عملیات حرارتی چیست

فولاد یکی از ضروری ترین و پر استفاده ترین فلزات روی زمین است که این آلیاژی قوی، همه کاره و پرکاربرد، از ترکیب آهن و کربن به وجود آمده و در ساختمان‌ ها، زیرساخت‌ ها، کشتی‌ های آبی، اتومبیل‌ها، ماشین‌آلات، لوازم خانگی گرفته تا ظروف ساده مانند چنگال و قاشق کاربرد دارد و به نظر می‌رسد کاربردهای آن هیچ حد و مرزی ندارد. این به دلیل خواص بسیار مطلوب فولاد می باشد.

سختکاری فولاد و اهمیت آن

یکی از مهم ترین ویژگی های فولاد، سختی آن است. سختی به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل، فرورفتگی، ضربه یا سایش اشاره دارد. با این حال، سختی طبیعی فولاد برای بسیاری از کاربردهای مهندسی، مانند قطعات سازه ای و موتوری، کافی نیست.

بنابراین، فرآیندهایی به نام عملیات حرارتی برای افزایش سختی و سایر خواص فولاد توسعه یافته اند. قیمت فولاد نیز می تواند تحت تاثیر این فرایند ها قرار گیر و بسته به سختی فولاد درخواستی متغییر باشد.

سختکاری فولاد معمولا بر روی محصولات نهایی انجام می شود و نه بر روی مواد خام. برای مثال سختکاری فولاد بعد از ماشینکاری، فرآیندی است که بر روی قطعات ماشینکاری انجام می شود و نه فولاد خام. این کار به چند دلیل انجام می شود.

اولین دلیل این می باشد که سخت کردن یک بلوک کامل فولادی مقرون به صرفه نیست، زیرا درصد زیادی از آن در فرآیند ماشینکاری حذف می شود.

دومین دلیل آن است که ، ماشینکاری فولاد سخت شده بسیار دشوارتر است، زیرا سختی قطعه ، نفوذ ابزار را دشوارتر می کند.

ساختار های داخلی فولاد و سختی آن

همه فولادهایی که می بینیم ترکیب یکسانی ندارند و از آلیاژ های فولادی مختلفی برای اهداف مختلف ساخته شده اند. تفاوت فولاد ها به ساختار داخلی آنها باز می گردد.

فولاد در ابتدایی ترین شکل خود استحکام و سختی نسبتا کمی دارد. با این حال، سختکاری فولاد از طریق عملیات حرارتی مانند کوئنچینگ (سریع سرد کردن پس از گرمادهی) و بازپخت، باعث بهبود خواص مکانیکی آن می شود. این فرآیندها منجر به تغییر در ساختار داخلی فولاد، مانند تبدیل ساختار آن به مارتنزیت، می شوند که سختی و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد.

هدف این عملیات ها، ایجاد یک ساختار داخلی یکنواخت و مقاوم است که به فولاد توانایی تحمل فشار و بارهای بیشتر را می بخشد و کاربرد آن را در صنایع سنگین مانند خودروسازی، ماشین سازی و ساختمان سازی گسترده تر می کند.

 ساختار های داخلی فولاد 

مارتنزیت

مارتنزیت به عنوان سخت ترین ساختار کریستالی داخلی فولاد شناخته می شود. این ساختار با سرد کردن سریع آهن آستنیتی ایجاد می شود؛ در این فرایند، اتم های کربن فرصت جابه جایی از شبکه کریستالی را ندارند و در نتیجه، در محلول جامد به دام می افتند. این امر باعث افزایش سختی و مقاومت فولاد در برابر سایش می شود، اما در عین حال، آن را به ماده ای شکننده تبدیل می کند که نیازمند استفاده محتاطانه در کاربردهای خاص است.

ریخت شناسی یا ریزساختار مارتنزیت سوزنی و به شکل پلاکت هایی عدسی مانند است که دانه های فاز اصلی را تقسیم کرده و با یکدیگر تماس دارند، اما به هیچ وجه از یکدیگر عبور نمی کنند. این ریزساختار در سیستم های آلیاژی متنوعی از جمله Fe-C و Fe-Ni-C مشاهده می شود و باعث تقویت خصوصیات مکانیکی در این آلیاژها می گردد.

