فرایندهای عملیاتی حرارتی

عملیات حرارتی، فرایند گرم كردن و سرد كردن فلزی جامد برای رسیدن به خواص مطلوب و دلخواه می‌باشد. دلایلی كه باعث انجام عملیات حرارتی می‌شوند به شرح زیر است:
- تنش‌زدایی، تنش‌های ناشی از عملیات و فرایندهای تولید
- ریز كردن دانه‌بندی
- افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به‌وجود آوردن مركز نرم‌تر در داخل قطعه
- بهبود خواص فولاد به منظور اقتصادی كردن جایگزینی بعضی از انواع ارزان‌تر فولاد به جای انواع گران آن
- افزایش جذب انرژی ضربه فولاد
- بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار
- بهبود خواص الكتریكی
- تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی

در این مقاله فرایندهای عملیات حرارتی به اختصار معرفی خواهند شد.
● فرایندهای عملیات حرارتی

۱) نرمالایزینگ
این عملیات برای همگن كردن و ریز كردن دانه‌ها انجام می‌شود. فولاد در عملیات نرمالایزینگ بعد از قرار گرفتن در دمای آستنیته شدن در هوای آرام یا با دمش اندك هوا خنك می‌شود. به خاطر خصوصیات ذاتی فرایند ریخته‌گری، عملیات نرماله برای بلوم‌های ریخته شده پیش از انجام هر فرایند دیگری انجام می‌شود. همچنین به‌طور معمول برای قطعات ریخته شده و فورج شده پیش از عملیات آب دادن، عملیات نرماله انجام می‌شود.

۲) آنیلینگ
عنوان آنیلینگ به‌طور كلی به فرایندی اطلاق می‌شود كه در آن فلز تا دمای خاصی گرم می‌شود، سپس در آن دما برای مدتی نگهداری شده و با سرعت مشخص سرد می‌شود. این عملیات برای به دست آوردن فلزی نرم‌تر از حالت شروع عملیات یا ایجاد تغییرات دلخواه در ساختار فلز انجام می‌شود.
دلایل انجام آنیلینگ به شرح زیر است:
- بهبود قابلیت ماشینكاری
- امكان انجام راحت‌تر عملیات كار سرد
- بهبود خواص مكانیكی یا الكتریكی
- افزایش پایداری ابعادی

۳) تنش‌زدایی
تنش پس‌ماند به دلایل مختلف در قطعات ایجاد می‌شود. نورد، ریخته‌گری، آهنگری، خمكاری، آب دادن، سنگ زدن و جوشكاری از جمله منابع ایجاد تنش پس‌ماند در قطعه می‌باشند. در این عملیات، قطعه تا دمای حدود c۵۹۵ حرارت داده می‌شود و سپس به آرامی تا دمای اتاق سرد می‌شود. قسمت‌های درون قطعه نیز باید به دمای مذكور رسیده باشند. در هنگام سرد كردن به این نكته توجه كنید كه تمام نقاط قطعه به‌طور یكنواخت سرد شود خصوصاً در مورد قطعاتی كه پیچیدگی ابعادی دارند. در غیر این صورت مجدداً تنش پس ماند در قطعه ایجاد خواهد شد.

۴) سخت‌كاری سطحی
در این عملیات سطح سخت و با مقاومت بالای سایشی بر روی قطعه ایجاد می‌شود و در عین حال ساختار داخلی قطعه نرم باقی می‌‌ماند كه در برابر ضربه كاملاً مقاومت دارد. سطح سخت شده به عنوان پوسته (Case) و داخل قطعه با عنوان مغز (Core) شناخته می‌شود. معمولاً بعد از عملیات سخت‌كاری سطحی باید عملیات برگشت برای بهبود خواص پوسته انجام شود. یكی از روش‌های سخت‌كاری سطحی، كربوراسیون است. این روش به ۳ صورت كربوره گازی، كربوره مذاب و كربوره جامد انجام می‌شود. در هر روش كربن از محیط اطراف قطعه كه گاز، مذاب یا جامدات است به داخل سطح فولاد كه در دمای حدود ۸۵۰ تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد قرار دارد نفوذ كرده و بعد از انجام عملیات آب دادن با ایجاد فاز سخت مارتنزیت باعث افزایش سختی سطح قطعه می‌شود. فولاد مناسب برای انجام عملیات كربوره در حدود ۲/۰ درصد كربن دارد و بعد از انجام عملیات كربوره، میزان كربن در سطح به مقدار ۸/۰ تا ۱ درصد خواهد رسید.

