عملیات حرارتی

عملیات حرارتی

گرم کردن و سرد کردن زمان بندی شده فلزات برای بدست آوردن خواص مکانیکی ، فیزیکی ، شیمیایی و بطور ویژه متالوژیکی مناسب را عملیات حرارتی می نامند. از عملیات حرارتی برای منسجم کردن ملکولی، تنش زدایی، تنش های ناشی از عملیات و فرایند های تولید، ایجاد خاصیت های جدید به فولاد مانند انعطاف، ضربه پذیری بالا، مقاومت در برابر فرسایش و ... ، ایجاد لایه بیرونی سخت با مرکزیت نرم، افزایش جذب انرژی بالا، بهبود خواص الکتریکی و مغناطیسی و... برای فولاد استفاده می شود .

یکی از دلایل عمده‌ای که میتوان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت میباشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن میتواند در حد زیادی تحت تاثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.

 

 انواع عملیات حرارتی

کربن دهی سطحی

 آنیلینگ – آنیل کامل

نرمالیزاسیون

کوئنچ‌ و تمپر کردن

 

آنیلینگ - Annealing

 از این عملیات برای تغییر خواص فولاد بعد از عملیات حرارتی، متراکم کردن ساختار ملکولی برای اضافه کردن خواص جدید و شکل دهی قطعات استفاده می شود که به طور معمول به دو نوع آنیل کامل و آنیل ناقص تقسیم می شوند، در این فرایند با حرارت دادن فولاد های هیپوای تکتوئیدی و ایتکتوئیدی در درجه حرارت مناسب (ACM  یا A3 بسته به نوع فولاد) برای تبدیل به آستنیت درشت (محلول جامد از نوع بین نشینی کربن در آهن گاما -آهن مکعبی وجوه مرکز پر FCC) گرم شده و مدتی در این دما قرار داده می شود  و سپس برای سرد کردن آن را به تدریج  ترجیحاً در کوره در دمای آستینه کوره را خاموش می کنند تا سرد شود.  که باعث می شود دانه های درشت سمنتیت پرلیت را احاطه کند ، آنیل کردن می تواند با ایجاد یک ساختار کاملاً همگن و پایدار متالوژیکی فرلیت – پرلیت که عاری از تنش پسماند ها و اثرات کار سرد می باشد باعث افزایش استحکام و چقرمگی و بالا رفتن نقطه تسلیم فلز (شکنندگی) شود.

نکته: آنیل کردن در فولاد های هیپرای تکتوئیدی هرگز یک عملیات نهایی نخواهد بود.

 

نرماله کردن - Normalizing

برای نرماله کردن فولاد را در درجه حرارت 50 درجه سانتیگراد بالاتر از  A3 قرار میدهند و آن را تا زمانی که ساختارش به آستنیت تبدیل شود در آن دما نگه میدارند و از لحاظ میکرو ساختار همانند آنیل کردن شامل مخلوطی از پرلیت ، فرلیت و سمنتیت (با توجه به ترکیب شیمیایی فولاد) ولی با این تفاوت که به جای کوره در هوا ساکن محیط سرد می شود تا فولاد آستنیتی شده طبق نمودار آهن سمنتیت تجزیه گردد این عملیات باعث ایجاد ساختار منسجم تر(یکنواخت و دارای خصوصیت معین) و تعدیل ناهمواری ها و تنش های داخلی می شود.

 

 کوئنچ - Quenching

به عملیات سرد سازی سریع فولاد بعد از عملیات حرارتی گفته میشود که به جای خنک شدن تدریجی در کوره و یا خنک شده در محیط باز از مایع های خنک کننده مانند روغن ، آب، نیتروژن مایع انجام می شود، سرد سازی سریع باعث می شود جامدات فرصت کافی برای سرد شدن تعادلی نداشته باشند و فاز های ناپایدار و شبه پایدار(مارتنزیت) به جای ساختار های پایدار پیدا کنند.  

