در صنایع فلزی، بهبود خواص مکانیکی، شیمیایی و ساختاری مواد یکی از اهداف مهم و همیشگی است. عملیات حرارتی (Heat Treatment) به مجموعه‌ای از فرآیندهای کنترل‌شده گرمایی گفته می‌شود که با تغییر در ساختار داخلی فلزات و آلیاژها، ویژگی‌هایی چون سختی، استحکام، چقرمگی و مقاومت به خوردگی را بهبود می‌بخشد. این عملیات نقش حیاتی در افزایش عمر و عملکرد قطعات صنعتی، ابزارها و تجهیزات حساس دارد. ما در مجموعه سخت‌افزا خدمات تخصصی مشاوره و اجرای عملیات حرارتی را ارائه می‌دهیم.

عملیات حرارتی چیست و چه کاربردهایی دارد؟

عملیات حرارتی فرآیندی است که در آن با حرارت دادن و سرد کردن کنترل‌شده، ساختار میکروسکوپی و خواص فیزیکی فلزات تغییر می‌کند. این عملیات برای افزایش سختی (Hardness)، استحکام (Strength)، چقرمگی (Toughness)، شکل‌پذیری (Ductility)، مقاومت به سایش (Wear Resistance) و خوردگی (Corrosion Resistance) کاربرد دارد. اهمیت عملیات حرارتی در تولید قطعاتی با خواص مکانیکی دقیق و کارایی بالا در صنایع خودروسازی، هوافضا، نفت و گاز، ابزارسازی و پزشکی غیرقابل انکار است. بدون این فرآیند، دستیابی به بسیاری از الزامات مهندسی و عملکردی قطعات ممکن نخواهد بود.

برخی از کاربردهای عملیات حرارتی عبارتند از:

• ساخت ابزارهای برش مانند تیغ اره، مته و قلاویز
• تولید قطعات خودرو مانند میل‌لنگ، شاتون و دنده
• ساخت پره‌های توربین گازی و بخار
• تولید چرخ‌دنده‌ها، یاتاقان‌ها و فنرهای صنعتی
• تولید پیچ و مهره‌های مقاوم به سایش
• تولید تیغه‌های ماشین‌آلات کشاورزی
• ساخت سیلندر و پیستون موتورها
• تولید قطعات مته و حفاری چاه‌های نفت
• ساخت قطعات مکانیزم‌های نظامی
• ساخت شیرآلات صنعتی فشار بالا
• تولید لوله‌های مقاوم به خوردگی

دانش پیشرفته عملیات حرارتی

فلزات عموما دارای نوعی ساختار کریستالی هستند. منظور از بلور فلزی، آرایش منظم و تکراری اتم‌ها در فضای سه بعدی است. این تکرار منظم، که به آن سلول واحد (Unit Cell) می‌گویند، کوچکترین واحد ساختاری است که با تکرار آن، کل ساختار بلوری یا کریستالی فلز تشکیل می‌شود.

بیشتر فلزات در دماهای مختلف دارای یکی از سه ساختار اصلی مکعبی وجوه پر (FCC)، مکعبی مرکزپر (BCC)، یا شش‌وجهی فشرده (HCP) هستند. ساختار FCC مانند مس، آلومینیوم و نیکل دارای آرایشی بسیار فشرده و دوازده همسایه برای هر اتم است، در حالی که BCC مانند آهن در دمای اتاق، کروم و تنگستن هشت همسایه دارد و کمتر فشرده است. ساختار HCP نیز بسیار فشرده بوده و دوازده همسایه دارد. درک این ساختارها برای عملیات حرارتی و مهندسی مواد بسیار حیاتی می‌باشد.

یکی دیگر از دانش‌های لازم برای اجرای عملیات حرارتی، آگاهی از دیاگرام‌های فازی (Phase Diagrams) است. دیاگرام‌های فازی نمودارهایی هستند که رفتار آلیاژها را در دماها و درصدهای مختلف عناصر آلیاژی نشان می‌دهند. این دیاگرام‌ها مشخص می‌کنند که در هر دما و ترکیب شیمیایی، چه فازهایی پایدار هستند و چگونه فازها با تغییر دما به یکدیگر تبدیل می‌شوند. در عملیات حرارتی، شناخت دقیق دیاگرام‌های فازی برای تعیین دمای بحرانی و کنترل مسیر سرد شدن ضروری است. در تصویر زیر نمونه دیاگرام آهن-کربن را مشاهده می‌کنید.

دیاگرام آهن-کربن (Iron-Carbon Diagram)

دیاگرام آهن-کربن (Iron-Carbon Diagram) یک ابزار بنیادی در متالورژی است که رابطه بین دما، درصد کربن و فازهای تعادلی موجود در آلیاژهای آهن-کربن را نشان می‌دهد. این نمودار معمولا تا 6.67 درصد وزنی کربن (نقطه تشکیل سمنتیت، Fe3C) ترسیم می‌شود و به مهندسان کمک می‌کند تا ریزساختار و خواص مکانیکی فولادها و چدن‌ها را پیش‌بینی و کنترل کنند.

فازهای مختلف دیاگرام آهن-کربن عبارتند از:

• فریت (Ferrite): ساختاری با شبکه BCC و میزان کربن محلول بسیار کم (حداکثر ۰.۰۲۲ درصد). نرم و چقرمه است و در دمای اتاق پایدار می‌ماند
• آستنیت (Austenite): ساختار FCC با قابلیت انحلال کربن تا ۲.۱۴ درصد. در دمای بالا پایدار است و زمینه‌ای مناسب برای تشکیل ساختارهای سخت‌تر دارد
• پرلیت (Pearlite): مخلوط لایه‌ای از فریت و سمنتیت، حاصل از سردشدن آستنیت در دمای یوتکتوئید. استحکام متوسط و چقرمگی مناسب دارد
• سمنتیت (Cementite): کاربید آهن با فرمول Fe₃C، بسیار سخت و شکننده. استحکام به قطعه می‌دهد اما چقرمگی را کاهش می‌دهد
• بینیت (Bainite): ساختاری سوزنی‌شکل از فریت و سمنتیت که در سرد شدن سریع‌تر از پرلیت تشکیل می‌شود. ترکیبی از سختی و چقرمگی است
• مارتنزیت (Martensite): ساختار بسیار سخت و ترد که در سرد کردن سریع (کوئنچ) آستنیت به‌دست می‌آید. بدون نفوذ و با تغییر سریع شکل شبکه