۵) آب دادن
اصطلاح آب دادن به فرایند ایجاد ساختار مارتنزیتی در فولاد اطلاق می‌شود. در این حالت فولاد بعد از قرار گرفتن در دمای آستنیته كه معمولاً در حدود ۸۱۵ تا ۸۷۰ درجه سانتیگراد می‌باشد به سرعت سرد می‌شود.

۶) محیط خنك‌كننده
انتخاب شرایط سرد شدن و محیط مناسب برای هر فولاد بستگی به میزان سختی‌پذیری آن دارد. ضخامت مقاطع و شكل و پیچیدگی قطعه و سرعت مناسب سرد شدن از عوامل مؤثر بر ایجاد ساختارهای متفاوت در حین عملیات آب دادن می‌باشند. محیط‌های خنك‌كننده غالباً گازی یا مایع می‌باشند. بعضی از انواع آن عبارتند از:
- روغن
- آب
- پلیمرهای مذاب
- آب به تنهایی یا همراه با نمك
- گازهای خنثی نظیر هلیم، آرگون و نیتروژن كه به عنوان محیط‌های خنك‌كننده گازی بعد از عملیات آستنیته كردن در خلاء، استفاده می‌شوند.

۷) بازگشت دادن
این عملیات بر روی فولادها یا قطعاتی كه تحت عملیات آب دادن یا نرمالایزینگ قرار گرفته‌اند به منظور افزایش چقرمگی۸ و كاهش سختی انجام می‌شود. عملیات بازگشت برای اغلب فولادها با حرارت دادن آنها در محدوده دمایی ۲۰۵ تا ۵۹۵ درجه سانتیگراد و نگه داشتن در آن دما برای مدت یك ساعت یا بیشتر انجام می‌شود. دما یا زمان بیشتر باعث كاهش سختی و استحكام بیشتر فولاد خواهد شد. ساختار ایجاد شده بعد از عملیات بازگشت در فولاد به عنوان مارتنزیت برگردانیده شده یا Temperd Martensit شناخته می‌شود.

مشخصات عمومی کوره های حمام نمک‏:


