آیا دلایل عملیات حرارتی فلزات را می‌دانید؟

عملیات حرارتی فلزات و آلیاژهای فلزی عبارت است از گرم و سرد کردن آن‌ها در حالت جامد، به طوری که خواص و یا حالت ویژه‌ای در آن‌ها بوجود آید.

دلایل عملیات حرارتی

در عملیات حرارتی فولادها معمولاً یکی از اهداف زیر دنبال می‌شود:

1. تنش گیری حاصل از کار یا تنش گیری حاصل از سرد کردن ناهمگن
2.  بهینه سازی ساختار دانه در فولادهایی که بر روی آن‌ها کارگرم انجام شده است و ممکن است دانه‌های درشت داشته باشند.
3.  بهینه سازی ساختار دانه
4.  کاهش سختی و افزایش قابلیت شکل پذیری
5.  افزایش سختی فولاد به منظور زیاد شدن مقاومت سایشی و یا سخت کردن فولاد برای مقاومت بیشتر در شرایط کاری.
6. افزایش چقرمگی فولاد به منظور تولید فولادی با استحکام بالا و انعطاف پذیری خوب و افزایش مقاومت فولاد در برابر ضربه.
7.  بهبود خواص برش در فولادهای ابزار
8. بهبود قابلیت ماشینکاری
9. بهینه کردن خواص مغناطیسی فولاد
10.  بهبود خواص الکتریکی فولاد

چند روش اصلی عملیات حرارتی

در زیر جزئیات چند روش اصلی عملیات حرارتی توضیح داده شده است که عبارت است از:

1.  آنیل کامل
2. یکنواخت سازی همگن کردن
3. سخت گردانی
4. بازپخت
5. تنش زدایی

در ادامه هر یک از موارد فوق را بررسی خواهیم کرد.

1. آنیل کامل

عبارت است از نرم کردن فولاد از طریق حرارت دادن یا سرد کردن، به طوری که فولاد به آسانی خم و یا بریده می‌شود.

در این روش فولاد را تا دمای  915C بالاتر از دمای انتقال گرم کرده و سپس آن را به آرامی سرد می‌کنند تا این که دما آن به درجه حرارت مناسبی برسد. خصوصیات بارز در آنیل کامل عبارتند از:

الف) گرم کردن تا بالای دمای بحرانی

ب) سرد کردن آرام در کوره. لذا بهبود خواص ماشینکاری و قابلیت تغییر فرم فولاد، متاثر از عملیات آنیل است.

2. یکنواخت سازی همگن کردن

این فرایند همانند فرایند آنیل است، با این تفاوت که در این روش فولاد را در هوا سرد می‌کنند. این عمل خیلی سریع‌تر از سرد کردن در کوره انجام می‌شود.
یکنواخت سازی به چند منظور انجام می گیرد: ریز کردن دانه‌های درشت، یکنواخت‌تر نمودن ساختمان فولاد و بهبود قابلیت ماشینکاری.

3. سخت گردانی

سخت گردانی فولاد با استفاده از کوئنچ (سریع سرد کردن) انجام می‌شود، به این ترتیب که فولاد را از دمای آستنیته به سرعت سرد می‌کنند. برای این که فولاد سریع تر سرد شود، آن را در آب یا نمک کوئنچ می‌کنند. بعضی از فولادهای آلیاژی را در روغن و بعضی فولادهای پر آلیاژ را در هوا کوئنچ می‌کنند.
هر فولادی در اثر کوئنچ و ایجاد ساختار کاملاً مارتنزیتی، سخت می‌شود، از آنجای که سختی فولاد با استحکام آن رابطه مستقیم دارد، بنابراین فولادی که ساختار آن 100 درصد مارتنزیت است، حداکثر استحکام را دارد، حداکثر استحکام را دارد، اما باید توجه داشت که استحکام تنها یکی از خواص مورد نظر در کاربرد فولاد نیست و ممکن است برخی از خواص دیگر فولاد مانند شکل پذیری و… مورد نظر باشند.
قابلیت سخت شدن (سختی پذیری) فولاد به نوع فولاد (ترکیب شیمیایی)، اندازه و ابعاد قطعه، دمای سخت کردن و روش سرد کردن بستگی دارد. با افزایش درصد عناصر آلیاژی، کاهش ابعاد و اندازه قطعه و ساده بودن شکل قطعه،افزایش دمای سخت کردن و روش های کوئنچ غیر مستقیم، سختی پذیری افزایش می‌یابد. معمولاً پس از کوئنچ، فولاد سخت و شکننده خواهد شد، لذا برای بهبود قابلیت انعطاف پذیری، باید فولاد را بازپخت کرد.

