ماهیت و طبقه‌بندی در عملیات حرارتی فلزات
به‌طور کلی، یکی از الزامات اساسی در تولید انواع فولاد، آلیاژ و فروآلیاژهای مختلف همچون شمش چدن، فرومنگنز، فروسیلیکو منگنز، فروسیلیس، عملیات و فرآیندهای حرارتی است.
لازم به توضیح است که عملیات حرارتی فلزات، یک فرآیند کنترل شده است که برای اصلاح ریزساختار موادی همچون فلزات و آلیاژها و با هدف افزایش سختی سطح، مقاومت در برابر دما، شکل‌پذیری و استحکام فلزات، انجام می‌پذیرد. به‌عنوان مثال، هنگامی‌که فولاد در معرض تغییرات شدید دمایی قرار می‌گیرد، ساختار داخلی آن تغییر کرده و خواص جدیدی مانند مقاومت، چقرمگی، سختی و… به دست آورد.
به عبارتی، هدف عملیات حرارتی، ایجاد قطعاتی با کیفیت بالا و تضمین خواص مکانیکی (سختی، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی یا اصطکاک) مورد نیاز صنایع مختلف (هوا فضا، خودروسازی، پزشکی و…) است.
در واقع، تغییر خواص یک ماده، این امکان را ایجاد می‌کند که بتوان از آن ماده در کاربردهای خاصی که به درجه‌ای از خواص مکانیکی خاص نیاز دارند، استفاده کرد. به‌عنوان مثال، فولاد پس از عملیات حرارتی می‌تواند سختی بیشتری به دست آورده و برای ساخت ابزارهای برش استفاده شود.
عوامل مهم در عملیات حرارتی فلزات
در عملیات حرارتی فلزات، بخش فلزی به یک کوره عملیات حرارتی وارد شده و در آن حرارت داده می‌شود. سپس این فلزات در مدت زمانی معین و در یک دمای بالا و در یک جو گازی خاص غنی شده با کربن یا نیتروژن، نگهداری می‌شوند. لازم به ذکر است که فرآیند عملیات حرارتی، در نهایت با یک فاز خنک‌کننده کنترل شده به نام کوئنچ به پایان می‌رسد. به‌طور معمول، عملیات حرارتی فلزات بر اساس موارد زیر انجام می‌شود:
- محدودیت های استفاده از قطعات تمام شده (به عنوان مثال، اجزای موتور در معرض شرایط کاری بحرانی قرار دارند و باید دارای سختی سطحی و مقاومت در برابر سایش باشند)
- انواع مواد مورد پردازش (فولادهای ابزار، آلیاژهای مس، فولادهای ضد زنگ برای صنایع غذایی و غیره)
- بحرانی و حیاتی بودن قطعه مورد نظر (به عنوان مثال، قطعات موتور هواپیما در مقایسه با ابزار برش ماشین فرز بسیار حیاتی هستند).
طبقه بندی و انواع عملیات حرارتی
به‌طور کلی انواع عملیات حرارتی فلزات را می‌توان به صورت زیر طبقه بندی نمود:
عملیات حرارتی تمپرینگ
عملیات حرارتی تمپرینگ، یک عملیات حرارتی است که هدف آن افزایش سختی و مقاومت فولاد از طریق افزایش میزان ترکیبات مارتنزیتی در فولاد می‌باشد. در این عملیات، فرآیند سخت شدن به طور کلی در سه مرحله انجام می‌شود: ۱. گرمایش فلز این مرحله شامل افزایش دمای بسیار بالای فلز است. البته میزان دما بر اساس نوع فولاد مورد نظر تعیین می‌شود، به‌عنوان مثال، برای فولاد SAE 1045، دمای کوئنچ تقریبا 805 درجه سانتیگراد است. ۲. یکنواخت کردن درجه حرارت در این مرحله، میزان حرارت در سراسر بدنه فلز یکنواخت شده و برای مدت کوتاهی در دمای ثابت نگه داشته می‌شود. ۳. خنک شدن سریع هنگامی که فلز برای مدتی در دمای معتدل ثابت باقی ماند، باید به سرعت سرد شود. در این بخش، با توجه به نوع فولاد از رساناهای خنک کننده مختلفی همچون آب، روغن، هوا و... استفاده می‌شود. به‌عنوان مثال، فولاد SAE 1045 ، در آب کوئنچ می‌شود.
گرمایش فلز
این مرحله شامل افزایش دمای بسیار بالای فلز است. البته میزان دما بر اساس نوع فولاد مورد نظر تعیین می شود، به عنوان مثال، برای فولاد SAE 1045، دمای کوئنچ تقریبا 805 درجه سانتیگراد است.
یکنواخت کردن درجه حرارت
در این مرحله ، میزان حرارت در سراسر بدنه فلز یکنواخت شده و برای مدت کوتاهی در دمای ثابت نگه داشته می‌شود.
خنک شدن سریع
هنگامی که فلز برای مدتی در دمای معتدل ثابت باقی ماند، باید به سرعت سرد شود. در این بخش، با توجه به نوع فولاد از رساناهای خنک کننده مختلفی همچون آب، روغن، هوا و غیره استفاده می‌شود به عنوان مثال، فولاد SAE 1045 ، در آب کوئنچ می‌شود.
