عملیات حرارتی، عملیاتی است که به وسیله آن می‌توان خواص فلزات و فولاد را از طریق اصلاح ریز ساختار بهبود بخشید. انواع فلزات، آلیاژها و فولاد، به صورت پیش‌فرض خواص فیزیکی و شیمیایی مورد انتظار در بسیاری از پروژه‌های صنعتی و ساختمانی را دارا نیستند. این محصولات باید تحت فرآیند سرد و گرم کردن، تغییر ماهیت داده و خواص شیمیایی، فیزیکی، متالورژیکی و آنها بهبود پیدا کند. در این مقاله به آموزش کامل مراحل و روش های علمیات حرارتی میپردازیم. با ما همراه باشید.
عملیات حرارتی چیست؟
در واقع عملیات حرارتی فولاد به این منظور انجام میشود که خواص فیزیکی و شیمیایی قطعه فولادی به تعادل مورد نظر رسیده و بهترین کارایی ممکن را داشته باشد. عملیات حرارتی فولاد انواع متفاوتی داشته که طی هر کدام از آنها خاصیت فلزات تغییر کرده و برای مصارف متعدد آماده می‌شوند. به‌طورکلی انواع عملیات حرارتی فولاد با اهداف زیر انجام میشود:
1. بهبود خواص مکانیکی: عملیات حرارتی می‌تواند به افزایش استحکام، سختی و چقرمگی فولاد کمک کند.
2. کنترل ساختار میکروسکوپی: تغییرات در دما و زمان نگهداری، می‌تواند ساختار میکروسکوپی فولاد را تغییر و درنتیجه خواص نهایی آن را تحت تأثیر قرار دهد.
3. کاهش تنش‌های داخلی: عملیات حرارتی می‌تواند تنش‌های داخلی ناشی از فرآیندهای قبلی مانند جوشکاری یا کار سرد را کاهش دهد.
4. افزایش مقاومت در برابر سایش: برخی از عملیات حرارتی مانند سخت‌کاری سطحی می‌توانند مقاومت فولاد در برابر سایش را افزایش دهند.
بنابراین می‌توان این‌طور گفت که عملیات حرارتی به‌عنوان یک مرحله کلیدی در فرآیند تولید فولاد به شمار می‌رود و نقش مهمی در بهبود کیفیت و عملکرد محصولات فولادی دارد. به‌عنوان‌مثال، در فرایند تولید فولادهای آستنیتی، عملیات حرارتی خاصی لازم است تا ریزساختار آستنیتی ایجاد شود. بنابراین عملیات حرارتی فولاد شرایط دمایی و زمانی خاص خود را نیاز دارد تا به هدف موردنظر برسد و این نکته برای تمامی انواع فولادها صدق می‌کند.
دسته بندی فرآیندهای عملیات حرارتی در آموزش کامل مراحل و روش های علمیات حرارتی
انواع روشهای عملیات حرارتی شامل موارد زیر می‌شوند:
- آنیل کردن یا بازپخت
- نرماله کردن
- کروی کردن
- بازیابی
- تبلور مجدد
- تنش زدایی
- تمپر کردن یا برگشت دادن
- کوئنچ کردن
- سخت کاری سطحی
آنیل کردن فولاد و سایر فلزات : دلایل و اهداف متفاوتی دارد. عملیات حرارتی آنیل کردن در اغلب اوقات برای نرم کردن فلزات و افزایش انعطاف‌پذیری آنها استفاده میشود و در پی آن قابلیت ماشینکاری، پایداری ابعاد، بازگرداندن قابلیت شکلپذیری، خواص الکتریکی و سایر خصوصیات فلز یا آلیاژ بهبود مییابد.