آستنیت

آستنیت، پس از مارتنزیت، دومین ساختار سخت فولاد است که به آلیاژهای آهنی اشاره دارد که در آن ها آهن به شکل آهن گاما (γ) حضور دارد. این ساختار معمولاً در دماهای بین 723 تا 1500 درجه سانتی گراد پایدار است و با حرارت دهی به فولاد در این بازه دمایی، ساختار آستنیتی در آن تشکیل می شود.

آستنیت برخلاف مارتنزیت، انعطاف پذیرتر است و خواص چقرمگی بالاتری دارد که آن را برای کاربردهایی که نیاز به استحکام همراه با شکل پذیری دارند مناسب می کند. این ساختار در ترکیب با دیگر عناصر آلیاژی مانند نیکل و کروم، به ویژه در تولید فولادهای ضدزنگ استفاده می شود و به دلیل خواص عالی در برابر خوردگی، در صنایع مختلف از جمله صنایع پتروشیمی و خودروسازی بسیار پرکاربرد است.

پرلیت

پرلیت، برخلاف مارتنزیت، ساختاری است که با سرد شدن آهسته فولاد تشکیل می شود و ترکیبی از فریت و سمانتیت به صورت لایه ای است. این ساختار زمانی به وجود می آید که فولاد به آرامی از دمای بحرانی 723 درجه سانتی گراد سرد شود. در این دما، آهن گاما (آستنیت) از ساختار مکعبی وجه مرکزی (FCC) خود به ساختار مکعبی مرکز پر (BCC) تبدیل شده و فاز آهن آلفا (فریت) تشکیل می شود. همزمان، کاربید آهن یا سمانتیت از محلول جدا می شود.

آرایش لایه ای پرلیت، که به صورت تناوبی از فریت نرم و انعطاف پذیر و سمانتیت سخت و شکننده تشکیل شده، خواصی مناسب برای کاربردهایی که نیاز به تعادل بین استحکام و شکل پذیری دارند فراهم می کند. این ساختار در فولادهای کربنی معمولی دیده می شود و به دلیل داشتن استحکام و مقاومت مناسب، در صنایع ساختمانی و تولید قطعات ماشین آلات پرکاربرد است.

روش های سخت کاری فولاد

سخت کاری حرارتی از جمله رایج ترین و موثرترین روش های سخت کاری فولاد است و شامل سه مرحله اصلی است: گرم کردن، نگه داشتن در دما و خنک کردن.

در مرحله اول، فلز به دمای بالایی رسانده می شود، به اندازه ای که تغییرات ساختاری در داخل آن رخ دهد. این گرمادهی ساختار داخلی فولاد را تغییر می دهد و منجر به شکل پذیری بیشتر آن می شود، به طوری که بتواند در فرآیندهای تغییر شکل آسان تر و با کاهش شکنندگی، به کار رود.

سخت کاری حرارتی شامل انواع مختلفی از فرآیندها مانند کوئنچ (سریع سرد کردن)، تمپر (بازپخت) و نرمالیزه کردن است که هرکدام بر اساس دما و سرعت سرد شدن متفاوت، به خواص خاصی در قطعه نهایی می انجامند.

 روش های مختلف سختکاری فولاد 

کار سرد

کار سرد معمولاً خواص فولاد یا فلزات را تغییر می دهد. این روش سختکاری فولاد به سادگی تغییر شکل یک فلز در دمای زیر نقطه ذوب آن است. خواصی مانند استحکام تسلیم، استحکام کششی و سختی افزایش می ‌یابد، در حالی که انعطاف‌پذیری و توانایی مواد برای تغییر شکل کاهش می‌ یابد.

سختکاری کرنش، که از تجمع و درهم‌ تنیدگی نابجایی ‌ها در طول تغییر شکل پلاستیک حاصل می ‌شود، یک حالت ضروری برای تقویت عناصر است. اگرچه حدود 90 درصد انرژی در حین کار سرد به صورت گرما تلف می شود، باقیمانده در شبکه کریستالی ذخیره می شود و در نتیجه انرژی داخلی آن افزایش می یابد.

