فناوری نانو بهکارگیری علوم مختلف با دیدگاه متفاوت است. دیدگاهی که در آن حتی به اتمها، ملکول ها و رفتار آنها در این ابعاد توجه ویژهای میشود. با این دیدگاه جدید علوم مختلف متحول شدهاند تا جایی که فناوری نانو را انقلاب صنعتی آینده خواندهاند. در این دیدگاه رفتارهایی کاملاً جدید از مواد دیده میشود که حتی گاهی در هیچ مادهای دیده نشده بود. ابعادی از ماده که در این دیدگاه مورد بررسی قرار میگیرد، یک میلیاردم متر است وکار کردن در این ابعاد چندان آسان نیست؛ اما امروزه ممکن شده است و محصولات بر پایه فناوری نانو نیز وارد بازار شدهاند.
شکل1: دستکاری در چیدمان اتمی مواد، یکی از راههای ایجاد خواص جدید و یا بهبود خواص مواد است.
- فناوری نانو و فولادهای نانوساختار
هر جا که نیاز به استحکام بالا بهخصوص در دمای بالا وجود داشته باشد، فولاد یکی از موادی است که خود را جز اولین گزینهها قرار میدهد. با رشد صنایع مختلف نیاز به فولادهایی که دارای ترکیبی از خواص متفاوت فولادها را دارند، احساس میشود. جهت تامین این نیاز ها، روشهای زیادی تاکنون ابداع شدهاند و فناوری نانو یکی از این روشهاست.
شکل2: پل کابلی سری واواسان[1] واقع در پایتخت کشور مالزی[1].
تحقیقات نشان داده است اضافه کردن نانو ذرات مس میتواند ناپایداریهای سطحی فولاد را کاهش دهد و باعث کاهش مراکز تمرکز تنش و نتیجتاً شکست در اثر خستگی شود. این امر باعث افزایش ضریب ایمنی فولاد شده و در کاربردهایی که احتیاج به ایمنی بالایی است گزینه اصلی باشد. همچنین اصلاح فازی فولاد در ابعاد نانومتری کابلهای مستحکمتری ایجاد میکند. کابلهای فولادی فوق مستحکم میتواند، در ساخت پلهای کابلی باعث کاهش هزینه و زمان ساخت شود و این امر در ساخت پلهای کابلی معلق که کابلها از یکسو بهسوی دیگر کشیده شدهاند، واضحتر است. نانو ذرات، اثر تردشدگی فولاد را کاهش داده و باعث تقویت ریزساختار از طریق اصلاح فازی میشوند. اضافه کردن نانو ذرات منگنز و کلسیم، دانههای درون منطقه HAZ[2] را ریزتر کرده و باعث افزایش چقرمگی جوش میشود. دو نوع محصول نسبتاً جدیدی که امروزه تولید میشود فولاد ساندویک نانوفلکس[3] (تولیدی شرکت فناوری مواد ساندویک[4]) و فولاد MMFX2 (تولیدی شرکت فولاد MMFX[5]) است. هر دو این فولادها مقاومت زیادی در برابر خوردگی دارند؛ اما خواص مکانیکی آنها متفاوت است. فولاد MMFX2 با داشتن نانوساختار اصلاحشده، مقاومت به خوردگی در حد فولاد زنگ نزن و هزینه تولید کمتری دارد و فولاد ساندویک نانوفلکس که در ادامه مورد بحث قرار خواهد گرفت، هم مقاومت به خوردگی بسیار بالا و هم استحکام بسیار بالایی دارد.
- فولاد نانوساختار ساندویک نانوفلکس Sandvik Nanoflex
فولاد ساندویک نانوفلکس در شرکت ساندویک اختراع شد. متخصصان شرکت ساندیوک سوئیس با همکاری متخصصان شرکت ساخت ریش تراش فیلیپس[6] نوعی فولاد بی نظیر را ساختند و نام آن را به لحاظ نانوساختار بودن آن ساندویک نانوفلس(Sandvik Nanoflex) قرار دادند. امروزه شرکت ساندویک پیشرو در استفاده تجاری از مواد شبه کریستال است و دارای ثبت پتنت بینالمللی در فولادی است که در آن از شبه کریستال ها استفاده شده است[4].
شکل3: اتمها در فولاد ساندویک نانوفلکس شبه کریستال نظم یافتهاند؛ اما نظم آنها دورهای نیست.
- ترکیب شیمیایی فولاد نانوساختار Sandvik Nanoflex
ترکیب شیمیایی این فولاد زنگ نزن شامل مقدار نسبتاً زیادی از کروم، نیکل و مولیبدن است ( جدول 1).
