مونل (Monel)
گروهی از آلیاژهای نیکل که از دو فلز نیکل و مس تشکیل شدهاند. همچنین مقادیر کمی از آهن، منگنز، کربن و سیلیسیم نیز در آنها یافت میشود.این آلیاژها از نیکل خالص سختترند و در برابر خوردگی توسط بسیاری عوامل از جمله جریان سریع آب دریا مقاومت نشان میدهند. مونلها را میتوان به راحتی به کمککار سرد، کار گرم، ماشین کاری و جوشکاری به شکل مورد نظر درآورد. مونل اولین بار در سال ۱۹۰۱ توسط رابرت کروکس استنلی؛ که در کارخانه بینالمللی نیکل (INCO) کار میکرد، ایجاد شدهاست. آلیاژ مونل یک آلیاژ دو جزئی نیکل و مس است که بهطور طبیعی در سنگ معدن نیکل در معادن سودبری ( اونتاریو، کانادا ) یافت میشود. این معادن ۱٫۸۴۹ میلیارد سال پیش در اثر برخورد یک شهاب سنگ به قطر ۱۰–۱۵ کیلومتر ایجاد شدهاند. مونل در سال ۱۹۰۶ ثبت اختراع شد؛ نام این آلیاژ از نام خانوادگی رئیس شرکت امبروز مونل (Ambrose Monell) گرفته شدهاست. در آن دوره زمانی استفاده از نام خانوادگی اشخاص جهت نامگذاری علامت تجاری مجاز نبوده به همین جهت یکی از دو L از انتهای نام خانوادگی حذف شدهاست. این نام هماکنون متعلق به شرکت Special Metals است. این محصول به خودی خود در زمره آلیاژهای گرانقیمت قرار میگیرد و قیمت آن در برابر قیمت ورق استنلس استیل۳۰۴،۳۱۶و ۳۲۱ بسیار بیشتر است؛ به همین دلیل اگر نتوانیم از آلیاژهای کربنی با حدود یک سوم قیمت آنها استفاده کنیم ، به ناچار مونل یکی از مترالهاییست که در نهایت دست به دامن آن خواهیم شد. استفاده از آن تنها محدود به مواردی است که امکان به کارگیری جایگزینهای ارزانتر وجود نداشته باشد، به عنوان مثال استفاده از مونل به جای فولاد کربنی برای لوله کشی هزینهای سه برابری در پی خواهد داشت.
مونل یک محلول جامد دو جزئی است. با توجه به اینکه نیکل و مس با هر نسبتی در یکدیگر حل میشوند مونل یک آلیاژ تک فاز است. در مقایسه با فولاد، ماشین کاری مونل بسیار دشوار است، زیرا در اثر کار سختی بسیار سریع سخت میشود به همین علت ماشین کاری باید با سرعت چرخش و نرخ فید کمتری انجام شود. این آلیاژ در برابر خوردگی و اسیدها مقاوم است و برخی آلیاژهای آن میتوانند در برابر آتش اکسیژن خالص مقاومت کنند. عموماً از این آلیاژ در شرایط به شدت خورنده استفاده میشود. این آلیاژ در فرم جامد غیر سمی است. با این حال، جوشکاری، سنگ زنی یا ذوب شدن ممکن است باعث ایجاد جوشهای خطرناک یا گرد و غبار شود که میبایست از تماس یا استنشاق آن اجتناب کرد. برخی از مونل ها مغناطیسی هستند در حالی که برخی دیگر غیر مغناطیسی میباشند. آلیاژهایی که مجموع نیکل و مس موجود در واحد جرمشان از ۶۰ درصد بیشتر باشد کوپرنیکل خوانده میشوند. مونل از نیکل خالص قویتر بوده و در برابر عوامل متعددی نظیر جریان آب دریا که خاصیت خورندگی دارند، بیشتر عمر میکند. هدایت الکتریکی تقریباً ۳۴٪ IACS و سختی ۶۵ راکول اشاره کرد. برخلاف بسیاری از فلزات دیگری که در دمای پایین یخ زده و مقاومت خود را از دست میدهند ، خواص مکانیکی این محصول در دمای زیر صفر نیز خوب باقی مانده و حتی در برخورد با هیدروژن مایع نیز از یک حالت شکل پذیر و شکننده تعدی نمی کنند. در حالی که مونل یکی از محبوبترین فلزات در بازار طی دهه ۱۹۲۰ – ۱۹۴۰ بودهاست و برای تولید کالاهای خانگی مانند سینک ظرفشویی، رویه کابینت و غیره، تا حد زیادی استفاده میشد. از دهه ۱۹۵۰ با فولاد ضد زنگ به دلیل کم هزینه تر بودن فولاد جایگزین شد.
