاصی نیز استفاده شود . اما مقادیر کربن بیش از% 4/1 به ندرت استفاده می‌شوند چرا که در این مقادیر‌کربن رسیدن به ساختار آستنیتی بدون کاربید در مرز دانه‌ها  دشوار است و همانطور که می‌دانیم ساختار آستنیتی یکی از عوامل موثر بر استحکام و قابلیت چکش خوارى است.

مقادیر کم کربن در این فولاد‌ها  ( حد اقل% 7/0 کربن در مرتبه‌های D  و E-1 ) ممکن است برای کاهش رسوب کاربید در در قطعات  ضخیم ریخته‌گی به کار رود. کاربید‌ها در قطعات  ریخته‌گی که به آرامی سرد شوند شکل می‌گیرند . در حقیقت و صرف نظر از از سرعت شدن قالب کاربید‌ها در تمام  قطعات ریختگی حاوی بیشتر از% 1 کربن تشکیل  می‌شوند. به همین دلیل اگر در عملیــــات حرارتی در طی عمل کونچ نتوانیم  قطعه را به سرعت سرد کنیم کاربید‌ها در تمام بخش‌های ضخیم این قطعات شکل می‌گیرند. کاربید‌ها همچنین در طی جوشکاری یا حین عملیاتی که در دماهای بالاتر از 257 درجه سانتیگراد روی این فولاد‌ها انجام می‌شود ، بوجود می‌آیند.

اگر مقادیر منگنز و کربن هر دو با هم کم باشد برای مثال% 53/0کربن و% 3/ 8  منگنز یا  62/0 کربن و% 1/8 منگنز ، میزان کار سختی افزایش می‌یابد اما این امر سبب افزایش مقاومت سایشی نخواهد شد.

تیتانیوم در این فولادها با تشکیل کاربید‌های پایـــدار مقدار کربن در آستنیت را کاهش  می‌دهد ودر نتیجه خواص بدست آمده می تواند مشابه حالت کاهش کربن در فولاد باشد. همچنین تیتانیوم  می تواند تا حدی اثر فسفر را خنثی نماید . همچنین دیده شده است که افزایش مقادیر خیلی کم  ( کمتر از% 1 /0 ) تیتانیوم ، وانادیم ، بور ، زیرکونیم و نیتروژن منجر به ریزتر شدن دانه‌ها در این فولادها می شود . اما مقادیر بیشتر این عناصر ممکن است کاهش چشمگیر قابلیت چکش خوارى را به همراه داشته باشند. مقادیر بیشتراز % 2/0 نیتروژن می‌تواند باعث ایجاد تخلخل‌های گازی در قطعات ریخته‌گی شود .

گوگرد به ندرت بر خواص  فولاد‌های ‌هادفیلد اثر می‌گذارد. زیرا به دلیل حضور منگنز وجود گوگرد منجر به تشکیل سولفات منگنز به جای سولفات آهن می‌شود.به همین دلیل در استاندارد  128A مقدار عنصر گوگرد ذکر نشده است.اما در هر حال بهتر است مقادیر گوگرد تا حد امکان در ترکیب کم باشد زیرا این ترکیبات ممکن است با ایجاد مکان‌های بالقوه ای شرایط مناسب برای جوانه زنی شکاف‌های خستگی در قطعات را بوجود آورند و البته این امری ناخوشایند است.

فولاد‌های آستنیتی با مقادیر زیاد منگنز  (مقادیر منگنز بیش از % 15 )  اخیراً برای استفاده در موقیت‌هایی که نیازمند قابلیت نفوذ مغناطیسی کم و استحکام وسختی در دمای پایین‌اند، توسعه یافته‌اند. البته این کاربرد‌ها از توسعه تکنولوژی سوپر‌هادی‌ها ، تحقیقات ذوب هسته ای و احساس نیاز به مواد ساختاری ( برای ذخیره و انتقال گاز‌های مایع ) سرچشمه می‌گیرند.