دیاگرام‌های TTT و CCT

دیاگرام TTT (Time-Temperature-Transformation) نموداری است که زمان و دمای لازم برای تغییر فازهای آستنیت به سایر ساختارها را در سرمایش ایزوتروپیک (در یک دمای ثابت) نشان می‌دهد. این دیاگرام مسیرهای تحول فازی را پیش‌بینی کرده و زمان بحرانی برای تشکیل مارتنزیت، پرلیت یا بینیت را مشخص می‌کند. مهندسان متالورژی با استفاده از این دیاگرام می‌توانند سیکل حرارتی مناسب برای دستیابی به خواص مطلوب را طراحی کنند. تصویر زیر شامل نمونه‌ای از دیاگرام TTT کربن-آهن است.

از سوی دیگر، دیاگرام CCT (Continuous Cooling Transformation) زمان و دمای تغییرات فازی را در حین سرمایش پیوسته نمایش می‌دهد. این دیاگرام برای فرآیندهایی که قطعه در محیط‌های مختلف (هوا، روغن، آب) سرد می‌شود، کاربرد دارد. دیاگرام CCT در عملیات‌هایی مانند نرماله کردن، آنیل و کوئنچ کاربردی‌تر از TTT است؛ چرا که سرمایش در محیط واقعی همواره پیوسته است و اطلاعات دقیق‌تری برای پیش‌بینی ساختار نهایی فراهم می‌کند. در تصویر زیر نمونه‌ای از نمودار CCT را مشاهده می‌کنید.

مکانیزم‌های تغییر فاز در عملیات حرارتی

مکانیزم نفوذ (Diffusion) یکی از اصول پایه در تغییر فازهای فلزی است. در این فرآیند، اتم‌ها با حرکت در شبکه کریستالی، از مناطقی با غلظت بالا به نواحی با غلظت پایین منتقل می‌شوند. سرعت نفوذ به عواملی مانند دما، اندازه اتم‌ها و نوع شبکه بستگی دارد. بسیاری از تحولات فازی در عملیات حرارتی، مانند تشکیل پرلیت یا بینیت، مبتنی بر مکانیزم نفوذ هستند و کنترل دقیق دما و زمان می‌تواند میزان و نوع تغییرات را تعیین کند.

فرآیندهای تشکیل هسته (Nucleation) و رشد (Growth) نیز در عملیات حرارتی بسیار اهمیت دارند. در مرحله هسته‌زایی، فاز جدید در نقاط خاصی از ماده (مانند مرز دانه‌ها) شروع به شکل‌گیری می‌کند. پس از تشکیل هسته، این ساختار در شرایط مناسب دما و زمان رشد می‌کند و اندازه آن افزایش می‌یابد. سرعت و نحوه این دو فرآیند تاثیر مستقیمی بر اندازه دانه‌ها و خواص مکانیکی قطعه نهایی دارند. بنابراین کنترل این مکانیسم‌ها در طراحی سیکل‌های عملیات حرارتی اهمیت بالایی دارد.

عملیات حرارتی حجمی

در صنایع فلزی، عملیات حرارتی حجمی (Bulk Heat Treatment) به فرایندهایی گفته می‌شود که در آن کل حجم قطعه فلزی در معرض گرمایش و سرمایش کنترل‌شده قرار می‌گیرد. این روش‌ها برخلاف عملیات سطحی، خواص مکانیکی مانند سختی، استحکام و چقرمگی را در سراسر قطعه بهبود می‌دهند. عملیات‌هایی مانند آنیل کردن، نرماله کردن، سخت‌کاری و تمپر کردن در این دسته قرار دارند. ما در مجموعه سخت‌افزا خدمات تخصصی مشاوره و اجرای عملیات حرارتی حجمی را با استانداردهای روز ارائه می‌دهیم. در ادامه با برخی از انواع عملیات حرارتی حجمی آشنا می‌شویم.

آنیل کردن (Annealing)

آنیل کردن یکی از رایج‌ترین عملیات‌های حرارتی حجمی است که برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات و آلیاژها انجام می‌شود. در این فرآیند، قطعه تا دمای مشخص گرما داده شده، در آن دما نگه داشته و سپس با سرعت کنترل‌شده سرد می‌شود.

برخی از اهداف عملیات حرارتی آنیل کردن عبارتند از:

• کاهش سختی
• افزایش شکل‌پذیری
• حذف تنش‌های پسماند (Residual Stresses)
• یکنواخت‌سازی ساختار دانه
• بهبود قابلیت ماشین‌کاری

فرآیند آنیل کردن معمولا در کوره‌های صنعتی در دماهای بین ۵۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. مدت نگهداری در دمای آنیل به اندازه و ترکیب شیمیایی قطعه بستگی دارد. پس از این مرحله، قطعه در شرایط کنترل‌شده، در هوا، کوره یا محیط دیگر سرد می‌شود. آنیل کردن علاوه‎‌بر بهبود خواص مکانیکی، می‌تواند به همگن‌سازی ترکیب شیمیایی و ساختار داخلی فلز کمک کند. این عملیات در تولید قطعات خودرو، لوله‌ها، تجهیزات پزشکی و ابزارهای صنعتی کاربرد گسترده دارد.