جدول 1: ترکیب شیمیایی فولاد نانوساختار Sandvik Nanoflex [4]
| عنصر | Cr | Ni | Mo | Cu | Ti | Al | Mn | Si | C+N | S |
| Wt% | 12.0 | 9.0 | 4.0 | 2.0 | 0.9 | 0.4 | 0.5 | <0.5 | <0.05 | <0.005 |
این فولاد شامل دو فاز آستنیت و مارتنزیت است. فاز آستنیت به فولاد خاصیت انعطافپذیری و قابلیت تغییر شکل بسیار زیادی میدهد و در دماهای پایین تشکیل فاز مارتنزیت باعث افزایش استحکام تسلیم و سختی فولاد میشود.
- خواص ویژه فولاد نانوساختار Sandvik Nanoflex
فولاد شبه کریستال ساندویک نانوفلکس[7] مادهای از فولاد زنگ نزن با استحکام بسیار بالاست که با خواص خوردگی بسیار خوب ترکیب شده است. تنها با عملیات حرارتی سادهای پس از کار سرد میتوان استحکام کششی بهشدت بالایی را همراه با چقرمگی بسیار عالی به دست آورد زیرا این عملیات حرارتی در دماهای پایین انجام میشود و ابعاد مختلف آن با ظرافت خاصی طراحی شده است. ساخت این فولاد بسیار ساده است و بهمحض آماده شدن، قابلیت تغییر شکل بسیار بالایی از خود نشان میدهد.
- استحکام فولاد ساندویک نانوفلکس
عملیات پیرسختی این فولاد در دمای 475 درجه سانتیگراد باعث تشکیل رسوبات شبه کریستال شده که میتواند استحکام این فولاد را تا MPa3000 افزایش دهد[6]. جدول زیر استحکام این ماده را در دمای اتاق نشان میدهد.
جدول2: مقادیر اسمی استحکام فولاد ساندویک نانوفلکس در دمای 20 درجه سانتی گراد[4]
| شرایط استحکام تسلیم استحکام کششی | ||||
| MPa ksi MPa ksi | ||||
| آنیل شده | 350 | 51 | 750 | 109 |
| کارسرد شده | 1800-600 | 261-87 | 1850-950 | 267-138 |
| کارسرد شده+ پیرسازی شده | 2500-1200 | 363-174 | 2600-1400 | 377-203 |
این فولاد حتی در دماهای بالا نیز استحکام بالای خود را حفظ میکند. جدول زیر استحکام فولاد نانوفلکس در دماهای بالا را نشان میدهد. دادههای جدول زیر برای مادهای است که تا MPa1650 کار سرد شده و سپس در دمای 475 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت تحت عملیات پیرسازی قرارگرفته است[4].
جدول3: استحکام فولاد ساندویک نانوفلکس در دماهای بالا[4]
| استحکام کششی دما استحکام کششی دما | |||
| 0C MPa 0F ksi | |||
| 356 | 68 | 2450 | 20 |
| 348 | 200 | 2400 | 100 |
| 319 | 400 | 2200 | 200 |
| 308 | 600 | 2125 | 300 |
| 287 | 700 | 1975 | 400 |
- خواص خوردگی در فولاد ساندویک نانوفلکس
خوردگی فلزات نهتنها خطرناک است بلکه بسیار هزینهبر است و سالانه میلیاردها دلار صرف تعویض و تعمیر قطعات خورده شده میشود. در مراکز صنعتی علاوه بر هزینه تعویض قطعات، خاموش شدن خارج از برنامه کارخانه جهت تعویض قطعات و آلودگی محصولات و محیطزیست جز سایر مشکلات است.
شکل4: خوردگی به معنای از بین رفتن ماده در محیط خورنده است و شامل خوردگی تر و خوردگی دمابالا میباشد.
طبق گزارشهای منتشر شده توسط شرکت ساندویک، مقاومت به خوردگی در فولاد ساندویک نانوفلکس از فولاد ASTM 304L بیشتر است و از فولادهای کروم مارتنزیت تمپر شده و سخت شده مقاومت به خوردگی بیشتری دارد[4].
