5 فرآیند عملیات حرارتی چیست؟ یک تفکیک واضح و عملی

پنج اساسی عملیات حرارتی فرآیندهایی که بر متالورژی و تولید غالب هستند بازپخت , عادی سازی , خاموش کردن , معتدل کردن ، و سخت شدن مورد . این عملیات گرمایش و سرمایش کنترل شده، ساختار داخلی فلزات را برای دستیابی به ترکیبات دقیقی از سختی، استحکام، شکل پذیری و مقاومت در برابر سایش تغییر می دهد. بدون آنها، مهندسی مدرن برای تولید همه چیز از چرخ دنده های خودرو گرفته تا ابزار جراحی با مشکل مواجه خواهد شد. در این راهنما هر فرآیند را توضیح می دهیم، آن را با اعداد واقعی پشتیبان می دهیم و مقایسه ای کنار هم به شما می دهیم که می توانید بلافاصله از آن استفاده کنید.

1. آنیل کردن : بنیاد نرمی و کاهش استرس

هدف اصلی از بازپخت نرم کردن فلز، بهبود شکل پذیری آن و از بین بردن تنش های داخلی که در هنگام ریخته گری، جوشکاری یا سرد کاری جمع می شوند. با گرم کردن مواد در یک محدوده دمایی خاص، نگه داشتن آن در آنجا، و سپس سرد کردن بسیار آهسته آن - اغلب در کوره ای که با دمای 10 تا 30 درجه سانتیگراد در ساعت خنک می شود - اتم ها به یک پیکربندی پایدارتر و کم انرژی مرتب می شوند. نتیجه یک ساختار درشت پرلیت یا کاربید کروی در فولادها است که به طور چشمگیری سختی را کاهش می‌دهد و ماشینکاری یا شکل‌دهی فلز را بسیار آسان‌تر می‌کند.

برای فولادهای کربنی ساده با محتوای کربن 0.3 تا 0.6 درصد، بازپخت کامل نیاز به حرارت دادن به حدود 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی بالایی A3 (معمولاً بین 800 تا 910 درجه سانتیگراد) دارد، سپس کوره آهسته خنک می شود. سختی پس از بازپخت برای فولاد با کربن متوسط ​​از حدود 280 HB (سختی برینل) به تقریبا 140 HB کاهش می یابد، در حالی که شکل پذیری، اندازه گیری شده به عنوان ازدیاد طول، می تواند از 10 درصد به بیش از 25 درصد افزایش یابد. این مبادله برای قطعاتی مانند شفت پمپ های بزرگ یا قطعات چرخ دنده که نیاز به شکل دهی گسترده قبل از سخت شدن نهایی دارند، حیاتی است.

چندین بازپخت variants خدمت به صنایع مختلف:

• بازپخت زیر بحرانی (بازپخت فرآیند) در زیر دمای بحرانی پایین تر A1 (حدود 723 درجه سانتیگراد برای فولاد یوتکتوئیدی) انجام می شود تا تنش های کار سرد بدون تغییر ساختاری عمده کاهش یابد. محدوده دمای معمولی: 550 تا 700 درجه سانتیگراد. بر اساس داده های گردآوری شده توسط ASM Handbook می تواند تنش پسماند را تا 80 درصد کاهش دهد.
• بازپخت کروی فولاد پر کربن (0.6 تا 1.4 درصد کربن) را در دمای تقریبی 700 درجه سانتیگراد به مدت 15 تا 30 ساعت نگه می دارد و صفحات سیمانیت سخت را به کره های گرد تبدیل می کند. این سختی کمتر از 110 HB را ایجاد می کند که برای تحمل فولادها قبل از ماشین کاری ضروری است.
• آنیل همدما فولاد را به سرعت تا حدود 650 درجه سانتیگراد خنک می کند، آن را تا پایان تبدیل نگه می دارد و سپس در هوا سرد می شود. این کار زمان کل چرخه را 30 تا 50 درصد در مقایسه با خنک کردن کامل کوره کاهش می دهد و در عین حال ساختار پرلیت ریز یکنواختی ایجاد می کند.

هزینه انرژی بازپخت ناچیز نیست: چرخه کوره های دسته ای برای یک تن فولاد معمولا بین 1.8 تا 2.5 گیگاژول مصرف می کند. این محدودیت دنیای واقعی مهندسان فرآیند را وادار می کند تا پارامترهای بازپخت را دقیقاً با آلیاژ و مراحل ساخت بعدی مطابقت دهند.