برخی از انواع عملیات حرارتی آنیل کردن عبارتند از:

• آنیل کامل (Full Annealing): فلز تا دمای بالاتر از Ac3/Acm گرم شده، سپس به‌صورت آهسته در کوره سرد می‌شود. این روش ساختار همگن و دانه‌های ریز ایجاد می‌کند
• آنیل همگن‌سازی (Homogenizing Annealing): در این روش، قطعه در دمای بالا (معمولا نزدیک به دمای ذوب) نگه داشته می‌شود. هدف، یکنواخت‌سازی ترکیب شیمیایی و حذف جدایش‌های عنصری است
• آنیل کروی کردن (Spheroidizing Annealing): در دماهای زیر Ac1 برای مدت طولانی انجام می‌شود. باعث کروی‌شدن کاربیدهای سخت در فولادهای پرکربن و بهبود ماشین‌کاری می‌شود
• تنش‌زدایی (Stress Relieving): با هدف کاهش تنش‌های پسماند ناشی از ماشین‌کاری، جوشکاری یا تغییر شکل، قطعه در دمای متوسط (۳۰۰ تا ۶۰۰ درجه) حرارت داده شده و سپس سرد می‌شود
• آنیل بازپخت (Process Annealing/Recrystallization Annealing): در دماهای زیر Ac1 برای حذف اثرات سخت‌کاری سرد و بازیابی شکل‌پذیری انجام می‌شود. نتیجه آن ساختار جدید با دانه‌های ریزتر است

عملیات حرارتی نرماله کردن (Normalizing)

نرماله کردن (Normalizing) یکی از عملیات‌های حرارتی حجمی است که با هدف بهبود خواص مکانیکی و ساختار متالورژیکی قطعات فولادی انجام می‌شود. در این فرآیند، قطعه تا دمای بالاتر از نقطه Ac3 (برای فولاد هیپویوتکتوئید) یا Acm (برای فولاد هایپریوتکتوئید) گرم شده، در آن دما نگه داشته و سپس در هوای ساکن سرد می‌شود. هدف از این عملیات، یکنواخت‌سازی اندازه دانه، حذف ساختار ستونی حاصل از ریخته‌گری و بهبود خواص مکانیکی مانند چقرمگی و استحکام است. نرماله کردن در ساخت قطعات خودرو، تجهیزات نفت و گاز و ابزارهای صنعتی کاربرد زیادی دارد.

در عملیات نرماله کردن، کنترل دمای گرمایش و مدت زمان نگهداری در دمای آستنیته (Austenitizing Temperature) اهمیت زیادی دارد. سرعت سرمایش در این روش بیشتر از آنیل است و همین عامل باعث تشکیل ساختاری ریزدانه و همگن می‌شود. این عملیات برای قطعاتی که پس از ریخته‌گری، جوشکاری یا آهنگری دچار ساختار ناهمگن شده‌اند، قابل اجرا است. نرماله کردن همچنین سختی و استحکام را نسبت به آنیل افزایش داده و قابلیت ماشین‌کاری مناسبی در فولادهای ساختمانی و ابزار فراهم می‌آورد. در جدول زیر می‌توانید مشخصات اصلی عمیات نرماله کردن را مشاهده کنید.

عملیات حرارتی سخت‌کاری (Hardening/Quenching)

سخت‌کاری (Hardening) یا کوئنچینگ (Quenching) فرآیندی است که در آن قطعه فلزی تا دمای آستنیته گرم شده، در آن دما نگه داشته و سپس با سرعت زیاد در یک محیط سرمایشی سرد می‌شود. هدف این عملیات افزایش سختی، استحکام و مقاومت به سایش قطعات است. سخت‌کاری بیشتر در قطعات ماشین‌آلات، ابزارهای برشی و قطعات خودرو به‌کار می‌رود. سرعت سردکردن بالا موجب تشکیل ساختار مارتنزیتی (Martensitic Structure) می‌شود که سخت‌ترین فاز فولاد است.
در فرآیند سخت‌کاری، قطعه تا دمای ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم شده و در آن دما نگه داشته می‌شود تا ساختار آستنیتی یکنواخت تشکیل گردد. سپس بلافاصله در محیط‌هایی مانند آب، روغن، پلیمر، نمک مذاب یا گاز سرد می‌شود. نوع محیط کوئنچ و سرعت سردکردن تاثیر مستقیم بر میزان سختی و احتمال ترک‌خوردگی دارد. برای فولادهای آلیاژی خاص، استفاده از محیط‌هایی با کنترل دقیق دما و نرخ سردکردن ضرورت دارد.

عوامل موثر در سخت‌کاری عبارتند از:

• سرعت سرد کردن: هرچه نرخ سرد کردن بیشتر باشد، ساختار مارتنزیت بیشتری ایجاد و سختی بالاتر می‌رود
• اندازه دانه آستنیت: دانه‌های ریزتر باعث سختی و چقرمگی بهتر می‌شوند و دانه‌های درشت‌تر احتمال ترک را افزایش می‌دهند
• ترکیب شیمیایی فولاد: عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل و مولیبدن قابلیت سخت‌کاری و عمق سختی را افزایش می‌دهند

عملیات حرارتی تمپر کردن (Tempering)

تمپر کردن یکی از مهم‌ترین انواع عملیات حرارتی است که پس از سخت‌کاری انجام می‌شود. این فرآیند به‌منظور کاهش تردی (Brittleness) ناشی از سخت‌کاری و افزایش چقرمگی (Toughness) قطعه صورت می‌گیرد. همچنین، تمپرینگ می‌تواند تنش‌های پسماند (Residual Stresses) به‌وجودآمده در حین سرد شدن سریع را حذف کرده و خواص مکانیکی مطلوب‌تری ایجاد کند. قطعاتی مانند ابزارهای برش، چرخ‌دنده‌ها و قطعات ماشین‌آلات پس از کوئنچ سخت، برای رسیدن به ساختار پایدار و مقاوم در برابر ضربه، نیازمند این فرآیند هستند.

