عملیات حرارتی به عنوان عملیاتی تعریف می‌شود که شامل گرم کردن و سرد کردن یک فلز یا یک آلیاژ در حالت جامد برای به دست آوردن خواص مطلوب بدون تغییر ترکیب است. فرآیند عملیات حرارتی برای تغییر اندازه دانه، اصلاح ساختار ماده و کاهش تنش‌های ایجاد شده بر روی مواد پس از کار سرد یا گرم انجام می‌شودو برای بهبود قابلیت ماشینکاری، برای بهبود خواص مغناطیسی و الکتریکی، برای افزایش مقاومت در برابر سایش، گرما و خوردگی، انجام می شود. عملیات حرارتی شامل گرم کردن فلز نزدیک یا بالاتر از دمای بحرانی آن است که برای مدت زمان خاصی نگه داشته می شود و در نهایت فلز در محیطی که ممکن است هوا، آب و نمک های مذاب باشد، خنک شود. فرآیند عملیات حرارتی شامل بازپخت کردن، سخت شدن کیس، تمپر کردن، نرمال کردن و خاموش کردن، نیترید کردن، سیانی کردن و... است. با مسلط شدن به انتخاب فولاد و عملیات حرارتی، شناسایی و انتخاب مواد مهندسی می توان با استفاده از نرم افزار کلید فولاد اطلاعاتی جامع و گسترده از ویژگی های فولاد ها کسب کرد. انواع مختلف فرآیندهای عملیات حرارتی به شرح زیر است:
1-آنیل کردن
2-عادی شدن
3-سخت شدن
4-معتدل کردن
5-نیتریدینگ
6-سیانی شدن
7-سخت شدن القایی
8-سخت شدن شعله
*آنیل کردن:
بازپخت یکی از مهمترین فرآیندهای عملیات حرارتی است. یکی از پرکاربردترین در عملیات حرارتی آهن و فولاد است و به عنوان فرآیند نرم شدن تعریف می شود. گرمایش از 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی و خنک کردن آن با سرعت بسیار پایین با جستجوی آن در کوره امکان پذیر است. هدف اصلی بازپخت این است که فولاد را انعطاف پذیرتر و چکش خوارتر کند و تنش های داخلی را حذف کند. این فرآیند، فولاد را نرم می‌کند تا بتوان آن را به راحتی ماشین کاری کرد.
هدف از آنیل:
* فولاد را نرم می کند و ماشین کاری آن را بهبود می بخشد.
* برای پالایش اندازه دانه و حذف گازها.
* تنش های داخلی ایجاد شده در فرآیند قبلی را حذف می کند.
* برای به دست آوردن شکل پذیری، چکش خواری و چقرمگی مطلوب.
* خواص الکتریکی و مغناطیسی را تغییر می‌دهد.
بسته به محتوای کربن، فولاد تا دمایی در حدود 50 تا 55 درجه سانتی گراد بالاتر از محدوده دمایی بحرانی خود گرم می شود. بسته به نوع کوره و ماهیت کار، برای مدت زمان معینی در این دما نگهداری می شود. سپس به فولاد اجازه داده می شود تا به طور مداوم در داخل کوره خنک شود..
کاربرد آنیلینگ:
برای ریخته گری و آهنگری اعمال می شود.
*عادی سازی:
هدف اصلی از نرمال سازی حذف تنش های داخلی ایجاد شده پس از فرآیند کار سرد است. در این، فولاد 30 تا 50 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای بحرانی بالایی خود گرم می شود و آن را در هوا خنک می کند.
خواص مکانیکی و الکتریکی، ماشین کاری و استحکام کششی را بهبود می بخشد. عادی سازی فرآیند عملیات حرارتی است که برای بازگرداندن ساختار به حالت عادی انجام می شود.
هدف از عادی سازی:
*ترویج یکنواختی ساختار.
*برای اطمینان از پالایش دانه.
*ایجاد تغییرات مطلوب در خواص فولاد.
رویه عادی سازی:
فولاد تا دمای حدود 40 تا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی بالایی خود گرم می شود. برای مدت کوتاهی در این دما نگهداری می شود. سپس به فولاد اجازه داده می شود تا در هوای ساکن در دمای اتاق خنک شود که به عنوان خاموش کردن هوا شناخته می شود.