 

نکته: به علت حلالیت فوق، اشباع کربن و همچنین دانسیتۀ زیاد عیوب کریستالی در شبکه بلوری مارتنزیت، استحکام بسیار زیاد ایجاد می شود، اما انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه کاهش پیدا میکند. اما برای رسیدن  به خواص مکانیکی مطلوب ساختارهای مارتنزیتی را در دمای کمتر از°C 700، حرارت می دهند. به این ترتیب با وجود کاهش کمی در استحکام و سختی ، انعطاف پذیری به مقدار قابل ملاحظه ای زیاد می شود.

 

اصول و مبانی عملیات حرارتی 

حرارت فولاد تا دمای آستنیتی

نگهداری فولاد در این دما برای تشکیل فاز آستنیت همگن ( زمان هم دما سازی)

کاهش دمای فولاد با سرعتی مشخص بر اساس خواص مورد نظر.

گرم کردن تا دمای بالا ولی کمتر از دمای بحرانی ( در صورت لزوم)

 

تغییر فاز ها در فولاد ها به هنگام گرم کردن

پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانی زنی آستنیت آغاز می شود . با افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کاربیدها فاز آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای  به سرعت انجام می گیرد . برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویو تکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم .

 

تغییر شکل آستنیت به هنگام سرد کردن 

اگر فولاد با زمینه آستنیت همگن را به آرامی خنک کنیم فازهای فریت ، پرلیت و سمانتیت تشکیل می شود . در صورت افزایش آهنگ خنک کاری به باینیت و مارتنزیت می رسیم .

در فولاد یوتکتوئیدی تغییر شکل آستنیت به پرلیت هنگامی است که دمای آستنیت کمتر از دمای بحرانی شود و آهنگ خنک کاری آهسته باشد . در فولادهای هیپریوتکتوئیدی و هیپویوتکتوئیدی ، بین دماهای بحرانی فوقانی و تحتانی ، فریت یا سمانتیت تشکیل می شود .

اگر سرعت خنک کاری فولاد را زیاد کنیم ( بالاتر از خنک کاری بحرانی ) مستقیماً فاز مارتنزیت تشکیل می شود که سخت و مستحکم است.

 

عملیات نرماله کردن - Normalizing

نرمالیزه کردن یکی از انواع عملیات حرارتی است . نرمالیزه کردن فولاد حرارت دادن در درجه حرارت های کمی(حدود (50Cºبالاتر از خطAcm و نگه داشتن کافی در آن درجه حرارت برای تبدیل کامل به آستنیت و سپس سرد کردن در خارج از کوره ، یعنی در هوای تقریباً ساکن ، تا دمای معمولی محیط است .

بعد از نرمالیزه کردن ، ساختار دانه ای ریز و یکنواخت با خواص معین خوبی به دست می آید . بنابراین نرمالیزه کردن می تواند همچنین عملیات حرارتی اولیه ای با موقعیت معین برای عملیات حرارتی بعدی باشد . زیرا به کمک نرمالیزه کردن تمام تغیراتی که در نتیجه عملیات قبلی بر روی فولاد در ساختار دانه ای و در خواص معین ظاهر گشته است بر طرف می شود .

در نرمالیزه کردن سرعت سرد کردن تأثیر قابل ملاحظه روی درجه حرارت تبدیل آستنیت و ریزی پرلیت خواهد داشت . عموما هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر باشد درجه حرارت تبدیل آستنیت پاینتر و پرلیت کوچک تر خواهد بود.

بهتر است قطعات فولادی ریخته گری شده بعد از تولید ، نرمالیزه شوند تا چنانچه احیانا ساختاری با خواص مکانیکی نامناسب در آنها ایجاد شده، بر طرف شود .

در مواردی برای به دست آوردن دانه های درشت فولاد را در درجه حرارت نرمالیزه کردن در ناحیه γ حرارت داده و سپس آهسته سرد می کنند . فولادی که این چنین به دست می آیند دارای دانه های درشت بوده و تا حدودی با تردی کمتر دارای قابلیت خوبی برای عملیات براده برداری است .

 

مهمترین مزایای نرمالایزینگ بصورت زیر می باشد:

افزایش انعطاف پذیری

یکنواخت کردن ریز ساختار

ریز کردن دانه ها

افزایش قابلیت ماشین کاری

یکنواخت کردن بیشتر عناصر آلیاژی

 

محدوده دمایی نرمالایز تنها ۵۰ºC بالاتر از دمای آستنیته پیشنهاد می شود زیرا اگر بیشتر از آن باشد دانه های فولاد درشت می شود و باعث افت خواص فولاد میشود که  بر خلاف هدف نرمالایز است که هدف آن ریز کردن ساختار فولاد است .