در فرآیند تمپر کردن یا تمپرینگ، ابتدا قطعه سخت‌کاری شده تا دمایی پایین‌تر از خط بحرانی Ac1 (حدود 150 تا 650 درجه سانتی‌گراد، بسته به نوع فولاد و کاربرد) گرم می‌شود. سپس در این دما نگهداری شده و پس از آن به‌آرامی سرد می‌شود. افزایش دمای تمپرینگ باعث کاهش سختی و افزایش چقرمگی خواهد شد. این فرآیند همچنین می‌تواند باعث تجدید آرایش کاربیدها (Carbides) و بهبود ساختار ریزدانه شود. انتخاب دمای مناسب در این عملیات تعیین‌کننده تعادل بین سختی و انعطاف‌پذیری است.

مراحل عملیات حرارتی تمپرینگ شامل موارد زیر هستند:

• پیشگرم کردن قطعه تا دمای تمپرینگ مشخص
• نگهداری در دمای ثابت به مدت زمان تعیین شده
• سرد کردن کنترل شده در هوا یا محیط مناسب
• تست سختی و کنترل ریزساختار پس از تمپرینگ

عملیات حرارتی سطحی

عملیات حرارتی سطحی (Surface Heat Treatment) شامل فرآیندهایی است که تنها در لایه‌های سطحی قطعه تغییرات حرارتی و ساختاری ایجاد می‌کنند و بخش مرکزی بدون تغییر باقی می‌ماند. این روش در قطعاتی که نیاز به سختی سطحی بالا و در عین حال چقرمگی و انعطاف‌پذیری در مغز دارند، مانند چرخ‌دنده‌ها، محورها و قطعات ماشین‌آلات سنگین کاربرد دارد. مزیت این عملیات افزایش مقاومت به سایش (Wear Resistance) و ضربه در سطح قطعات بدون افزایش تردی در کل مقطع است.

انواع عملیات حرارتی سطحی شامل موارد زیر هستند:

• کربن‌دهی (Carburizing): در این فرآیند، سطح قطعه در محیط کربن‌دهی شده (مانند گاز، جامد یا مایع) در دمای بالا قرار گرفته و کربن به لایه سطحی نفوذ می‌کند. سپس کوئنچ می‌شود و لایه، سخت و مغز، نرم باقی می‌ماند
• نیتروژن‌دهی (Nitriding): در این روش، قطعه در محیط حاوی نیتروژن در دمای 500 تا 550 درجه سانتی‌گراد قرار گرفته و نیتروژن به سطح نفوذ می‌کند. این فرآیند سختی بالا و مقاومت به سایش و خوردگی عالی ایجاد می‌کند
• کربن-نیتروژن‌دهی (Carbonitriding): ترکیبی از کربن‌دهی و نیتروژن‌دهی در دمای 750 تا 900 درجه سانتی‌گراد انجام شده و لایه سختی با ترکیب کربن و نیتروژن در سطح ایجاد می‌شود
• سخت‌کاری القایی (Induction Hardening): با القای جریان الکتریکی متناوب، سطح قطعه در مدت کوتاه تا دمای آستنیته گرم شده و سپس کوئنچ می‌شود. این روش سختی سطحی موضعی با عمق کنترل‌شده ایجاد می‌کند
• سخت‌کاری شعله‌ای (Flame Hardening): با شعله مستقیم گاز، سطح قطعه تا دمای آستنیته گرم شده و سپس با آب کوئنچ می‌شود. مناسب قطعات بزرگ و موضعی
• سخت‌کاری لیزری (Laser Hardening): با تابش لیزر پرقدرت، سطح قطعه در نقطه هدف به سرعت گرم شده و با سرد شدن سریع، لایه سخت مارتنزیتی شکل می‌گیرد

عملیات حرارتی بر روی فلزات غیرآهنی

فلزات غیرآهنی (Non-Ferrous Metals) مانند آلومینیوم، مس و تیتانیوم نیز تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند، اما با روش‌ها و اهداف متفاوت. در این فلزات، عملیات‌هایی مانند پیرسختی (Age Hardening)، آنیلینگ (Annealing) و تمپرینگ به‌منظور افزایش استحکام، بهبود شکل‌پذیری و کنترل خواص فیزیکی و شیمیایی انجام می‌شود. به‌عنوان مثال، آلیاژهای آلومینیوم هوافضا پس از عملیات Solutionizing و Aging، به خواص مکانیکی بسیار بالا دست می‌یابند. در جدول زیر نمونه این عملیات‌ها بر روی انواع فلزات را مشاهده می‌کنید.

انواع عملیات حرارتی pdf شامل چه مواردی هستند؟

انواع عملیات حرارتی PDF به مجموعه‌ای از فرآیندهای دمایی اشاره دارد که برای بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی فلزات طراحی شده است. این عملیات‌ها شامل فرآیندهایی مانند آنیلینگ، کوئنچینگ، سخت‌کاری، بازپخت و ایجینگ است که بسته به نوع فلز و نیازهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر یک از این فرآیندها تغییرات خاصی در ساختار میکروسکوپی فلزات ایجاد کرده و ویژگی‌هایی نظیر سختی، استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت به خوردگی را بهبود می‌بخشند. در واقع، پی‌اد‌ف‌هایی که به این موضوع پرداخته‌اند، معمولا توضیحات کامل و مثال‌های کاربردی از تمامی این عملیات‌ها را در خود دارند.

از سوی دیگر، در این مستندات علاوه بر شرح مفصل هر فرایند، معمولا به نکات فنی و شرایط عملیاتی مربوط به دما، زمان و نوع فلزات پرداخته می‌شود. این اطلاعات می‌تواند شامل جداول و نمودارهایی باشد که کمک می‌کنند تا مهندسان و صنعتگران بهترین روش را برای استفاده از عملیات‌های حرارتی انتخاب کنند. همچنین، در این PDFها، مقایسه‌ای بین فرآیندهای مختلف عملیات حرارتی برای انواع مختلف فلزات ارائه می‌شود تا انتخاب بهینه برای کاربردهای خاص انجام بگیرد.

