عملیات حرارتی فولاد و مفاهیم و فرآیندهای آن

عملیات حرارتی (یا عملیات حرارتی) شامل مجموعه ای از روش های صنعتی، حرارتی و فلزکاری است که برای اصلاح ویژگی های فیزیکی و شیمیایی یک ماده به کار می رود. عملیات حرارتی از روش‌های گرمایش یا سرمایش تا دماهای شدید برای دستیابی به نتایج مطلوب مانند سخت شدن یا نرم شدن مواد استفاده می‌کند. در این مقاله به بررسی صفر تا ۱۰۰ علمیات حرارتی فولاد و مفاهیم و فرآیندهای آن میپردازیم. با ما همراه باشید.

عملیات حرارتی چگونه کار میکند؟

با قرار دادن مواد در معرض گرمایش یا سرمایش کنترل شده، عملیات حرارتی ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن را تغییر می‌دهد و آن را قوی‌تر، بادوام‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش و پارگی می‌کند. از طریق عملیات حرارتی، فلزات را می توان بهینه کرد تا در شرایط عملیاتی چالش برانگیز بهترین عملکرد را داشته باشند.

فرآیند عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی دنباله ای از فرآیندهای دقیق کنترل شده است که در آن فلزات تا دماهای مشخصی گرم می شوند و سپس به روشی خاص سرد می شوند تا خواص فیزیکی و مکانیکی خود را تنظیم کنند و در عین حال شکل اولیه خود را حفظ کنند.

این فرآیند برای بهبود استحکام، سختی و طول عمر قطعات فلزی و در نتیجه افزایش مقاومت آنها در برابر سایش و فرسودگی حیاتی است. مواد عملیات حرارتی معمولاً در صنعت نفت و گاز برای مقاومت در برابر دما و فشار بسیار بالا مورد استفاده قرار می گیرند که طول عمر و ایمنی تجهیزات را در محیط های سخت تضمین می کند.

گرم کردن، خیساندن (حفظ درجه حرارت بالا) و سرد کردن همه مراحلی از فرآیند هستند که به دقت مدیریت می شوند تا خواص مواد مناسب را بدست آورند. بسته به روش مورد استفاده، فلز را می توان از طریق عملیات حرارتی نرم یا سخت کرد.

اصل اساسی عملیات حرارتی چیست؟

هدف اصلی عملیات حرارتی کنترل درجه حرارت و سرعت خنک شدن یک ماده به منظور تأثیر بر ریزساختار و در نتیجه بر خواص مکانیکی آن است. عملیات حرارتی ساختار کریستالی فلز را تغییر می دهد و سختی، استحکام و شکل پذیری آن را افزایش می دهد.

این فرآیند معمولاً شامل سه مرحله کلیدی است:

حرارت دادن:

فلز تا دمای دقیقی گرم می شود که ریزساختار آن شروع به تغییر می کند.

خیساندن:

فلز برای مدت معینی در این دما نگه داشته می شود تا گرما در تمام مواد نفوذ کند.

خنک سازی:

بسته به نتیجه مورد نظر، فلز با سرعت کنترل شده، به آرامی یا سریع خنک می شود.

این رویکرد در صنعت نفت و گاز بسیار مهم است، زیرا به قطعات اجازه می دهد تا به طور مداوم در محیط های سخت کار کنند، خطر خرابی را کاهش می دهد و طول عمر تجهیزات حیاتی را افزایش می دهد. عملیات حرارتی بخش مهمی از فرآیندهای مختلف صنعتی است و تضمین می کند که فلزات الزامات سختگیرانه مربوط به ایمنی و دوام را برآورده می کنند.

مراحل عملیات حرارتی و صفر تا ۱۰۰ علمیات حرارتی فولاد و مفاهیم و فرآیندهای آن

عملیات حرارتی شامل سه مرحله حیاتی است: گرمایش تدریجی برای دمای یکنواخت، خیساندن در دمای خاص و خنک شدن تا دمای اتاق. این فرآیند خواص فلز را برای افزایش استحکام و قابلیت اطمینان، که در صنایعی مانند نفت و گاز حیاتی است، بهینه می‌کند. تسلط بر این مراحل عملکرد برتر را در ماشین آلات و تجهیزات تضمین می کند.

1. مرحله گرمایش

در مرحله گرمایش اولیه، هدف اصلی اطمینان از گرم شدن یکنواخت فلز است. دستیابی به گرمایش یکنواخت با استفاده از یک فرآیند گرمایش تدریجی انجام می شود. گرمایش ناهموار می تواند منجر به انبساط ناهموار شود و در نتیجه بخش هایی از فلز دچار اعوجاج یا ترک خوردگی شود. میزان گرمایش توسط چندین عامل مهم تعیین می شود:

• رسانایی حرارتی فلز: فلزاتی که رسانایی حرارتی بالاتری دارند سریعتر از آنهایی که رسانایی کمتری دارند گرم می شوند.
• شرایط فلزی: ابزارها و قطعاتی که قبلا سخت شده یا تحت فشار قرار گرفته اند باید با سرعت کمتری نسبت به مواردی که تحت چنین عملیاتی قرار نگرفته اند گرم شوند.
• اندازه و سطح مقطع فلز: قطعات بزرگ‌تر یا ناهموار نیاز به حرارت آهسته‌تری دارند تا دماهای ثابتی در سرتاسر فلز ایجاد شود و خطر ترک خوردن یا تاب برداشتن بیش از حد کاهش یابد.

