معرفی فولادهای مقاوم به سایش

فولاد یکی از پرکاربردترین فلزهای ترکیبی در حال حاضر است. منظور از ترکیبی این است که آهن را با توجه به کاربرد مد نظر و بهبود کیفیت با آلیاژهای متنوع ترکیب می‌کنند که به آن فولاد می ‌گویند.
فولاد ضد سایش به دسته ‌ای از فولادهای آلیاژی گفته می‌ شود که در برابر سایش و سختی مقاومت بالایی دارد. در ادامه به معرفی کامل این فولاد، ویژگی و کاربردهای آن می ‌پردازیم. تا انتهای این مقاله همراه ما باشید.

فولاد مقاوم به سایش چیست؟

فولاد مقاوم به سایش که به آن فولاد آستنیتی منگنزدار نیز گفته می‌ شود؛ دارای 1.2 درصد کربن و 11 درصد منگنز است. در سال 1882 توسط رابرت هادفیلد این نوع فولاد اختراع شد. انجام عملیات گرم از آنجایی که بر روی این فولاد دشوار است؛ معمولاً به شکل محصول نهایی، آن ‌ها ریخته ‌گری می ‌شوند.

فولادهای مقاوم به سایش کدامند؟

این نوع فولاد دارای گریدهای مختلفی است که می ‌توان از جمله به موارد زیر اشاره کرد. گرید A، B1، C، D و E1.

انواع فولادهای مقاوم به سایش

فولادهای مقاوم به سایش از آن جا که سه نوع سایش وجود دارد به این صورت تقسیم بندی می‌ شوند. در این بخش انواع سایش را نام خواهیم برد.

  • سایش کم ناشی از سنگ زنی، کشویی یا خراشیدن
  • سایش زیاد ناشی از ضربه، انفجار، خراشیدن
  • سایش زیاد ناشی از خرد شدن شدید یا فشرده سازی

 

از آنجا که هدف فولادهای ضد سایش، مقاومت در برابر هر نوع خراشیدگی و ساییدگی است به همین علت می‌ بایست دارای دو ویژگی باشد.

  • سختی اولیه بالا
  • توانایی سخت شدن

سختی اولیه بالا به این صورت است که فولاد خود دارای مقاومت اولیه و ابتدایی باشد و در طی فرآیند برای مقاومت بتواند سخت شود و به سختی موردنظر دست یابد.
همانطور که پیش از این گفتیم فولاد توسط آلیاژهایی چون: منگنز، کربن، بور، کروم و … ساخته شده و طی عملیات‌ حرارتی که بواسطۀ هوا، آب و رفع روغن بدست می ‌آید.
فولادهای گرید AR در هوا کوئنچ شده و به دلیل همین ویژگی، مقاومت بالا و ضعف کمی در برابر ترک و پارگی از خود نشان می ‌دهد. اما ویژگی ‌های شیمیایی این فولاد باعث شده تا ماشینکاری و فرم ‌دهیشان بسیار سخت شود.
مقاومت بالای این نوع فولاد در برابر سایش به دلیل قابلیت و سختکاری بالای این نوع فولاد است. این ویژگی در طول تغییر شکل سطح ایجاد شده و هنگامی که در صورت ایجاد و پیدایش اختلال و عیوب زیاد در شبکه‌ های کریستالی آن ایجاد می ‌شود؛ همین امر باعث شده تا جریان نابجایی ‌های آن که بسیار مؤثر نیز هست؛ مسدود شود.
همچنین اینگونه می ‌توانیم بگوییم هرچه فولاد ضربه بیشتری بپذیرد، تغییر شکل بیشتری خواهد داشت و همین امر سبب قوی ‌تر شدن آن می‌ شود.
جالب است بدانید برای ایجاد مقاومت بالا در سیم پیانو از عملیات شکل‌ دهی سرد استفاده می ‌کنند. برای مثال، سیم پیانو که از فولاد کربن 0.8 درصد ساخته شده می‌ تواند به قدرت 275 کیلوگرم به ازای هر میلی ‌متر مربع برسد.

