چهار نوع عملیات حرارتی در فولاد چیست؟

چهار اساسی انواع عملیات حرارتی به کار رفته در فولاد عبارتند از: بازپخت، نرمال کردن، سخت شدن (کوئنچ) و تمپر کردن. این فرآیندهای حرارتی کنترل شده، ساختار کریستالی داخلی فلز را برای دستیابی به خواص مکانیکی خاص - مانند سختی، شکل‌پذیری، استحکام کششی و مقاومت ضربه‌ای - بدون تغییر ترکیب شیمیایی دستکاری می‌کنند. طبق گفته انجمن بین‌المللی درمان حرارتی ASM، عملیات حرارتی، فناوری هسته‌ای است که در پشت تقریباً هر محصول فلزی بادوام، از چرخ دنده‌های خودرو و ابزارهای جراحی گرفته تا پرتوهای I ساختاری، کار می‌کند. فهمیدن این چهارتا دقیقا چیه انواع heat treatment هستند و نحوه عملکرد آنها به مهندسان اجازه می دهد تا چرخه صحیح را برای جلوگیری از شکستگی شکننده، بهبود ماشینکاری یا به حداکثر رساندن مقاومت سایشی برای یک کاربرد خاص انتخاب کنند.

1. بازپخت: نرم کننده فلز و رفع استرس داخلی

بازپخت یک فرآیند عملیات حرارتی است که فولاد را نرم می‌کند، شکل‌پذیری آن را بهبود می‌بخشد و با گرم کردن فلز تا دمای بالا خاص، آن را به مدت کافی در آنجا نگه می‌دارد تا تبدیل‌های فازی رخ دهد و سپس به آرامی آن را خنک می‌کند، معمولاً در داخل خود کوره. هدف اصلی بازپخت این است که فولاد را به نرم ترین حالت ممکن برساند و ماشینکاری یا شکل سرد آن را آسان کند. برای فولادهای کربنی ساده، دمای بازپخت معمولاً است 30 درجه سانتی گراد تا 50 درجه سانتی گراد (50 درجه فارنهایت تا 90 درجه فارنهایت) بالاتر از دمای بحرانی بالایی (A3) ، که از حدود 723 درجه سانتیگراد برای فولاد یوتکتوئید تا بیش از 910 درجه سانتیگراد برای فولاد کم کربن متغیر است. فولاد در این دما، اغلب برای یک تا دو ساعت در هر اینچ از سطح مقطع نگه داشته می‌شود و به کربن اجازه می‌دهد تا به طور یکنواخت در فاز آستنیت حل شود. خنک شدن بعدی ویژگی تعیین کننده بازپخت است: باید به اندازه کافی آهسته باشد تا کربن از شبکه آهنی پخش شود و لایه های درشت و با فاصله وسیعی از فریت و سمنتیت به نام پرلیت را تشکیل دهد. نرخ های خنک کننده معمولا هستند 10 تا 50 درجه سانتیگراد در ساعت ، اغلب با گذاشتن قطعات در کوره و اجازه دادن به آنها برای خنک شدن با هم در طی چندین ساعت یا حتی چند روز به دست می آید. ریزساختار به دست آمده یک پرلیت درشت با نواحی بزرگ از فریت نرم است که سختی برینل را به اندازه پایین نشان می دهد. 120 تا 150 HB در فولادهای کربن متوسط مانند AISI 1045. با توجه به کتابچه راهنمای ASM جلد 4: عملیات حرارتی بازپخت نه تنها سختی را کاهش می‌دهد، بلکه تنش‌های پسماند ناشی از کار سرد یا جوشکاری قبلی را نیز حذف می‌کند، که برای جلوگیری از تاب برداشتن در حین ماشین‌کاری یا سرویس بعدی حیاتی است. علاوه بر بازپخت کامل، انواع تخصصی نیز وجود دارد: بازپخت کروی ساختاری از ذرات کاربید کروی را برای حداکثر شکل‌پذیری در فولادهای ابزار با کربن بالا تولید می‌کند، در حالی که آنیلینگ فرآیندی یک درمان با دمای پایین‌تر برای فولادهای کم کربن در طول توالی‌های کار سرد برای بازگرداندن شکل‌پذیری بین مسیرهای کششی یا نورد است. صرف نظر از روش خاص، آنیل کردن همیشه نقطه شروع زمانی است که کارایی شدید یا کاهش تنش مورد نیاز است و یکی از پرکاربردترین روش هاست. انواع heat treatment در صنایع ساخت سنگین