موارد کاربرد
حوزه هوافضا
در دهه ۱۹۶۰ آلیاژ مونل کاربرد عمدهای در ساخت هوایپما پیدا کرد، این آلیاژ به علت حفظ استحکام در برابر گرمای زیاد تولید شده توسط اصطکاک آیرودینامیکی در هنگام پرواز با سرعت بسیار بالا بهطور ویژه در ساخت قاب و پوسته هواپیماهای موشکی آزمایشی مورد استفاده قرار میگرفت. البته استفاده از مونل برای حفظ شکل آیرودینامیکی منجر به افزایش وزن این هواپیماها شده بود. در تعمیر و نگهداری هواپیماها نیز از مونل برای سیمکشی ایمنی چفت و بستهایی که در معرض حرارت بالایی قرار دارند استفاده میشود، به جهت کاهش هزینهها از سیمهای فولاد ضدزنگ در نواحی با حرارت کمتر استفاده میشود.
حوزه تولید و تصفیه انواع روغن
از مونل در بخشهای آلکیلاسیون که در تماس مستقیم با اسید هیدروفلوریک هستند استفاده میشود. مقاومت مونل در برابر غلظتهای متفاوت هیدروفلوریک اسید در دماهای متفاوت فوقالعاده است و شاید بتوان گفت مونل مقاومترین آلیاژ در میان آلیاژهای مهندسی است. همچنین این آلیاژ در برابر کاهش به وسیله انواع مختلف اسیدهای سولفوریک و هیدروکلریک مقاومت میکند.
حوزه دریا و زیر آب
مقاومت مونل در برابر خوردگی آن را به گزینهای ایدهآل برای کاربردهایی مانند سیستم لوله کشی، شفت، دریچههای آب دریا، سیمهای ماهیگیری و سبدهای صافی تبدیل کردهاست. از برخی آلیاژهای مونل که کاملاً غیر مغناطیسی هستند برای ساخت کابل لنگر مین روب ها و محفظه نگهداری تجهیزات اندازهگیری میدان مغناطیسی استفاده میشود. در قایقرانی تفریحی از سیم مونل برای گرفتن قیدهای طناب لنگر استفاده میشود. از مونل در کاربردهای زیر دریا و همچنین برای ساخت مخازن آب و سوخت استفاده میشود. از این آلیاژ برای ساخت شفت ملخها و مهره ها نیز استفاده میشود. در قایقهای معروف هابیکت از پیچ مونل به جای پرچ های فولاد ضد زنگ استفاده میشود تا از مشکلات خوردگی ناشی از مجاورت آب شور، فولاد و آلومینیوم به کار رفته در دکل، بوم و قاب قایق جلوگیری شود. به دلیل مشکلات الکترولیتی در آب شور در صورت استفاده از مونل در بدنه کشتی باید فلزات دیگر به خصوص فولاد را در برابر آن به دقت عایق بندی کرد؛ نیویورک تایمز در ۱۲ اوت ۱۹۱۵ مقالهای درباره یک کشتی بادبانی ۲۱۵ فوتی با عنوان «اولین کشتی با بدنهای کاملاً از جنس مونل» منتشر کرد که به دلیل تجزیه کف کشتی و خراب شدن اسکلت فولادی کشتی در اثر فعل و انفعالات الکتریکی با مونل فقط در عرض شش هفته قطعه قطعه شد و صاحبان آن مجبور به اسقاط کشتی شدند. در برنامههای تحقیقاتی انجام گرفته روی پرندگان دریایی از حلقه یا پلاکهایی از جنس مونل برای نشانهگذاری پرندگانی مانند آلباتروس که در محیط خورنده آب دریا زندگی میکنند استفاده میشود.
