0
04136674922

عملیات حرارتی فولادها، به زبان ساده و کاربردی

در این نوشته، عملیات حرارتی فولادها را بسیار کاربردی، در حد امکان ساده شده و بدون ورود به مباحث تخصصی متالورژیکی توضیح داده ایم. 

 

 

بشر در طول سالیان طولانیِ کار با آهن و فولاد به یک نتیجه ی جالبی رسیده است و آن اینکه: با گرم و سرد کردن کنترل شده ی فولادها در حالت جامد (بدون ذوب و منجمد کردن مجدد آن)، می توان خواص کاربری قطعات، ابزار و تجهیزات فولادی را بهبود و یا تغییر داد. برای مثال، بشر در قرون قبل از میلاد توانسته بود با انجام یک سری عملیات گرم و سرد کردن بر روی شمشیرها و ادوات جنگی، از شکنندگی آن ها بکاهد.

 

هدف عملیات حرارتی (Heat Treatment)، دادن بهترین ویژگی های ممکن به قطعات با توجه به کاربرد آن ها است. عملیات حرارتی فولادها در حالت جامد، با تغییر ساختار میکروسکوپی یا فازی آن ها، خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مطلوبی به فولادها می دهد و می تواند اثر بزرگ تری نسبت به تغییرات ترکیب شیمیایی در آن ها داشته باشد. در واقع، بدون تغییر ترکیب شیمیایی فولادها، می توان با عملیات حرارتی، قابلیت ها و خواص بالاتری به فولادهای پست تر (از نظر ترکیب شیمیایی) بخشید. برای مثال، با عملیات حرارتی مناسب، می توان سختی و استحکام یک فولاد کربنی را در حد یک فولاد آلیاژی افزایش داد و یا از شکنندگی یک فولاد پر کربن پیشگیری نمود. 

 

وقتی در پروسه ی تولید، فولاد از دمای مذاب تا دمای اتاق سرد می شود، میکروساختار فازی آن ممکن است به نحوی باشد که نیاز به نرم یا سخت کردن فولاد برای انجام سایر مراحل تولیدی (مثل ماشینکاری) بر روی قطعه و کارکرد مناسب آن در سرویس کاری باشد. برای اینکه بتوانیم تغییری در سختی، استحکام، انعطاف پذیری، ماشینکاری پذیری و سایر خواص قطعه فولادی به وجود آوریم، معمولاً ساختار فازی آن را باید تغییر دهیم. انجام این تغییر در ساختار فازی، چگونه ممکن است؟

 

ساختار فازی فولادها در دمای اتاق می تواند شامل فازهای پرلیت، فریت، سمنتیت، مارتنزیت، بینیت و یا مخلوطی از آن ها به همراه درصدی آستنیت باقیمانده باشد. هدف از عملیات حرارتی اینست که زمینه ی فازی غالب در ساختار فولادمان را به یک فازی تبدیل کنیم که بتواند خواص مورد نظر ما را تامین بکند. تولید این فاز انتخابی، در صورتی که فولاد دارای قابلیت های لازم باشد، با یک سیکل عملیات حرارتی مناسب ممکن است.

 


برای آشنایی با ریز ساختار فولادها، نوشته زیر از عصر مواد به شما توصیه می شود:

معرفی ساده و کاربردی ریزساختار فولادها: فریت، آستنیت، پرلیت، مارتنزیت و بینیت


 

در حالت کلی، عملیات حرارتی شامل دو مرحله است:

  

گرم کردن فولاد:

 

در این مرحله، فولاد را تا یک ناحیه ی دمایی مشخص گرم می کنند. این ناحیه دمایی، ناحیه ای است که فازهای موجودی که در ساختار فولاد وجود دارند از بین بروند و به جای آن، ساختار فازی دیگری تشکیل بشود. اگر در دیاگرام تعادلی آهن-کربن (شکل ۱) دقت کنید، این اتفاق می تواند در بالای ۷۲۷ درجه سانتیگراد (بالای خط A1) بیفتد. در این ناحیه دمایی، فاز آستنیت تشکیل می شود و با افزایش دما نیز، فازهای قبلی حل و آستنیت بیشتری به وجود می آید. مشخص شده است که ناحیه ی تشکیل تک فاز آستنیت در دیاگرام تعادلی آهن-کربن، تابعی از دما و درصد کربن فولاد است. برای تشکیل تک فاز آستنیت لازم است تا حداقل دمای گرم شدن فولاد را بر حسب درصد کربن آن مشخص کنیم. برای مثال، حداقل دمای گرم شدن فولاد برای تشکیل تک فاز آستنیت برای یک فولاد ساده کربنی با ۰٫۵، ۰٫۷۶ و ۱٫۵ درصد کربن به ترتیب حدود ۷۲۷، ۸۰۰ و ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد است. به فرایندی که منجر به تشکیل فاز آستنیت در گرم کردن فولاد می شود آستنیته کردن می گویند.

