انواع عملیات حرارتی

1-1-1     مفاهیم و مبانی عملیات حرارتی:

تاریخچه عملیات حرارتی فلزات به هزاران سال پیش برمی‌گردد. تمدن‌های باستانی مانند مصریان و…. از تکنیک‌های اولیه عملیات حرارتی برای بهبود خواص ابزار و سلاح‌های خود استفاده می‌کردند. در قرون وسطی، آهنگران اثرات گرمایش و سرمایش بر فولاد را مشاهده کردند و تکنیک‌های پیشرفته‌تری را توسعه دادند.

عملیات حرارتی، فرآیندی است که با گرمایش کم‌تر از نقطه ذوب و سرمایش کنترل شده، ساختار کریستالی آلیاژ‌های آهنی را تغییر داده و خواص مکانیکی آن را بهبود می‌بخشد. این فرآیند قرن‌هاست که در تولید محصولات مختلف، نقش حیاتی دارد. عملیات حرارتی در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، هوافضا، ماشین‌آلات و ساخت‌ ابزار و قالب بسیار حائز اهمیت است. با استفاده از این فرآیند، می‌توان خواص فولاد را به میزان قابل توجهی بهبود داد و محصولات قوی‌تر و بادوام‌تر تولید کرد.

عملیات حرارتی بر روی ساختار کریستالی فولاد تأثیر زیادی دارد و می‌تواند خواص مکانیکی آن را تغییر دهد. در اینجا به برخی از نتایج مطالعات در این زمینه اشاره شده است:

2-1-1     تأثیر بر ساختار کریستالی:
عملیات حرارتی می‌تواند به تغییر در ساختار کریستالی فولاد منجر شود. مثلاً، با گرمایش و سرمایش کنترل شده، آستنیت، و فریت و پرلیت و یا مارتنزیت تشکیل‌ می‌شود.
ساختار کریستالی تعیین‌کننده خواص مکانیکی فولاد است. به عنوان مثال، مارتنزیت سختی بالا دارد، در حالی که فریت فاز نرمی است.
3-1-1     تأثیر بر خواص مکانیکی:
سختی، استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت به خوردگی از جمله خواص مکانیکی فولاد هستند.
با تغییر ساختار کریستالی، این خواص نیز تغییر می‌کنند. به عنوان مثال، مارتنزیت دارای سختی بالا و استحکام کششی بیشتر است.

به طور کلی، عملیات حرارتی می‌تواند خواص مکانیکی فولاد را بهبود و یا تغییر دهد. این تغییرات بستگی به نوع فولاد، دما، زمان و نوع ریزساختاری دارد که پس از فزآیند حاصل می‌شود.

برخی از ریزساختارهای اصلی در فولادها عبارتند از:

مارتنزیت (Martensite):
با گرمایش و سرمایش کنترل شده، فولاد به سرعت سرد می‌شود.
ساختار مارتنزیت دارای ساختار کریستالی (BCT) است که باعث افزایش سختی و استحکام می‌شود.
آستنیت (Austenite):
ساختار فولادها و چدن‌ها در دماهای بالا، به ساختار آستنیت تبدیل می‌شود که شرط اساسی اغلب فرآیند‌های عملیات حرارتی فولادها و چدن‌ها است.
ساختار آستنیت دارای ساختار مکعب با وجوه مرکز پر (FCC) است و با توجه به سرعت سرد شدن به فاز‌های مختلف مارتنزیت، بینیت و یا فرلیت-پرلیت تبدیل می‌شود.
فریت (Ferrite):
با سرد کردن فولاد و یا چدن با سرعت بسیار کم، ساختار فریتی تشکیل می‌شود.
ساختار فریت دارای ساختار مکعب مرکز پر (BCC) است که تعادلی‌ترین ساختار فولاد و چدن است.
این ساختار بسیار نرم بوده و قابلیت انعطاف بالایی دارد
2-1       انواع عملیات حرارتی: 
1-2-1     فرآیند سخت‌کاری حجمی

عملیات حرارتی حجمی یک فرآیند است که با گرمایش و سرمایش کنترل‌شده مواد، ساختار و ویژگی‌های آن‌ها را تغییر می‌دهد. در این فرآیند، قطعات تا دماهای مشخصی گرم می‌شوند و سپس به سرعت سرد می‌شوند. این تغییرات در ساختار می‌تواند خواص مکانیکی و فیزیکی قطعات را بهبود دهد. برخی دیگر از تکنیک‌های عملیات حرارتی حجمی عبارتند از:

