فولاد عملیات حرارتی چیست ؟
فولاد عملیات حرارتی یکی از محصولات مهم صنعتی است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع فولاد با استفاده از فرایندهای حرارتی تولید می‌شود و دارای ویژگی‌هایی مانند مقاومت به خوردگی، سختی و قابلیت پذیری بالا است.
در این صفحه، به مخاطبان نشان می‌دهیم که چرا فولاد عملیات حرارتی به عنوان یکی از محصولات مهم صنعتی، بسیار مورد توجه است و چرا باید از آن استفاده کنند. همچنین، توضیحاتی درباره فرایند تولید فولاد عملیات حرارتی و انواع آن نیز داده می‌شود. با ما همراه باشید :
فرایند تولید فولاد عملیات حرارتی
فرایند تولید فولاد عملیات حرارتی شامل چندین مرحله است که با استفاده از فرایندهای حرارتی، خواص مختلفی در فولاد به وجود می‌آید. برای تولید این نوع فولاد، ابتدا باید فولاد را تولید کرد و سپس با استفاده از فرایندهای حرارتی، آن را به فولاد عملیات حرارتی تبدیل می‌کنند.
عملیات حرارتی فولادها به چه صورت است ؟
فولاد عملیات حرارتی به چندین نوع تقسیم می‌شود که هر کدام از آنها در صنایع مختلف استفاده می‌شود. برای شناسایی هر نوع فولاد عملیات حرارتی، باید به ویژگی‌های آن توجه کرد.
به عنوان مثال، فولاد عملیات حرارتی با سختی بالا برای تولید ابزار دقیق و فولاد عملیات حرارتی با مقاومت به خوردگی بالا برای تولید قطعات دریایی استفاده می‌شود.
پس بطور کلی عملیات های حرارتی به دو دسته سطحی و حجمی تقسیم می شوند.
- عملیات های حرارتی سطحی
- عملیات های حرارتی حجمی
سختی و دیگر خواص مکانیکی بسیاری از فولادها و برخی فلزات غیرآهنی را می‌توان توسط عملیات حرارتی تغییر داد. فولاد، آلیاژی ساخته شده از آهن و کربن است. درصد جرمی کربن تعیین‌کننده قابلیت انجام عملیات حرارتی بر روی فولادها است.
فولادهای کم-کربن حاوی ۰٫۰۳ تا ۰٫۳ درصد کربن، فولادهای کربن-متوسط حاوی ۰٫۳۵ تا ۰٫۵۵ درصد کربن و فولادهای پر-کربن حاوی ۰٫۶ تا ۱٫۵ درصد کربن هستند (چدن‌ها حاوی بیش از ۲٪ کربن هستند). هرچه کربن فولاد بیشتر باشد قابلیت سختکاری آن بیشتر می‌شود. فولادهای کم-کربن حاوی مقدار کافی برای سختکاری مؤثر نیستند و باید از روش‌های دیگری برای افزایش سختی سطح آنها استفاده کرد.
فولادهای کربن-متوسط و پر-کربن را می‌توان با روش‌های مناسب سختکاری کامل کرد. (“سختکاری کامل” یا Through hardening به معنای سختکاری قطعه تا عمق کامل آن می‌باشد و در مقابل “سختکاری پوسته” یا Case Hardenning قرار دارد.). عمق سختکاری به میزان عناصر آلیاژی آن بستگی دارد.
کوئنچ کردن
برای سخت کاری فولادهای کربن-متوسط یا پرکربن، ابتدا قطعه را تا بیشتر از یک دمای بحرانی (در حدود ۷۶۰ درجه سلسیوس) گرم کرده و اجازه می‌دهند برای رسیدن به تعادل مدتی در آن دما باقی بماند، و سپس به‌طور ناگهانی آن را به داخل حمامی از آب سرد یا روغن فرو می‌برند تا دمای قطعه به دمای محیط برسد. این سرد کردن ناگهانی باعث ایجاد محلولی فوق اشباع به نام «مارتنزیت» می‌گردد که بسیار سخت می‌باشد. متأسفانه این فاز بسیار ترد و شکننده است. در حقیقت با افزایش سختی قطعه، استحکام آن کاهش می‌یابد.