2. عادی سازی : پالایش دانه برای استحکام یکنواخت

عادی سازی ساختار دانه‌ای ظریف‌تر و یکنواخت‌تر از بازپخت ارائه می‌کند و این کار را با یک مرحله خنک‌کننده ساده‌تر و سریع‌تر انجام می‌دهد: هوای ساکن. نتیجه اولیه افزایش متوسط ​​در استحکام و سختی در مقایسه با حالت آنیل شده، همراه با چقرمگی بهبود یافته است. این امر باعث می شود که یک درمان مقدماتی ترجیحی برای بسیاری از فولادهای ساختاری و مخازن تحت فشار عادی شود.

این فرآیند فولاد را تا 30 تا 60 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی بالایی خود گرم می کند (معمولاً 830 تا 950 درجه سانتیگراد برای فولادهای کم آلیاژ)، آن را به اندازه کافی برای آستنیته شدن کامل نگه می دارد و سپس آن را خارج می کند تا در هوای آرام خنک شود. خنک شدن هوا با سرعت تقریباً 0.5 تا 3 درجه سانتیگراد در ثانیه باعث تولید پرلیت ظریف با دانه های فریت کوچکتر می شود. برای فولاد کم کربن مانند AISI 1020، نرمالیزاسیون استحکام کششی را از حدود 400 مگا پاسکال (آنیل شده) به 450-480 مگا پاسکال افزایش می دهد و استحکام تسلیم را از 220 مگا پاسکال به حدود 280 مگا پاسکال می رساند. بر اساس داده های راهنمای درمانگر حرارتی بین المللی ASM، سختی از 120 HB به تقریبا 140 HB تغییر می کند.

یکی از مزیت های عملی عادی سازی ظرفیت آن برای پاک کردن ساختار دانه ناهموار ناشی از آهنگری یا ریخته گری قبلی است. در مطالعه‌ای بر روی آهنگری‌های فولادی Cr-Mo، کاهش تغییرات اندازه دانه‌ها تا بیش از 40 درصد عادی شد و منجر به بهبود 15 درصدی چقرمگی ضربه Charpy در دمای منفی 40 درجه سانتی‌گراد شد. این یکنواختی به طور مستقیم به عملکرد مخازن تحت فشار ایمن تر تبدیل می شود.

با این حال، خنک کننده هوا به هندسه بخش حساس است. بخش های ضخیم (بیش از 100 میلی متر) خیلی آهسته سرد می شوند و ممکن است به نرمال شدن کامل نرسند و در نتیجه یک ریزساختار مخلوط ایجاد می شود. برای چنین قطعاتی، می توان از هوای اجباری یا خنک کننده کنترل شده استفاده کرد، اگرچه این لبه ها به سمت تعریف تسریع در عادی سازی .

3. خاموش کردن : گرفتن سختی شدید از طریق خنک کننده سریع

خاموش کردن فرآیند گرم کردن فولاد تا دمای آستنیته شدن آن و سپس خنک شدن آن به سرعت آن است که اتم های کربن فرصتی برای انتشار از شبکه آهن ندارند. نتیجه این است مارتنزیت یک فاز چهار ضلعی متمرکز بر بدنه که می تواند به سطوح سختی 60 تا 68 HRC دست یابد که بسیار بالاتر از هر ریزساختار دیگری در فولاد است. این سختی فوق العاده کلید ابزار برش، یاتاقان ها، قالب ها و قطعات با سایش بالا است.

محیط کوئنچ میزان سرد شدن و سختی و خطر اعوجاج بعدی را تعیین می کند. آب سرعت خنک کنندگی شدیدی بین 200 تا 500 درجه سانتیگراد در ثانیه در محدوده بحرانی حدود 550 درجه سانتیگراد ارائه می دهد، در حالی که روغن سریع در 60 تا 120 درجه سانتیگراد در ثانیه خنک می شود و محلول های پلیمری در بین آنها قرار می گیرند. انتخاب محیط نامناسب می‌تواند باعث ایجاد ترک شود: کوئنچ کردن با آب یک فولاد ابزار پر کربن مانند AISI W1 (1.0% C) به 65 HRC می‌رسد، اما اگر به درستی طراحی نشود، خطر ترک خوردگی 3 تا 5 درصد را به همراه دارد. کوئنچ روغن همان فولاد 62-63 HRC با اعوجاج بسیار کمتر می دهد، به همین دلیل است که بسیاری از اجزای کربن بالا با روغن خاموش می شوند.