4. بازپخت

بدین صورت است که فولاد کوئنچ شده را تا دمای زیر دمای انتقال (915 c ) حرارت داده و مدتی نگه می‌دارد و مجدداً تا دمای اتاق کاهش می‌دهند. این عمل باعث سخت شدن فولاد می‌گردد. برای اغلب فولادها بهترین دمای بازپخت دمای 250c بیشتر دمای 200 کاربرد دارد (مدت زمان نگهداری در این دما بسیار مهم است)

5. تنش زدایی

وقتی که فلز را در دمای بالا حرارت می‌دهند، فلز منبسط می‌شود و برعکس هنگامی که فلز را از دمای بالا سرد می‌کنند، انقباض صورت می‌گیرد. در حین جوشکاری یا آهنگری وقتی که یک قسمت از لوله یا ورق فولادی بیشتر از قسمت‌های دیگر گرم می‌شود، تنش‌های داخلی زیادی در فولاد بوجود می‌آید.

در حین گرم شدن فولاد، قسمت‌های منبسط شده جایی برای قرارگیری ندارند، بنابراین قطعه تغییر فرم می‌دهد. گرم کردن فولاد در دمای پایین تر از دمای آستنیته را تنش زدایی می‌گویند. این عمل همانند بازپخت کردن است، با این تفاوت که یک سری از تنش‌های داخلی که در حین ماشینکاری ایجاد شده به وسیله حرارت دادن از بین می‌روند، دمای آستنیته کردن بستگی به میزان کربن و عناصر آلیاژی فولاد دارد.

عملیات حرارتی برخی از فولادهای کاربردی

مشخصه فولاد St 37-2 DIN: (1.0037) SAE: 1015 این فولاد، جز فولادهای ساده کربنی است. دارای قابلیت آهنگری بالا و فرم پذیری خوبی است. همچنین دارای قابلیت جوشکاری عالی است. عملیات حرارتی پیشنهادی جهت این فولاد به شرح ذیل می‌باشد:

آهنگری

قطعه را تا دمای 1290 c حرارت می‌دهند و در زیر دمای 925 آهنگری نمی‌شود.

همگن سازی (یکنواخت سازی)

قطعه را تا دمای 925 حرارت می‌دهند و سپس در هوا سرد می‌کنند.

آنیل

قطعه را تا دمای 885 حرارت می‌دهند و سپس آن را به آرامی (ترجیحاً در کوره) سرد می‌کنند.

سخت گردانی

قطعه از طریق کربن دهی و یا کربو نیتروره سخت می‌شود، در شرایطی که سختی با عمق کم مدنظر باشد، از روش کربو نیتروره استفاده می‌کنند ولی در شرایطی که سختی با عمق بیشتری مدنظر باشد، از روش کربن دهی استفاده می‌گردد.

کربونیت روره

قطعه در دمای 760 تا 870 کربو نیتروره می‌شود. معمولاً اتمسفر آن دارای گاز حامل غنی شده گرماگیر و تقریباً % 10 آمونیاک خشک است.

250 میلی متر است جهت حصول ماکزیمم سختی، می‌توان قطعه / عمق پوسته سخت شده بین 8/ . تا 25 را از دمای کربو نیتروره بطور مستقیم و روغن کوئنچ کرد همچنین می‌توان جهت کربو نیتروره از حمام های نمک مذاب شامل سیانید و یا سیانید آزاد استفاده کرد.

تحت بازپخت قرار گیرند تا بدون از دست دادن سختی سطح، پس از این عملیات، باید نمونه‌ها در دمای 150 تا 205 شکنندگی فولاد کاهش یابد.

کربن دهی

فرآیند کربن دهی بیشتر در اتمسفری که شامل متان و گازهای حامل است انجام می‌گیرد. محدوده دمایی در این مرحله بین 955 است. 870 تا پتانسیل کربن در این محیط 90 درصد است، مدت زمان کربن دهی برای این نوع فولاد، به مدت 4 ساعت در دمای 955 حداکثر است.