کوره عملیات حرارتی دست دوم چیست؟

خرید تجهیزات کارکرده در صنایع متالورژی نیازمند بررسی دقیق فنی و ارزیابی وضعیت قطعات حساس دستگاه است تا از هزینه‌های تعمیرات احتمالی در آینده جلوگیری شود و راندمان تولید کاهش نیابد. بسیاری از واحدهای صنعتی برای کاهش سرمایه‌گذاری اولیه اقدام به تهیه کوره عملیاتی دست دوم می‌کنند که در صورت سلامت مشعل‌ها و عایق‌بندی می‌تواند گزینه‌ای اقتصادی و مقرون‌به‌صرفه باشد.

موارد زیر از جمله نکاتی هستند که پیش از خرید این تجهیزات کارکرده باید بررسی شوند:

• سلامت المنت‌های حرارتی سیستم گرمایشی بدون شکستگی
• وضعیت عایق‌بندی جداره آجرهای نسوز و پشم سنگ سالم
• دقت سیستم کنترل ترموکوپل و کنترلر دما کالیبره
• یکنواختی توزیع دما گردش هوای صحیح داخل محفظه
• سیستم ایمنی کوره شیرهای اطمینان و قطع‌کن اضطراری

عملیات حرارتی به چند دسته تقسیم می‌شود؟

فرآیندهای حرارتی اعمال شده بر فلزات بر اساس نوع تغییرات ساختاری به گروه‌های مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند که هر کدام هدف خاصی را دنبال می‌کنند. این دسته‌بندی‌ها شامل روش‌های نرم‌سازی و سخت‌کاری هستند که انتخاب آن‌ها به نوع آلیاژ بستگی دارد. مکانیزم‌های سرمایش نیز نقش اساسی در تعیین نهایی این پروسه‌های صنعتی ایفا می‌کنند. در ادامه انواع عملیات‌های حرارتی را بررسی می‌کنیم.

عملیات حرارتی اینداکشن

این روش که سخت‌کاری القایی نیز نامیده می‌شود، از میدان‌های الکترومغناطیسی برای ایجاد گرما در لایه‌های سطحی استفاده می‌کند و سرعت بالایی دارد. در این فرآیند تنها سطح قطعه سخت می‌شود و مغز آن چقرمه باقی می‌ماند که مقاومت به سایش را افزایش می‌دهد. کنترل دقیق عمق نفوذ حرارت از مزایای بارز این تکنیک پیشرفته به شمار می‌آید.

عملیات حرارتی استیل 420

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی 420 به دلیل کربن بالا، قابلیت سخت‌کاری خوبی دارد و پس از کوئنچ به استحکام مطلوبی دست پیدا می‌کند. برای دستیابی به حداکثر مقاومت، قطعه تا دمای آستنیته گرم شده و سپس در محیط مناسب خنک می‌شود. انجام صحیح سیکل بازپخت ضروری است تا تنش‌های پسماند کاهش یابد و از تردی جلوگیری شود.

عملیات حرارتی آلومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم برای افزایش استحکام نیازمند سیکل‌های خاصی هستند که شامل انحلال عناصر آلیاژی در دمای بالا و رسوب‌گذاری آن‌ها در دمای محیط یا دمای مصنوعی است. این فرآیند که رسوب‌سختی نامیده می‌شود، باعث ایجاد موانع در برابر حرکت نابجایی‌ها شده و خواص مکانیکی قطعات هوایی و خودرویی را به شکل چشمگیری بهبود می‌بخشد.

مراحل اصلی عملیات حرارتی آلومینیوم عبارتند از:

• مرحله انحلال سازی گرمایش تا ناحیه تک فاز
• مرحله کوئنچ سریع سرمایش ناگهانی در آب
• پیرسازی طبیعی آلیاژ نگهداری طولانی در دمای محیط
• پیرسازی مصنوعی قطعه حرارت‌دهی مجدد در دمای پایین

عملیات حرارتی ایجینگ

عملیات حرارتی ایجینگ فرآیندی است که طی آن فازهای ثانویه از محلول جامد خارج شده و در ساختار فلز توزیع می‌شوند تا استحکام افزایش یابد. این پروسه معمولا پس از کوئنچ انجام می‌گیرد و زمان نگهداری، پارامتر کلیدی در کنترل خواص می‌باشد. اگر زمان این پروسه طولانی شود، پدیده‌ای به نام پیرسازی بیش از حد رخ می‌دهد که منجر به نرم شدن آلیاژ خواهد شد.

عملیات حرارتی استیل

عملیات حرارتی استیل به مجموعه‌ای از فرآیندهای دمایی گفته می‌شود که برای تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی این فلز انجام می‌شود. این عملیات شامل فرآیندهایی مانند آنیلینگ، سخت‌کاری، و کوئنچینگ است که به استیل کمک می‌کند تا ویژگی‌هایی مانند استحکام، سختی، و مقاومت به خوردگی بهبود یابد. در این فرایندها، استیل تحت دماهای بالا قرار گرفته و سپس به‌طور کنترل‌شده خنک می‌شود تا ساختار بلوری آن تغییر کند. هدف اصلی عملیات حرارتی استیل، افزایش استحکام و بهبود خواص مکانیکی بدون کاهش مقاومت به خوردگی است.

عملیات حرارتی استیل 304

عملیات حرارتی استیل 304 به فرایندی گفته می‌شود که در آن این نوع فولاد ضدزنگ برای بهبود خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی تحت دماهای خاص قرار می‌گیرد. این عملیات معمولا شامل فرآیندهایی مانند آنیلینگ است که موجب نرم شدن استیل و کاهش تنش‌های داخلی می‌شود. استیل 304 پس از عملیات حرارتی به دلیل وجود کروم و نیکل در ترکیب خود، مقاومت بالایی در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی از خود نشان می‌دهد. هدف اصلی این عملیات، افزایش شکل‌پذیری و استحکام این نوع فولاد است.

عملیات حرارتی بعد از جوشکاری

انجام سیکل‌های حرارتی پس از جوشکاری برای آزادسازی تنش‌های پسماند و کاهش گرادیان حرارتی در منطقه جوش الزامی است. در واقع، عملیات حرارتی بعد از جوشکاری خطر ترک خوردگی را کاهش می‌دهد و ساختار متالورژیکی ناحیه اتصال را همگن می‌سازد. کنترل نرخ گرمایش اهمیت بالایی دارد تا خواص مکانیکی فلز پایه دچار افت شدید نشود.

