تمپر کردن آهن و فولاد و هر آنچه باید درباره آن بدانید!!!
تمپر کردن آهن، نوعی عملیات حرارتی است که در آن حرارت و تغییر شکل در سرتاسر قطعه هدف رخ می‌دهد. لازم به ذکر است که این عملیات حرارتی، یک فرآیند نسبتاً پیچیده و مسئولانه است. که تفاوت‌های ظریف زیادی داشته و انجام آن بایستی توسط متخصصان این حوزه صورت پذیرد. جهت شناخت بهتر این عملیات حرارتی، پیشنهاد می‌کنیم تا انتهای مطلب همراه ما باشید.
عملیات حرارتی چیست؟
عملیات حرارتی، از ارکان اساسی در فرایند تولید انواع آلیاژهای مختلف همچون فولاد، شمش چدن و فروآلیاژهای مختلف همچون فرومنگنز، فروسیلیس ، فروسیلیکو منگنز است. این عملیات، به‌عنوان روند تعریف می‌شود که شامل گرم کردن و خنک کردن یک فلز یا یک آلیاژ در حالت جامد برای به دست آوردن برخی خواص مطلوب بدون تغییر ترکیب است. لازم به ذکر است که فرآیند عملیات حرارتی برای تغییر اندازه دانه، اصلاح ساختار مواد و کاهش تنش های ایجاد شده بر روی مواد انجام می‌شود.
فرآیند عملیات حرارتی شامل بازپخت، تمپر کردن فولاد، نرماله کردن فولاد، خاموش کردن، نیترید کردن و… است که مهم‌ترین اهداف استفاده از آن را می‌توان به این شرح ارائه داد:
- بهبود قابلیت ماشینکاری فلزات
- بهبود خواص مغناطیسی و الکتریکی
- افزایش مقاومت فلزات در برابر سایش، گرما و خوردگی و ...
ماهیت عملیات
یکی از متداول‌ترین روش‌های عملیات حرارتی فلزات، تمپر کردن است. با کمک تمپر کردن آهن و آلیاژهای مختلف است که ویژگی های مورد نیاز محصول نهایی شکل می‌گیرد. و اجرای نادرست آن می‌تواند منجر به نرمی‌بیش از حد فلز (سخت نشدن) یا شکنندگی بیش از حد آن (گرم شدن بیش از حد) شود. شایان ذکر است که منظور از تمپر کردن که به آن سخت شدن محصولات آلیاژی نیز گفته می‌شود، فرایند گرم کردن فلز تا دمای بحرانی و سپس خنک کردن آن است. به عبارتی، هدف اصلی این عملیات حرارتی، افزایش سختی و استحکام فلز و در عین حال کاهش شکل پذیری آن است.
تمپر کردن فلز چیست؟
این واقعیت که تأثیر دمای بالا بر فلز می‌تواند ساختار و خواص آن را تغییر دهد، توسط آهنگران باستانی شناخته شده بود و به طور فعالانه از این ویژگی استفاده می‌کردند. بعدها از نظر علمی‌مشخص شد که سخت شدن محصولات ساخته شده از فولاد و چدن، که شامل گرمایش و متعاقباً خنک کردن فلز می‌شود، می‌تواند به طور قابل توجهی:
- ویژگی‌های مکانیکی محصولات نهایی را بهبود بخشید.
- عمر مفید چدن و فولاد را افزایش دهد.
- حتی در نهایت با افزایش استحکام، وزن فلز مورد نظر را کاهش دهد.
شایان ذکر است که تمپر کردن قطعات ساخته شده از فولاد ارزان قیمت موجب می‌شود تا ویژگی‌های مورد نیاز به آن‌ها داده داشته و این فلزات به جای آلیاژهای گران قیمت‌تر، مورد استفاده قرار گیرند.
فولاد چگونه سخت می‌شود؟
روند تمپر کردن فولاد به این شرح است که این فلز تا دمای بحرانی گرم می‌شود (که بر ساختار آن تأثیر می‌گذارد) و پس از آن، با غوطه‌ور شدن در آب یا روغن، به سرعت سرد می‌شود. لازم به توضیح است که میزان حرارت در روند تمپر کردن، در درجه اول به نوع فولاد، ابعاد و شکل قطعه کار بستگی دارد. پس از سخت شدن فلز، خنک‌سازی قطعه از اهمیت بالایی برخوردار است.
در نظر داشته باشید که عملیات حرارتی محصولات فلزی از جمله تمپر کردن فولاد، نه تنها موجب افزایش سختی و استحکام آلیاژ می‌شود، بلکه تنش‌های داخلی ساختار آن را نیز به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. این تنش‌ها می‌تواند منجر به شکستگی قطعه در حین کار شود و باید محصول فولادی مورد نظر را از این تنش‌ها آزاد کرد.