داده های مهم فرآیند از عملکرد صنعتی شامل:

• برای یک فولاد Cr-Mo با کربن متوسط (AISI 4140)، خاموش کردن روغن از 845 درجه سانتیگراد، سختی سطحی 54-58 HRC را ایجاد می کند، با استحکام کششی بیش از 1800 مگا پاسکال پس از تمپر کردن.
• را نرخ خنک کننده بحرانی - حداقل سرعت خنک کننده برای جلوگیری از تشکیل پرلیت - با محتوای آلیاژ متفاوت است. فولاد کربنی ساده AISI 1040 به سرعت خنک کننده بالای 200 درجه سانتیگراد در ثانیه نیاز دارد، در حالی که 4140 به دلیل مولیبدن و کروم فقط به حدود 8 درجه سانتیگراد در ثانیه نیاز دارد که باعث سخت شدن عمیق آن می شود.
• یک روش خاموش کردن قطع شده به نام مارتمپرینگ شامل خاموش کردن کمی بالاتر از دمای شروع مارتنزیت (حدود 250 تا 300 درجه سانتیگراد) برای یکسان سازی دما و سپس خنک شدن هوا است. همانطور که توسط انجمن عملیات حرارتی مستند شده است، این می تواند تنش پسماند را در مقایسه با خاموش کردن مستقیم 60 تا 80 درصد کاهش دهد.

کوئنچ کردن هرگز آخرین مرحله نیست: مارتنزیت خاموش شده خیلی شکننده است و ازدیاد طول آن کمتر از 2 درصد است. برای بازگرداندن چقرمگی باید با تلطیف همراه شود.

4. معتدل کردن : متعادل کردن سختی و چقرمگی

معتدل کردن عبارت است از گرم کردن مجدد کنترل شده مارتنزیت خاموش شده تا دمای پایین تر از نقطه بحرانی پایین تر A1 (معمولاً بین 150 تا 650 درجه سانتیگراد)، نگه داشتن آن در آنجا، و سپس سرد شدن، معمولاً در هوا. نتیجه فوری کاهش شکنندگی و حفظ سطح هدفمند سختی است. با تنظیم دمای تمپر، یک عملیات حرارتی می تواند دقیقاً خواص مکانیکی مورد نیاز برای یک کاربرد خاص را تعیین کند.

دگرگونی در طی تلطیف در مراحل مشخصی رخ می دهد. بین 100 تا 250 درجه سانتیگراد، کاربیدهای انتقال بسیار ریز رسوب می کنند و سختی فقط اندکی کاهش می یابد - از 65 HRC به حدود 60-62 HRC. این معتدل در دمای پایین برای ابزارهای برش، بلبرینگ ها و قطعات سخت شده با کیس که مقاومت در برابر سایش بالا اهمیت دارد، استفاده می شود. در دمای 350 تا 450 درجه سانتیگراد، آستنیت باقی مانده تجزیه می شود و سختی به طور محسوسی کاهش می یابد. این محدوده معمولاً برای بسیاری از فولادهای کم آلیاژ به دلیل شکنندگی مزاج اجتناب می شود. اعتدال در دمای بالا ، در دمای 500 تا 650 درجه سانتیگراد، ریزساختاری به نام مارتنزیت یا سوربیت معتدل تولید می کند که ترکیبی عالی از استحکام کششی (900-1100 مگا پاسکال برای AISI 4140) و کشیدگی (15-20 درصد) را ارائه می دهد. چنین فولادهای خاموش و سکوریت شده، ستون فقرات محورها، میل لنگ و پیچ و مهره های با استحکام بالا هستند.

داده‌های یک نمودار معتدل معمولی برای فولاد AISI 4340 حساسیت را نشان می‌دهد: تلطیف در دمای 200 درجه سانتی‌گراد، سختی 54 HRC و مقدار ضربه Charpy 15 ژول را ایجاد می‌کند، در حالی که تلطیف در دمای 600 درجه سانتی‌گراد، 32 HRC را ایجاد می‌کند، اما سختی ضربه را به بیش از 80 ژول فشار می‌دهد. درمانگر حرارتی از چنین نموداری برای یافتن نقطه شیرین سخت سختی دقیق استفاده می کند.