ساخت تجهیزات موسیقی
از مونل به عنوان ماده سازنده پیستون سوپاپ یا روتور در برخی آلات موسیقی با کیفیت مانند، توبا و کر استفاده میشود. در سال ۱۹۶۲ شرکت روتوساند (Rotosound) از مونل برای ساخت تارهای گیتار بیس الکتریکی استفاده کرد و این گیتارها توسط هنرمندان متعددی مانند استیو هریس (Steve Harris)، آیرن میدن (Iron Maiden)، دهو (The Who)، استینگ ( Sting)، جان دیکن (John Deacon)، جان پاول جونز (John Paul Jones) و کریس اسکوایر (Chris Squire) به کار گرفته شدهاست. مونل از اویل دهه ۱۹۳۰ توسط دیگر سازندگان تارهای موسیقی نیز مورد استفاده قرار میگرفت. به عنوان مثال شرکت گیتار گیبسون (Gibson Guitar Corporation) که ساز ماندولین (Mandolin) خود را با امضای سام بوش به فروش میرساند یا به عنوان نمونهای دیگر شرکت سی.اف. مارتین (C.F. Martin) که از مونل در ساخت رشتههای گیتار آگوستیک مارتین رترو (Martin Retro) استفاده کردهاست، شرکت پیرامید (Pyramid) نیز تارهایی با نام «مونل کلاسیک» برای گیتارهای الکتریکی تولید میکند که روی یک هسته گرد پیچیده میشوند. در سال ۲۰۱۷ شرکت D’Addario از ویولنی رونمایی کرد که از سیمپیچهای مونل برای ساخت تارهای D و G آن استفاده شده بود.
کاربردهای دیگر
از مونل برای ساخت بیشتر قطعات داخلی کلیسای جامع Bryn Athyn واقع در ایالت پنسیلوانیا استفاده شدهاست، این قطعات شامل صفحات بزرگ تزئینی، دستگیرههای در و غیره است. همچنین از این آلیاژ برای ساخت سقف ایستگاه پنسیلوانیا (یک ایستگاه قطار در نیویورک) استفاده شدهاست. خودروی آکورا ان اس ایکس ۱۹۹۱–۱۹۹۶ با کلیدی از جنس مونل به مشتریان عرضه شد. در میدانهای نفتی از تجهیزاتی مانند مغناطیس سنج و قطب نما برای جهتیابی استفاده میشود، برای جلوگیری از ایجاد خطا در نتایج این تجهیزات توسط ابزارهای حفاری آنها را در یقههای غیر مغناطیسی قرار میدهند که امروزه به نام «یقه مونل» شناخته میشود چرا که مونل اولین مادهای بود که به این منظور مورد استفاده قرار گرفت. مونل توسط شرکت .Arrow Fastener Co برای منگنه های T50 ضدزنگ استفاده میشود. از مونل در یخچال های کلویناتور (Kelvinator) نیز استفاده شدهاست. مونل در دهه ۱۹۳۰ در دستگاهی به نام Baby Alice Thumb Guard که برای جلوگیری از مکیدن انگشت شست اختراع شده بود مورد استفاده قرار گرفتهاست.
معرفی آلیاژهای مونل و مشخصات
خواص فیزیکی
استانداردهای آلیاژ
monel 500
monel 400
روش تولید
آلیاژ Monel 400 از اغلب فولادها نرم تر بوده و به راحتی می تواند به هر شکلی در بیاید. انتخاب محدوده دمایی مناسب جهت تغییرشکل و نورد بسیار مهم است. محدوده دمایی گزارش شده برای تغییرشکل گرم آلیاژ مونل ۸۰۰ تا C° ۱۲۰۰ گزارش شده است از این حیث محدوده دمایی کار گرم برای آلیاژ Monel وسیعتر از دیگر سوپرآلیاژها است. در کاهش ضخامت های زیاد حین فرآیند نورد گرم بهتر است فرآیند مذکور در محدوده دمایی ۹۲۶ تا C° ۱۱۷۶ انجام شود. همچنین گزارش شده است که نگهداری طولانی مدت در دمای نورد مضر است. این محصولات با روشهای سردکاری، گرمکاری، ماشینکاری و جوشکاری ساخته میشوند.