بازپخت یا آنیل کامل و ایزوترم (Annealing):‌‌
در این فرآیند، قطعات تا دماهای بالا گرم می‌شوند و سپس به آرامی سرد می‌شوند.
بازپخت باعث کاهش تنش‌ها، بهبود ماشین‌کاری و انعطاف پذیری می‌شود.
نرمال سازی (Normalizing):
در این عملیات، مواد تا دماهای بالا گرم می‌شوند و سپس با سرعت متوسط سرد می‌شوند.
نرمال سازی باعث ریز شدن دانه‌ها و بهبود خواص مکانیکی می‌شود.
برگشت دادن و تنش‌گیری (Tempering):
پس از ریخته‌گری، جوش‌کاری و یا فورج، قطعات تا دماهای متوسط گرم شده و سپس به آرامی سرد می‌شوند.
فرآیند باعث کاهش تنش‌های اضافی، همچنین کاهش تغییر ابعاد قطعات و نیز افزایش مقاومت به شکست می‌شود.
2-2-1     فرآیند سخت‌کاری القایی (سطحی)

عملیات حرارتی القایی یک فرآیند پیچیده‌تر از سایر فرآیندهای حرارتی است. در این فرآیند، قطعه کار به صورت موضعی توسط جریان القایی گرم می‌شود. این جریان القایی از طریق کویل‌های القایی که قطعه را محاصره کرده‌اند عبور می‌کند و تغییر میدان‌های مغناطیسی ناشی از آن باعث افزایش دما در قطعات می‌شود. عملیات حرارتی القایی به خوبی روی قطعات با خواص مغناطیسی عمل می‌کند. این فرآیند معمولاً برای سخت‌شدن القایی سطحی، بازپخت القایی موضعی یا تمپر القایی استفاده می‌شود، بدین‌منظور از کوره‌های القایی با قابلیت کنترل دما در عمق نفوذ مورد نظر استفاده می‌شود. 

3-2-1      فرآیند کربوره و نیتروکربوره

عملیات حرارتی کربوره و نیتروکربوره دو روش مهم در سخت‌کاری سطحی فولاد هستند. این فرآیندها به تغییر در ترکیب شیمیایی سطح فولاد منجر می‌شوند و خواص مکانیکی آن را بهبود می‌بخشند:

کربوره (Carburizing):

در این فرآیند، فولاد کم کربن را در محیط غنی از کربن قرار می‌دهیم.
کربن از ماده کربن‌دار به داخل سطح قطعه نفوذ می‌کند و سطحی با کربن بالا تشکیل می‌شود.
این سطح سخت، پس از عملیات حرارتی مقاوم در برابر سایش و فشار است در حالی که مغز قطعه قابلیت انعطاف بالایی دارد و در نتیجه قطعه از تافنس بالایی برخوردار‌ می‌شود.

نیتروکربوره (Nitrocarburizing):

در این فرآیند، فولاد را در محیط غنی از نیتروژن و کربن قرار می‌دهیم.
نیتروژن و کربن به سطح قطعه نفوذ کرده و سطحی با ترکیبی از نیتریدها و کاربیدها تشکیل می‌شود.
این سطح مقاوم در برابر سایش، خوردگی و حرارت است.
4-2-1     فرآیند نیتروره یا نیتروژن‌دهی (سطحی)

نیتروره یا نیتروژن‌دهی نوعی عملیات حرارتی است که نیتروژن را بر روی سطوح فلزی نفوذ‌ می‌دهد تا یک پوسته‌ی سخت ایجاد شود. در این فرآیند، فلز در محیط غنی از نیتروژن تا دمای پایین‌تر از دمای استحاله 1AC گرم می‌شود. با نگه‌داری فلز در این دما به مدت زمان کافی، نیتروژن به داخل آلیاژ نفوذ می‌کند. این نفوذ نیتروژن باعث تشکیل انواع نیتریدها شده و لایه‌ی سطحی قطعه را سخت می‌کند.