2. عادی سازی: پالایش ساختار دانه برای یکنواختی و استحکام

نرمالیزاسیون یک فرآیند عملیات حرارتی است که با گرم کردن فلز بالاتر از محدوده بحرانی آن و سپس خنک کردن آن در هوای ساکن به جای کوره، یک ریزساختار یکنواخت و ریزدانه با استحکام و چقرمگی بهبود یافته در مقایسه با فولاد آنیل شده ایجاد می کند. دمای گرمایش برای عادی سازی معمولاً است 30 درجه سانتی گراد تا 50 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای بحرانی بالا شبیه به بازپخت کردن است، اما تمایز اساسی در فاز سرد کردن نهفته است. پس از خیساندن کافی، فولاد از کوره خارج شده و اجازه داده می شود تا در هوای محیط خنک شود. این خنک کننده هوا به طور قابل توجهی سریعتر از خنک کننده کوره است و در نتیجه ساختار پرلیت ریزتر با دانه های کوچکتر ایجاد می شود. اندازه دانه ریز مهم است زیرا هم استحکام تسلیم و هم چقرمگی را به طور همزمان افزایش می دهد، در حالی که بیشتر مکانیسم های تقویت کننده یکی را با دیگری عوض می کنند. برای فولاد نرمال شده AISI 1045، استحکام کششی معمولاً به اطراف می رسد 620 مگاپاسکال (90000 psi) که بطور قابل ملاحظه ای بالاتر از 500 مگاپاسکال معمولی همان فولاد در شرایط کاملا آنیل شده است. طبق تحقیقات منتشر شده توسط مجله مهندسی مواد و عملکرد نرمال سازی همچنین ریزساختار را در اجزای ریخته گری یا آهنگری که ممکن است در طول انجماد سرد شدن غیریکنواختی را تجربه کرده باشند، همگن می کند و در نتیجه خواص مکانیکی ثابت را در سراسر قطعه تضمین می کند. نرمال سازی اغلب به عنوان عملیات حرارتی نهایی برای فولادهای سازه ای که به سختی شدید یک شرایط کوئنچ شده و تمپر شده نیاز ندارند، و همچنین یک مرحله آماده سازی قبل از سخت شدن مشخص می شود، زیرا ساختار دانه ای یکنواخت به طور قابل پیش بینی بیشتری به خاموش شدن بعدی پاسخ می دهد. در میان چهار انواع heat treatment نرمال سازی حد وسط بین حالت نرم و انعطاف پذیر حاصل از بازپخت و حالت سخت و شکننده حاصل از کوئنچ را اشغال می کند و آن را به گزینه ای عالی برای قطعاتی تبدیل می کند که به تعادلی از استحکام و چقرمگی نیاز دارند، مانند چرخ های راه آهن، شفت ها و صفحات مخازن تحت فشار.