با در نظر گرفتن این عوامل، کنترل مناسب بر نرخ گرمایش، یکپارچگی فلز را تضمین می کند و خطر نقص در فرآیند عملیات حرارتی را به حداقل می رساند.

2. مرحله خیساندن

مرحله خیساندن به منظور حفظ فلز در دمای مناسب تا رسیدن به ساختار داخلی مطلوب است. مدت زمان “دوره خیساندن” بر اساس تجزیه و تحلیل شیمیایی و جرم فلز تعیین می شود. در مورد ناهمواری های مقطع می توان دوره خیساندن را بر اساس بزرگترین مقطع محاسبه کرد.

به طور کلی توصیه می شود که دمای فلز را به طور ناگهانی از دمای اتاق به دمای خیساندن افزایش ندهید. در عوض، از یک رویکرد گرمایش تدریجی استفاده می‌شود، که فلز را درست زیر دمایی که ساختار تغییر می‌کند، می‌آورد و سپس آن را نگه می‌دارد تا دما در سراسر فلز ثابت شود

این مرحله “پیش گرم کردن” با حرارت دادن سریعتر برای رسیدن به دمای مورد نیاز نهایی دنبال می شود. برای قطعات با طراحی پیچیده، ممکن است چندین لایه پیش گرم برای جلوگیری از تاب برداشتن لازم باشد. با رعایت این شیوه ها، مرحله خیساندن فلز به ساختار داخلی مطلوب دست می یابد.

3. مرحله خنک کننده

در مرحله خنک‌سازی، فرآیند برگرداندن فلز به دمای اتاق بسته به نوع فلز تحت درمان متفاوت است. ممکن است به محیط های خنک کننده مختلف مانند گازها، مایعات، جامدات یا ترکیبی از آنها نیاز باشد. سرعت خنک شدن توسط فلز خاص و محیط خنک کننده انتخاب شده تعیین می شود. این تصمیمات نقش مهمی در دستیابی به خواص مطلوب فلز دارند.

کوئنچ یک روش خنک‌کننده سریع است که با استفاده از محیط‌هایی مانند هوا، روغن، آب، آب نمک یا موارد دیگر به دست می‌آید. معمولاً با سخت شدن همراه است، زیرا اکثر فلزات سخت شده از طریق کوئنچ به سرعت سرد می شوند. با این حال، ذکر این نکته ضروری است که همه فرآیندهای خنک‌سازی سریع منجر به سخت شدن نمی‌شوند. به عنوان مثال، کوئنچ آب برای بازپخت مس استفاده می شود و برخی از فلزات از طریق خنک شدن آهسته سخت می شوند.

در خاموش کردن احتیاط ضروری است، زیرا به طور بالقوه می تواند برخی از فلزات را بشکند یا منحرف کند. به طور کلی، آب نمک یا آب می تواند به سرعت فلز را خنک کند، در حالی که مخلوط روغن برای خنک شدن کندتر مناسب تر است. با پیروی از دستورالعمل های کلی، می توانید از آب برای سخت شدن فولادهای کربنی، روغن برای سخت شدن فولادهای آلیاژی و آب برای خاموش کردن فلزات غیر آهنی استفاده کنید.

انواع عملیات حرارتی چیست؟ و صفر تا ۱۰۰ علمیات حرارتی فولاد و مفاهیم و فرآیندهای آن

به طور کلی، چندین نوع عملیات حرارتی وجود دارد که معمولاً استفاده می شود.

1. آنیل کردن

بازپخت یک روش عملیات حرارتی است که ویژگی‌های فیزیکی و گاهاً شیمیایی یک ماده را تغییر می‌دهد تا شکل‌پذیری آن را افزایش داده و سختی آن را کاهش دهد و در نتیجه آن را برای پردازش بیشتر کارآمدتر کند.

در آلیاژهای آهنی، فرآیند بازپخت معمولاً شامل حرارت دادن فلز بالاتر از دمای بحرانی بالایی آن و سپس سرد کردن آن با سرعت بسیار پایین است که منجر به تشکیل پرلیت می شود. برای فلزات خالص و آلیاژهای خاصی که نمی توانند تحت عملیات حرارتی قرار گیرند، از بازپخت برای از بین بردن سختی ناشی از کار سرد استفاده می شود.

2. نرمال سازی

نرمال کردن یک فرآیند تصفیه فلز است که در آن فلز زیر نقطه ذوب خود گرم می شود و سپس در هوا خنک می شود تا انعطاف پذیرتر شود. در طول فرآیند نرمال سازی، فولاد تا حدود 40 درجه سانتیگراد بالاتر از حد دمای بحرانی بالایی خود گرم می شود. سپس قبل از سرد شدن در هوای اطراف، برای مدت معینی در این دما نگه داشته می شود.