برگشت دادن (تمپر کردن)
پس از عملیات کوئنچینگ می‌توان قطعه را دوباره تا دمای کمتری گرم کرده (در حدود ۲۰۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس)، آن را Heat-Soak کرده، و سپس آن را به آهستگی خنک کرد. این کار باعث می‌شود مقداری از مارتنزیت دوباره به فریت و سمنتیت تبدیل شود.
اگرچه اینکار باعث کاهش سختی شده اما میزان داکتیلیته یا قابلیت شکل‌پذیری قطعه را تا حدودی بازگردانی می‌کند. با تغییر متغیرهای دما و زمان در این فرایند می‌توان انواع مختلفی از فولادها با خواص مختلف تولید کرد. یک مهندس مواد باتجربه می‌تواند از این طریق فولاد مورد نیاز کاربردهای مختلف را تولید کند.
بازپخت (آنیلینگ)
فرایندهای کوئنچ کردن و برگشت دادن را می‌توان توسط بازپخت بازگردانی کرد. قطعه تا دمای بحرانی گرم می‌شود (مانند فرایند کوئنچ) اما اینبار اجازه داده می‌شود تا قطعه به آهستگی خنک شود. اینکار باعث بازگردانی شرایط محلول و همچنین خواص مکانیکی قطعه قبل از عملیات سختکاری می‌شود.
معمولاً حتی اگر قطعه سختکاری نشده باشد، برای حذف تنش‌های ایجاد شده در حین فرایند شکل دهی و ساخت قطعه آن را بازپخت می‌کنند. این کار باعث بازگشت قطعه به حالت «راحت» و بدون تنش می‌شود.
نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
نرمالیزه کردن شبیه به فرایند بازپخت می‌باشد با این تفاوت که زمان کمتری به آن حرارت داده شده و سریع تر خنک کاری می‌شود. این کار باعث ایجاد فولادی نسبتاً مستحکم تر و سخت‌تر از فولاد بازپخت کامل شده می‌گردد اما شرایط آن به فولاد بازپخت شده نزدیکتر از فولاد برگشت داده شده می‌باشد.
معمولاً اگر نیازی به ساختاری کاملاً یکپارچه در تمام نقاط قطعه نباشد به جای بازپخت کامل (که طولانی‌تر بوده و نیاز به انرژی و درنتیجه هزینه بیشتری دارد) از نرماله کردن استفاده می‌شود.
کربن‌دهی سطحی
در کربوریزه کردن یا کربن دهی فولاد کم-کربن در محیطی با گاز مونواکسید کربن یا در زیر زغال حرارت داده می‌شود، که باعث جذب کربن توسط سطح می‌گردد.
نیتریده کردن
در نیتریده کردن فولاد کم-کربن در محیطی با گاز نیتروژن حرارت داده می‌شود که باعث ایجاد نیتریدهای آهن سخت بر روی سطح می‌گردد.
تنش زدایی
اعمال نیرو یا تغییرات دمایی می‌توانند در قطعه تنشی ایجاد کنند که ممکن است بسیار زیان بار باشد. این تنش‌ها که «تنش‌های باقیمانده» نامیده می‌شوند، می‌توانند سبب تاب برداشتن، ترک برداشتن یا شکست زودهنگام در حین تولید یا در حین کار شوند. از عوامل تشکیل چنین تنش‌هایی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
الف- وجود شیب حرارتی یا در واقع عدم سرد شدن یکنواخت قطعه.
ب- ماشینکاری و کارسرد هدف از عملیات تنش‌گیری آن نیست که تغییرات عمدهای در خواص مکانیکی قطعه اتفاق بیفتد.