هنگامی که قطعات بزرگ را سرد می کنند سطح آن سریع سرد شده ولی مغز و مرکز آن هنوز دمای بالایی دارد و هنگامی که مغز آن سرد می شود و می خواهد از فاز γ به α تبدیل شود جسم تمایل به ازدیاد حجم پیدا می کند ولی چون سطح آن کاملاً شکل گرفته قادر به این ازدیاد حجم نبوده و باعث ایجاد تنش در داخل قطعه می شود ، لذا عملیات نرماله کردن برای قطعات خیلی بزرگ پیشنهاد نمیشود.

 

از آنجایی که در نرماله کردن فولاد های هیپویوتکتویید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریز کردن دانه‌ های درشتی که اغلب به هنگام کارگرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده‌ اند. هنگامی که قطعه کارگرم یا ریخته گری شده با دانه های درشت در دمایی بین دمای Ac3 و Ac1 قرار بگیرد، دانه‌ های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند. در صورتی که دمای آستنیته کردن به گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر محدود شود، آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌ های ریز به وجود می آید. حرارت دادن در دماهای بالاتر از گستره دمایی یاد شده ممکن است منجر به درشت شدن دانه‌ ها شود. بنابراین در  عملیات نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتویید، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز به وجود می‌آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل میشود. از نظر خواص مکانیکی، میکرو ساختار حاصل از نرماله کردن میتواند در بعضی موارد به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه‌ های درشت هستند، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه ها استفاده میشود.

 

برای نرماله کردن فولادهای هایپریوتکتویید از گستره دمایی بین خط Acm و حدود ۵۰ درجه سانتیگراد بالای آن استفاده میشود. انتخاب این گستره دمایی به منظور ریز کردن دانه های آستنیت، انحلال کاربید های شده و همچنین شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی که احتمالا در ضمن عملیات قبلی در مرز دانه‌ ها به وجود آمده‌ اند، است. از آنجایی که در نرماله کردن قطعات از دمایی بالاتر از Acm در هوا سرد می شوند، احتمال تشکیل مجدد شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌ های آستنیت وجود دارد. در این صورت میکرو ساختار حاصل ممکن است تا حدودی فولاد را ترد و شکننده کند. اگر قرار باشد که این فولاد سخت شود، در ضمن آستنیته شدن مجدد (به منظور سخت کردن) شبکه پیوسته کاربید شکسته شده و ذرات مجتمع و کروی کاربید به دست می آید.

 

از آنجایی که در نرماله کردن قطعات در هوا سرد میشوند، میکرو ساختارهای به دست آمده اختلاف قابل توجهی با میکرو ساختارهای حاصل از آنیل دارند. نمودار نشان دهنده تغییرات دما بر حسب زمان  (شکل اول) گستره‌ های دمایی مربوط به دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و پرلیت را برای فولاد هیپویوتکتویید در عملیات آنیل و نرماله کردن نشان می دهد. با توجه به اینکه در نرماله کردن فریت و پرلیت در دمایی کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل کردن تشکیل میشوند، اندازه دانه های فریت و سمنتیت و فاصله بین لایه ای پرلیت هر دو کاهش می یابند. بنابراین، در مقایسه با خواص حاصل از فرایند آنیل، استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حدودی کاهش می یابد.

 

