فولاد هادفیلد چیست؟ هرآنچه باید درمورد فولاد منگنزی بدانید!

فولاد منگنزی، که با نام فولاد هادفیلد نیز شناخته می‌شود، یکی از انواع فولادهای مقاوم به سایش است. این فولاد به دلیل ویژگی‌هایی مانند چقرمگی، انعطاف‌پذیری و مقاومت عالی، در ساخت قطعات دستگاه‌ها و ماشین‌آلات فولادسازی استفاده می‌شود. با وجود برخی محدودیت‌ها مانند قابلیت ماشین‌کاری پایین و استحکام تسلیم کم، از آن در عملیات‌هایی چون چکش‌خواری و نورد سرد موفق عمل می‌کند. در ادامه، با میهن فولاد همراه باشید تا بیشتر در مورد آن صحبت کنیم.

تاریخچه فولاد هادفیلد

در اواخر قرن نوزدهم میلادی در انگلستان صنایعی مثل معدن و حفاری به سرعت در حال گسترش بودند و تقاضا برای فولادهایی که در شرایط سخت حفاری مقاومت کنند، رو به افزایش بود. همین موضوع، جرقه‌ای شد تا هادفیلد به فکر ساخت آلیاژی فولادی بیفتد که توان مقاومت در برابر سایش و ضربه را داشته باشد. فولاد آستنیتی منگنزی در سال 1882 توسط رابرت هادفیلد ساخته و معرفی شد. به افتخار او، فولاد هادفیلد نامیده شد. اختراع هادفیلد اولین آلیاژ فولاد بود که تفاوتهای قابل توجهی در خصوصیات نسبت به فولاد کربنی نشان داد.

مقایسه فولاد هادفیلد با فولاد کربنی

بارزترین تفاوتی که بین فولاد کربنی و هادفیلد وجود دارد این است که نوع منگنزی می‌تواند به‌طور قابل توجهی، بیشتر از فولاد کربنی در برابر ضربه مقاومت کند. اگر فولاد کربنی تحت عملیات حرارتی قرار بگیرد، نسبت به مدل منگنزی در برابر سایش مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد. البته که فولاد منگنزی هنگام گرم شدن خیلی چقرمه تر از فولاد کربنی است.

فولاد منگنزی در برابر چه چیزهایی مقاوم است؟

فولاد هادفیلد یک فولاد آلیاژی است. وجود کربن و منگنز در ترکیبات شیمیایی این فولاد باعث شده تا آن در برابر سایش و نیروهای ضربه‌ای مقاومت پیدا کند. دقیقا تفاوت فولاد آلیاژی و غیرآلیاژی در همین است که در فولادهای آلیاژی علاوه‌بر آهن و کربن از عناصر دیگری مثل منگنز استفاده می‌کنند.

نام دیگر فولاد هادفیلد چیست؟

به دلیل وجود تقریبا 12 تا 14 درصد عنصر منگنز در ترکیبات این فولاد، نام دیگر آن فولاد منگنزی است. منگنز، در تعدادی از انواع آلیاژ به ‌عنوان یک عنصر شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربردهای فولاد منگنزی

برخی از کاربردهای این فولاد شامل:

صنعت معدن

به‌لطف چقرمگی و دوام مناسب، این فولاد آلیاژی به گزینه اصلی برای تجهیزات معدنی تبدیل شده است. در معادن سطحی و زیرزمینی، سطل‌ها، دندانه‌ها و آسترهای سنگ شکن از فولاد هادفیلد به دلیل مقاومت بالا در برابر ضربه و سایش از سنگ‌ها و مواد معدنی برتری دارند و این مسئله، به افزایش راندمان تولید و طول عمر تجهیزات منجر می‌شود.

صنعت ساختمان

اجزای سازه‌ای مانند سنگ‌شکن‌ها، چکش‌ها و سطل‌های بیل مکانیکی در صنعت ساختمان اغلب با شرایط شدید و ضربه‌های مکرر مواجه هستند. ترکیب منحصربه‌فرد فولاد هادفیلد از استحکام و چقرمگی، طول عمر و قابلیت اطمینان این تجهیزات را تضمین می‌کند. بهره‌وری را افزایش داده و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد.

سیستم‌های راه‌آهن

به‌دلیل ویژگی‌های مناسب فولاد هادفیلد در برابر سایش و ضربه، این آلیاژ در صنعت راه‌آهن کاربرد گسترده‌ای دارد. پیچ‌های ریلی، گذرگاه‌ها و نقاط سوئیچ ساخته شده از آن، عملکرد قابل اعتمادی را تحت بارهای سنگین فراهم می‌کنند و ایمنی و قابلیت اطمینان شبکه‌های راه‌آهن را افزایش می‌دهند.

بخش انرژی

در نیروگاه‌های آبی، توربین‌های بادی و نیروگاه‌های حرارتی، فولاد هادفیلد برای تولید اجزای مهم مانند یاتاقان‌ها، چرخ‌دنده‌ها و پره‌های توربین استفاده می‌شود. استحکام و مقاومت بالای این فولاد در برابر خستگی، آن را به انتخابی عالی برای محیط‌های سخت تبدیل کرده و تولید انرژی کارآمد و کاهش زمان توقف را تضمین می‌کند.