سخت گردانی (کوئنچ) پس از کربن دهی

معمولاً کوئنچ پس از کربن دهی با یکی از روش‌های زیر انجام می‌گیرد:

1. قطعه را از دمای کربن دهی، در آب یا آب نمک کوئنچ می‌کنند.

2. پس از این که عملیات کربن دهی کامل شده، برای کامل شدن دوره نفوذ، دمای کوره را کاهش می‌دهند و یا این که در کوره‌های پیوسته دما را به 845 می‌رساند، سپس قطعه را در آب یا آب نمک کوئنچ می‌کنند.

3. پس از کربن دهی قطعه را تا دمای معمولی آهسته سرد کرده و مجدداً تا دمای 815 دوباره گرم کرده، سپس آن را در آب یا آب نمک کوئنچ می‌کنند.

سخت گردانی کامل در قطعاتی که ضخامت آن‌ها کمتر از 6.35 -9.53 6 میلی متر باشد را در روغن کوئنچ می‌کنند. جهت کربن دهی، نیز می‌توان از کربن دهی مایع در حمام مذاب نمک استفاده کرد.

مشخصه فولاد St52 DIN: (1.0570) SAE: 1524

این فولاد قابلیت سختی پذیری قابل ملاحظه ای دارد. این فولاد را می‌توان به دو روش کربو نیتروره و کربن دهی سخت گردانی سطحی نمود.

43HRC یا بیشتر است. جوشکاری این فولاد باید با دقت انجام شود، چرا که وجود HRC سختی نهایی این فولاد پس از کوئنچ منگنز بالا باعث افزایش مقدار کربن معادل و نهایتاً انجام عملیات پیشگرم و پسگرم بر روی قطعه شود. این فولاد نیز قابلیت آهنگری خیلی خوبی دارد.

آهنگری

قطعه را تا دمای 1245 حرارت می‌دهند و آن را در دمای کمتر از 900 آهنگری نمی‌کنند.

یکنواخت سازی

این فولاد را تا دمای 925 حرارت می‌دهند و سپس آن را در هوا سرد می‌کنند.

آنیل

قطعه را تا دمای 900 c حرارت می‌دهند و سپس آن را تا دمای 675 در کوره با سرعت کمتر از C28 در ساعت سرد می‌کنند.

سخت گردانی سطحی

روش کربن دهی آن نیز همانند فولاد 37 St روش کربو نیتروره جهت حصول عمق سختی کم همانند فولاد ST37

کوئنچ مستقیم

قطعه در دمای 885 آستنیته شده و سپس در روغن یا آب نمک کوئنچ می‌شود. انتخاب هر یک از این محیط‌ها به ضخامت قطعات بستگی دارد.

ترتیب انجام مراحل کاری

1. یکنواخت سازی
2. آنیل
3. ماشینکاری خشن
4. آستنیت سازی
5. تند سرمایی
6. بازپخت (اختیاری)
7. ماشینکاری پرداخت

مشخصه فولاد CK45 DIN:(1.1191) SAE :1045

این فولاد جز گروه فولادهای کربن متوسط محسوب می‌شود. قابلیت عملیات حرارتی مناسب و سختی پذیری قابل ملاحظه‌ای دارد. عملیات حرارتی کاربردی فولادها عبارت است از:

آهنگری

قطعه را تا دمای 1245c حرارت می‌دهند و در دمای کمتر از  870 آهنگری نمی‌شود.

یکنواخت سازی

قطعه را تا دمای 900 حرارت می‌دهند و سپس در هوا سرد می‌کنند.

آنیل

قطعه را تا دمای 845 حرارت می‌دهند و سپس با سرعت کمتر از 28 c در ساعت تا دمای 650 در کوره سرد می‌کنند.

سخت گردانی

قطعه را در دمای 845 آستنیته کرده و سپس در آب یا آب نمک کوئنچ می‌کنند، قطعاتی که ضخامت آن‌ها کمتر از 6.35 میلی متر است در روغن کوئنچ می‌شوند. در این شرایط حداقل سختی حاصله قبل از بازپخت (اختیاری) 55 HRC در صورت لزوم، جهت کاهش سختی می‌تواند انجام پذیرد.

در ادامه به مقالات بیشتری در رابطه با عملیات حرارتی فلزات اشاره خواهد شد.