یک دستورالعمل عملی: حرارت مضاعف، که در آن قطعه دو بار با هوای خنک خنک می‌شود، اغلب برای فولادهای پرسرعت و اجزای بزرگ اعمال می‌شود تا از تبدیل آستنیت باقی‌مانده و کاهش خطر ترک‌خوردگی تاخیری اطمینان حاصل شود. مطالعات نشان می‌دهد که دمای مضاعف در دمای 550 درجه سانتی‌گراد می‌تواند قدرت خستگی خمشی را 12 تا 18 درصد در یک مزاج منفرد بهبود بخشد.

5. سخت شدن مورد : پوستی مقاوم در برابر سایش با هسته سخت

سخت شدن مورد یک چرخه حرارتی واحد نیست، بلکه خانواده ای از فرآیندها است که لایه سطحی فولاد کم کربن را با کربن یا نیتروژن غنی می کند، سپس آن را با خاموش کردن سخت می کند، در حالی که هسته سخت و نسبتاً نرم باقی می ماند. مزیت مهندسی فوری قطعه ای است که در برابر سایش و خستگی روی سطح خود مقاومت می کند و انرژی ضربه را بدون شکستگی جذب می کند. چرخ دنده ها، میل بادامک ها، کینگ پین ها و مته های سنگی همگی به سخت شدن بدنه متکی هستند.

رایج ترین نوع آن است کربور سازی که کربن را در دمای بین 850 تا 950 درجه سانتیگراد در اتمسفر غنی از کربن (گاز، مایع یا جامد) وارد سطح می کند. عمق کیس معمولی بین 0.5 تا 2.5 میلی متر است. پس از کربورسازی، قطعه خاموش می شود تا یک محفظه مارتنزیتی با کربن بالا با سختی 60 تا 64 HRC تشکیل شود، در حالی که هسته کم کربن زیر 40 HRC باقی می ماند. برای دندان دنده، این بدان معناست که سطح می تواند تنش های تماسی بالای 1500 مگا پاسکال را تحمل کند، در حالی که استحکام خمشی هسته بالای 1000 مگا پاسکال باقی می ماند.

سایر روش های سخت شدن کیس عبارتند از:

• نیتریدینگ : نیتروژن را در دمای کمتر (500-590 درجه سانتیگراد) به سطح پخش می کند و یک لایه ترکیبی بسیار سخت بدون خاموش شدن ایجاد می کند. سختی سطح می تواند به 900-1100 HV (Vickers) برسد که بسیار بیشتر از مارتنزیت کربوریزه است. برای سیلندرهای موتور هواپیما و آستین های دوک دقیق استفاده می شود.
• کربناتیدینگ : هم کربن و هم نیتروژن را در دمای 820-900 درجه سانتیگراد معرفی می کند و امکان استفاده از فولادهای ساده کربنی ارزان قیمت را فراهم می کند و در عین حال عمق کیس 0.1-0.8 میلی متر را تولید می کند. اغلب برای مهر و موم و شفت های کوچک اعمال می شود.
• سخت شدن القایی : سطح را به صورت انتخابی با میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا گرم می کند و سپس آن را خاموش می کند. این کنترل دقیق عمق منطقه سخت شده (1-10 میلی متر) را ارائه می دهد و از نظر انرژی کارآمد است. سختی سطح 55-60 HRC در ژورنال های میل لنگ رایج است.

یک مطالعه مقایسه ای بر روی چرخ دنده های انتقال خودرو نشان داد که چرخ دنده های کربن دار و سخت شده در آزمایش های خستگی حفره ای 3.5 برابر بیشتر از چرخ دنده های سخت شده با همان استحکام هسته دوام می آورند و ارزش بسیار زیاد ساختار هسته کامپوزیتی سطحی را نشان می دهد.

نگاهی کنار هم: پنج فرآیند در یک نگاه

جدول: مقایسه مستقیم پنج فرآیند عملیات حرارتی ضروری، از جمله پنجره های دما، تکنیک های خنک کننده، و موارد استفاده صنعتی.