کاربرد نرمال سازی:
برای اصلاح ساختار دانه و کاهش تنش ها از ریخته گری و آهنگری استفاده می شود. پس از کار سرد مانند نورد، مهر زنی و چکش زدن اعمال می شود.
*سخت شدن:
در این فرآیند، فولاد 30 تا 40 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی گرم می‌شود و سپس با خاموش کردن در آب یا روغن، خنک‌شدن تا دمای اتاق ادامه می‌یابد. این فرآیند برعکس آنیل کردن است.
هدف از سخت شدن:
* با سخت شدن باعث افزایش سختی فولاد می شود.
* برای مقاومت در برابر پوشیدن.
* به فولاد اجازه می دهد تا فلزات دیگر را برش دهد.
روش برای سخت شدن:
فولاد بالاتر از محدوده دمای بحرانی خود گرم می شود. برای مدت معینی در آن دما نگه داشته می شود. سپس فولاد به سرعت در یک محیط کوئنچ سرد می شود. محیط کوئنچ با توجه به درجه سختی مورد نظر انتخاب می شود. هوا، آب، روغن ها و نمک های مذاب به عنوان مواد خاموش کننده استفاده می شود. یک بخش نازک مانند تیغه چاقو در هوا خنک می شود. آب به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد اما منجر به تشکیل حباب در سطح فلز می شود. از این رو برای جلوگیری، از محلول آب نمک استفاده می شود. روغن زمانی استفاده می شود که خطر اعوجاج روی ترک ها وجود داشته باشد و برای فولادهای آلیاژی مناسب است. نمک های مذاب برای خنک کردن بخش نازک برای به دست آوردن محصولات بدون ترک و مقاوم در برابر ضربه استفاده می شود.
کاربرد سخت شدن:
برای اسکنه، پتک، چکش دستی، پانچ مرکزی، شیرآلات، قالب، فرز، تیغه چاقو و چرخ دنده استفاده می شود.
*معتدل کردن:
هنگامی که فرآیند سخت شدن یک نمونه فولادی را سخت می کند، شکننده می شود و تنش پسماند بالایی دارد. این عملیاتی است که برای اصلاح خواص فولاد سخت شده توسط کوئنچ به منظور افزایش سودمندی آن استفاده می شود. تمپر کردن یا کشش منجر به کاهش شکنندگی و حذف کرنش های داخلی ناشی از سخت شدن می شود. فولاد پس از فرآیند سخت شدن باید تمپر شود.
با توجه به سودمندی فولاد مورد نیاز، تمپر به سه دسته تقسیم می شود:
* تعدیل در دمای پایین.
* حرارت متوسط.
*اعتدال در دمای بالا.
هدف از تعدیل:
* برای از بین بردن استرس داخلی ناشی از سخت شدن.
* برای کاهش شکنندگی.
* بهبود شکل پذیری، استحکام و چقرمگی.
* برای افزایش مقاومت در برابر سایش.
* برای به دست آوردن خواص مکانیکی مورد نظر.
روش تمپر:
فولاد پس از خاموش شدن در فرآیند سخت شدن مجدداً تا دمای کمی بالاتر از محدوده دمایی که در آن استفاده می شود خواهد رسید، اما کمتر از دمای بحرانی پایین تر گرم می شود. دما در اینجا از 100 درجه سانتیگراد تا 700 درجه سانتیگراد متغیر است. گرم کردن مجدد در حمام روغن یا سرب مذاب یا نمک مذاب انجام می شود. نمونه برای مدتی در حمام نگه داشته می شود تا به دمای یکنواخت برسد، زمان بستگی به ترکیب و کیفیت مطلوب فولاد دارد. اکنون نمونه را از حمام خارج کرده و اجازه دهید به آرامی در هوای ساکن خنک شود.
کاربرد Tempering:
برای ابزارهای برش، ابزار و چرخ دنده ها که با فرآیند سخت شدن سخت می شوند، اعمال می شود.
*نیتروژن دهی:
نیتریدینگ فرآیند سخت شدن سطحی است که در آن از گاز نیتروژن برای به دست آوردن پوست سخت فلز استفاده می شود. در این فرآیند فولاد در حضور محیط آمونیاک گرم می شود. به همین دلیل، یک اتم نیتروژن رسوب می‌کند و مواد را سخت می‌کند. اجسام سخت شونده القایی و سخت شدن شعله توسط شعله اکسی استیلن گرم می شوند.
