عملیات حرارتی و مراحل آن

عملیات حرارتی در واقع فرآیندی است که طی آن، خواص و ویژگی‌های فلزات تغییر کرده و هدف از این تغییرات، تطبیق دادن فلزات برای استفاده در مصارف مختلف است. این عملیات در صنعت فلزکاری و مونتاژ محصولات فلزی، اهمیت زیادی دارد. در عملیات حرارتی تمامی خواص فیزیکی، مغناطیسی و الکتریکی فلزات تغییر کرده و برای استفاده در مصارف گوناگون مطابق با خواصشان به کار برده می‌شوند.

به عنوان مثال، در فعالیت‌های مهندسی لازم است که فلزات از استحکام و سختی بالایی برخوردار باشند؛ در حالی که در کارهای الکتریکی نیازی به استحکام بالا نیست و فلز باید رسانایی بالایی داشته باشد. به این ترتیب، فلزات با توجه به کاربری‌‌شان، تغییر داده می‌شوند. ضمنا، روش‌های مختلفی برای انجام عملیات حرارتی وجود دارد که در این مقاله به معرفی و بررسی آن‌ها می‌پردازیم. با ما همراه باشید.

عملیات حرارتی فولاد چگونه است و چه مراحلی دارد؟

برای انتخاب عملیات حرارتی مناسب باید به موارد مختلفی از جمله روش تولید و خواص مورد نیاز توجه کرد. به عنوان مثال، ممکن است برای انجام فعالیت‌های سایشی نیاز به قطعه‌ای سخت باشد و یا قطعه‌ای دیگر برای سرویس‌های تحت تنش طراحی شود. به همین منظور، برای قطعه‌ی اول باید عملیات حرارتی سخت‌کاری و در قطعه‌ی دوم، عملیات حرارتی تنش‌زدایی انجام بگیرد. بنابراین، برای اینکه بتوان روش مناسبی را انتخاب کرد، باید به نوع فولاد، کاربرد، روش ساخت و خواص مورد نظر توجه داشت. انواع عملیات حرارتی به شرح زیر است.

آبدهی (کوئنچ کردن - Quenching)

کوئنچ کردن یا به اصطلاح دیگر سریع سرد شدن، یکی از روش‌های عملیات حرارتی است که برای سخت کردن فولاد به کار برده می‌شود. برای انجام این فرآیند، لازم است تا قطعه فولادی را به سرعت، سرد کرد؛ در واقع، از دمای آستنیته شدن تا زیر دمای Mf آورد. در انجام این روش، سطح فولاد و داخل آن به یک‌باره و در یک زمان سرد نمی‌شود و به دنبال آن نیز تشکیل فاز جدید در نواحی همزمانی ندارد. با انجام روش کوئنچ کردن، تنش‌های داخلی در قطعه فولادی سبب تغییر شکل و شکست می‌شود. عملیات کوئنچ فولاد شامل مواردی چون مارتمپرینگ، مارکوئنچینگ و آستمپرینگ است.

برگشت دادن (تمپر کردن)

به عملیات حرارتی برگشت دادن، تمپر کردن نیز می‌گویند. از این روش، برای پایین آوردن شکنندگی قطعات فولادی استفاده می‌شود. به این ترتیب، فولاد را تا زیر دمای Ae1 حرارت داده و بعد از آن، در مدت زمان مشخصی نگهداری می‌کنند تا به آرامی در دمای اتاق سرد شود. دما و مدت زمان لازم برای حرارت دادن، به خواص شیمیایی فولاد، ابعاد و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد. با روش تمپر یا برگشت دادن، تنش داخلی در فولاد کاهش پیدا کرده و حذف می‌شود. به دنبال این اتفاق، استحکام در برابر ضربه فولاد بالا می‌رود؛ اما باید توجه داشت که استحکام کششی قطعه تا حدی کاهش می‌یابد.

بازپخت (آنیلینگ)

عملیات بازپخت یا آنیلینگ به عملیات‌ حرارتی می‌گویند که منجر به تشکیل هر ساختاری به جز مارتنزیت (فازی سخت و شکننده و علت سختی فولاد که با حرارت و سریع سرد کردن به دست می‌آید) با سختی پایین و انعطاف‌پذیری بالا می‌شود. روش بازپخت یا آنیلینگ شامل طیف گسترده‌ای از عملیات حرارتی است که بیشتر مواقع برای پایین آوردن سختی و از بین بردن تنش از آن استفاده می‌کنند.

نرمالیزاسیون

از دیگر عملیات حرارتی، نرمالیزاسیون است که نتیجه‌ آن، ریزساختارهای پرلیتی، فریتی- پرلیتی و یا پرلیت- سمنتیت هستند. در این روش، میزان دمای آستنیته کردن قطعات فولادی هیپویوتکتوئیدی تا حدی بیشتر از روش آنیلینگ بوده، اما برای دسته قطعات فولادی هایپریوتکتوئید، حدود 50 درجه و بالای Acm است. در پایان این روش نیز قطعات در هوا خنک می‌شوند. از جمله مهم‌ترین اهدافی که در نرمالیزاسیون می‌توان به آن اشاره کرد، ریز کردن دانه‌های درشتی است که در زمان کار در دمای بالا و یا ریخته‌گری و انجماد حاصل می‌شود.