از جمله خصوصیات کوره های حمام نمک انتقال حرارت سریع به ‏قطعه و نیز جلوگیری از تغییر ترکیب شیمیایی قطعه با در نظر گرفتن ‏انتخاب نمک مناسب میباشد. این فرایند، فرایندی سریع با حرارت دادن ‏یکنواخت و بازده بالا است. حمامهای نمک در محدوده وسیعی از ‏عملیاتهای حرارتی از جمله، سخت کردن عمومی، کربوره کردن ‏مایع، نیتروره کردن مایع، کربونیتروره، آستمپرینگ، مارتمپرینگ و ‏تمپر کردن به کار میروند. این عملیات برای فلزات آهنی و غیر آهنی ‏متداول میباشد. قطعات در این کوره ها به وسیله انتقال حرارت ‏رسانایی گرم شده و منبع گرما نمک مذاب میباشد. اگر چه سطع قطعه ‏در تماس با نمک قرار میگیرد ولیکن مرکز قطعه نیز تقربیا با همان ‏سرعت سطح گرم میشود و حمام نمک دمای کل قطعه را با سرعت ‏یکسان افزایش میدهد. روشهای دیگر انتقال حرارت یعنی تابش و ‏همرفت نمی توانند حرارت را به طور یکنواخت و سریع به تمام ‏قسمتهای قطعه منتقل کنند ولی در حمام نمک میتوان گرما را سریع و ‏یکنواخت به قطعه منتقل کرد. به عنوان مثال یک میله با قطر 25 ‏میلیمتر میتواند در 4 دقیقه در حمام نمک به دمای حمام برسد، در ‏حالی که 20 تا 30 دقیقه زمان برای رسیدن به دمای مشابه در روش ‏تابشی و همرفتی نیاز است. در این روش حدود 93 تا 97 درصد ‏انرژی بطور مستقیم صرف حرارت دادن قطعه میشود. در کوره های ‏اتمسفری 60 درصد انرژی صرف حرارت دادن میشود و 40 درصد ‏از حرارت به وسیله دود و غبار هدر میرود. از جمله مشخصات دیگر ‏این کوره ها حفاظت سطحی قطعه و جلوگیری از پیچش و تاب ‏خوردن آن میباشد. به دلیل اینکه حمامهای نمک نباید حاوی اکسیژن و ‏دی اکسیدکربن و بخار آب باشند. قطعات غوطه ور شده از تشکیل لایه ‏های اکسید سطح محافظت میشوند. حذف اکسیژن احتمالی موجود در ‏حمام با وارد کردن زغال چوب و سوختن آن در حمام انجام میگیرد ‏دکربوره شدن سطح قطعات فولادی نیز که ناشی از وجود اکسیژن و ‏دی اکسیدکربن است. در حمامهای نمک صورت نمیگیرد. بررسی ‏خاصیت کربن دهی و یا کربن گیری حمام با وارد کردن ورقه های ‏فولادی نازک صورت میگیرد. چنانچه پس از خارج کردن، ورقه ‏فولادی غوطه ور شده نرم تر شده باشد حمام با خاصیت کربن زدایی ‏دارد و اگر خم کردن آن سخت تر باشد حمام کربوره کننده است. حمام ‏نمک یکی از روشهای توصیه شده برای کاهش اثرات مضر حرارت ‏دادن غیر یکنواخت که میتواند باعث تغییر اندازه و شکل قطعه گردد. ‏در حمامهای نمک به دلیل گرم شدن یکنواخت قسمتهای مختلف قطعه ‏این اثرات از بین میرود. محدوده تغییر دما در حمام نمک 3 درجه ‏سانتیگراد و با توجه به نوع طراحی میباشد. لایه جامد ایجاد شده در ‏اطراف قطعه، قطعه را از گرم شدن سریع اولیه و اثرات شوکهای ‏حرارتی محافظت می نماید در ادامه با ذوب شدن این لایه دما کاملا ‏یکنواخت خواهد شد. در انتخاب یک نمک برای شرایط کاری خاص ‏باید به نکات زیر دقت داشت: ‏
‏-‏ نمک بایستی محدوده دمایی کاری مناسب با توجه به دمای ‏مورد نیاز داشته باشد. ‏
‏-‏ نمک نقطه ذوب مناسبی داشته باشد تا مانع از طولانی شدن ‏زمان ذوب و گرمای لازم برای ذوب گردد.‏
‏-‏ نمک به کار رفته باید با سایر نمکهای و سوختهایی که در ‏سیکل عملیات حرارتی مورد نظر به کار میروند سازگار باشد.‏
‏-‏ نمک مورد نظر باید قابلیت جایگزینی و تغییر را داشته باشد.‏
‏-‏ نمک باید به آسانی شسته شود تا بتوان لایه ایجاد شده برروی ‏سطح قطعه را بعد از عملیات حرارتی به راحتی با شستشو از ‏بین برد.‏
در حمامهای نمک مقداری ‏از آهن جذب حمام میشود و به علت تماس با هوا به اکسید آهن تبدیل ‏میشود و میتواند باعث کربن زدایی سطح قطعه گردد. بنابراین با ‏اضافه کردن چند قطعه آجر سیلیسی به حمام مذاب میتوان آهن موجود ‏را به صورت سرباره حذف کرد. در کربن دهی به روش مایع در ‏حمامهای سیانوری نمک شامل 10 تا 15 درصد سیانور سدیم و ‏پتاسیم، حداکثر 40 درصد کربنات سدیم و مقادیر متفاوتی از کلرید ‏سدیم، پتاسیم و یا باریم در محدوده 850-950 درجه سانتیگراد ‏میباشد. در حمامهای سیانوری معمولا از سیانور سدیم استفاده میشود و ‏از سایر نمکها برای تنظیم غلظت کربن و کنترل دما استفاده میشود. ‏مقدار کربن و نیتروژن جذب شده به درصد سیانور و دمای حمام ‏بستگی دارد. هر چه ضخامت سخت شدن بیشتری نیاز باشد دمای ‏بالاتری انتخاب میشود. به دلیل سمی بودن بخارات، باید با هواکش ‏قوی بخارات از محیط خارج شوند و مواد زاید باقی مانده قبل از ورود ‏به پس آبها تجزیه شوند. با توجه به این مشکلات در مورادی حمامهای ‏بدون سیانید به کار میروند به صورتی که کربن به شکل پودر توسط ‏همزن وارد مذاب میگردد و در محدوده دمایی 955‏ċ‏-900 فقط کربن ‏وارد سطح میشود.