سختکاری آلیاژی محلول جامد

سختکاری محلول عبارت است از افزودن یک عنصر آلیاژی به فلز پایه برای ایجاد محلول جامد. پس از انجماد، فلز به دلیل وجود اتم های آلیاژ در شبکه کریستالی فلز پایه سخت می شود. تفاوت اندازه بین اتم های حل شونده و حلال بر اثربخشی محلول جامد تأثیر می گذارد. اگر اتم املاح بزرگتر از اتم حلال باشد، میدان های کرنش فشاری ایجاد می شود. از طرف دیگر، اگر اتم حلال بزرگتر از اتم های حل شونده باشد، میدان های کرنش کششی ایجاد می شود. اتم های محلول که شبکه را به یک ساختار چهارضلعی منحرف می کنند باعث سختکاری سریع می شوند. یک مثال بارز اثر سمانتیت در فولاد است.

خنک کردن

در کوئنچ کردن که به آن تبدیل مارتنزیتی نیز گفته می شود، فولاد بالاتر از دمای بحرانی در محدوده آستنیت گرم می شود، در این دما نگه داشته می شود و سپس به سرعت سرد می شود یا اغلب در آب، روغن یا نمک مذاب خاموش می شود.

برای فولادهای هیپویوتکتوئیدی، دمای حرارت دهی 30 تا 50 درجه سانتی گراد بالاتر از حد خط حلالیت آستنیت است. برای فولادهای هایپریوتکتوئیدی، دما بالاتر از دمای یوتکتوئید است. کوئنچ باعث تبدیل مارتنزیتی می شود که به طور قابل توجهی فولاد را سخت می کند. با این حال، فولاد سخت شده بسیار شکننده است. بنابراین برای رفع تنش های داخلی و کاهش شکنندگی لازم است تلطیف انجام شود.

حداکثر سختی زمانی به دست می آید که سرعت خنک سازی در کوئنچ به اندازه کافی سریع باشد تا از تبدیل کامل مارتنزیت اطمینان حاصل شود.

سختکاری سطحی

همانطور که از نام آن پیداست، سختکاری یک سطح سخت ایجاد می کند که برای مقاومت در برابر سایش در کاربردهایی مانند میل لنگ، یاتاقان ها و موارد مشابه ضروری است. این روش سختکاری فولاد، به طور کلی شامل یکی از سه رویکرد است:

سختکاری القایی و شعله

این یک عملیات حرارتی تفاضلی سطح است. سطح به سرعت گرم می شود تا مرکز مواد تحت تأثیر قرار نگیرد. سپس مواد با سرعت بسیار بیشتری خنک می شوند. به این ترتیب سطح بالایی از مارتنزیت در سطح ایجاد می شود.

سختکاری انتشار (نیتریدینگ)

این فرایند شامل یک تغییر ترکیبی در ناحیه سطح است. ذرات ریز با اجازه دادن به گازهای انتخاب شده برای واکنش و انتشار در فولاد پراکنده می شوند.

در این فرآیند، فولاد تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد تا ساختار مارتنزیتی به دست آید. سپس به مدت 12 تا 36 ساعت در معرض اتمسفر آمونیاک در دمایی حدود 550 درجه سانتیگراد قرار می گیرد.

عناصر آلیاژی کوچک مانند آلومینیوم تشکیل پراکندگی ریز نیتریدها را می دهند که به طور قابل توجهی سختی سطح و مقاومت در برابر سایش را افزایش می دهد. این ترکیب نیتریدها از نظر سختی بسیار برتر از مارتنزیت است.

کربوره کردن

این فرآیند شامل قرار دادن فولاد در معرض یک جو کربنی در دمای بالا می باشد. جو کربن دار را می توان از زغال سنگ با کیفیت بالا یا گاز طبیعی تولید کرد. اتم‌های کربن در سطح زیرین فلز پخش می‌شوند و در نتیجه محفظه‌ ای با کربن بالا ایجاد می‌شود که پس از خنک شدن بعدی، یک سطح مارتنزیتی مقاوم در برابر سایش ایجاد می‌کند.