3. سخت شدن (کوئنچ): دستیابی به حداکثر سختی و مقاومت در برابر سایش

سخت شدن که کوئنچ نیز نامیده می شود، یک عملیات حرارتی است که سختی و استحکام فولاد را با حرارت دادن آن تا محدوده آستنیتی و سپس سرد کردن سریع آن در آب، آب نمک، روغن یا هوای اجباری به طور چشمگیری افزایش می دهد و ساختار کریستالی را به فاز فوق اشباع و بسیار سخت به نام مارتنزیت تبدیل می کند. فولاد تا دمایی تقریباً گرم می شود 760 درجه سانتی گراد تا 870 درجه سانتی گراد (1400 درجه فارنهایت تا 1600 درجه فارنهایت) بسته به محتوای کربن، و به اندازه کافی نگه داشته می شود تا ساختار را به طور کامل آستنیت کند. سرد شدن سریع - اغلب بیش از حد 200 درجه سانتیگراد در ثانیه در آب خاموش کردن - انتشار اتم های کربن را از شبکه آهن سرکوب می کند. به جای تشکیل فازهای تعادلی فریت و سمنتیت، کربن در یک ساختار کریستالی چهارضلعی با محوریت بدن به نام مارتنزیت به دام می‌افتد. این ساختار با فشار داخلی بسیار زیاد و سختی قابل رسیدن مشخص می شود 62 تا 67 HRC در مقیاس Rockwell C در فولادهای ابزار پر کربن مانند AISI 1095. انتخاب محیط خاموش کننده یک تصمیم مهندسی حیاتی است. آب و آب نمک شدیدترین کوئنچ را ایجاد می‌کنند، حداکثر سختی را ایجاد می‌کنند، اما همچنین بیشترین خطر اعوجاج و ترک خوردگی را دارند. خاموش کردن روغن آهسته تر و یکنواخت تر است و شوک حرارتی را کاهش می دهد و آن را به محیط مطلوب برای فولادهای آلیاژی و اشکال پیچیده تبدیل می کند. کوئنچ با هوا یا کوئنچ با گاز برای فولادهای با آلیاژ سخت کننده هوا استفاده می شود که مارتنزیت را حتی در سرعت سرد شدن نسبتاً آهسته تشکیل می دهند. با این حال، ساختار مارتنزیتی خاموش شده، در حالی که بسیار سخت است، بسیار شکننده است. با توجه به داده های گردآوری شده توسط کتابچه راهنمای تجزیه و تحلیل شکست ASM مارتنزیت تمپر نشده حاوی سطوح بالایی از تنش پسماند است و می تواند به طور خود به خود در اثر عیوب سطحی جزئی یا در حین آسیاب ترک بخورد. این شکنندگی به همین دلیل است که سخت شدن تقریباً هرگز آخرین مرحله در یک چرخه حرارتی نیست. در عوض، سخت شدن باید فوراً با تمپر کردن برای بازیابی چقرمگی دنبال شود. علیرغم این محدودیت، سخت شدن مستقیم ترین راه برای دستیابی به سختی سطح بالای مورد نیاز برای ابزارهای برش، نژادهای یاتاقان، قالب ها و صفحات مقاوم در برابر سایش است و این فرآیند تعیین کننده در بین انواع heat treatment برای اجزایی که باید در برابر سایش و فرورفتگی مقاومت کنند.

4. تعدیل: متعادل کردن سختی و سختی پس از خاموش کردن

تمپر کردن یک عملیات حرارتی اجباری است که پس از سخت شدن انجام می شود. شکنندگی ساختار مارتنزیتی را کاهش می دهد و با گرم کردن مجدد فولاد تا دمای پایین تر از نقطه بحرانی پایین، نگه داشتن آن و سپس سرد شدن در هوا، تنش های خاموش را کاهش می دهد. دمای تمپر متغیر اصلی است که تعادل نهایی سختی و چقرمگی را کنترل می کند. دامنه آن از کمترین مقدار است 150 درجه سانتیگراد (300 درجه فارنهایت) برای کاربردهایی که به حداکثر مقاومت در برابر سایش نیاز دارند، مانند تیغ های تیغ و ابزارهای برش فلز، تا حد بالا 650 درجه سانتی گراد (1200 درجه فارنهایت) برای قطعاتی که باید انرژی ضربه را جذب کنند، مانند محورهای خودرو و میل لنگ. با افزایش دمای تلطیف، اتم‌های کربن به دام افتاده از شبکه مارتنزیت به صورت ذرات کاربید ریز رسوب می‌کنند و ساختار بلوری به تدریج از حالت چهارضلعی بدنه‌مرکز به آرایش مکعبی پایدارتر با کاربیدهای پراکنده تبدیل می‌شود. این ساختار مارتنزیت سکوریت شده را می توان با کنترل زمان و دما دقیقاً مهندسی کرد. به عنوان مثال، یک فولاد کربنی ساده که تا 64 HRC خاموش شده است را می توان در 200 درجه سانتیگراد گرم کرد تا سختی آن را حفظ کند. 60 تا 62 HRC برای لبه برش، یا در دمای 550 درجه سانتیگراد حرارت داده شود تا سختی حاصل شود 30 تا 35 HRC و درجه چقرمگی بالا مناسب برای شاتون. اگر فولادهای آلیاژی خاصی به آرامی در محدوده 450 درجه سانتیگراد تا 600 درجه سانتیگراد خنک شوند، یک پدیده خاص به نام شکنندگی مزاج می تواند رخ دهد، خطری که با افزودن مقادیر کمی مولیبدن یا با سرد شدن سریع از دمای معتدل کاهش می یابد. با توجه به Metals Handbook Desk Edition تلطیف صرفاً یک فکر اصلاحی برای سخت شدن نیست. این یک ابزار طراحی عمدی است که پاسخ مکانیکی فولاد را بر اساس نیازهای دقیق کاربرد تنظیم می کند. در میان چهار انواع heat treatment تمپر کردن، قطعه ای است که یک قطعه شکننده و تحت فشار داخلی را به یک جزء مهندسی قابل اعتماد تبدیل می کند.