کربن دهی سطحی

کربن‌دهی سطحی گونه‌ای دیگر از عملیات حرارتی به حساب می‌آید که در آن، یک فولاد کم کربن را در مواد کربن‌ده مانند زغال قرار می‌دهند و سپس، حرارتی به میزان 925 درجه سانتی‌گراد را به آن وارد می‌کنند. این حرارت باعث می‌شود تا کربن از ماده کربن‌ده آزاد شود و به سطح فولاد نفوذ پیدا کند. با اینکه انجام این عملیات به مدت زمان زیادی احتیاج دارد؛ اما در مدت چند ساعت، میزان خوبی از کربن جذب فولاد می‌شود. در پایان فرآیند، فولادی که ساخته می‌شود، از درون دارای کربن کم و از سطح بسیار پرکربن خواهد بود.

نیتروژن دهی

به عملیات حرارتی که نیتروژن اتمی را به سطح فولاد وارد می‌کنند، نیتروژن‌دهی می‌گویند. سختی سطح فولاد در این روش به میزان نیترید فلزی ساخته‌شده بستگی دارد. با اینکه از این روش عملیات حرارتی می‌توان برای بالا بردن سختی اکثر فولادها استفاده کرد، اما برای افزایش سختی بسیار زیاد از فولادهایی استفاده می‌کنند که از جنس فولاد آلیاژهایی مانند آلومینیم، کرم مولیبدن و یا وانادیم باشند.

تنش زدایی

 باید بدانیم که برخی از فرآیندهای مکانیکی و یا حرارتی در نهایت، سبب تنش‌های داخلی قطعات فولادی می‌شوند و عملکرد نامناسبی برای آن‌ها برجای می‌گذارند. از جمله عواملی که موجب ایجاد تنش در قطعات فولادی می‌شوند می‌توان به سرد شدن غیر یکنواخت نواحی مختلف قطعه، ماشین‌کاری یا جوشکاری اشاره کرد. از همین ‌رو، برای کاهش دادن یا حذف این تنش‌ها، از روش تنش زدایی عملیات حرارتی استفاده می‌کنند. برای انجام این کار، قطعه را با توجه به ابعاد و دمای تنش‌گیری تا زیر دمای Ac1 حرارت می‌دهند. هرچقدر که میزان این دما بالاتر رود، زمان انجام عملیات کاهش می‌یابد. در پایان فرآیند نیز برای جلوگیری از تنش‌های احتمالی در قطعه، آن را به آرامی خنک می‌کنند.

آستنیتی کردن فولاد

آستنیتی کردن فولاد، اولین مرحله از شروع عملیات‌های حرارتی است که برای یکنواخت کردن غلظت کربن در کریستال‌های آستنیت بسیار ضروری است. درواقع، آستنیت به کلید سختی فولاد شهرت دارد. این روش تابع دو عامل مهم درجه حرارت و زمان بوده که درجه حرارت از اهمیت بالاتری برخوردار است. زمانی که فولاد به درجه‌ حرارت لازم برای تبدیل شدن به آستنیت می‌رسد، آستنیت در مرحله‌ رشد و جوانه‌زنی تشکیل می‌شود. ازاین‌رو، برای کامل شدن فرآیند، قطعه را در فولادهای هیپوای تکتوئیدی وای تکتوئیدی با دمای۳۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس بالای درجه حرارت خط A3 حرارت می‌دهند.

عملیات حرارتی فولادهای زنگ‌نزن

باید گفت که فولادهای زنگ نزن استاندارد، همان آلیاژهای آهنی بسیار مقاوم در برابر خوردگی و حرارت هستند که 60 نوع مختلف دارند. علاوه بر این، حداقل 100 نوع فولاد زنگ نزن غیر استاندارد نیز وجود دارد. فولادهای استاندارد زنگ نزن حاوی کروم 11% هستند. در این قسمت به مهم‌ترین موارد عملیات حرارتی در انواع فولادهای زنگ نزن اشاره می‌کنیم:

فولاد زنگ‌نزن مارتنزیتی

حداکثر میزان سختی این دسته از فولادها بعد از کوئنچ، به میزان کربن وابسته است. ساختار بعد از کوئنچ این فولادها همانند فولادهای آلیاژی است؛ ازاین‌رو، روش آنیل به شکل ناقص به راحتی برای این فولادها انجام می‌شود؛ چرا که سرعت سرد شدن برعکس عملیات آنیل در این فولاد حساس نیست.