نکته‌ ای که باید در رابطه با سرد شدن قطعات در هوا در ضمن نرماله کردن بدان توجه داشت این است که، نقاط مختلف در داخل یک قطعه با آهنگ‌ های متفاوت سرد می‌ شوند. همچنین آهنگ‌ های سرد شدن یاد شده، با تغییر ابعاد قطعه تغییر میکنند. بدین صورت که، هرچه قطعه حجیم تر باشد آهنگ سرد شدن قطعه و همچنین آهنگ‌ های سرد شدن نقاط مختلف در داخل آن کمتر است. این موضوع به مقدار حرارتی که باید از داخل قطعه به خارج هدایت شود مربوط می‌ شود. در حقیقت هرچه قطعه حجیم تر باشد برای اینکه دمای قسمت مرکزی آن افت کند به زمان بیشتری نیاز است. از اثر ابعاد قطعه بر روی آهنگ سرد شدن، دو نتیجه مهم استنتاج می شود؛ اول، در مقاطع خیلی بزرگ آهنگ سرد شدن سطح قطعه ممکن است به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از ناحیه داخلی باشد و در نتیجه باعث ایجاد تنش در آن شود. دوم اینکه در قطعات خیلی کوچک، به خصوص در مورد فولاد های آلیاژی، سرد شدن در هوا ممکن است منجر به تشکیل بینیت و یا حتی مارتنزیت به جای مخلوط فریت و پرلیت شود. با توجه به این نکته توصیه میشود که عملیات نرماله کردن بر روی فولادهای آلیاژی اعمال نشود.

 

از جمله پارامتر های مهم که بر روی خواص مکانیکی فولادهای نرماله و آنیل شده اثر میگذارد، درصد کربن فولاد است. هرچه درصد کربن بیشتر باشد (تا حد یوتکتویید) پرلیت بیشتری تشکیل شده و در نتیجه استحکام و سختی فولاد زیادتر و انعطاف پذیری آن کمتر می‌ شود. در پایان این فصل، اثرات پارامتر های مختلف از جمله درصد کربن بر روی خواص مکانیکی فولاد ها با ساختار فریتی- پرلیتی بررسی میشود.

 

به منظور محاسبه استحکام کششی (TS) فولادهای کربنی ساده و کم آلیاژ در شرایط نرماله شده از معادله‌ های موجودی که در کتابها آمده است، میتوان استفاده کرد. به عنوان مثال بعضی از این معادله‌های عبارت هستند از: (در این معادله ها استحکام کششی برحسب KSI و درصد عناصر آلیاژی برحسب درصد وزنی است.)

 

برای فولاد گرم نورد دیده شده                                            TS=27+56Cp

برای فولاد آهنگری شده                                                 TS=27+50Cp

برای فولاد ریخته گری شده                                            TS=27+48Cp

 

در اینجا Cp که به مجموع پتانسیل‌ های کربن (Carbon Potentials) موسوم است از رابطه زیر به دست می آید:

همان گونه که از معادله‌های فوق مشخص است، اثر اندازه و ابعاد قطعه در استحکام کششی در نظر گرفته نشده است.

عملیات آنیلینگ (بازپخت) - Annealing

آنیل کردن(Annealing) در علم مواد، به فرآیندی می گویند که موجب تغییر خواص ماده مانند سختی و شکل پذیری آن می شود. این فرایند شامل گرم کردن ماده تا دمایی مناسب ، نگه داری در آن دما در زمان مشخص و کافی و سپس سرد کردن آن با سرعت مناسب تا دمای محیط می باشد. کلمه آنیل (باز پخت) مفهوم گسترده ای داشته و هم در بخش فلزات و آلیاژهای آهنی و هم غیر آهنی کاربرد دارد. این عملیات عموما برای نرم کردن مواد فلزی انجام می شود و در نتیجه آن خواصی نظیر قابلیت ماشین کاری، خواص الکتریکی، قابلیت کار سرد و پایداری ابعاد آن و ساختار آلیاژ تغییر قابل توجه ای می کند.

 

انواع فرآیندهای آنیل کردن

انواع آنیل کردن انواع مختلفی داشته که هدف و نتیجه آنها متفاوت است. هر گاه عنوان خاصی برای آن ذکر نشود، منظور بازپخت کامل است که در آن آلیاژ آهنی تا بالاتر از دمای استحاله گرم شده و سپس به آرامی در داخل کوره سرد شده و کاملا نرم می شود. سیکل این عملیات با توجه به ترکیب و مشخصات آلیاژ متفاوت بوده و برای هر فولاد سیکل مشخصی وجود دارد.

