عملیات حرارتی اتمسفر محافظ
نکته قابل توجه در عملیات حرارتی، نوع، عمر کوره و کنترل جو یا اتمسفر کوره است. از طرفی قطعات فلزی به خصوص فولادها در حضور گازهایی مانند اکسیژن، تمایل به اکسیدشدن دارند که شدت این تمایل با افزایش دما، زیاد می‌شود. فولادهای تجاری حاوی عناصر آلیاژی و ناخالصی بوده که در هنگام واکنش با اکسیژن در اتمسفر کوره، رفتار متفاوتی نسبت به آهن دارند. به طوری که حضور عناصری از جمله آلومینیوم، کروم و سیلیکون که واکنش‌پذیرتر ازآهن می‌باشند، مقاومت در برابر اکسیداسیون را برای فولاد فراهم می‌کنند اما اگر مقادیر آن‌ها ناچیز باشد، اثر محافظتی نخواهند داشت. همچنین عناصری هم که واکنش‌پذیری کمتری نسبت به آهن دارند، تأثیر بسیار کمی بر سینتیک اکسیداسیون دارند. از طرف دیگر، در شرایط جوی عملیات، فولادهای کربن متوسط یا پرکربن در حضور اکسیژن، بخار آب و کربن دی‌اکسید، کربن‌زدایی می‌شوند. پس مقادیر این ترکیبات در اتمسفر کوره باید به حداقل برسد.
بنابراین فولاد در حین عملیات حرارتی درون کوره که دما بالاست، با اکسیژن هوا واکنش داده و یک لایه اکسیدی روی سطح آن تشکیل می‌شود که نه تنها موجب زشت شدن شکل ظاهری قطعه شده، بلکه افت خواص مکانیکی مانند استحکام و افزایش تردی آن را نیز به دنبال خواهد داشت. علاوه براین، درمواردی همچون عملیات حرارتی کربوره کردن، حفظ ترکیب شیمیایی سطح بسیار مهم تلقی می‌شود. در این شرایط احتمال از دست دادن کربن از سطح یا جذب نیتروژن از هوا بوده و در ادامه همین اتفاق، خواص مکانیکی کاهش می‌یابد.
در راستای این توضیحات، اکثر اوقات لازم است که از فولاد یا چدن در مقابل اکسیداسیون سطحی و یا از دست دادن کربن از لایه‌های سطحی در حین عملیات، محافظت به عمل آید. به همین منظور عملیات حرارتی در یک اتمسفر محافظ انجام می‌گیرد، به این صورت که قطعات فلزی در یک محیط با اتمسفر کاملاً کنترل‌شده از گازهای خنثی یا فعال حرارت می‌بینند.
پس به طور کلی اتمسفرهای مورد استفاده در صنعت عملیات حرارتی دو هدف را دنبال می‌کنند:
- محافظت از سطح قطعات حین فرآیند در مقابل واکنش‌های شیمیایی مضری که احتمال دارد رخ دهد (مانند اکسیداسیون و کربن‌زدایی).
- اجازه دادن به سطح فلز برای ایجاد تغییرات موردنظر با افزودن نیتروژن، کربن و یا هر دو.
کوره‌های صنعتی اغلب به سیستم‌های کنترل اتمسفر مجهز هستند که ترکیبات مضر را می‌سوزانند. همچنین این کوره‌ها به وسیله‌ای برای از بین بردن بخارآب تولید شده در فرآیند احتراق به عنوان یک محصول جانبی، مجهز می‌باشند. برای کوره‌هایی هم که این قابلیت این کنترل را ندارند، انواع ژنراتورهای اتمسفری ساخته شده که توانایی کنترل اتمسفر چندین کوره را به صورت همزمان دارند. در نتیجه جو کوره، نقش اساسی در تضمین کیفیت سطح قطعه خواهد داشت که این اتمسفر ممکن است نسبت به یک آلیاژ خنثی و اما نسبت به دیگری فعال باشد.
انواع اتمسفر محافظ:
- گازهای خنثی
گازهایی همچون آرگون، نیتروژن و هلیوم که با فلزات واکنش شیمیایی نمی‌دهند و صرفاً به عنوان یک سد محافظ عمل می‌کنند. جو خنثی در داخل کوره، رفتاری قابل پیش‌بینی از خود نشان داده که امکان سنجش دقیق پتاسنیل کربن را فراهم می‌سازد. به عبارت دیگر، می‌توان از ابزارها و روشهای رایج کنترل فرآیند برای نظارت و تنظیم میزان کربن در این محیط بهره برد.
- گازهای فعال
گازهایی مثل هیدروژن، آمونیاک و گازهای کربنی که علاوه بر ایجاد یک محیط محافظ در فرآیندهای عملیات حرارتی، می‌توانند با نفوذ به ساختار سطحی تغییرات خاصی نیز ایجاد کنند. به عنوان مثال، گازهای کربنی با افزایش غلظت کربن در لایه سطحی، خواص مکانیکی قطعه را بهبود بخشیده و مقاومت به سایش را ارتقا دهند.
لازم به ذکر است که انتخاب گاز محافظ امری مهم در این فرآیندها می‌باشد که به نوع فلز، دمای عملیات حرارتی و خواص موردانتظار بستگی دارد. به طور مثال از گاز خنثی هلیوم در دماهای بالا و یا از نیتروژن به منظور ایجاد اتمسفر محافظ و نیز نیتروژن‌دهی استفاده می‌شود.
مزایای عملیات حرارتی در اتمسفر محافظ
- کنترل دقیق خواص سطحی
- افزایش عمر مفید قطعات
- کاهش هزینه‌های تولید با بهبود کیفیت و کاهش ضایعات
- جلوگیری از ترک خوردگی از طریق کنترل دقیق سرعت گرمایش و خنک‌سازی
کیفیت و تمیزی، دو اصل جدایی‌ناپذیر در فرآیندهای عملیات حرارتی هستند. در همین راستا، شرکت سخت‌افزا با استفاده از تجهیزات اتمسفر محافظ پیشرفته، محیطی امن و کنترل‌شده برای قطعات فراهم ساخته تا در درجه اول، از کیفیت و سپس تمیزی فلزات عملیات‌شده، اطمینان خاطر حاصل شود.
مرجع
Optimization of protective atmospheres for annealing and hardening operations in continuous furnaces, L. He and Z. Zurecki, 2015.