عملیات حرارتی نرمالیزه
عملیات حرارتی نرمالیزه کردن، شامل فرایند آستینه کردن و سپس خنک کردن فولاد می‌باشد. اولین مرحله این است که فلز مورد نظر، با توجه به مشخصات هر فلز و اهداف مورد نظر، به آرامی و تا یک دمای مشخص، گرم می‌شود. به‌عنوان مثال، دمای نرمالیزه برای فولاد SAE 1045 ، 430 درجه سانتیگراد است. لازم به ذکر است که دمای بلوری شدن فولاد یا دمای تبلور، دمایی است که در آن مذاب فولاد به بلور جامد مبدل می‌شود. پس از شکل‌گیری این فرآیند، فرایند خنک‌سازی نمونه فولاد به دست آمده در مجاورت هوا صورت می‌گیرد.
عملیات حرارتی آنیل کردن یا بازپخت
عملیات حرارتی آنیل کردن یا بازپخت، یک عملیات حرارتی است که برای نرم کردن فولاد انجام می‌شود و در واقع، شامل بالا بردن دمای فلز تا زمانی است که دمای آن از دمای معتدل فراتر رود. سپس فلز مورد نظر، در مدت زمانی کنترل شده در یک دمای ثابت نگهداری می‌شود. لازم به ذکر است که معمولا برای ماشین‌کاری مناسب فولاد، از فرآیند آنیل کردن استفاده می‌شود. چراکه این کار، فرایند ماشین‌کاری فولاد را تسهیل می‌کند. در نظر داشته باشید که فرایند بازپخت، یک ریز ساختار فریت_پرلیت داخلی در فولاد ایجاد می‌کند.
عملیات حرارتی سیمان کاری
این فرآیند، شامل افزایش محتوای کربن در سطح فولاد بوده و نتیجه این عملیات حرارتی، تولید فولادی با محتوای کربن بالاتر در سطح آن است. با این روش می‌توان قطعات فلزی سختی را تولید کرد، اما به‌طور کلی این قطعات حاصل شده، شکننده نیستند. لازم به ذکر است که مواد مورد استفاده به‌عنوان عوامل سیمانی، معمولاً مخلوط پودر شده از زغال چوب ، فروسیانید پتاسیم و واریو کربنات است. در این روش، قطعات فولادی توسط مواد غنی از کربن احاطه شده و در جعبه‌های دربسته قرار می‌گیرند. سپس این جعبه‌ها در کوره‌هایی با دمای بالا بین 850 تا 940 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شوند. لازم به ذکر است که زمان تقریبی برای شکل‌گیری هر لایه کربن با ضخامت 0.1میلی‌متری بر روی سطح فولاد، یک ساعت خواهد بود. پس از این عملیات، فولاد مورد نظر را بین 150 تا 250 درجه سانتیگراد با هوا خنک می‌کنند تا تنش‌های داخلی آن از بین برود.
عملیات حرارتی سیانیداسیون
عملیات حرارتی سیانیداسیون، یک عملیات ترموشیمیایی است که معمولا شامل سه نوع سیانیداسیون مایع، سیانیداسیون در اتمسفر گاز و سیانیداسیون در محیط جامد است. به‌عنوان مثال، در سیانیداسیون مایع، محصولات فولادی در معرض نمک‌های سیانید مذاب، حرارت داده می‌شوند. در این فرآیند، به دلیل تشکیل کاربیدها و نیتریدهای آهن، می‌توان سطح فولاد را سخت‌تر کرد. یکی از اشکالات این فرآیند این است که بخارات سیانید سمی‌هستند، بنابراین باید از روش مناسبی برای تماس با این فلزات استفاده کرد. از طرف دیگر، ضخامت سخت شده با این روش، معمولا کمتر از ضخامتی است که با کربورسازی جامد سخت می‌شود.
عملیات حرارتی نیترید کردن
ماهیت عملیات حرارتی نیترید کردن این است که محصولات فولادی مورد نظر در یک محیطی مملو از گازهای حاوی نیتروژن قرار می‌گیرند. به بیانی دیگر، نیترید کردن یک عملیات ترموشیمیایی است که در آن، فولاد مورد نظر در دمای بین 400 تا 525 درجه سانتیگراد در معرض گازهای آمونیاک قرار می گیرد، تا نیتریدهای آهن در سطح آن تشکیل شود. لازم به ذکر است که با این فرآیند می‌توان نسبت به سیمان کاری جامد ، سطوح سخت تری را بدست آورد. خوب است بدانید که فرآیند نیترید کردن معمولاً کند است، زیرا در این روش، برای دست یافتن به ضخامت 0.5 میلی متر سطح نیترید شده، لازم است که قطعه مورد نظر به مدت 60 تا 100 ساعت در معرض جریان آمونیاک قرار گیرد. خوب است بدانید که فولاد نیترید شده از مقاومت بالایی در برابر خوردگی برخوردار است و عمدتاً آن دسته از فولادهای آلیاژی که حاوی مولیبدن، آلومینیوم، کروم و سایر فلزات آهنی است، در معرض نیتریدینگ قرار داده می‌شوند.
سخن پایانی
عملیات حرارتی فلزات نه تنها یک فرآیند تکمیلی، بلکه یک فناوری استراتژیک در مهندسی مواد محسوب می‌شود. با پیشرفت فناوری‌های کنترل دما و محیط‌های عملیاتی (مانند استفاده از اتمسفرهای کنترل‌شده)، دقت و کارایی این فرآیندها در حال افزایش است. انتخاب روش مناسب به عواملی مانند جنس ماده، کاربرد نهایی و هزینه‌ها بستگی دارد و هماهنگی بین این عوامل، کیفیت و عملکرد قطعات را تضمین می‌کند. در آینده، توسعه روش‌های کم مصرف و دوستدار محیط‌زیست (مانند نیترید کردن پلاسمایی) می‌تواند تحول بزرگی در این حوزه ایجاد کند.