در فرآیند آنیل کردن یا باز پخت، فولاد را تا دمای استحاله گرم میکنند، مدت معینی در آن دما نگه میدارند و سپس با سرعت مشخصی (معمولاً سرعت پایین) تا رسیدن به دمای محیط در داخل کوره سرد میکنند. ماندن فلز فولاد در دمای بالا، باعث میشود که نفوذ اتم‌‌ها راحت‌تر شود و نابجایی‌ها کاهش یابد.
کاهش این نابجایی‌ها باعث میشود که شکلپذیری قطعه بالاتر رود، مقاومت آن در مقابل ضربه افزایش یابد و چقرمه‌تر شود. از فرآیند آنیل کردن به جز در قطعات فولادی در قطعات مسی، برنجی و آلومینیومی هم استفاده میشود.
نرماله کردن فولاد چیست؟
نرماله کردن یکی از انواع عملیات حرارتی فولاد است. طی این پروسه، ساختار فولاد، یکنواخت‌تر و ریز دانه‌تر میشود. در این عملیات حرارتی، فولاد را تا دمایی حدود 80 درجه سانتی گراد گرم میکنند و برای مدت زمان معینی (تکمیل فرآیند تبدیل شدن به آستینیت)، فولادهای هیپویوتکتوئیدی را بالاتر از خط AC3 نگه میدارند.
سپس فولادهای هایپر یوتدکتوئیدی را بالاتر از خط Acm نگه داشته و آن را سرد میکنند. نرماله کردن معمولاً جزو عملیات حرارتی نهایی است و طی آن استحکام و سختی فولاد افزایش یافته و انعطاف‌پذیری آن کاهش مییابد.
هدف از نرماله کردن فولاد، تبدیل ساختار دانه درشت به ساختار دانه ریز است که این ساختار دانه درشت، حاصل سایر عملیاتی است که قبلاً روی فولاد انجام شده؛ بعد از عملیات حرارتی نرماله کردن فولاد، ساختار همگن حاصل شده به مصارف زیر می‌رسد:
- باعث بهبود خواص مکانیکی فلز فولاد میشود.
- در فولادهای کم کربن باعث خاصیت ماشینکاری بهتر خواهد شد.
- قبل از سخت کاری یا آنیل کامل به عنوان عملیات حرارتی پایه به کار می‌رود.
فرق بین آنیل کردن و نرماله کردن فولاد
قطعه فولادی در فرآیند نرماله کردن تا دمایی بالاتر نسبت به فرآیند آنیل کردن، حرارت می‌بیند. در مرحله مربوط به سرد کردن قطعه فولادی نیز در روش آنیل کردن فولاد، قطعه در کوره سرد میشود ولی در روش نرماله کردن، قطعه در هوا سرد میشود.
فولادهایی که تحت عملیات نرماله شدن قرار گرفته‌اند نسبت به فولادهایی که آنیله شده‌اند، دانه ریزتر بوده و استحکام بالاتری دارند. در نقطه مقابل، انعطاف‌پذیری فولادهای آنیله شده نسبت به فولادهای نرماله شده بیشتر است. به طور کلی برای سخت کردن قطعات فولادی، یکی از این روشهای کوئینچ کردن، آستمپر و یا مارتمپر کردن استفاده میکنند.
عملیات حرارتی فولاد به روش کوئینچ کردن در ابتدا فلز را تا دمای آستنیته شدن یعنی چیزی حدود بین 815 الی 900 درجه سانتیگراد گرم کرده سپس آن را به سرعت خنک میکنند. خنک کردن قطعه فولادی می‌تواند به وسیله سیل آب یا آب نمک، فرو بردن در روغن مخصوص یا آب، اسپری کردن محلول‌‌های خاص روی فولاد، قرار گیری در معرض هوای فشرده و مرطوب و غیره انجام گیرد.
عملیات کوئینچ کردن یا سخت کردن به این منظور انجام میشود که استحکام و مقاومت فولاد یا هر آلیاژ دیگر بالاتر برده شود و مقاومت آن در برابر فشار و فرسایش افزایش یابد. باید توجه داشت که فقط زمانی از عملیات حرارتی کوئینچ کردن استفاده میشود که به سختی خیلی بالایی نیاز داشته باشیم زیرا عملیات حرارتی کوئینچ باعث تردی و شکنندگی بیشتر قطعه خواهد شد.