ویژگی فولادهای مقاوم به سایش

این نوع فولاد دارای ویژگی‌ های منحصر بفردی است که آن را از سایر فولادها جدا و متمایز می‌ کند. در این بخش به توضیح کامل پیرامون این نوع فولاد خواهیم پرداخت.
کربن را به این فولاد از این جهت اضافه می ‌کنند که باعث حفظ ریز ساختار آستنیتی در دمای اتاق بشود. تمامی گریدهای این نوع فولاد باید به مدت 1 الی 2 ساعت در دمای 1010 تا 1090 درجه سانتی ‌گراد (به ازای هر اینچ ضخامت) تحت عملیات حرارتی آنیل محلولی قرار بگیرند و بلافاصله در آب کوئنچ شوند.

میزان سختی فولادهای مقاوم در برابر سایش

میزان سختی فولادهای مقاوم به سایشی که تحت عملیات حرارت آنیل محلولی و کوئنج، در آب قرار می ‌گیرند حدود 220 HB است.
سختی کرنشی این فولاد حدود  HB۵۰۰ است. برای آن که بتوان به این سختی دست یافت می ‌بایست بارگذاری ضربه‌ ای بالایی انجام شود.

سخت شدن فولادهای مقاوم به سایش طی چند مکانیزم صورت می‌گیرد که از جمله آن می ‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

  • تشکیل دوقلویی
  • نقص انباشتگی
  • کرنش دینامیکی

میزان سختی فولادهای مقاوم به سایش به دو شرط اصلی بستگی دارد. که در ادامه به طور کامل به آن خواهیم پرداخت.
اولین عاملی که به میزان سختی این فولاد بستگی دارد، سرعت و شدت ضربات وارد شده بر آن است. این عامل تنها به شرایط و ویژگی فولاد بستگی داشته و نه خاصیت آن. هر چه ضربات بیشتر و با نیرویی بالاتر و پر قدرت ‌تر باشد، سختی آن افزایش یافته و باعث حداکثر سختی آن می‌ شود.
دومین مورد میزان کربن موجود در فولاد است. هر چه سطح کربن موجود در این فولاد بیشتر باشد، فولاد زودتر و با سرعت بیشتری سخت و محکم می‌ شود.
جالب است که بدانید این نوع فولاد را می ‌توان به کمک مواد منفجره، پیش سخت کرد در واقع سختی آن را افزایش داد تا ثبات ابعادی و یا عمر سایش در آن افزایش یابد.
طی این فرآیند فولادها با ورق‌ هایی که از جنس مواد منفجره هستند پوشش داده شده و فشار حاصل ایجاد شده از این مواد، سبب می‌ شود تا سطح فولاد سخت شود.
در برخی موارد برای اینکه این میزان سختی به اعماق ماده و فولاد رسوخ کند دو یا سه بار تکرار می ‌شود. برای مثال ریل‌ های راه آهن یا قطارهای شهری با استفاده از این ورق ‌ها محکم و کارآمد می ‌شوند.

عملیات حرارتی فولادهای مقاوم به سایش

فولادها یی که عملیات حرارتی بر روی آن ‌ها انجام شده؛ دارای ریز ساختار آستنیتی دانه ریز کاملاً همگنی هستند.
فولادهای مقاوم به سایش دارای چرخه ی عملیات حرارتی رایجی است که شامل فرآیند آنیل محلولی و به دنبال آن فرآیند کوئنچ در آب است. دمای ماندگاری این فولادها به ترکیب شیمیایی نهایی آلیاژ موجود در آن وابسته است که باید به اندازه کافی بالا باشد تا انحلال کاربیدهای موجود در فولاد تسهیل شود.
برای همگن سازی این فولادها، معمولاً از دمای نزدیک به ۲۰۰۰ درجه فارنهایت استفاده می‌ شود.
فولادهای مقاوم به سایش باید بلافاصله پس از خارج شدن از کوره، کوئنچ (سرد کردن سریع قطعه فولادی در آب یا روغن) شوند. سرعت کوئنچ باید به اندازه کافی بالا باشد تا از تشکیل کاربیدها جلوگیری شود. شکل ریز ساختار استیل مقاوم به سایش، نشان از کوئنچ شدن آن دارد.
حتی اگر فرآیند کوئنچ ناقص انجام شود می ‌تواند چقرمگی فولاد را به طرز چشمگیری کاهش دهد.
نکتۀ قابل توجه در فولادهای مقاوم به سایش که عملیات حرارتی بر روی آن ‌ها انجام شده این است که، این فولادها نباید تا دمای بیشتر از ۵۰۰ درجه فارنهایت حرارت ببینند. زیرا دما در این سطح یا بالاتر از آن باعث تشکیل رسوبات کاربیدی شده و می‌تواند چقرمگی را به طرز چشمگیری کاهش دهد. این امر به دما و زمان بستگی دارد و می ‌توان گفت زمان‌ طولانی‌ و دمای بالا، هر دو باعث کاهش چقرمگی می ‌شود.