هدف نیتریدینگ:
* برای سخت شدن سطح فولاد تا یک عمق مشخص.
* افزایش مقاومت در برابر سایش و خستگی.
* برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی.
روش نیتریدینگ:
این کار در کوره الکتریکی انجام می شود که دمای آن بین 450 تا 510 درجه سانتیگراد حفظ می شود. این قطعه به خوبی ماشینکاری و تکمیل شده است، در یک محفظه دربسته با لوله‌های خروجی و ورودی قرار می‌گیرد که گاز آمونیاک از طریق آن به گردش در می‌آید. ظرف با قطعه در کوره قرار می گیرد و در حین گرم شدن کوره گاز آمونیاک از آن عبور می کند. در طی فرآیند گرمایش گاز نیتروژن از آمونیاک به صورت نیتروژن اتمی آزاد می شود که با سطح قطعه واکنش داده و نیترات آهن را تشکیل می دهد. عمق ورودی بستگی به مدت زمان صرف شده در دمای نیتریدینگ دارد. قطعه خارج شده و نیازی به کوئنچ یا عملیات حرارتی بیشتر ندارد.
کاربرد نیتریدینگ:
برای سخت شدن سطح فولادهای آلیاژی کربن متوسط استفاده می شود.
*سیانی شدن:
سیانی شدن: در این فرآیند فولاد در حضور محیط سیانید سدیم گرم می شود. به همین دلیل اتم های کربن و نیتروژن روی سطح فولاد رسوب می کنند و آن را سخت می کنند.
هدف سیانیدینگ:
این روش برای افزایش حد خستگی قطعات متوسط و کوچک مانند چرخ دنده، شفت، پین مچ دست و غیره همچنین برای افزایش سختی سطح، افزایش مقاومت در برابر سایش، برای دادن ظاهری تمیز، روشن و دلپذیر به سطح سخت شده موثر است.
تولید برای سیانی کردن:
قطعاتی که باید درمان شوند در حمام نمک سیانید مذاب که در دمای 950 درجه سانتیگراد نگهداری می شود غوطه ور می شوند. نمک های مذاب مورد استفاده عبارتند از کلرید سدیم، کربنات سدیم، سیانید سدیم و خاکستر سودا. ماده غوطه ور شده در نمک سیانید مذاب در دمای 950 درجه سانتیگراد حدود 15 تا 20 دقیقه باقی می ماند. از تجزیه سیانید سدیم نیتروژن و کربن از مونوکسید کربن حاصل می شود که در سطح پخش می شود و باعث سخت شدن سطح می شود. سپس قسمت را از حمام خارج کرده و در آب یا روغن خاموش می کنند.
کاربرد سیانور:
برای اقلام کوچک مانند چرخ دنده ها، پیچ ها، پین ها و ابزارهای دستی کوچک استفاده می شود که به سطح نازک و مقاوم در برابر سایش نیاز دارند.
Case Hardening or Surface Hardening:
هدف اصلی این فرآیند این است که تنها سطح خارجی فولاد سخت و هسته داخلی نرم شود. این فرآیند کربوریاسیون است، یعنی اشباع لایه سطحی فولاد با کربن، یا فرآیند دیگری که در آن مورد سخت شده و هسته نرم باقی می‌ماند.
هدف از سخت شدن کیس:
* برای به دست آوردن مقاومت سخت و سایش در برابر قطعات ماشین.
* با سخت شدن موردی، یک هسته سخت به دست می آید.
* برای به دست آوردن حد خستگی بالاتر و خواص مکانیکی بالا در هسته.
هدف از عملیات حرارتی فولاد:
*برای بهبود خواص مکانیکی مانند استحکام کششی، سختی، شکل پذیری، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر خوردگی.
* ماشین کاری را بهبود بخشید.
*برای کاهش تنش های داخلی ناشی از فلز در حین کار سرد یا گرم.
* برای تغییر یا اصلاح اندازه دانه.
*بهبود خواص مغناطیسی و الکتریکی.
*افزایش مقاومت در برابر سایش و خوردگی.
* برای افزایش سختی سطح.
نویسنده: مهندس مصطفی عینعلی کارشناس دپارتمان مهندسی مواد گروه آموزشی پارس پژوهان