در این عملیات از سازوکار بازیابی استفاده می‌شود و و در واقع تبلور مجدد و تغییرات ریزساختاری در آن انجام نمی‌شود. به منظور تنش زدایی، قطعات را طی زمان مشخصی زیر دمای A1 گرما می‌دهند. زمان گرما دهی بستگی به دمای عملیات و ابعاد قطعه دارد. هر چقدر که دمای تنش‌گیری بالاتر انتخاب شود نیاز به زمان کمتری برای عملیات وجود دارد. در این عملیات نرخ گرم شدن و سرد شدن قطعه باید آهسته باشد تا تنش‌های حرارتی جدیدی به قطعه اعمال نشود.
این عملیات حرارتی به منظور کاهش یا برطرف کردن تمامی تنش‌های ایجاد شده در اثر عملیات تغییر شکل سرد یا در عملیات جوشکاری انجام می‌گیرد. درجه حرارت معمولاً در زیر درجه حرارت A1 و در حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.
کاربرد
فولاد عملیات حرارتی در صنایع مختلفی مانند خودروسازی، هوافضا، ساخت و ساز و… استفاده می‌شود. این نوع فولاد به دلیل ویژگی‌هایی مانند مقاومت به خوردگی، سختی و قابلیت پذیری بالا، برای تولید قطعات صنعتی بسیار مناسب است.
مزایا
فولاد عملیات حرارتی به دلیل ویژگی‌هایی مانند مقاومت به خوردگی، سختی، قابلیت پذیری و… نسبت به سایر نوع‌های فولاد، بسیار مورد توجه است. این نوع فولاد برای تولید قطعات صنعتی که نیاز به مقاومت بالا در برابر خوردگی و سایش دارند، بسیار مناسب است.
عیوب عملیات حرارتی
به علت عملیات حرارتی، سرد کردن یا نگه‌داری اشتباه در قطعات صنعتی ایجاد می‌شود و عامل ۸۰٪ شکستگی و انهدام قطعات صنعتی هستند. روش یافتن دلیل شکستگی، مطالعهٔ ریزساختار‌ها در نواحی شکستگی است. با تصحیح روش‌های عملیات حرارتی، کوره‌ها، سرد کردن و زمان‌بندی مناسب می‌توان از ایجاد این عیوب جلوگیری کرد.
جلوگیری از ایجاد عیوب
برای جلوگیری از ایجاد عیوب در عملیات حرارتی به نکات زیر باید توجه کرد:
برای گرم کردن قطعات در روش‌های مختلف حرارتی از گسترهٔ دمایی مناسب که توسط شرکت تولیدکنندهٔ فولاد توصیه شده‌است استفاده شود.
زمان و روش گرم کردن باید بر اساس نوع فولاد، ابعاد و شکل قطعه، روش بارگیری و نوع کوره عملیات حرارتی انتخاب شود و ترجیحاً از روش‌های توصیه شده استفاده شود.
با توجه به نوع کوره و عملیات حرارتی و باید از تغییر ترکیب شیمیایی سطح حین گرم کردن و نگه داری در دماهای بالا جلوگیری کرد.
با توجه به ترکیب شیمیایی، ابعاد و خواص نهایی مورد نظر از محیط سرد کنندهٔ مناسب استفاده کرد.
اندازه‌گیری سختی راکول قبل از بازپخت نیز از عوامل شایع شکستگی است.
در صورتی که هدف سخت کردن ابزار باشد باید:
قطعات در صورتی که هنوز گرم هستند از حمام سریع سردی خارج شوند.
قطعات بلافاصله بعد از خروج از حمام، به کورهٔ بازپخت که تا دمای مناسب گرم شده‌است انتقال داده شود.
انواع عیوب
عیوبی که در حین سخت‌کردن به وجود می‌آید به‌طور عمده به ۴ نوع تقسیم می‌شود:
ترک خوردن
ترک خوردن (به انگلیسی:crack) می‌تواند بر اثر عوامل مختلفی به‌وجود آید:
- نرخ سرد شدن بسیار زیاد؛ مثلاً استفاده کردن از مایعی با ظرفیت گرمایی ویژه متفاوت از مایع استاندارد (مثلاً آب بجای روغن) یا خالص نبودن مایع سردکننده.