 

آنیل کامل

آنیل کامل عبارتست از حرارت دادن فولاد در گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر و سپس سرد کردن آهسته، معمولاً در کوره است. تحت شرایط فوق آهنگ سرد شدن در حدود ۰٫۰۲درجه سانتیگراد بر ثانیه است . همچنان که در شکل دیده می شود، گستره دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل، تابع درصد کربن فولاد است. بدین صورت که ، برای فولادهای هیپویوتکتویید حدود ۵۰ درجه سانتیگراد بالای خط و برای فولادهای هایپریوتکتویید حدود ۵۰ درجه سانتیگراد بالای خط است. دماهای بحرانی و تا حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی در فولادهای تغییر می کند. بنابر این، به طور کلی در عملیات آنیل کامل ، فولادهای هیپویوتکتویید را در ناحیه تک فاز آستنیت و فولادهای هایپر یوتکتویید را در ناحیه دوفازی آستنیت- سمنتیت حرارت می دهند.

 

علت آستنیته کردن فولادهای هایپر یوتکتویید در ناحیه دوفازی آستنیت- سمنتیت این است که سمنتیت پرویوتکتویید در این فولاد به صورت کروی و مجتمع شده در آید. اگر چنین فولادی تا بالای خط حرارت داده شود ،در ضمن آهسته سرد شدن سمنتیت پرویوتکتویید به صورت شبکه پیوسته ای در مرز دانه های آستنیت رسوب می کندو در نتیجه منجر به ترد و شکننده شدن فولاد می شود. در عملیات آنیل کامل ، هدف از آستنیته کردن فولادهای هایپر یوتکتویید در ناحیه دو فازی آستنیت – سمنتیت ، عبارت است از شکستن شبکه پیوسته کاربید یاد شده و تبدیل آن به ذرات ریز و کروی شکل مجزا از یکدیگر است. نیروی محرکه در این عملیات عبارت است از کاهش انرژی فصل مشترک ناشی از کروی شدن ذرات کاربید و در نتیجه کاهش مقدار فصل مشترک آستنیت- کاربید است.

 

آنیل ایزو ترمال

این عملیات شامل حرارت دادن فولاد در دو دمای مختلف است، ابتدا عملیات آستنیته کردن که در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل انجام می شود و سپس سرد کردن سریع تا دمای دگر گونی و نگه داشتن برای مدت زمان کافی جهت انجام دگر گونی .

پس از پایان دگر گونی ، فولاد را با هر آهنگ سرد شدن دلخواهی می توان سرد کرد .منحنی زیر شمایی از مراحل گرم کردن و سرد شدن را در عملیات آنیل هم دما برای یک فولاد هیپو یوتکتویید نشان می دهد.

زمان لازم برای آنیل هم دما در مقایسه با آنیل کامل به مراتب کمتر است، در حالی که سختی نهایی کمی بیشتر خواهد بود. همانند آنیل کامل ،میکرو ساختار حاصل از آنیل هم دما در فولادهای هیپو یوتکتویید، یو تکتویید و هایپر یوتکتوییدبه ترتیب عبارت است از فریت-پرلیت، پرلیت و پرلیت – سمنتیت است . ولی پرلیت حاصل نسبتاً ظریفتر و در صد فریت و سمنتیت پرویوتکتویید تا حدودی کمتر است. از جمله موارد عمده کاربرد آنیل هم دما در رابطه با فولادهای آلیاژی است که دارای سختی پذیری بالایی اند . در صورتی که بر روی این فولادها عملیات حرارتی آنیل کامل انجام شود به علت سختی پذیری زیاد، ساختار نهایی حاصل به جای پرلیت خشن ، ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوط از پرلیت ظریف و بینیت بالایی باشد.

 

آنیل اسفرودایز

تعادلی ترین ساختار در بین ساختارهای تعادلی ایجاد زمینه ای از فریت همراه با کره های ریز سمنتیت درآن است این ساختار دارای بالاترین خواص می باشد.

 

برای آلیاژهای غیر آهنی با ترکیب و ساختار مربوط به خود، عملیات بازپخت برای اهداف زیر انجام می شود:

حذف کامل یا جزیی اثرات کار سرد (احتمال رخ دادن تبلور مجدد)

آمیخته شدن کامل رسوبات به صورت ذرات درشت

رسوب ذرات از محلول جامد

 عملیات بازپخت خود به چند دسته تقسیم می شود.

