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) نرمالایزینگ۱
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) آنیلینگ۲
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) تنش‌زدایی۳
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 سطحی۴
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 دادن۵
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 خنك‌كننده۶
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 دادن۷
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.
در شكل یك، محدود دمایی انجام عملیات حرارتی با توجه به دیاگرام فازی آهن- كربن نشان داده شده است.

نویسنده : مجتبی موسوی
پانوشت‌ها:
۱. Normalizing
۲. Annealing
۳. Stress Relieving
۴. Surface H ardening
۵. Quenching
۶. Quenching Media
۷. Tempering
منبع:
۱. Heat treater&#۰۳۹;s Guide, Practices and Procedures for Irons and Steels- ۲nd Edition- ۱۹۹۵- ASM

منبع : ماهنامه صنعت خودرو