برای کاهش قابلیت نفوذ مغناطیسی ، این آلیاژ‌ها حاوی مقادیر کمتر کربن نسبت به مقدار معمول فولاد‌های ‌هادفیلد هستند . البته کاهش تنش تسلیم با اضافه کردن عناصری مثل تیتانیوم ، وانادیم ، نیتروژن ، کرم و مولیبدن جبران خواهد شد . همچنین کرم باعث ایجاد مقاومت خوردگی خواهد شد( این خصوصیت در بعضی از سیستم‌های برودتی مورد نیاز است) .

دسته دیگر فولاد‌های آستنیتی با مقادیر زیاد منگنز برای استفاده در دماهای پایین و کاربرد‌های دریایی توسعه یافته‌اند. این فولاد‌ها از نظر اقتصادی جایگزین مناسبی برای فولاد‌های زنگ نزن متداول‌اند زیرا به جای نیکل و کرم حاوی منگنز و آلومینیوم می‌باشند. در نتیجه این آلیاژها عموماً دارای استحکام بیشتر اما قابلیت چکش خوارى کمتر نسبت به فولاد‌های زنگ نزن هستند. ساختــــــارمیکروسکوپی این آلیـــاژها مخلوطی از <!--[if !vml]--><!--[endif]--> (آستنیت FCC ) و <!--[if !vml]--><!--[endif]--> (مارتنزیت HCP ) و در برخی موارد (خصوصاً هنگامی که مقادیر آلومینیوم بیش از حدود% 5 باشد)  <!--[if !vml]--><!--[endif]--> ( فریت BCC ) است.سپس این آلیاژها تحت عملیات حرارتی مثل آنیل انحلالی و کونچ قرار می‌گیرند ( البته به جز آلیاژ‌هایی که قابلیت پیر سختی دارند ). زیرا فولاد‌های ‌هادفیلد منگنزی ریخته‌گی معمولی به خاطر رسوبات کاربید شکننده‌اند و به همین منظور چنین فولاد‌هایی را به دمای تشکیل آستنیت برده و مدت زمان مشخصی در آن دما نگه می‌دارند سپس با انجام عمل کونچ با آب ساختار کاملاً آستنیتی به دست می‌آید. همانطور که می دانیم در این فولاد‌ها  کاربید‌ها در مرز دانه‌های آستنیتی قرار دارند که با انجام عملیات بالا تجزیه شده و باعث بالا رفتن خواص مکانیکی می شوند. همچنین آلیاژهای غیر ریختنی تحت شرایط نورد گرم قابل استفاده اند . ساختــــــارمیکروسکوپی این آلیـــاژها مخلوطی از <!--[if !vml]--><!--[endif]--> (آستنیت FCC ) و <!--[if !vml]--><!--[endif]--> (مارتنزیت HCP ) است . مشخصه این آلیاژها سختی و قابلیت چکش خوارى خوب برای استفاده در دماهای بسیار پایین می باشد. ا لبته باید توجه کنیم که ساختار کاملاً آستنیتی همیشه به خصوص در بخش‌های ضخیم قطعه ویا در فولادهای حاوی عناصر کاربید‌زا مثل کرم ، مولیبدن ، وانادیم و  تیتانیوم به راحتی بدست نمی آید.

یکی از نکات قابل توجه درمورد این فولاد‌ها این است که ریخته‌گری این دسته از فولاد‌ها خیلی راحت نیست چرا که مذاب این فولاد‌ها با نسوز‌های سیلیکاتی کوره واکنش داده و باعث تخریب نسوز کوره می شود و برای حل این مشکل  باید به جای نسوز‌های سیلیکاتی از اکسید آلومینیوم استفاده کنیم.

همانطور که می‌دانیم یکی از کاربرد‌های وسیع این فولاد‌ها در خرد کننده‌های مواد معدنی مثل سنگ شکن‌های فکی و ژیراتوری است . نکته جالب در این میان این است که این فولاد‌ها در اثر ضربه از مقاومت سایشی بسیار بالایی برخوردار می‌شوند که علت آن این است که در اثر ضربه دانه‌های موجود در سطح به شدت ریز شده و به نانو دانه تبدیل می‌شوند و در حقیقت می‌توان گفت به ساختاری شبه آمورف دست می‌یابیم که منجر به بهبود خواص از جمله مقاومت سایشی خواهد شد.