 

نرمالیزاسیونNormalizing

در این عملیات، آلیاژهای آهنی تا بالاتر از دمای استحاله Ac3 گرم شده و بعد در هوای آزاد سرد می شود. ساختار و خواص فولادهای کم کربن در این عملیات، مشابه عملیات باز پخت کامل (Full Annealing)بوده اما نکته قابل ذکر اینکه نتیجه عملیات نرمالیزاسیون و بازپخت برای همه آلیاژهای آهنی یکسان نمیباشد.

 

آنیل فرایند

که به آن آنیل میانی نیز می گویند موجب نگهداری و حفظ شکل پذیری قطعه کار سرد شده می شود تا حین کار ترک نخورد. قطعه تا دمای آستینته شدن گرم شده و تا زمانی که تنش ها در آن کاهش یابند نگه داری می شود و سپس در کوره خنک می شود. در ادامه قطعه برای کار سرد بعدی آماده است.

 

بازپخت کامل

با آنیل کامل خاصیت شکل پذیری ماده افزایش یافته و ساختار یکنواختی با خواص دینامیکی خوب حاصل می شود.

 کوئنچ کردن - Quenching 

کوئنچ کردن (Quenching) عبارت است سرد کردن سریع فولاد از دمای سختکاری (آستنیته شدن) تا دمای محیط یا دمای خاص دیگری، کوئنچ کردن را میتوان به روشهای مختلفی انجام داد، مثلا فرو بردن فولاد گرم شده در روغن، آب، آب نمک(Brine) هوای آرام و حمام نمک (Salt bath) این بستگی به نوع فولاد دارد.

کوئنچ کردن فولادهای ابزار و قالب، بحرانی ترین مرحله در عملیات حرارتی آنها محسوب میشود. سختی و خواص فیزیکی فولاد در سیکل کوئنچ کردن به وجود میآید. سرعت سرد کردن فولادهای ابزار به هنگام کوئنچ به میزان عناصر آلیاژی مربوط است و میتوان این سرعت را با انتخاب محیط کوئنچ یعنی آب، روغن یا هوا کنترل کرد.

فولادهای سخت شونده در آب عناصر آلیاژی اندکی دارند (یا اصلا ندارند) ولی میزان عناصر آلیاژی در فولادهای سخت شونده در روغن بیشتر است. فولادهای سخت شونده در هوا نیز جزو فولادهای پر آلیاژ محسوب میشوند.

 

چند نکته مفید در عملیات کوئنچ فولادهای ابزار و قالب

تا قبل از این که قطعه کار برای مدت کافی در دمای سختکاری نگه داشته شده باشد آن را کوئنچ نکنید.

پس از کامل شدن سیکل کوئنچ، بلافاصله عملیات تمپرینگ را آغاز کنید.

قطعه کار پس از کوئنچ نباید به مدت طولانی در دمای محیط نگه داشته شود و باید هر چه سریعتر تمپرینگ آن را انجام داد.

سعی کنید که عملیات کوئنچ برای قطعات یک محموله تولیدی، یکسان اجرا شود و

قطعات طویل و نازک را به صورت عمودی کوئنچ کنید تا خمش، کمانی شدن و پیچش آنها به حداقل برسد.

 

 کوئنچ کردن در آب

توصیه میشود به جای آب خالص، از آب نمک برای کوئنچ استفاده شود. دلیل این پیشنهاد این است که به هنگام کوئنچ قطعه فولادی خیلی داغ در آب بخار ایجاد شده در مجاورت سطوح قطعه کار، یک مانع عایق ایجاد کرده و از انتقال حرارت مطلوب جلوگیری میکند، مخصوصا در گوشه های تیز داخلی، رزوه ها، سوراخهای ته بسته و دیگر فرمهای مشابه. در نتیجه بعضی نقاط در قطعه کار نرم باقی میمانند (Soft spots) و این کوئنچ اختلافی باعث ایجاد تنش در قطعه کار شده و اعوجاج و/ یا ترک را در آن به وجود خواهد آورد.