 

 

شکل ۱ – دیاگرام تعادلی آهن – کربن

 

 

سرد کردن فولاد:

 

پس از اینکه فولاد در ناحیه دمایی بالاتر از ۷۲۷ درجه سانتیگراد  (بالای خط A1) برای مدت زمان مشخصی حرارت دید و تمام یا بخش زیادی از فازهای موجود تبدیل به فاز آستنیت شد، نوبت به مرحله بعدی عملیات حرارتی می رسد که مربوط به نحوه ی سرد کردن فولاد تا دمای اتاق است. این مرحله ای است که در آن، آستنیت به فازهای دیگر تبدیل می شود. در واقع آستنیت فازی است که با سرد شدن فولاد از دمای ۷۲۷ درجه سانتیگراد، قابل تبدیل به فازهای پرلیت، فریت، سمنتیت، مارتنزیت و بینیت است. تشکیل این فازها از آستنیت تابعی از آهنگ سرد شدن و ترکیب شیمیایی فولاد است. در این مرحله باید کاری بکنیم که آستنیت به ساختار فازی مورد نظر ما تبدیل شود و این رمز نتیجه بخش بودن یک سیکل عملیات حرارتی است.

 

فوت و فن بیشتر روش های عملیات حرارتی در همین دو نکته نهفته است:

 

  • فولاد را تا چه دمایی گرم کنیم و چقدر در این دما نگه داریم؟

 

  • پس از گرم کردن فولاد، آن را با چه سرعتی، در چه محیطی و چگونه سرد کنیم؟

 

 

با این مطالب گفته شده، اکنون وقت آن رسیده است که انواع عملیات حرارتی متداول در صنعت را به صورت ساده، مختصر و کاربردی معرفی کنیم:

 

 

  •  آنیل یا بازپخت:

 

به شکل ۲ دقت کنید. اگر یک فولاد ساده کربنی را در ناحیه ی مشخص شده (ناحیه تیره در بالای خط های A1 و A3 با توجه به درصد کربن) گرم و سپس آن را به آهستگی (معمولاً در کوره) سرد کنیم، یک ساختار نرمی در فولاد تشکیل می شود. به این نوع عملیات حرارتی، آنیل یا بازپخت می گویند. هدف عمده از عملیات آنیل یا بازپخت، از بین بردن سختی فولاد و نرم کردن آن برای آسان نمودن عملیات شکل دهی، ماشینکاری و براده برداری از آن است.

 

شکل ۲ – ناحیه دمایی آنیل کردن فولاد کربنی

 

 

  • نرماله کردن:

 

به شکل ۳ دقت کنید. اگر یک فولاد ساده کربنی را در ناحیه ی مشخص شده (ناحیه تیره در بالای خط های Acm و AC3 با توجه به درصد کربن) گرم کنیم و زمان بدهیم تا یک ساختار تک فاز آستنیتی تشکیل شود و سپس آن را در هوا سرد کنیم، ساختار سخت تری نسبت به ساختار حاصل از فولاد آنیل شده تشکیل می شود. به این عملیات نرماله کردن می گویند.

 

شکل ۳ – ناحیه دمایی نرماله کردن فولاد کربنی

 

 

  • سخت کاری، آبدهی یا کوئنچ فولاد:

 

اگر فولاد را تا ناحیه تشکیل آستنیت گرم کنیم و سپس آن را سریع سرد کنیم، به نحوی که به جای فازهای دیگر، فاز سخت مارتنزیت تشکیل شود، گفته می شود که فولاد سخت کاری، آبدهی و یا کوئنچ شده است. برای سخت کاری مناسب، گرم کردن فولاد معمولاً در ناحیه ای مثل ناحیه مشخص شده در شکل ۲ (عملیات آنیل) انجام می گیرد. برای آب دادن یا کوئنچ انواع مختلف فولادها، سرد کردن آن ها در محیط هایی مثل آب، هوا، روغن، محلول های نمکی، حمام مذاب فلزی، محلول های پلیمری، گازهای مایع و غیره انجام می شود.