- سرد کردن قطعهٔ سریع سرد شده تا دمای اتاق قبل از عملیات بازپخت؛ احتمال ترک‌خوردگی در این مورد برای قطعات حجیم و پیچیده بیشتر است و باید تا قبل از پایین آمدن دما از ۶۰–۸۰ درجه سلسیوس بازپخت انجام شود یا در آب جوش تنش‌گیری نمود.
- متوقف کردن عملیات سریع سردی در دمایی بالا و انتقال مستقیم قطعات به کوره بازپخت با دمایی نسبتاً بالا؛ در این شرایط تشکیل مارتنزیت متوقف شده و در حین سرد کردن پس از بازپخت ادامه می‌یابد و باعث ایجاد مخلوط مارتنزیت بازپخت شده و نشده می‌شود که منجر به ایجاد تنش‌های داخلی بسیار زیاد می‌گردد.
- کاهش کربن یا اکسایش شدید قطعه در حین حرارت دادن و قبل از سریع سرد کردن نیز می‌تواند منجر به ترک برداشتن شود.
- نرخ زیاد گرم کردن؛ مخصوصاً در مورد قطعاتی که یک بار سخت شده‌اند و دوباره باید سخت شوند.
- ترک ناشی از شکل قطعه مانند گوشه‌های تیز یا تغییرات ضخامت ناگهانی یا سوراخ‌ها باعث آهنگ سرد شدن با آهنگ‌های مختلف شده و در نهایت منجر به ترک می‌شود.
تغییر شکل یا تاب‌برداشتن
تاب‌برداشتن (به انگلیسی:buckle) اصطلاحی است که برای انحنا برداشتن رویه‌ها و سطوح و خارج شدن از حالت ایده‌آل به‌کار می‌رود.
عوامل زیر می‌توانند باعث تابیدگی شوند:
- گرم کردن یا سرد کردن بسیار سریع به ویژه در حین تشکیل مارتنزیت.
- انتخاب دمای بسیار بالا برای آستنیته کردن مخصوصاً در قطعات پیچیده صنعتی
- طراحی ناصحیح قطعه؛ هر چه یک ابزار از قطعات ساده و منظم‌تر تشکیل شده باشد احتمال تاب برداشتن در آن کمتر است.
- بارگیری اشتباه قطعات در کوره؛ (به جز در کوره‌های حمام نمک)
- استفاده از روش‌های اشتباه در فروبردن محیط سردکننده
نواحی پراکنده نرم
نواحی نرم بیشتر در فولاد کم کربن ساده یا کم آلیاژ دیده می‌شود و معمولاً علت‌های زیر شایع‌ترین علل است:
- سریع سرد کردن در مایعی که حباب دارد یا در حین سرد کردن با بالا رفتن دما در آن حباب تشکیل می‌شود. برای جلوگیری از این پدیده ۱۰ تا ۱۵ درصد نمک طعام (NaCl) یا سودا (NaHCO3) به آب می‌افزایند.
- استفاده از آب‌هایی که به آلودگی‌هایی چون روغن، صابون یا .. آلوده شده باشند به عنوان سردکننده.
- کافی نبودن حجم مایع خنک‌کننده.
- وجود پوسته‌های اکسیدی یا مواد دیگر مانند روغن، گریس یا ماسه یا مواد دیگر بر روی سطح قطعه.
سختی کم پس از سرد شدن سریع
به علل زیر قطعه به سختی مورد نظر نمی‌رسد:
- زمان یا دمای آستینه کردن کم باشد.
- نرخ سرد کردن بسیار کم.
- کاهش کربن سطح
- حضور اوستنیت باقیمانده
- بسیار زیاد ناشی از دمای آستینه کردن بسیار زیاد
نتیجه‌گیری : فولاد عملیات حرارتی یکی از محصولات مهم صنعتی است که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به ویژگی‌های آن، این نوع فولاد برای تولید قطعات صنعتی بسیار مناسب است.
منبع : ویکی پدیا
بدون دیدگاه