چگونه چهار نوع عملیات حرارتی با هم در تولید کار می کنند

در عمل صنعتی، چهار نوع عملیات حرارتی به ندرت به صورت مجزا مورد استفاده قرار می گیرند. آنها به دنباله ای ترکیب می شوند که موجودی خام را به اجزای نهایی با خواص دقیق کنترل شده تبدیل می کند. یک مسیر تولید معمولی برای یک چرخ دنده سخت شده با نرمال کردن یا بازپخت کردن قطعه آهنگری برای نرم کردن آن برای ماشینکاری و حذف تنش های باقیمانده ریخته گری یا آهنگری آغاز می شود. سپس در حالی که در نرم ترین و کارآمدترین حالت خود قرار دارد، ماده خالی به شکل نزدیک به شبکه تراشیده می شود. پس از ماشین کاری، این جزء تا دمای آستنیته حرارت داده می شود و برای تشکیل مارتنزیت خاموش می شود و سختی سطح بالایی که برای مقاومت در برابر سایش لازم است به دست می آید. بلافاصله پس از کوئنچ، قطعه تا چقرمگی لازم تمپر می شود و تنش های کوئنچ داخلی را کاهش می دهد و از ترک خوردگی تاخیری جلوگیری می کند. این توالی - نرم کردن، شکل دادن، سخت شدن، نرم شدن - برای تولید میلیون‌ها جزء حیاتی، از دنده‌های گیربکس خودرو گرفته تا ابزارهای جراحی، اساسی است. پارامترهای خاص هر مرحله به درجه فولاد و سختی و چقرمگی نهایی مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، چرخ دنده ای ساخته شده از فولاد آلیاژی کم کربن AISI 8620 ممکن است تحت یک مسیر سخت شدن متفاوتی قرار گیرد که کربوریزاسیون نامیده می شود، که کربن را قبل از خاموش شدن به لایه سطحی وارد می کند، اما توالی پردازش هسته همچنان شامل نرمال شدن برای پالایش دانه، خاموش کردن برای تشکیل یک محفظه مارتنزیتی، و تمپر برای کاهش شکنندگی بدنه است. درک چگونگی این چهار انواع heat treatment تعامل به مهندسان فرآیند اجازه می دهد تا یک چرخه حرارتی طراحی کنند که عملکرد را به حداکثر می رساند و در عین حال اعوجاج و ضایعات را به حداقل می رساند.

سوالات متداول در مورد انواع عملیات حرارتی

تفاوت بین آنیل کردن و نرمال کردن چیست؟

هر دو انواع heat treatment فولاد را نرم می کند و ساختار آن را اصلاح می کند، اما از نظر سرعت خنک کننده متفاوت هستند. بازپخت از خنک کردن کوره بسیار آهسته استفاده می کند و نرم ترین حالت ممکن را با حداکثر شکل پذیری و درشت ترین ساختار دانه ایجاد می کند. نرمال سازی از خنک کننده هوا استفاده می کند و در نتیجه ساختاری نسبتاً سخت و ریزدانه با استحکام بالاتر و یکنواختی بهتر ایجاد می کند. زمانی که به تعادل استحکام و چقرمگی نیاز است، نرمال سازی ترجیح داده می شود، در حالی که زمانی که برای کار سرد بعدی به نرمی و شکل پذیری شدید نیاز است، بازپخت انتخاب می شود.