سخت کردن فلز با کربن دهی سطحی
کربن دهی سطی ارزان ترین و رایج ترین روش سخت کردن سطحی است. این عملیات برای افزایش مقاومت به سایش و سختی سطح خارجی فولاد است. به کربن دهی کربونیزه نیز میگویند.
کربن دهی سطحی به سه روش انجام میگیرید:
- کربن دهی جامد
- کربن دهی مایع
- کربن دهی گاز
سخت کردن فلز با کربن دهی جامد
در این روش فولاد کم کربن را درون یک جعبه فولادی دیگر می‌گذارند و جعبه فولادی را در معرض حرارت بالا قرار میدهند و اطراف قطعه اصلی را با ترکیباتی همچون زغال چوب و موادی که انرژی آزاد میکنند مانند کربنات باریم و کربنات کلسیم و کربنات سدیم پر میکنند.
سخت کردن فلز با کربن دهی مایع
در این روش کربن دهی به صورت غوطه ور کردن قطعه مورد نظر در نمک مذاب انجام می‌گیرد. این مذاب شامل کربنات سدیم و نمک طعام و سیلیسیم کاربید است. درجه حرارت باید حدود ۸۵۰ درجه سانتیگراد باشد و زمان مورد نیاز بین ۳۰ دقیقه تا ۴ ساعت وابسته به مقدار نفوذ نیازی و درجه حرارت می‌تواند تغییر کند.
سخت کردن فلز با کربن دهی گاز
در کربن دهی گازی از گازهای کربن دار که حین واکنش‌های خاص درون کوره کربن تولید میکنند مانند گازهای متان پروپان و بوتان را وارد کوره میکنند با توجه به نیاز ما برای عمق نفوذ کربن به درجه حرارت و زمان خاصی نیاز داریم. مزیت این روش نسبت به روش قبل این است که سطح فولاد حاصل تمیز و صاف است و واکنش کربن دهی سریعتر صورت می‌گیرد زیرا نفوذ اتم‌های گازی کربن بسیار آسان تر از نفوذ کربن ناشی از مواد جامد کربن دار است.
تنش زدایی فولاد و دستورالعمل آن
عملیات تنش زدایی یکی دیگر از عملیات حرارتی فولاد است که طی آن تنش‌های به وجود آمده در قطعه فولادی طی روند تولید را از بین می‌برند. به عملیات تنش زدایی فولاد، عملیات تنشگیری یا بازپخت هم میگویند. اهمیت عملیات تنش‌زدایی از آن جهت است که قطعات فولادی یا آلیاژها ممکن است طی تغییرات دمایی یا تحت فشار دچار تنش‌هایی شوند.
اصطلاحاً به آنها تنش‌های پس‌ماند گفته میشود و در دراز مدت، اثرات زیان باری را از قبیل ترک برداشتن، تاب برداشتن و شکسته شدن قطعه در حین کار را ایجاد می‌کند. عملیات تنش‌زدایی می‌تواند مانع از این اثرات زیان بار شود. این عملیات معمولاً پس از جوشکاری انجام شده و به اصطلاح عملیات پس‌گرم هم نامیده میشود. در طی این عملیات فلز را به صورت یکنواخت گرم میکنند و سپس بصورت یکنواخت آن را سرد می‌نمایند.
عملیات حرارتی تنش‌زدایی جوش به دو صورت زیر انجام میشود:
1. تنش زدایی کل قطعه : که برای قطعات فولادی با ابعاد کوچک‌تر استفاده میشود و کل قطعه در ابتدا تا دمای مشخصی گرم و سپس تحت کنترل سرد میشود.