عملیات حرارتی بازپخت

بازپخت یا آنیلینگ فرآیندی است که فلز را تا دمای مشخصی گرم کرده و سپس به آرامی خنک می‌کنند تا ساختار داخلی به تعادل برسد و نرمی افزایش یابد. این روش برای بهبود ماشین‌کاری، حذف اثرات کار سرد و بازیابی انعطاف‌پذیری قطعات پیش از مراحل بعدی تولید مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مراحل و ویژگی‌های بازپخت عبارتند از:

• حذف تنش‌های داخلی: تنش‌های پسماند قطعه کاملا از بین می‌روند
• بهبود قابلیت ماشین‌کاری: ابزارهای برش راحت‌تر روی قطعه کار می‌کنند
• افزایش انعطاف‌پذیری فلز: قطعه بدون شکستگی تغییر شکل زیادی می‌دهد
• اصلاح ساختار دانه: دانه‌های درشت به دانه‌های ریز تبدیل می‌شوند
• کاهش سختی ماده: سختی قطعه برای فرم‌دهی کاهش می‌یابد

عملیات حرارتی بازیابی

بازیابی اولین مرحله از فرآیند آنیلینگ است که در دماهای پایین‌تر رخ می‌دهد و بدون تغییر محسوس در ساختار دانه، خواص فیزیکی قطعه را اصلاح می‌شود. در این مرحله انرژی ذخیره شده ناشی از کار سرد با حرکت نابجایی‌ها به آرایش‌های کم‌انرژی‌تر آزاد می‌شود ولی مرز دانه‌ها جابه‌جا نمی‌شوند.

اثرات این مرحله شامل موارد زیر است:

• حفظ ابعاد دانه‌ها: اندازه دانه‌های کریستالی هیچ تغییری نمی‌کنند
• افزایش هدایت الکتریکی: رسانایی الکتریکی قطعه به شدت زیاد می‌شود
• کاهش تنش پسماند: تنش‌های داخلی بدون نرم شدن آزاد می‌شوند
• ثبات خواص مکانیکی: استحکام کششی ماده تقریبا ثابت باقی می‌ماند
• آرایش مجدد نابجایی: عیوب کریستالی به نظم نسبی می‌رسند

عملیات حرارتی بعد از ریخته گری

قطعات ریخته‌گری اغلب دارای ساختار دندریتی هستند که نیاز به همگن‌سازی از طریق حرارت‌دهی طولانی مدت دارند. عملیات حرارتی بعد از ریخته گری باعث نفوذ اتم‌ها و یکنواخت شدن ترکیب شیمیایی در سراسر قطعه می‌شود و خواص مکانیکی را یکسان می‌سازد. همچنین تنش‌های انقباضی ناشی از سرد شدن مذاب با انجام این پروسه برطرف می‌شود.

عملیات حرارتی بریزینگ

بریزینگ فرآیندی برای اتصال قطعات فلزی است که در کوره با اتمسفر کنترل‌شده یا خلا انجام شده و فلز پرکننده در درز اتصال ذوب خواهد شد. دمای کوره باید به گونه‌ای تنظیم شود که بدون ذوب شدن فلز پایه، فیلر بتواند با خاصیت مویینگی در فاصله میان قطعات نفوذ کرده و اتصال مستحکمی ایجاد شود.

نکات کلیدی در این فرآیند عبارتند از:

• تمیزی سطوح اتصال: حذف اکسیدها و چربی‌ها
• کنترل دقیق دما: جلوگیری از ذوب فلز پایه
• اتمسفر محافظ کوره: ممانعت از اکسیداسیون سطحی
• زمان نگهداری مناسب: نفوذ کامل فیلر مذاب
• فاصله هوایی دقیق: ایجاد خاصیت مویینگی مطلوب
• نرخ سرمایش کنترل‌شده: جلوگیری از شوک حرارتی

عملیات حرارتی با لیزر

استفاده از پرتو لیزر برای سخت‌کاری سطحی، روشی نوین است که انرژی متمرکز را اعمال کرده و بدون نیاز به محیط مایع، سختی بالایی ایجاد می‌کند. به دلیل انتقال حرارت سریع به عمق ماده، سطح گرم شده به سرعت خنک می‌شود که این پدیده خود-کوئنچینگ نام دارد. این تکنیک برای قطعات حساس با تلورانس دقیق بسیار کارآمد است.

عملیات حرارتی برنز

آلیاژهای مس و قلع یا همان برنزها معمولا برای آزادسازی تنش‌های ناشی از ریخته‌گری یا کار سرد تحت حرارت‌دهی در دمای پایین قرار می‌گیرند تا از ترک خوردن جلوگیری شود. برخی از برنزهای خاص مانند مس-بریلیوم قابلیت پیرسختی دارند و با انجام سیکل‌های انحلال و پیرسازی به استحکام و سختی بسیار بالایی مشابه فولادها می‌رسند.

فرآیندهای مرتبط با برنز شامل موارد زیر است:

• تنش‌گیری قطعات ریختگی: جلوگیری از تغییر ابعاد
• همگن‌سازی ساختار آلیاژ: حذف جدایش‌های شیمیایی
• آنیلینگ برای نرمی: بازیابی قابلیت کار سرد
• پیرسختی آلیاژهای خاص: افزایش استحکام مس بریلیوم
• کوئنچ از دمای بالا: تشکیل محلول جامد فوق‌اشباع
• سرمایش آهسته در کوره: جلوگیری از ایجاد تنش

عملیات حرارتی چدن

چدن‌ها به دلیل داشتن کربن بالا رفتار متفاوتی دارند و عملیات حرارتی چدن اغلب با هدف گرافیت‌زایی یا تبدیل کاربیدها انجام می‌شود. فرآیندهایی مانند آنیلینگ برای بهبود ماشین‌کاری و تنش‌گیری برای پایداری ابعادی در قطعات ریختگی بسیار رایج هستند. کنترل دما از ذوب شدن فازهای یوتکتیک جلوگیری کرده و ساختار زمینه مطلوب را ایجاد می‌شود.