 

 

  • تمپر یا بازگشت:

 

کوئنچ یا آبدهی فولاد یک عملیات نهایی نیست. به علت تنش های داخلی ایجاد شده در ضمن سریع سرد شدن، قطعات آبدهی شده نسبتاً ترد و شکننده اند و اگر مستقیماً مورد استفاده قرار گیرند، عمر کوتاهی خواهند داشت. به همین دلیل همواره لازم است پس از کوئنچ، یک عملیات حرارتی دیگر به نام تمپر یا بازگشت بر روی قطعه انجام بگیرد. هدف اصلی از عملیات بازگشت، افزایش قابلیت چکش خواری و مقاومت به ضربه، کاهش شکنندگی، حذف یا کاهش تنش های داخلی و کاهش سختی مازاد است. برای انجام این عملیات، پس از سرد شدن فولاد کوئنچ شده، آن را تا دمایی مشخص گرم کرده و نگه می دارند. این دما برای فولادهای مختلف متفاوت ولی معمولاً بین ۱۷۵ تا ۷۰۵ درجه سانتیگراد است. پس از آن، فولاد را به آهستگی تا دمای اتاق سرد می کنند.

 

 

 

  • سخت کاری سطحی:

 

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت بوده و در عین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه خوبی نیز برخوردار باشند. در برخی موارد نیز، عملیات حرارتی بر روی قطعات با اشکال پیچیده ممکن است موجب تاب برداشتن شدید قطعه شود ولی از سوی دیگر، نیاز است تا حداقل سطح این قطعه سخت و مقاوم به سایش هم باشد. در چنین مواردی، سخت کاری فولاد به قشر سطحی آن محدود می شود. سخت کاری سطحی معمولاً به دو روش انجام می گیرد:

۱- عملیات حرارتی موضعی بدون تغییر در ترکیب شیمیایی سطح مثل سخت کاری القایی و شعله ای

۲- سخت کاری با تغییر در ترکیب شیمیایی سطح مثل کربن دهی یا سمانتاسیون، نیتروژن دهی و غیره

 

 

  • سخت کاری القایی:

 

در این نوع عملیات حرارتی، سطح قطعه آستنیته و سپس سریع سرد می شود. این کار با حرارت دادن سطح به کمک یک سیم پیچ هادی که از آن جریان متناوب با فرکانس زیاد عبور می کند انجام می شود. پس از گرم و آستنیته کردن، بلافاصله قطعه را معمولاً با آب فشان های موجود سریع سرد می کنند.

 

 

 

 

  • کربن دهی یا سمانتاسیون:

 

فولادهایی که مقدار کربن کمتر از ۰٫۳ درصد دارند، معمولاً آب نمی گیرند یا سخت کاری نمی شوند. برای سخت کاری سطحی این فولادها، مقدار کربن سطحی آن ها را به روش کربن دهی یا سمانتاسیون افزایش می دهند و سپس فولاد را آستنیته و سریع سرد می کنند. به این ترتیب، سطح قطعه سخت می شود.

 

 

  • تنش گیری:

 

عملیات تنش گیری به منظور حذف یا کاهش تاثیرات مخرب و نامطلوب تنش های داخلی قطعه انجام می گیرد. تنش های داخلی حاصل از فرایندهای جوشکاری، کار سرد، ماشینکاری، سرد شدن غیر یکنواخت نقاط مختلف قطعه در عملیات حرارتی و غیره، ممکن است منجر به تاب برداشتن و اعوجاج قطعه، ترک خوردن و یا انهدام قطعه در تنش هایی به مراتب کمتر از تنش طراحی بشود. به همین دلایل، عملیات حرارتی تنش گیری از اهمیت زیادی برخوردار است. برای این منظور، فولاد را تا یک درجه حرارت مشخصی زیر ناحیه آستنیته شدن گرم و مدتی نگه می دارند، سپس به صورت یکنواخت سرد می کنند.

 

 

 

 

 

 

 

ارسال دیدگاه