فولاد های منگنزی (هادفیلد) و تاثیر ترکیب شیمیایی بر آن

مقدمه

منگنز انعطاف پذیری فلز را افزایش داده و به میزان زیادی بر چقرمگی و مقاومت فلز در برابر عوامل ساینده می افزاید. سر رابرت ابوت هادفیلد  (Sir Robert Abbott Hadfield) متالورژیست انگلیسی بود که در سال 1882 به دلیل کشف فولاد منگنزی، یکی از اولین فولادهای آلیاژی، مشهور شد. اختراع او بر اساس افزودن درصد زیادی منگنز به آهن مذاب بود که به موجب آن فولادی تولید کرد که دارای چقرمگی و سختی خوبی باشد. پس از تعدادی آزمایش که توسط سر هادفیلد انجام شد، نتیجه‌گیری شد که فولادی با چقرمگی و سختی خوب و در عین حال ویژگی‌های متمایز را می‌توان زمانی یافت که محتوای منگنز بین 11-13٪ منگنز و 1-1.3٪ کربن با  نسبت 10:1 باشد . جدول زیر تأثیر محتوای مختلف منگنز بر خواص مکانیکی فولاد هادفیلد را نشان می دهد.

فولاد منگنز هادفیلد ظرفیت بالایی برای سخت شدن در هنگام ضربه دارد و با توجه به این ویژگی به طور گسترده در تعداد زیادی از صنایع مانند خطوط ریلی، سطل های لایروبی، سنگ شکن های فکی و عملیات های مقاومت بالا در برابر ضربه و سایش کاربرد دارد . در شرایط ریختگی، فولاد حاوی کاربیدها ، به محصول شکننده تبدیل میشود. کاربیدها در قالب های ریخته گری در صورتی که سرعت سرد کردن پایین باشد تشکیل میشوند . برای حذف کاربیدهای ناخواسته می توان از عملیات حرارتی مناسب و کوئنچ در هوا یا آب (با توجه به ضخامت قطعه) استفاده کرد.

از دیگر نکاتی که خواص نهایی محصول را به ویژه در طی فرآیند ساخت تعیین می کند، ترکیب شیمیایی ذوب و به دنبال آن عملیات حرارتی مناسب به منظور ایجاد ریزساختار مناسب به منظور جلوگیری از عیوب ساختاری (حفره ها، ترک ها، آخال ها) و تشکیل فازهای شکننده است. بنابراین پارامترهای مختلفی مانند عناصر آلیاژی، شرایط ریخته‌گری، سرعت انجماد، عناصر میکروآلیاژی و چرخه‌های عملیات حرارتی می‌توانند ریزساختار بهینه را تعیین کند .

یکی ازویژگی منحصر به فرد این فولاد سخت و با استحکام بالا، سخت شدن سریع در حین کار، از استحکام تسلیم 379 مگاپاسکال تا مقاومت کششی نهایی 965 مگاپاسکال است. در آزمایش‌های سایشی، فولاد هادفیلد بهتر از فولادهای آلیاژی فرفورژه، فولادهای آلیاژی ریختگی، فولادهای ضد زنگ، فولادهای ابزار یا فولاد با کروم بالا و چدن‌های سفید عمل می‌کند.

تأثیر ترکیب شیمیایی بر فولاد هادفیلد

ترکیب شیمیایی یکی از مهمترین عواملی است که می تواند بر خواص مکانیکی ریخته گری فولاد منگنز بالا تأثیر بگذارد. محتوای کربن و منگنز نقش مهمی در تولید فولاد با منگنز بالا دارد. ریخته گری فولاد منگنز می تواند چندین گرید اصلاح شده در مسیر تولید خود داشته باشد و این گریدها معمولاً برای برآوردن الزامات کاربرد، اندازه مقطع، اندازه ریخته گری، هزینه و ملاحظات توانایی جوش تولید میشود. همانطور که در جدول بالا نشان داده شده است، خواص مکانیکی فولاد منگنز آستنیتی با محتوای کربن و منگنز متفاوت است. با افزایش کربن، حفظ کل کربن در محلول جامد به طور فزاینده ای دشوار می شود، که ممکن است باعث کاهش استحکام کششی و شکل پذیری شود. یک واقعیت مهم این است که محتوای کربن و منگنز در فولادهای منگنزی نه تنها به هم مرتبط هستند، بلکه با ضخامت ریخته‌گری نیز مرتبط هستند. شکل زیر تأثیر محتوای کربن را بر خواص فولاد هادفیلد نشان می‌دهد.

مقاومت سایشی ریخته گری فولاد منگنز بالا با افزایش محتوای کربن افزایش می یابد . محتوای کربن بالای 1.4 درصد به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد به دلیل دشواری به دست آوردن یک ساختار آستنیتی عاری از کاربیدهای مرز دانه که برای استحکام و شکل پذیری فولاد مضر است.

کروم تمایل به افزایش سختی دارد. این عنصر اثرات جالبی بر روی فولاد و همچنین بهبود مقاومت در برابر خوردگی فولاد منگنزی دارد. کروم به عنوان یک کاربید تشکیل دهنده عمل می کند بنابراین مازاد کروم به فولاد منگنز منجر به رسوب کاربید در مرز دانه در شرایط ریختگی می شود. تحقیقات نشان میدهد که برای کاهش کسر حجمی کاربید و به دست آوردن مقادیر مناسب ضربه، محتوای کروم باید به 0.1٪ محدود شود. اگر این کاربیدها به صورت ذرات بی ضرر در زمینه وجود داشته باشند، قدرت تسلیم افزایش می یابد در حالی که انرژی ضربه کاهش می یابد.

فسفر در فولاد منگنز باعث افزایش تمایل به جدایش در مرزهای دانه میشود، یا تشکیل یک فیلم یوتکتیک فسفیدی شکننده باعث میشود فولاد منگنزی با فسفر بالاتر از 0.06 درصد ، انعطاف پذیری دمای بالا فولاد منگنز به شدت کاهش می یابد.