صنعت خودرو

فولاد هادفیلد در بخش خودروسازی برای ساخت قطعات مقاوم در برابر سایش مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطعاتی مانند میل بادامک، میل‌لنگ و سیستم‌های قطار سوپاپ به مقاومت در برابر سایش نیاز دارند. با استفاده از آن، سازندگان خودرو می‌توانند خرابی‌های مربوط به سایش را کاهش داده و طول عمر اجزای مهم موتور را افزایش دهند.

صنعت هوافضا

صنعت هوافضا به موادی با خواص مکانیکی استثنایی، مقاومت در برابر خوردگی و ضربه و گرما نیاز دارد. فولاد هادفیلد با پردازش مناسب می‌تواند این نیازها را برآورده کند. ازاین‌رو، به گزینه‌ای عالی برای کاربردهای هوافضا از جمله ساخت قطعات موتور جت، اجزای ساختاری و سیستم‌های ذخیره‌سازی سوخت تبدیل شود.

کاربردهای دریایی

در محیط‌های دریایی که خوردگی یک نگرانی مهم است، فولاد هادفیلد به‌دلیل مقاومت ذاتی خود در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی بسیار کاربردی است. این آلیاژ در ساخت پروانه‌های دریایی، تجهیزات حفاری دریایی و کشتی‌های با بار سنگین که مقاومت در برابر آب دریا ضروری است، کاربرد دارد.

کاربردهای پزشکی و زیست‌پزشکی

اخیراً فولاد هادفیلد برای کاربردهای پزشکی و زیست‌پزشکی نیز مورد توجه قرار گرفته است. خواص ضد میکروبی، استحکام مکانیکی و زیست‌سازگاری این فولاد، آن را برای ساخت ایمپلنت‌های ارتوپدی، ابزارهای جراحی و تجهیزات تشخیصی مناسب کرده است، جایی که دوام، ایمنی و مقاومت در برابر کلونیزاسیون میکروبی بسیار مهم است.

مزایا و معایب فولاد منگنزی

از مزایا و معایب این مدل فولاد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

مزایا

1. چقرمگی ضربه بالا
2. مقاومت بالا در برابر سایش
3.  سهولت در جوشکاری
4. استحکام بالا
5. شکل‌پذیری خوب
6.  تطبیق‌پذیری با شرایط

معایب

1. حساسیت به ترک خوردگی
2. مشکل در عملیات حرارتی
3. هزینه نسبتا زیاد

فرآیند تولید فولاد هادفیلد

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

ذوب و آلیاژسازی فولاد

برای ساخت فولاد هادفیلد، مواد اولیه شامل آهن خالص، منگنز و کربن تهیه و به میزان مورد نیاز وزن می‌شوند. سپس این مواد در کوره قوس الکتریکی یا کوره القایی ذوب می‌شوند تا با هم ترکیب شده و آلیاژ مورد نظر را تشکیل دهند. برای اطلاع بیشتر از انواع آلیاژ و ویژگی‌های آنها می‌توانید از کتاب مرجع کلید فولاد استفاده کنید.

ریخته‌گری

با استفاده از روش‌های مختلفی مانند ریخته‌گری شن و ماسه یا ریخته‌گری گریز از مرکز، مواد ذوب شده که به ترکیب و دمای مطلوب رسیده، به شکل مورد نظر درمی‌آیند.

عملیات حرارتی فولاد

پس از عملیات ریخته‌گری، فولاد را تحت یک عملیات حرارتی قرار می‌دهیم تا به خواص مورد نیاز دست پیدا کند. این عملیات حرارتی باعث افزایش سختی و چقرمگی فولاد می‌شود.

آنالیز و ترکیبات شیمیایی فولاد هادفیلد

برای تحلیل این متریال، ابتدا باید ترکیبات شیمیایی آن را بررسی کنیم. در اینجا برخی از مواد کلیدی موجود در این فولاد و تأثیرات آنها را معرفی می‌کنیم:

1.  کربن: این عنصر باعث افزایش استحکام تسلیم و کاهش ازدیاد طول نسبی فولاد می‌شود.
2. منگنز: عنصر اصلی این فولاد که موجب افزایش سختی، چقرمگی و مقاومت در برابر سایش می‌شود.
3.  سیلیسیم: برای اکسیژن‌زدایی و افزایش استحکام تسلیم استفاده می‌شود، هرچند به ندرت.
4.  نیکل: نیکل باعث تثبیت فاز آستنیتی، کاهش خاصیت مغناطیسی و استحکام کششی می‌شود.
5.  وانادیم: این عنصر استحکام تسلیم را افزایش و انعطاف‌پذیری را کاهش می‌دهد.
6.  مس: مس می‌تواند فاز آستنیت را تثبیت کرده و شکنندگی ایجاد کند.
7.  فسفر: فسفر انعطاف‌پذیری را کاهش داده و احتمال ترک خوردن در دماهای بالا را افزایش می‌دهد.