عملیات حرارتی چدن نشکن

در چدن داکتیل، هدف اصلی از سیکل‌های حرارتی تنظیم ساختار زمینه برای دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر مانند چقرمگی بالا است. عملیات حرارتی چدن نشکن، فرآیندی مهم است که منجر به تولید چدن داکتیل آستمپر شده با استحکام کششی فوق‌العاده می‌شود. باید دقت داشت که گرافیت‌های کروی دفرمه نشده و کربن به صورت کنترل‌شده توزیع شود.

عملیات حرارتی چدن خاکستری

چدن خاکستری معمولا برای بهبود قابلیت ماشین‌کاری آنیل شده یا برای افزایش مقاومت سایشی، سطح آن سخت‌کاری القایی می‌شود. تنش‌گیری در این نوع چدن بسیار حیاتی است، زیرا سرعت سرد شدن متفاوت باعث ایجاد تنش‌های شدید می‌شود. دمای فرآیند نباید آن‌قدر بالا باشد که گرافیت‌های ورقه‌ای دچار تغییرات نامطلوب شوند.

عملیات حرارتی پس از جوشکاری

اعمال حرارت کنترل‌شده به ناحیه جوش و مناطق اطراف آن (PWHT) برای تضمین کیفیت اتصال و جلوگیری از شکست‌های ترد در سرویس‌دهی قطعات حیاتی است. عملیات حرارتی پس از جوشکاری، ساختار متالورژیکی ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) را اصلاح کرده و سختی بیش از حد ناشی از انجماد سریع را تعدیل می‌شود.

مزایای این عملیات شامل موارد زیر هستند:

• سختی منطقه جوش کاهش می‌یابد و ریسک تردی جوش کم می‌شود
• هیدروژن از فلز خارج می‌شود و ترک هیدروژنی اتفاق نمی‌افتد
• شکل‌پذیری اتصال افزایش می‌یابد و به این ترتیب جوش قابلیت خمکاری پیدا می‌کند
• تنش پسماند حرارتی آزاد می‌شود و اعوجاج قطعه از بین می‌رود
• مقاومت به ضربه زیاد می‌شود و نهایتا چقرمگی جوش بهبود می‌یابد

عملیات حرارتی پیچ و مهره

اتصالات رزوه‌دار برای دستیابی به گریدهای استحکامی استاندارد نیازمند عملیات کوئنچ و تمپر دقیق هستند تا خواص لازم را کسب کنند. اتمسفر کوره باید خنثی باشد تا از کربن‌زدایی سطح که منجر به کاهش مقاومت خستگی می‌شود، جلوگیری به عمل آید. دمای تمپرینگ نهایی، تعیین‌کننده کلاس استحکامی پیچ است و باید با دقت کنترل شود.

فولاد عملیات حرارتی پذیر

این دسته از فولادها دارای مقدار کربن متوسط و عناصر آلیاژی هستند که امکان تشکیل ساختار مارتنزیت را هنگام سرد شدن سریع فراهم می‌کنند و پاسخ خوبی به سخت‌کاری می‌دهند. قابلیت سختی‌پذیری این آلیاژها اجازه می‌دهد که خواص مکانیکی نه تنها در سطح، بلکه در عمق قطعات ضخیم نیز بهبود یابد و یکنواخت شود.

ویژگی‌های این فولادها عبارتند از:

• کربن سختی را کنترل می‌کند
• عمق سختی بیشتر می‌شود
• ساختار مارتنزیت تشکیل می‌شود
• تحمل نیرو افزایش پیدا می‌کند
• شکنندگی فولاد کاهش می‌یابد
• دانه‌ها کوچکتر و منظم‌تر می‌شوند
• سطح قطعه دیرتر ساییده می‌شود

فولادهای عملیات حرارتی پذیر

فولادهای آلیاژی نظیر MO40 و VCN با انجام سیکل‌های حرارتی خواص مکانیکی بی‌نظیری پیدا می‌کنند و در ساخت شافت‌ها و چرخ‌دنده‌ها استفاده می‌شوند. وجود عناصری مانند کروم و مولیبدن در این آلیاژها، باعث می‌شود تا نمودار TTT جابه‌جا شده و تشکیل مارتنزیت با سرعت‌های سرد کردن کمتر نیز امکان‌پذیر شود.

انتخاب صحیح دمای آستنیته و محیط کوئنچ، برای این فولادها حیاتی است تا از ایجاد ترک جلوگیری شده و سختی مورد نظر حاصل شود. پس از سخت‌کاری، انجام بلافاصله عملیات بازگشت برای دستیابی به چقرمگی نهایی و پیشگیری از شکست‌های ناگهانی در قطعات تحت بار دینامیکی الزامی است.

سیکل عملیات حرارتی چدن پر کروم

چدن‌های سفید پر کروم برای دستیابی به حداکثر مقاومت سایشی نیازمند سیکل‌های خاصی هستند که باعث رسوب کاربیدهای ثانویه و تبدیل زمینه آستنیتی ناپایدار به مارتنزیت می‌شود. این فرآیند که ناپایدارسازی نام دارد، نیازمند نگهداری طولانی در دمای بالا و سپس سرمایش کنترل‌شده با هوا یا فن است.