 

افزودن نمک (حداکثر ۱۰% حجمی) به آب، فرایند کوئنچ فولاد را تسهیل میکند، زیرا کریستالهای نمک که بر روی سطح قطعه کار رسوب میکنند، به شدت منفجر میشوند. این انفجار کریستال ها باعث به هم خوردن شدید مایع شده و از ایجاد سد بخار در حوالی قطعه کار در حال کوئنچ جلوگیری خواهد کرد. تلاطم مایع همچنین باعث دور شدن پوسته های ناشی از عملیات حرارتی از سطح قطعه کار و ادامه یکنواخت عملیات کوئنچ میگردد. بنابراین استفاده از آب نمک باعث سرد شدن یکنواخت قطعه کار خواهد شد.

  

 کوئنچ کردن در روغن

با توجه به این که کوئنچ فولاد داغ در روغن ممکن است خطر آتشسوزی داشته باشد، لازم است برای این کار از روغن با نقطه اشتعال لحظهای(Flash point)بالا استفاده شود.

سرعت سرد شدن قطعه کار به هنگام کوئنچ شدن در روغن، آهسته تر از آب یا آب نمک است. بنابراین میزان تنش های پس ماند در قطعه کار نیز پایینتر خواهد بود.

برای کوئنچ کردن هر ۱ lb فولاد در یک ساعت، تقریبا ۱ galروغن مورد نیاز است. (تقریبا ۸٫۴ L برای هر کیلوگرم) مثلا اگر ۱۰۰۰ lb (45 kg) فولاد در هر ساعت کوئنچ شود، احتیاج به یک مخزن روغن به گنجایش ۱۰۰ gal (378 L) مورد نیاز خواهد بود.

دمای روغن باید در حدود ۹۰-۱۳۰۰F(32-540C) نگه داشته شود تا عملیات کوئنچ به صورت مناسب انجام شود و

روغن درون مخزن باید هم زده شود تا سرعت سرد شدن قطعه کار در آن یکنواخت باشد.

تمپر کردن (برگشت) - Tempering

تمپر کردن - Tempering یا برگشت دادن عبارت است از گرم کردن مجدد فولاد یا چدن سخت شده تا پایین تر از دمای استحاله یوتکتوئید (معمولا کمتر از ۷۰۰ درجه سانتیگراد)، نگهداری در این دما به مدت مشخص و سپس آهسته سرد کردن تا دمای محیط.

تقریبا تمام قطعات سخت شده در ضمن سرد شدن به علت تنش های داخلی ایجاد شده نسبتا ترد و شکننده هستند. از این رو به ندرت فولادها پس از سرد کردن و در شرایط مارتنزیت شده استفاده می شوند مگر در مواردی استثنایی نظیر هنگامی که به سختی زیادی نیاز باشد و یا در مورد فولادهای کم کربن . معمولا فولادها پس از سریع سرد شدن و قبل از استفاده باید بازپخت شوند. بازپخت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمای زیر دمای ونگه داشتن برای مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق . دما و زمان AC1 حرارت دادن به ترکیب شیمیایی فولاد و ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد. در اثر بازگشت دادن تنش های داخلی کاهش یافته یا حذف می شوند بنابراین افزایش استحکام قطعه سخت شده تا حدودی کاهش خواهد یافت.

کوئنچ کردن باعث ایجاد تنش های داخلی در قطعات و در نتیجه موجب ایجاد تردی و شکنندگی در آنها می شود. به همین علت به جز در مواردی که سختی بسیار بالایی مورد نیاز باشد، از فولادهای کوئنچ شده استفاده  نمی شود. در این مرحله، می بایست فولاد قبل از استفاده تمپر شود. با انجام این عملیات روی آلیاژهای سخت شده، خواص مکانیکی آلیاژ تعدیل می شود.

سه مرحله کاملا مجزا از یکدیگر را در رابطه با تغییر میکرو ساختار مارتنزیت در ضمن بازپخت وجود دارد که این سه مرحله عبارتند از:

 

مرحله اول 

تشکیل کاربیدهای انتقالی نظیر کاربید اپسیلن و یا کاربید اتا و در نتیجه کاهش درصد کربن زمینه مارتنزیتی تا  . درصد۵۲٫۰حدود

 

مرحله دوم

تبدیل آستنیت باقی مانده به فریت و سمانتیت.

 

مرحله سوم

جایگزین شدن کاربیدهای انتقالی و مارتنزیت کم کربن توسط فریت و سمانتیت .