ترکیب اصلی فولاد هادفیلد شامل کربن و منگنز است و دیگر عناصر بر حسب نیاز به آن اضافه می‌شوند.

ویژگی های مهم فولاد منگنزی

فولاد هادفیلد، ویژگی‌هایی دارد که استفاده از آن را محدود می‌کند. از جمله این محدودیت‌ها، قابلیت ماشین‌کاری پایین و استحکام تسلیم کم (31 تا 50) است. بنابراین، این فولاد برای قطعاتی که به دقت ابعادی بالا نیاز دارند، مناسب نیست. اما در عملیات‌هایی مانند چکش‌کاری و نورد سرد موفق عمل می‌کند و شوک‌های انفجاری به افزایش استحکام و سختی سطح آن کمک می‌کند، در حالی که مغز فولاد انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند.

عملیات سختکاری فولاد هادفیلد

با انجام عملیات حرارتی، سختی سطح آن افزایش می‌یابد و مقاومت به سایش آن بیشتر می‌شود. پس از عملیات حرارتی، سختی آن حدود HB 220-170 است. بنابراین، بدون عملیات حرارتی، سختی این فولاد شبیه فولادهای کربن متوسط است. اما در شرایطی که ضربات شدید یا تنش‌های بالا وجود دارد، مانند چکش‌های سنگ‌شکن یا فک‌های سنگ‌شکن، سختی فولاد هادفیلد می‌تواند به حدود HB 550 برسد.

ماشین‌کاری فولاد منگنزی

ماشین‌کاری فولاد هادفیلد به دلیل سختی بالا و مقاومت به سایش آن، چالش‌های خاصی دارد. برای ماشین‌کاری این فولاد استفاده از ابزارهای برش از جنس کاربید تنگستن یا سرامیک توصیه می‌شود. همچنین، استفاده از روانکارهای مناسب برای کاهش اصطکاک و افزایش عمر ابزارهای برش ضروری است. علاوه‌براین، ماشین‌کاری با سرعت‌های پایین‌تر پیشنهاد می‌شود تا از داغ شدن بیش از حد و آسیب به ابزارها جلوگیری شود.

جوشکاری فولاد هادفیلد

جوشکاری فولاد هادفیلد یا فولاد منگنزی به دلیل ساختار آستنیتی و حضور منگنز نیازمند تکنیک‌های خاصی است. به دلیل سختی بالا و خطر ترک‌خوردگی، پیش‌گرمایش و پس‌گرمایش قطعات ضروری است. همچنین، استفاده از الکترودهای ویژه برای جوشکاری این نوع فولاد لازم است. کنترل دقیق حرارت در حین جوشکاری نیز بسیار مهم است تا از تغییر ساختار میکروسکوپی فولاد جلوگیری شود.

برای جوشکاری فولاد منگنزی می‌توان از تکنیک‌های زیر استفاده کرد:

1.  جوشکاری قوس فلزی محافظ (SMAW)
2. جوشکاری قوس تنگستن گازی (GTAW)
3.  جوشکاری با هسته شار  (FCAW)

انواع محصولات فولاد هادفیلد

از گریدهای این خانواده می‌توان فولاد 1.3817 را نام برد.

بررسی وضعیت واردات / تولید/ قیمت فولاد منگنزی در ایران

برای بهره‌مندی از بهترین قیمت و کیفیت در خرید و سفارش تولید قطعات با فولاد منگنزی، مقایسه تامین‌کنندگان و مدل‌های مختلف قطعات ضروری است. تعیین دقیق قیمت فولاد به عواملی مانند نوع قطعه، ابعاد، وزن، فرآیند تولید و مواد افزودنی بستگی دارد.

در کل، این فولاد با ترکیبی از منگنز و کربن، متریالی ارزشمند در مهندسی و صنعت محسوب می‌شود. قابلیت کار سختی، مقاومت بالا در برابر سایش، و حفظ چقرمگی، آن را از فولادهای معمولی متمایز می‌کند. این فولاد در سنگ‌شکن‌ها، راه‌آهن و سایر محیط‌های سخت، نقشی مهمی ایفا می‌کند.

سوالات متداول

1. فولاد هادفیلد در چه سالی و توسط چه کسی اختراع شد؟
   این فولاد در سال 1882 توسط رابرت هادفیلد ساخته و معرفی شد و به افتخار او، هادفیلد نامیده شد.
2. فولاد منگنزی در چه صنایعی کاربرد دارد؟
   این فولاد در صنایعی چون معدن، ساختمان، راه‌آهن، انرژی، خودرو، هوافضا و… کاربرد دارد.
3. چگونه می‌توان کیفیت فولاد هادفیلد را تضمین کرد؟
   همیشه نام میهن فولاد در میان تامین کنندگان فولاد آلیاژی می‌درخشیده است. قطعا برای اطمینان از کیفیت این فولاد می‌توانید از راهنمایی‌های تخصصی کارشناسان فروش ما استفاده کنید و با خیالی آسوده خرید کنید.