- جوشکاری فولاد ساندویک نانوفلکس
قابلیت جوشکاری در فولاد ساندویک نانوفلکس بسیار خوب است و روشهای مناسب برای آن شامل جوش [8]TIG، [9]MIG،[10] MMA و جوش لیزر است. این فولاد را میتوان بدون فلز پرکننده[11] در جوش تیگ یا لیزر جوشکاری کرد؛ اما استفاده از فلز پرکننده اختیاری است. پرکنندههای مناسب برای جوشکاری فولاد ساندویک نانوفلکس در سایت این شرکت معرفی شدهاند[4]. البته جوش فولاد ساندویک نانوفلکس برای قسمتهای فعال سازه که میزان تنش بالایی را تحمل میکنند، مناسب نیست.
- شکلپذیری
فولاد ساندویک نانوفلکس برای شکلدهی در مناطق حساس مناسب است و استحکام کششی بعد از شکلدهی همچنان بالا باقی میماند. در شکل 8 قابلیت خمش برای مواد مختلف ساخت شرکت ساندویک نشان دادهشده است.
شکل8: شعاع خمش کمتر در فولاد ساندویک نانوفلکس نشان دهنده قابلیت شکل پذیری بالاتر آن نسبت به سایر فولادهای مطرح ساخت شرکت ساندویک است(هرچه شعاع خمش کمتر باشد قابلیت شکلپذیری آن ماده بیشتر است)[4]. قسمت پررنگ در طول نورد و قسمت کمرنگ در عرض نورد است.
شرکت ساندویک سوئیس این فولاد را به دو صورت نوار و سیم گرد، مسطح و شکلدهی شده(پروفیل) به فروش میرساند.
شکل9: انواع محصولات فولاد ساندویک نانوفلکس در شرکت ساندویک: نوار[12] تحت استاندارد ASTM A693 و UNS S46910.
شکل10: انواع محصولات فولاد ساندویک نانوفلکس در شرکت ساندویک: سیم گرد[13] با استاندارد UNS S46910.
شکل11: انواع محصولات فولاد ساندویک نانوفلکس در شرکت ساندویک: سیم صاف[14].
شکل 12: انواع محصولات فولاد ساندویک نانوفلکس در شرکت ساندویک: سیم شکل دادهشده (پروفیل)[15].
پروفیلهای تولیدی شرکت ساندویک قادر به تولید 1300 نمونه پروفیل میباشند که در شکل زیر نمونهای از این پروفیلها نشان دادهشدهاند.
شکل13: نمونهای از انواع سطح مقطع پروفیلهای تولیدی شرکت ساندویک[4].
- کاربردهای فولاد نانوساختار ساندویک نانوفلکس
در شرایطی که نیاز به خواص خوردگی خوب به همراه استحکام بالا و قابلیت انعطافپذیری و شکلپذیری خوب باشد، فولاد ساندویک نانوفلکس گزینه مناسبی است. این فولاد در طراحیهای پیچیده همچون ابزار پزشکی بهویژه سوزن جراحی[16] جهت جراحیهای چشم و قلب مناسب است، زیرا این سوزن ها میبایست به اندازه کافی سخت و تیز باشند تا از بافت بدن انسان عبور کنند و در عین حال آنقدر انعطاف پذیر و چکش خوار باشند تا بتوانند به شکلهای مختلف درآیند.
شکل14: سوزن جراحی ساختهشده از فولاد ساندویک نانوفلکس نیاز به شکل دهی مخصوصی دارد.
همچنین از فولاد ساندویک نانوفلکس برای ساخت ابزارهایی که به پوست بدن انسان نفوذ می کند (همچون منگنه جراحی[17] و سرنگهای قابل بازیافت[18] برای واکسینه کردن و طب سوزنی) و ساخت ابزار ریزجراحی (شامل تیغهها، اره، مته استخانی، پیچ گوشتی و پانچهای بیوپسی[19]) استفاده شده است.
شکل15:منگنه جراحی.
یکی از کاربردهای مناسب این فولاد در فنرهایی است که در حالت فشرده قرار میگیرند؛ مخصوصاً زمانی زمان آسایش[20] کم در دمای بالا موردنیاز باشد[4].
شکل16: فنر یکی از کاربردهای فولاد ساندویک نانوفلکس است.
مواد مورد استفاده در قطعات برندهای که توسط شرکت فیلیپس استفاده میشود، باید خواص ویژهای داشته باشد. مهمترین ویژگی موردنیاز، مقاومت به خوردگی است. در کنار آن به دلیل سایش زیاد مقاومت به سایش باید بالا باشد. ازآنجاکه شکل این تیغهها پیچیده است ماده مورداستفاده میبایست در مقابل تغییر شکلهای زیاد در حین فرایند ساخت مقاومت کند. مادهای که این شرکت انتخاب کرده است فولاد ساندویک نانوفلکس است. محفظه اصلاح و تیغههای برش نشان دادهشده در شکل 17 از این ماده ساخته شدهاند[5].