انواع تمپر کردن آهن و محصولات فولادی
انواع مختلفی از سخت شدن و تمپر کردن آهن و محصولات فولادی وجود دارد و بسته به دمای گرمایش، زمان و سرعت اجرای آن، زمان نگهداری قطعه در حالت گرم شده و در یک دمای مشخص و همچنین سرعت خنک‌سازی، می‌توان به آلیاژهایی با درجه سختی متفاوت دسترسی داشت. شایان ذکر است که مهم‌ترین پارامتر در تمپر کردن آهن و سخت شدن سایر فلزات، دمای گرمایش است که در آن، شبکه اتمی فلز هدف، بازآرایی می‌شود. به طور طبیعی، برای فولادهای با گریدهای مختلف، مقدار دمای بحرانی بسته به سطح کربن موجود در ترکیب آن‌ها و همچنین ناخالصی های مختلف، متفاوت است.
پس از تمپر کردن آهن و فلزات مختلف، هم سختی و هم شکنندگی قطعه افزایش یافته و هم معمولاً لایه‌ای رسوب بر روی سطح آن ظاهر می‌شود که حاصل از دست دادن مقدار قابل توجهی کربن است.
نکات مهم در روند این عملیات و آلیاژهای مختلف
لازم به ذکر است که هنگام تمپر کردن آهن و آلیاژهای مختلف، بسیار مهم است که از نرخ خنک‌کننده معین قطعه اطمینان حاصل شود. در غیر این صورت، ساختار اتمی از قبل بازآرایی شده فلز می‌تواند به حالت میانی برود. در همین حال، خنک شدن بیش از حد سریع نیز نامطلوب است، زیرا می‌تواند منجر به شکل‌گیری ترک بر روی قطعه یا تغییر شکل آن شود. برای جلوگیری از ایجاد چنین عیوبی، پس از کاهش دمای فلز گرم شده تا 200 درجه سانتی‌گراد، سرعت خنک سازی تا حدودی کاهش می‌یابد. لازم به توضیح است که برای سخت شدن و تمپر کردن با کیفیت فلزات، مهم است که نه تنها از سطح گرمایش، بلکه از یکنواختی آن در سرتاسر قطعه نیز اطمینان حاصل شود. اگر قطعه عظیم باشد یا دارای پیکربندی پیچیده‌ای باشد، می‌توان تنها با استفاده از چندین رویکرد، از یکنواختی گرمایش آن اطمینان حاصل کرد.
نحوه جلوگیری از تشکیل رسوب و کربن زدایی در حین عملیات
بسیاری از قطعات فولادی پس از اتمام کار تمپر کردن، سخت می‌شوند. در بسیاری از مواقع، پس از اتمام عملیات، لایه‌ای از رسوب بر روی قطعات ایجاد می‌شود که چندان مطلوب نیست. لازم به ذکر است که روش‌های متعددی برای سخت شدن و تمپر کردن محصولات فولادی وجود دارد که می‌تواند از بروز چنین مشکلی جلوگیری نماید. یک روش ساده برای جلوگیری از کربن زدایی سطح فلز و تشکیل رسوب در هنگام کوئنچ، استفاده از براده‌های چدنی است. به منظور محافظت از سطح قطعه هنگام گرم شدن، آن را در ظرف مخصوصی شامل براده‌های چدنی قرار می‌دهند. همچنین برای جلوگیری از ورود هوای محیط به داخل ظرف (که می‌تواند موجب فرآیندهای اکسیداسیون شود)، ظرف را با دقت از بیرون با خاک رس می‌پوشانند.
علاوه‌بر این، اگر بعد از سخت شدن فلز، قطعه مورد نظر، نه در روغن، بلکه در حمام نمک، سرد شود، بایستی به طور مرتب (حداقل دو بار در هر شیفت) اکسید زدایی شود تا از کربن زدایی سطح قطعه و ظاهر شدن اکسید روی آن جلوگیری شود. از اسید بوریک، نمک قهوه‌ای یا زغال چوب می‌توان برای اکسید زدایی حمام نمک استفاده کرد.
نتیجه‌گیری
در پایان، عملیات تمپر کردن به‌عنوان یکی از مراحل کلیدی در فرآیند عملیات حرارتی، نقش به‌سزایی در بهینه‌سازی خواص مکانیکی فلزات، به ویژه فولاد، ایفا می‌کند. با اجرای صحیح این فرآیند، می‌توان به ترکیبی متوازن از سختی، استحکام و مقاومت در برابر سایش دست یافت، در حالی که از شکنندگی و ترک‌خوردگی قطعات جلوگیری می‌شود.
با توجه به پیچیدگی‌های موجود در فرآیند تمپر کردن، از جمله کنترل دقیق دما، زمان نگهداری و نرخ خنک‌سازی، توصیه می‌شود این عملیات تحت نظارت متخصصان مجرب و با استفاده از تجهیزات مناسب انجام شود. همچنین، بهره‌گیری از روش‌های پیشرفته برای جلوگیری از کربن زدایی و اکسیداسیون سطحی، نظیر استفاده از گازهای بی‌اثر یا پوشش‌های محافظ، می‌تواند کیفیت نهایی قطعات را به‌طور قابل‌توجهی ارتقاء دهد.در نهایت، درک عمیق از اصول متالورژیکی و توجه به جزئیات فنی در هر مرحله از فرآیند تمپر کردن، کلید دستیابی به قطعاتی با عملکرد بالا و عمر مفید طولانی است.