3. کاهش استرس

تنش زدایی روشی است که برای حذف تنش های پسماند انباشته شده در طی فرآیندهای تولید قبلی به کار می رود. این تکنیک شامل حرارت دادن به دمای کمتر از Ac1 (قابل استفاده برای فولادهای فریتی) و حفظ آن در آن دما برای مدت زمان مورد نیاز، برای دستیابی به کاهش مطلوب در تنش‌های پسماند است.

تنش زدایی یک عمل مکرر است که برای مواردی مانند مخازن هوا، دیگ های بخار و سایر مخازن تحت فشار اعمال می شود تا تنش های ایجاد شده در طول فرآیند جوشکاری را از بین ببرد.

4. به منتهای زمان رسیدن یا فرآیند پیری در عملیات حرارتی

شامل افزایش دمای یک آلیاژ برای تغییر خواص آن است. از طریق یک سکانس در عملیات حرارتی، این فرآیند تغییرات در خواص یک آلیاژ را تسریع می کند.

برخی از فلزات در رده فلزات سخت‌کننده بارش قرار می‌گیرند. هنگامی که این آلیاژها خاموش می شوند، عناصر آلیاژی آنها در محلول به دام می افتند که منجر به حالت فلزی نرم می شود. پیری بعدی فلز “محلول شده” انتشار عناصر آلیاژی را در سراسر ریزساختار امکان پذیر می کند و ذرات بین فلزی را تشکیل می دهد.

5. خاموش کردن

کوئنچ کردن به سرد شدن سریع یک جسم فلزی اشاره دارد که با غوطه ور کردن آن در روغن یا آب، از دمای بالا که در آن شکل گرفته است حاصل می شود.

کوئنچ یک فرآیند خنک‌سازی سریع است که برای فلزات اعمال می‌شود، در درجه اول برای ایجاد دگرگونی مارتنزیت. در آلیاژهای آهنی، این منجر به افزایش سختی می شود، در حالی که آلیاژهای غیر آهنی معمولاً نرم تر از حد معمول می شوند.

6. معتدل کردن

تمپرینگ یک فرآیند عملیات حرارتی است که برای افزایش چقرمگی آلیاژهای مبتنی بر آهن استفاده می شود. فولاد مارتنزیتی حرارت نیافته دارای سختی بالایی است اما برای استفاده عملی در بیشتر کاربردها بسیار شکننده است. برای رفع این مشکل از تلطیف استفاده می شود.

تمپر کردن برای قطعات خاموش شده در اکثر کاربردها ضروری است. این شامل حرارت دادن فولاد زیر دمای بحرانی پایین تر است (معمولاً از 400 درجه فارنهایت تا 1105 درجه فارنهایت یا 205 درجه سانتیگراد تا 595 درجه سانتیگراد بسته به نتایج مورد نظر) برای ایجاد سطح خاصی از استقامت.

7. عملیات حرارتی انتخابی

عملیات حرارتی دیفرانسیل که به عنوان عملیات حرارتی انتخابی یا موضعی نیز شناخته می‌شود، یک روش عملیات حرارتی است که برای سخت کردن یا نرم کردن نواحی خاصی از یک جسم استفاده می‌شود و در نتیجه سطح سختی متفاوتی بین این نواحی ایجاد می‌شود.

8. عملیات سرما و سرما

درمان برودتی فرآیندی است که در آن اجسام در دمای برودتی (معمولاً در حدود -300 درجه فارنهایت / 184- درجه سانتیگراد، یا حتی تا 190- درجه سانتیگراد (-310 درجه فارنهایت)) پردازش می شوند. این فرآیند روی فولادها و سایر آلیاژهای فلزی مانند آلومینیوم برای حذف تنش‌های پسماند و افزایش مقاومت در برابر سایش اعمال می‌شود.

اگرچه کوئنچ کردن فولاد منجر به تبدیل آستنیت به مارتنزیت می شود، اما همه آستنیت به طور کامل تبدیل نمی شود. برخی از بلورهای آستنیت ممکن است بدون تغییر باقی بمانند حتی پس از خاموش شدن در زیر دمای پایان مارتنزیت

9. کربن زدایی

کربن زدایی به از دست دادن کربن در ناحیه مجاور سطح ماده اشاره دارد گاهی اوقات از فولاد گرمایشی برای اصلاح محتوای کربن آن استفاده می شود. هنگامی که فولاد در حضور اکسیژن گرم می شود، آهن با اکسیژن ترکیب می شود و یک لایه اکسید آهن ایجاد می کند که از کربن زدایی محافظت می کند.

بطور خلاصه صفر تا ۱۰۰ علمیات حرارتی فولاد و مفاهیم و فرآیندهای آن شامل آنیل کردن، نرمال کردن، کاهش تنش در فلز، کوئنچ کردن، کربن زدایی و معتدل سازی فلز برای افزایش سختی و استقامت فلز و محافظت از فلز در موارد مصرف مختلف میباشد.