شکل17: تیغه ریش تراش ساخته شده از فولاد نانوساختار ساندویک نانوفلکس. شکل خاص، مقاومت به سایش و خوردگی از ویژگیهای اساسی این قطعه است[5].
- چشم اندازه آینده کاربردها
شرکت ساندویک از فولاد ساندویک نانوفلکس در گستره وسیعی از کاربردها، آزمایشهای موفقیت آمیزی انجام داده است. از جمله این کاربردها استفاده از فولاد ساندویک نانوفلکس در ماهی تابه مخصوص سرخ کردن، اجزای موجود در دیودهای نوری کم مصرف[21]، عایق سازی حرارتی در موتورها و حتی تجهیزات صخره نوردی و قاب دوچرخه است.
- فعالیتهای انجامگرفته در داخل و خارج از کشور
با بررسی بانک اطلاعاتی ثبت پایاننامههای دانشجویی ایران هیچگونه تحقیق و پژوهش دانشگاهی در رابطه با فولاد ساندویک نانوفلکس یافت نشد که نشاندهنده ناشناخته بودن این فولاد جدید در حوزه دانشگاهی است. اگرچه شرکت ساندویک در تمام کشورهای همسایه دفتر فروش دارد، اما به دلیل تحریمهای بینالمللی در ایران دفتر فروش نداشته و محصولات این شرکت نیز تاکنون در ایران عرضه نشدهاند.
با بررسی پتنتهای به ثبت رسیده در سازمانهای مختلف جمعاً 31 اختراع مرتبط با فولاد نانوساختار ساندویک نانوفلکس در موسسات ثبت اختراع به ثبت رسیده است که نتایج این اختراعها در نمودارهای زیر نشان دادهشدهاند.
شکل18: اختراعهای به ثبت رسیده در سازمانهای مختلف ثبت اختراع[6].
شکل19: اختراعهای انجام شده به تفکیک سال انتشار[6].
- جمعبندی:
فولاد ساندویک نانوفلکس، فولاد نانوساختار منحصر به فردی با ساختار اتمی شبهکریستال است که دارای چقرمگی و خواص خوردگی بسیار بالایی میباشد. شکل پذیری و استحکام بالای آن موجب شده است تا یکی از گزینه های اصلی در انتخاب فولاد مورد استفاده در بسیاری از کاربردها از جمله کاربردهای پزشکی گردد. در حال حاضر تحقیقات و کاربردهای صنعتی این نوع فولاد در ایران در مقایسه با کشورهای توسعهیافته بسیار کمتر است که از دلایل آن میتوان به جدید بودن این نوع فولاد و انعطاف بیشتر صنایع مختلف کشورهای توسعهیافته نسبت به ایران دانست.
6- مراجع
[1] www.wikipedia.org
[2] Abdelrahman AbdelNaieem Abdellatif, Towards sustainable architecture with Nanotechnology, AEIC 2010. A 154.
[3] Zhi Ge, Zhili Gao, Applications of Nanotechnology and Nanomaterials in Construction, First International Conference on Construction In Developing Countries (ICCIDC–I) “Advancing and Integrating Construction Education, Research & Practice”August 4-5, 2008, Karachi,, Pakistan
[4] http://smt.sandvik.com/
[5] L.C.N. Louws, Martensitic Phase Transformation in Sandvik Nanoflex, Experimental research on isothermal and strain induced transformation behavior, Eindhoven, April 2007.
[6] https://www.lens.org
[7] M. Holrnquist’, J.-O. Nilsson and A. Hultin Stigenberg ” Isothermal Formation Of Martensite In A 112cr-9ni-4mo Maraging Stainless Steel” Scripta Met&r@ et Mat&h, Vol. 33, No. 9, pp. 1367-1373,1995.
[1] Seri Wawasan
[2] Heat Affected Zone
[3] Sandvik Nanoflex
[4] Sandvik Materials Technology
[5] MMFX Steel Corp
[6] philips
[7] Sandvik Nanoflex
[8] Tungsten Inert Gas welding
[9] Metal Inert Gas welding
[10] manual metal arc welding
[11] filler
[12] Strip steel
[13] Round wire
[14] Flat wire
[15] Shaped Wire (Profiles)
[17] Surgical staples
[18] Retractable syringes
[19] Biopsy punches
[20] Relaxation time
[21] Energy saving light emitting diodes (LED)
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- شرکت توسعه نانوفناوری افشار
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