2. تنش زدایی موضعی : که تنها بخشی از قطعه را گرم و سپس تحت شرایط کنترل شده سرد میکنند.
هدف از عملیات حرارتی کروی کردن فولاد، افزایش قابلیت ماشین کاری و شکلپذیری قطعه فولادی است. فاز سمنتیت یا کاربید آهن (Fe3C) در طی این مرحله از حالت لایه مانند به حالت کروی تغییر شکل می‌دهد. این امر به این خاطر است که نرم‌ترین حالتی که ساختار فولاد می‌تواند داشته باشد، حالت کروی است.
ساختار کروی در عین حال که نرم‌ترین حالت ساختاری فولاد است، پایدارترین حالت نیز به حساب می‌آید. بنابراین قطعه فولادی که تحت عملیات کروی کردن قرار گرفته است، بسیار انعطاف‌پذیر خواهد بود. برای کروی کردن قطعه فولادی عملیاتی را انجام میدهند که تحت آن ساختار پیوسته لایه‌‌های سمنتیت شکسته میشود و به صورت کروی درون زمینه رسوب میکنند.
از جمله فواید عملیات حرارتی کروی کردن فولاد این است که فولاد کروی شده قابلیت شکل پذیری بالا و همچنین قابلیت ماشینکاری بالایی (به خصوص در نوع پرکربن فولادها) دارند. همین طور، کروی کردن فولاد باعث کاهش مصرف انرژی برای عملیات بعدی میشود.
مراحل عملیات حرارتی
به دلیل خواص منحصر بفردی که فاز آستنیت (آهن گاما – γ) در فولادها دارد، اغلب عملیات حرارتی که بر روی این آلیاژهای آهنی انجام می‌شوند، مستلزم ساختار کاملاً آستنیتی هستند. برای مثال، ساختار مارتنزیتی فولادهای سخت شده، تنها از فاز آستنیت تشکیل میشود.
علاوه بر این، انحلال پذیری عناصری مثل کربن در داخل زمینه آستنیتی به دلیل ساختار FCC بیشتر از سایر فازها است. بنابراین، یکی از مراحل اصلی در اغلب عملیات‌های حرارتی، بالا بردن دمای ساختار اولیه فولاد تا محدوده تک فاز آستنیت و نگهداری به مدت مشخص در این دما با توجه به ضخامت قطعه است.
در مراحل بعدی، با توجه به گرید فولاد و هدفی که از انجام عملیات حرارتی وجود دارد، می‌توان ساختار آستنیتی را با سرعت‌های خاص تا دمای اتاق سرد کرد. به طور کلی، هر چه سرعت سرد شدن ساختار و قدرت تبریدی محیط خنک کننده بیشتر باشد، سختی ساختار حاصل شده بیشتر و شکلپذیری آن کمتر خواهد بود. محیط‌های خنک کننده مختلف به ترتیب افزایش قدرت تبریدی شامل: نیتروژن مایع، آب، روغن، حمام نمک، هوا و خلأ هستند.
معمولا قطعاتی که به تغییرات ابعادی حساس هستند و یا محدوده مجاز تغییر شکل در آنها بسیار کم است، در خلأ یا هوا سرد می‌شوند. البته عملیات حرارتی‌هایی نیز وجود دارند که مستلزم آستنیتی شدن فولاد نیستند؛ مانند سخت کاری سطحی بهروش نیتراسیون و بوردهی و عملیات حرارتی تنشگیری و تبلور مجدد که در در دماهای پایینتر انجام می‌شوند.
بطور خلاصه در این مقاله به آموزش کامل مراحل و روش های علمیات حرارتی پرداخته شد که برای مثال از جمله روشهای عملیات حرارتی آنیل کردناست که در اغلب اوقات برای نرم کردن فلزات و افزایش انعطاف‌پذیری آنها استفاده میشود. روش کوئنچ کردنبرای افزایش استحکام و مقاومت فولاد یا هر آلیاژ دیگر بکار برده میشود.