و نیز می توان به تشکیل کاربیدهای آلیاژی و ایجاد سختی ثانویه به عنوان مرحله چهارم برگشت اشاره کرد. مهم ترین مسئله از دست دادن سختی در اثر برگشت دادن و تشکیل کاربیدهای ثانویه و رشد آنها است.

دما و زمان برگشت دادن به ترکیب شیمیایی فولاد و خواص مکانیکی و ابعاد قطعه بستگی دارد. گستره ی دمایی بازگشت به سه صورت پایین و متوسط و بالا می تواند باشد.

 

انتخاب دما و زمان عملیات تمپر کردن (برگشت)

انتخاب دما و زمان عملیات تمپر کردن بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نیاز دارد. با حذف و یا کاهش تنش های داخلی توسط عملیات تمپر، چقرمگی شکست قطعه افزایش (کاهش شکنندگی) و سختی و استحکام قطعه سخت شده تا حدی کاهش می یابد.

دمای برگشت فولادهای سخت شده غالبا از ۱۵۰درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند. سیکل عملیات برگشت از نظر دما و زمان مشابه عملیات بازپخت ناقص و بازپخت تنش گیری می باشد ولی هدف و ساختار نهایی به دست آمده از هر کدام متفاوت است، بنابراین نباید این سه نوع عملیات مشابه در نظر گرفته شود.

 

ارتباط دما و زمان عملیات تمپر کردن (برگشت)

زمانی که در فرایند تمپر کردن به زمان اشاره نشود، منظور همان یک ساعت است. جهت رسیدن به سختی مورد نظر می توان زمان برگشت را تغییر داد که رابطه بین زمان و دمای برگشت با پارامتر بازگشت مشخص می شود:

 

T (C+Log t)

T : درجه حرارت فرایند برگشت بر حسب کلوین

T : زمان فرایند برگشت بر حسب ساعت

C : ثابت فرایند برگشت که تابعی از درصد کربن فولاد بوده و عناصر آلیاژی تاثیری روی آن ندارد.

 

از پارامتر برگشت در مورد فولادهای ساده کربنی به راحتی به کار برده می شود ولی در مورد فولادهای آلیاژی که خود سختی ثانویه دارند، کاربرد محدودی دارد.

 

تغییرات ریزساختار طی عملیات تمپر کردن (برگشت)

زمانی که یک فولاد کوئنچ می شود ریزساختار شامل مارتنزیت ناپایدار است. دلایل این نا پایداری عبارتست از :

۱- وجود کربن به صورت فوق اشباع در شبکه کریستالی bct مارتنزیت

۲- انرژی تنشی ناشی از وجود نابجایی ها و دوقلویی های بسیار زیاد

۳- وجود آستنیت باقیمانده

 

در طی عملیات تمپر کردن، هر یک از این پارامترهای خود نیروی محرکه ای برای تغییر ریزساختار می شوند. مثلا؛ کربن فوق اشباع موجب تشکیل کاربید شده، انرژی تنشی نیروی محرکه جهت بازیابی بوده و آستنیت باقی مانده برای تشکیل مخلوط فریت و سمنتیت در طی فرایند نیروی محرکه می باشد.

 

مراحل عملیات تمپر کردن (برگشت)

سه مرحله جداگانه در طی فرایند تمپر رخ می دهد که عبارتند از

تشکیل کاربیدهای انتقالی مانند کاربید اپسیلن ƹ یا کاربید اتا ƞ و کاهش درصد کربن در زمینه ماتنزیتی

تبدیل آستنیت باقی مانده به فریت و سمنتیت

جایگزینی کاربیدهای انتقالی و مارتنزیت کم کربن توسط فریت و سمنتیت

 

افزایش درجه حرارت عملیات حرارتی برگشت موجب کاهش سختی نهایی شده  ولی نکته قابل توجه در این زمینه، سختی فولادهای پر کربنی بوده که در دمای پایین تمپر شده است، سختی این فولادها پس از کوئنچ و تمپر تا حدی بیشتر از سختی ناشی از کوئنچ بوده که این افزایش سختی را به تشکیل کاربیدهای انتقالی بسیار ریز در بین صفحات مارتنزیتی مربوط می دانند.

 

گرد آوری تحریریه تیغ اره دات کام