مراحل سیکل عملیات حرارتی چدن پر کروم عبارتند از:

• دما به نقطه بحرانی می‌رسد و قطعه کاملا سرخ می‌شود
• کاربیدها در زمینه حل می‌شوند و اشباع سازی زمینه رخ می‌دهد
• زمان نگهداری کامل شده تا نفوذ کربن انجام بگیرد
• سرمایش با هوا آغاز می‌شود و دمای قطعه پایین می‌آید
• کاربید ثانویه رسوب می‌کند تا ذرات سخت تشکیل شوند
• زمینه به مارتنزیت تبدیل شده و ماتریکس فلز سخت می‌شود
• تنش‌گیری نهایی انجام می‌گیرد و در نهایت احتمال شکست قطعه کاهش می‌یابد

عیوب متداول در عملیات حرارتی و راهکارهای پیشگیری

در عملیات حرارتی، عیوبی مانند ترک حرارتی (Thermal Crack)، اعوجاج (Distortion)، تردی تمپر (Tempering Brittleness) و کربن‌زدایی (Decarburization) متداول هستند. ترک‌های حرارتی نیز ناشی از سرد شدن سریع و تنش‌های داخلی است که می‌توان با کنترل نرخ سرد کردن و پیش‌گرم‌کردن از بروز آن‌ها جلوگیری کرد. همچنین اعوجاج در قطعاتی با طول زیاد با انتخاب روش کوئنچ مناسب و مارتمپرینگ قابل کنترل است.

از سوی دیگر، تردی تمپر در برخی فولادهای پرآلیاژ در دمای 300-400 سانتی‌گراد رخ می‌دهد که با استفاده از محدوده دمایی ایمن و انتخاب آلیاژ مناسب کاهش می‌یابد. کربن‌زدایی در حین عملیات حرارتی در محیط‌های هوازی اتفاق می‌افتد و با استفاده از محیط‌ها یا پوشش محافظ می‌توان آن را مهار کرد.

تجهیزات مجموعه سخت‌افزا برای بهترین عملکرد در عملیات حرارتی

مجموعه سخت‌افزا مجهز به انواع کوره‌های عملیات حرارتی شامل کوره‌های الکتریکی (Electric Furnace) و موارد دیگر است. همچنین انواع محیط‌های کوئنچ مانند آب، روغن و سیستم‌های خنک‌کننده دقیق و کنترل‌شده در اختیار دارد. این تجهیزات امکان اجرای عملیات‌های سطحی، حجمی و تخصصی روی قطعات حساس را با بالاترین استاندارد فراهم می‌کنند.

روش‌های کنترل کیفیت در سخت‌افزا برای عملیات حرارتی

در مجموعه سخت‌افزا، پس از هر عملیات حرارتی، کنترل کیفیت تخصصی با استفاده از سختی‌سنجی (Hardness Testing) به روش‌های مختلف و متناسب با پروژه و مواد، از جمله با روش‌های راک‌ول (Rockwell)، برینل (Brinell) و ویکرز (Vickers) انجام می‌شود. همچنین، متالوگرافی (Metallography) به منظور بررسی ریزساختار (Microstructure) و اطمینان از تشکیل فازهای موردنظر در قطعه از روش‌های کنترل کیفیت سخت‎‌افزا برای اطمینان ایجاد بهترین نتیجه از عملیات حرارتی هستند.

از دیگر روش‌های رایج می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• تست کشش (Tensile Test)
• تست چقرمگی (Toughness Test)
• بررسی تنش‌های پسماند (Residual Stress Analysis)

خدمات مشاوره عملیات حرارتی در مجموعه سخت‌افزا

ما در مجموعه سخت‌افزا خدمات تخصصی مشاوره در زمینه انتخاب نوع عملیات حرارتی، تنظیم دما و زمان‌بندی فرآیند، طراحی سیکل حرارتی و بهینه‌سازی کیفیت را به صنایع مختلف ارائه می‌دهیم. این مشاوره‌ها بهمنظور افزایش بهره‌وری، کاهش خطا و جلوگیری از عیوب متداول در فرآیندهای حرارتی و بر اساس دانش تخصصی و تجربه طولانی کارشناسان ما در این صنعت ارائه می‌شوند.

مراحل دریافت مشاوره عملیات حرارتی از سخت‌افزا شامل این موارد هستند:

• تحلیل خواص مورد انتظار قطعه
• بررسی ترکیب شیمیایی و ریزساختار اولیه
• انتخاب نوع عملیات حرارتی مناسب
• طراحی دقیق سیکل حرارتی
• تعیین دمای تمپر یا نرماله کردن
• پیشنهاد محیط کوئنچ بهینه

سخت‌افزا؛ مرجع ارائه خدمات مشاوره و اجرای عملیات حرارتی

مجموعه سخت‌افزا با بهره‌گیری از کادر متخصص، تجهیزات پیشرفته و روش‌های کنترل کیفیت دقیق، مرجع تخصصی ارائه خدمات مشاوره، طراحی و اجرای عملیات حرارتی در کشور است. ما در تمامی فرآیندهای حرارتی از آنیل، نرماله، سخت‌کاری تا عملیات سطحی و حرارت‌دهی فلزات غیرآهنی در کنار صنایع بزرگ و حساس هستیم و بهترین خدمات را ارائه می‌دهیم.

سوالات متداول

عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی فرآیندی کنترل‌شده شامل گرمایش و سرمایش فلزات برای تغییر ریزساختار و خواص مکانیکی آن‌ها، بدون تغییر شکل قطعه است.

چرا عملیات حرارتی بر روی فلزات انجام می‌شود؟

برای بهبود خواصی مانند سختی، استحکام، چقرمگی، مقاومت به سایش یا حذف تنش‌های پسماند و بهبود قابلیت ماشین‌کاری.

آنیل کردن چه کاربردی دارد؟

آنیل کردن برای نرم‌کردن فلز، بهبود شکل‌پذیری، حذف تنش‌های داخلی و یکنواخت کردن ساختار دانه استفاده می‌شود.

دیاگرام آهن-کربن چه اطلاعاتی می‌دهد؟

این دیاگرام رابطه دما، درصد کربن و فازهای تعادلی موجود در آلیاژهای آهن را نشان داده و به پیش‌بینی ریزساختار کمک می‌کند.

چرا بعد از سخت‌کاری، تمپرینگ ضروری است؟

تمپرینگ، تردی مارتنزیت حاصل از سخت‌کاری را کاهش داده، چقرمگی و مقاومت به ضربه قطعه را بدون افت شدید سختی افزایش می‌دهد.