خواص کششی
خواص کششی آلیاژ Monel 400 در جدول ارائه شده است. آلیاژ Monel 400 میتواند استحکام مناسبی را در دماهای زیر صفر درجه از خود نشان دهد که جلوتر به مقادیر آن اشاره خواهد شد. این نتایج پس از عملیات آنیل انحلالی در محدوده دمایی مشخص از آلیاژ گرفته شده است. آلیاژ Monel 500 قابلیت این را دارد که با عملیات رسوب سختی افزایش استحکام دهد. عملیات رسوب سختی در محدوده دمایی مشخص و زمان معین انجام می شود. بنابراین نتایج تست کشش برای آلیاژ Monel 500 پس از عملیات رسوب سختی گزارش شده است. همانطور که ملاحظه میشود آلیاژ Monel 500 استحکام بیشتری نسبت به Monel 400 دارد.
برعکس بیشتر آلیاژهای آهنی که در دماهای پایین ترد می شوند، آلیاژهای مونل حتی در دماهای پایین (در محیط های هیدروژن مایع) نیز دچار ترد شکنندگی نمی شوند. جدول زیر نیز نتایج خواص کششی آلیاژ Monel 400 را در دماهای پایین نشان می دهد.
ریخته گری
آلیاژ های ریخته گری نیکل – مس
مطابق استاندارد A494 آلیاژهای این گروه M-35-1 ، M-35-2 ، M-30H ، M25S و M-30C میباشند. آلیاژهایی که سیلیسیم کمتر از ۲% معمولاً همراه با آلیاژهای نیکل – مس و مس – نیکل کار شده در پمپها، والوها و اتصالات ریختگی جهت مقاومت به خوردگی به کار میروند. آلیاژ M35-1 معادل متریال کار شده مونل ۴۰۰ (UNS N04400) پرکاربرد ترین آلیاژ این گروه می باشد.
مطابق استاندارد ASTM A494 آلیاژ M35-1 بدون عملیات حرارتی و با ساختار ریختگی قابل استفاده می باشد. عملیات حرارتی یکنواخت سازی برای قطعات با مقاطع ضخیم و مقدار آهن نزدیک به حد بالای ترکیب شیمیایی می تواند باعث افزایش مقاومت به خوردگی گردد. عملیات حرارتی هموژن سازی معمولا در دمای ۸۲۰ تا ۹۳۰ درجه سانتی گراد انجام می گردد.
مونل ۴۰۰ در محیط های احیایی مقاومت به خوردگی عالی دارد ولی به علت عدم وجود کرم در اسید نیتریک و در حضور یون های فریک، کوپریک و حتی اکسیژن در اسید کلریدریک سرعت خوردگی افزایش می یابد.
در ریخته گری مونل با توجه به تاثیر شدید گوگرد در مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی این آلیاژ، آشنایی با تکنیک های تصفیه مذاب و حذف گوگرد اهمیت زیادی دارد. همچنین با توجه به جذب گازهای هیدروژن و نیتروژن گاز زدایی مناسب در تولید قطعات سالم حایز اهمیت می باشد.
جوشکاری
ماشین کاری
ماشین کاری به طورکلی آلیاژهای نیکل سختی بالایی دارند یا به عبارتی ماشین کاری آنها به راحتی انجام نمی شود. ضریب هدایت حرارتی اندک نیز دلیلی بر آن است که ماشین کاری آلیاژهای نیکلی به راحتی انجام نشود. در این بخش مقایسه ای بین قابلیت ماشین کاری آلیاژ Inconel 625، Inconel 718 و Monel 400 انجام می شود که قابلیت ماشین کاری آنها بهتر درک شود. ملاحظه می شود که تحت شرایط یکسان برش (سرعت ابزار برش، خوراک برداری و عمق برش)، آلیاژ Monel 400 در دماهای مختلف عملکرد بهتری نسبت به دیگر آلیاژهای نیکلی نظیر Inconel 625 و Inconel 718 دارد. علت آن هم وجود عناصر آلیاژی کمتر مانند کروم، تنگستن، مولیبدن و… در آلیاژ Monel 400 نسبت به دیگر آلیاژها است.