5-2-1     فرآیند زیر صفر (Sub Zero, Cryogenic)

عملیات حرارتی زیر صفر (سوپر کولینگ) یک فرآیند پیچیده‌تر از عملیات حرارتی معمول است. در این فرآیند، قطعات در دماهای بسیار پایین (معمولاً پایین‌تر از 90 درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرند. این عملیات به منظور بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی مواد انجام می‌شود. به عبارت دیگر، هدف از عملیات حرارتی زیر صفر، تغییر خواص مکانیکی مواد است. این فرآیند معمولاً بر روی فولادهای پر آلیاژ و یا پر کربن انجام شده و می‌تواند سختی، استحکام، مقاومت به سایش و صافی سطح پس از سنگ‌زنی و پایداری ابعادی قطعات را بهبود ببخشد.

6-2-1     فرآیند آستمپرینگ

فرایند آستمپرینگ یک فرآیند عملیات حرارتی است که برای بهبود خواص مکانیکی برخی از فولادها و چدن‌ها استفاده می‌شود. در این فرآیند، مراحل زیر انجام می‌شود:

حرارت دادن (Austenitizing):
فولاد را تا دمای بالاتر از دمای بحرانی خود (معمولاً بین 800 تا 950 درجه سانتی‌گراد) گرم می‌کنیم.
این مرحله باعث تبدیل کامل فولاد به فاز آستنیت می‌شود.
کوئنچ کردن (Quenching):
فولاد را در محیط‌هایی مانند روغن داغ، پلیمرها یا مذاب نمک غوطه‌ور می‌کنیم. (دما 200-400°C)
این باعث سریع سرد شدن فولاد و تشکیل ریزساختاری مستحکم به نام بینیت می‌شود.

آستمپرینگ خواص مکانیکی بهتری نسبت به کوئنچ کردن سریع دارد و مهم‌ترین دستاورد آن کاهش تغییر ابعاد قطعات پس از فرآیند سخت‌کاری است.

7-2-1     فرآیند آنیل اسفرودایز

آنیل اسفرودایز یکی از فرآیندهای عملیات حرارتی است که برای دستیابی به نرم ترین و قابلیت انعطاف ترین حالت فولاد‌ها استفاده می‌شود. در این فرآیند، فولاد به دمای مشخصی گرم می‌شود و سپس به آرامی سرد می‌شود. این عملیات منجر به تشکیل ساختاری به نام “سمنتیت کروی” می‌شود. سمنتیت کروی شامل دانه‌های کروی از سمانتیت است که در زمینه فریتی توزیع می‌شود. این ساختار ریز باعث افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش سختی فولاد می‌شود. آنیل اسفرودایز به‌خصوص برای فولاد‌های کم کربن و کربن متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا این فولاد‌ها بیشتر توسط کارسرد شکل می‌گیرند.

8-2-1     فرآیندهای تلفیقی حجمی و القایی

این فرآیند برای قطعاتی به کار می‌رود که علاوه بر استحکام بالای مورد نیاز در قطعه، به مقاومت سایشی بالا در سطح نیز نیاز باشد.

9-2-1     فرآیند استحکام بخشی آلیاژهای آلومینیوم (T6)

فرآیند استحکام‌بخشی آلومینیوم T6 یکی از مهم‌ترین روش‌ها برای افزایش استحکام و سختی آلیاژهای آلومینیوم است.

T6 فرآیند رسوب سختی مصنوعی است. در این فرآیند، عناصر آلیاژی موجود در آلومینیوم به صورت حل شده در حالت محلول جامد فوق اشباع قرار‌ می‌گیرد (با سرد کردن سریع).
سپس، با تغییر دما، رسوب‌های کوچکی از فاز ثانویه (مانند ترکیب‌های آلومینیوم و مس) در ساختار آلومینیوم تشکیل می‌شود.
این رسوب‌ها سختی و استحکام آلومینیوم را افزایش‌ می‌دهد.
اجرای فرآیند قابلیت ماشین‌کاری قطعات آلومینیومی را افزایش‌ می‌دهد.
3-1       مشاوره و طراحی خطوط اجرای فرآیندهای عملیات حرارتی

شرکت سخت افزا با اتکا به پیشینه 35 ساله خود قادر است برای راه اندازی کسب و کار جدید یا تکمیل خطوط تولید قطعات فلزی در زمینه عملیات حرارتی با توجه به نوع تولید و میزان آن، انواع تجهیزات مورد نیاز را معرفی نموده و برخی از آن‌‌ها را تامین کرده و سپس نصب و راه اندازی نماید.