فولاد زنگ‌نزن فریتی

مقاومت بالا در برابر خوردگی در فولاد فریتی بیشتر از مارتنزیتی است؛ اما در قیاس با فولاد آستنیتی، مقاومت کمتری دارد. انجام روش آنیل عملیات حرارتی برای این فولاد، تنها فرآیندی است که می‌توان انجام داد.

فولاد زنگ‌نزن آستنیتی

این دسته از فولاد زنگ نزن از مقاومت منحصر به فردی در برابر خوردگی و حرارت برخوردار است؛ از این رو، در صنایع مهمی از جمله هوافضا، خودروسازی، پزشکی و... به کار برده می‌شود. این فولاد به شکل‌پذیری بی‌نظیر معروف است و با عملیات‌های حرارتی سخت نمی‌شود.

فولاد زنگ نزن دوپلکس

این فولاد زنگ‌نزن دارای ترکیبات شیمیایی کروم، مولیبدن، نیتروژن، تنگستن و زیرساخت برابری از فریتی و آستنیتی است. مقاومت زیاد این فولاد در برابر ترک‌های حاصل از خوردگی، سبب افزایش قابلیت جوشکاری و مقاومت آن شده است و برای عملیات حرارتی آن از روش بازپخت محلول استفاده می‌شود.

عملیات حرارتی آلیاژهای غیرآهنی

هنگامی که از عملیات حرارتی برای آلیاژهای غیرآهنی مانند آلومینیوم صحبت می‌شود، درواقع منظور، فرآیندهایی است که طی آن، مقاومت و سختی آلیاژهای ریخته‌گری شده و رسوب سخت‌شونده بالا می‌رود. در این دسته از فلزات برای بالابردن مقاومت، از سرما و برای کاهش مقاومت و بالا بردن قدرت چکش‌خواری، از حرارت دادن استفاده می‌کنند. در قسمت زیر، به برخی از روش‌های حرارتی برای آلیاژهای غیرآهنی اشاره کرده‌ایم:

• آنیل بعد از کار سرد
• عملیات رسوب سختی
• همگن کردن قطعات ریختگی
• عملیات تشکیل ساختار دوفازی

برای کاهش تنش‌های داخلی در عملیات حرارتی چه کارهایی می‌توان انجام داد؟

تنش‌زدایی یکی از اقدامات مهم و اساسی بعد از انجام فرآیندهای مربوط به ساخت قطعات مختلف است که در جریان تولید، عملیات مختلف حرارتی، شیمیایی، مکانیکی بر روی آن‌ها انجام می‌شود. ازاین‌رو، برای جلوگیری از آسیب دیدن قطعات، ترک خوردن، شکستگی و... لازم است تا روش‌هایی را برای حذف یا کاهش تنش‌ها انجام داد. برخی از روش‌های کاهش تنش‌زدایی در عملیات حرارتی فولاد به شرح زیر است:

• شات پینینگ
• تنش‌زدایی حرارتی
• تنش‌زدایی ارتعاشی
• تنش‌زدایی چکش زنی
• تنش‌زدایی التراسونیک
• روش پیرسازی طبیعی

مزایای و محدودیت‌های عملیات حرارتی فولاد چیست؟

همان‌طور که در ابتدای این مقاله بیان شد، عملیات حرارتی برای استفاده از فولاد در مصارف مختلف، امری مهم تلقی می‌شود. با توجه به اهمیت و انواع مختلف روش‌های حرارتی برای تبدیل فولاد به فلز مدنظر برای بهره‌وری، مزایا و محدودیت‌هایی را نیز شامل می‌شود که در این بخش به آن‌ها خواهیم پرداخت. از جمله مزایای عملیات حرارتی برای فولاد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ریز شدن دانه‌بندی
• بهبود خاصیت الکتریکی
• بهبود ویژگی‌های برش در فولاد ابزار
• بالا بردن جذب انرژی ضربه به فولاد
• تنش‌زدایی حاصل از فرآیندهای تولید
• تغییر دادن یا بهبود خواص مغناطیسی
• به‌وجود آوردن مرکزی نرم درون فولاد
• بهبود ویژگی‌های فولاد به جهت اقتصادی 
• بالابردن مقاومت به سایش با تشکیل لایه‌ای سخت روی فولاد و در عین حال، بالا بردن مقاومت به ضربه

علاوه بر این‌ها، انجام عملیات حرارتی در فولاد، محدودیت‌هایی را نیز به همراه دارد که اگر به آن‌ها توجه نشود، به فولاد آسیب می‌رسد. نکته مهمی که باید به آن توجه کرد، مطالعه درباره انتخاب بهترین روش برای فولاد مدنظر خود است؛ چرا که سرما یا گرمای بیش از حد، علاوه بر آسیب رساندن به فولاد موجب پوسته شدن، کاهش یا افزایش میزان کربن فولاد، سختی نامتناسب، دانه‌های درشت و یا سطح اکسایش کم یا زیاد می‌شود.