چگونه این فرآیندها با هم در یک توالی ساخت واقعی کار می کنند

به ندرت از یک فرآیند عملیات حرارتی به صورت مجزا استفاده می شود. یک مسیر معمولی تولید چرخ دنده، هم افزایی را روشن می کند: ابتدا آهنگری فولاد آلیاژی کم کربن انجام می شود. عادی سازی تا ساختار دانه آن پس از آهنگری همگن شود. سپس ماشینکاری می شود و به دنبال آن سخت شدن مورد (کربوراسیون گاز در دمای 920 درجه سانتیگراد) برای ساخت یک لایه سطحی با کربن بالا. کوئنچ مستقیم یک کیس مارتنزیتی را تشکیل می دهد، اما این قطعه اکنون به شدت تحت فشار و شکننده است. الف دمای پایین در دمای 180 درجه سانتیگراد تنش های اوج را کاهش می دهد و در عین حال سختی مورد 61-63 HRC را حفظ می کند. محصول نهایی دارای یک سطح مقاوم در برابر سایش و یک هسته با چقرمگی ضربه بیش از 35 ژول است. این توالی میلیون ها بار در روز در زنجیره تامین خودرو و هوافضا تکرار می شود.

سوالات متداول

آیا فقط پنج فرآیند عملیات حرارتی وجود دارد؟

نه، این پنج نفر ستون فقرات را تشکیل می دهند. روش‌های صنعتی شامل روش‌های اضافی مانند آسمپر کردن، مارکنچ، بازپخت محلول (برای فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای آلومینیوم)، سخت‌سازی بارشی، و بازپخت تنش‌زدایی است. با این حال، تقریباً هر عملیات حرارتی دیگری را می‌توان به تنوع یا ترکیبی از پنج دسته اصلی که در اینجا مورد بحث قرار گرفته است، ردیابی کرد.

بزرگترین تفاوت بین آنیل کردن و نرمال کردن چیست؟

میزان سرمایش آنیلینگ از یک خنک کننده آهسته کوره استفاده می کند و یک ریزساختار درشت و نرم ایجاد می کند. نرمال سازی از خنک کننده هوا استفاده می کند که دانه های ریزتر و استحکام بالاتری ایجاد می کند. برای فولاد AISI 1045، سختی آنیل شده ممکن است 160 HB باشد، در حالی که سختی نرمال شده حدود 185 HB است - یک جهش قابل توجه برای ماشینکاری و پاسخ عملیات حرارتی بعدی.

آیا می توانید بدون تلطیف خاموش کنید؟

از نظر فنی بله، اما به ندرت توصیه می شود. مارتنزیت خاموش شده معمولاً دارای کشیدگی کمتر از 2 درصد است و دارای تنش‌های کششی پسماند بالایی است. بدون تمپر کردن، قطعه به شدت مستعد ترک خوردن تحت بار یا حتی خود به خود است. تمپر کردن برای اجزای باربر تقریباً اجباری است.

سخت شدن کیس چقدر می تواند نفوذ کند؟

عمق مورد بستگی به فرآیند دارد. کربوریزاسیون می تواند عمق کیس موثری از 0.2 میلی متر تا 6 میلی متر در دندانه های دنده سنگین ایجاد کند. نیتریدینگ معمولاً اعماق کمتری بین 0.05 تا 0.75 میلی متر را به همراه دارد اما با سختی سطح بالاتر. سختی القایی را می توان از 1 میلی متر تا بیش از 10 میلی متر تنظیم کرد. انتخاب توسط استرس تماس مورد انتظار و کمک هزینه پوشیدن دیکته می شود.

به جز فولاد چه فلزاتی را می توان عملیات حرارتی کرد؟

آلیاژهای آلومینیوم اغلب با محلول عملیات حرارتی شده و پیر می شوند (سخت شدن رسوب) تا به استحکام کششی بالاتر از 500 مگا پاسکال برسند. آلیاژهای تیتانیوم آنیل شده و برای بهینه سازی خواص خزش و خستگی با محلول تصفیه می شوند. آلیاژهای مس برای بازیابی شکل پذیری پس از کار سرد، آنیل می شوند. حتی برخی از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل تحت عملیات حرارتی پیچیده چند مرحله ای قرار می گیرند. پنج فرآیندی که در اینجا توضیح داده شده است عمدتاً برای آلیاژهای آهنی اعمال می شود، اما اصول گرمایش و سرمایش کنترل شده به طور گسترده گسترش یافته است.

با درک این پنج فرآیند اصلی عملیات حرارتی، مهندسان و طراحان می توانند تصمیمات آگاهانه ای در مورد عملکرد مواد و توالی ساخت بگیرند. داده ها و مقایسه ها در این راهنما یک مرجع عملی برای برنامه های کاربردی در دنیای واقعی ارائه می دهد.