روش جوشکاری فولادهای آستنیتی منگنزدار

روش جوشکاری فولادهای آستنیتی منگنزدار مشابه عملیات کار گرم این فولاد است و نباید در دمای بالاتر از۵۰۰ درجه فارنهایت انجام شود؛ دمای جوشکاری این فولاد نیز بدلیل جلوگیری از تردی و شکنندگی، نباید بیشتر از این مقدار باشد.
بر روی فولادهای مقاوم به سایش بعد از عملیات جوشکاری، هیچ فرآیند تنش ‌زدایی نباید انجام شود. به همین منظور برای تنظیم تنش ‌های فشاری در قطعه جوشکاری، تقه‌کاری سنگین توصیه می‌شود. پیش از جوشکاری، می‌بایست سطح آن آماده شود. این آماده سازی شامل دی کربوراسیون سطح است که باید قبل از جوشکاری انجام شود.
قطعات استیل مقاوم به سایش، دارای یک لایه سخت هستند که برای تسهیل جوشکاری باید حذف شوند.
در فولادهای مقاوم به سایش از یک نوع فولاد زنگ نزن که در جوشکاری رایج است برای اتصالات این فولاد استفاده می ‌شود. این ماده به خوبی به بسیاری از فلزات اساسی مختلف از جمله فولادهای هادفیلد می‌چسبد. علاوه بر این، برای ترمیم قطعات جوشکاری و ریخته‌ گری از مواد پرکننده که از جنس آلیاژهای ضد سایش هستند استفاده می‌ شود. همچنین میزان کربن در این فولادها باید کنترل شود تا از ایجاد ترک در حین جوشکاری جلوگیری شود.

ماشینکاری فولادهای مقاوم به سایش

ماشینکاری فولادهای مقاوم به سایش به دلیل ویژگی ‌های منحصر بفردی که دارا است یعنی مقاومت بالا در برابر ساییدگی، بسیار دشوار است. در ابتدا گمان می‌ شد به علت مقاومت بالای آن، ماشینکاری بر رویش ممکن نیست اما امروزه با توسعه ابزارهای برش مدرن می‌توان فولادهای مقاوم در برابر سایش را ماشینکاری کرد.
ماشینکاری این نوع فولاد مانند سایر فولادها نیست و به طور معمول برای انجام این فرآیند به ابزاری نیاز است که با زاویه تراش منفی ساخته شوند. و همچنین، سطوح ماشینکاری شده با سطح کم و عمق بالا بهترین نتیجه را در برشکاری ارائه می ‌دهند.

کاربرد فولادهای مقاوم به سایش چیست؟

از آنجایی که آلیاژهای ضد سایش در طی استفاده سخت می‌ شوند، در کاربردهایی مانند خاکبرداری (چنگک‌های خاک بردار)، استخراج معادن (خرد کننده ‌های سنگ) و خطوط راه آهن مورد استفاده قرار می ‌گیرند. علاوه بر این، فولادهای هادفیلد در سنگ شکن ‌های دوار، قالب‌ های سنگ شکن آن فکی و سنگ شکن‌ های مخروطی است.

برخی از مهم‌ترین کاربردهای فولادهای ضدسایش

 

  •  دستگاه‌ های بارگیری
  • بیل ‌های چرخ ‌لودرها
  • بدنه واگن ‌های برقی
  • نوار نقاله ‌ها
  •  اجزای بیل مکانیکی
  •  ماشین ‌های جاده
  •  سنگ شکن ‌ها

فولادهای مقاوم به سایش همانطور که طی این مقاله از آن ‌ها صحبت کردیم. تشکیل شده از آهن به علاوه ی منگنز و کربن است. به همین دلیل و همچنین روند ماشینکاری سبب می ‌شود تا این محصول به کیفیت مد نظر برسد. از آنجا که کاربرد و ویژگی ‌ها همچنین فرآیند حرارت دهی و ماشینکاری بر روی این فولاد بسیار مهم است؛ سعی شد تا در این مقاله به طور کامل دربارۀ آن صحبت کنیم.