آیا همه فولادها می توانند از طریق کوئنچ سخت شوند؟

خیر توانایی تشکیل مارتنزیت در طول سخت شدن به محتوای کربن و ترکیب آلیاژ بستگی دارد. فولادهای با کمتر از تقریبا 0.30 درصد کربن به طور کلی نمی توان از طریق خاموش کردن مستقیم به یک ساختار مارتنزیتی سخت شد زیرا آنها فاقد کربن کافی برای ایجاد یک شبکه سخت و اعوجاج هستند. فولادهای کم کربن مانند AISI 1018 غالباً توسط کربوریزه شدن به صورت موردی سخت می‌شوند، که کربن را قبل از خاموش شدن به سطح اضافه می‌کند و یک قاب سخت روی یک هسته سخت ایجاد می‌کند. فولادهای با کربن متوسط ​​و بالا و همچنین اکثر فولادهای آلیاژی به آسانی به فرآیند سخت شدن پاسخ می دهند.

چرا باید بلافاصله پس از سفت شدن تمپر انجام شود؟

مارتنزیت تشکیل شده در حین کوئنچ کردن دارای تنش های داخلی بسیار زیادی است. اگر این تنش ها از طریق تمپر کردن برطرف نشوند، می توانند باعث ترک خود به خود قطعه شوند، گاهی اوقات چند ساعت یا چند روز پس از خاموش شدن، در پدیده ای به نام ترک خوردگی تاخیری. به محض اینکه قطعه تقریباً به آن رسید باید تمپر انجام شود 50 درجه سانتی گراد تا 65 درجه سانتی گراد (120 درجه فارنهایت تا 150 درجه فارنهایت) پس از خاموش کردن تأخیر در این مرحله خطر خرابی قطعه را به همراه دارد و در همه کارگاه های عملیات حرارتی یک خطای فرآیند جدی محسوب می شود.

چگونه می توانم بین بازپخت و نرمال سازی برای فولاد کم کربن یکی را انتخاب کنم؟

برای فولادهای کم کربن که تحت شکل دهی گسترده سرد یا کشش عمیق قرار می گیرند، آنیلینگ ترجیح داده می شود. عملیات حرارتی زیرا نرم ترین و انعطاف پذیرترین حالت را ایجاد می کند. اگر مقصود این قطعه برای استفاده ساختاری است که در آن استحکامی لازم است، نرمال‌سازی انتخاب بهتری است زیرا اندازه دانه ریزتر و خواص مکانیکی بهبود یافته را بدون هزینه خنک‌سازی طولانی‌مدت کوره فراهم می‌کند. این تصمیم همچنین به مراحل بعدی تولید بستگی دارد: بازپخت برای انبارهای قبل از ماشینکاری ایده آل است، در حالی که عادی سازی اغلب به عنوان یک درمان نهایی برای بخش های نورد گرم عمل می کند.

چهار انواع heat treatment - بازپخت، نرمال کردن، سخت شدن و تمپر کردن - یک جعبه ابزار کامل برای دستکاری خواص مکانیکی فولاد را تشکیل می دهد. هر فرآیند نیاز مهندسی متفاوتی را برطرف می‌کند: بازپخت پایه‌ای نرم و بدون تنش برای شکل‌دهی ایجاد می‌کند. نرمال سازی ساختار را برای قابلیت اطمینان پالایش و همگن می کند. سخت شدن فولاد را به حداکثر سختی ممکن می رساند. و تمپر کردن سختی شکننده را به ترکیبی ایمن و قابل استفاده از استحکام و چقرمگی تبدیل می کند. این فرآیندها در کنار هم تولید قطعاتی را ممکن می‌سازد که از ورق فلزی نرم و قابل خم شدن تا لبه‌های برش فوق‌العاده سخت را شامل می‌شود و مانند یک قرن پیش برای تولید مدرن ضروری هستند.