امروزه در هر صنعتی کیفیت و بالا بردن بهره وری حرف اول را میزند و صنعت فولاد و سازه های فولادی نیز از این قاعده مستثنا نیست. از مدت ها قبل، متخصصین صنعت فولاد به تحقیق و بررسی برای یافتن روش هایی برای این منظور می پردازند. اکنون روش های متعددی برای افزایش کیفیت و بهینه سازی فولاد وجود دارد که هر کدام نیز به نوبه خود دارای مراحل مختلفی است. یکی از این روش ها اجرای عملیات حرارتی فولاد است که در این مقاله به بررسی عملیات حرارتی، کوئنچ کردن و مراحل آن، تمپر کردن و مراحل تمپر کردن می پردازیم.
عملیات حرارتی فولاد به عملیاتی گفته می شود که قطعه فولاد را از نظر فیزیکی، شیمیایی و متالوژیکی تغییر می دهد و به تعادل می رساند و آن را برای مصارف مختلفی که قرار است برای آن مورد استفاده قرار بگیرد آماده می کند. عملیات حرارتی انواع مختلفی دارد که هر کدام از آنها شرایط خاص به خود را دارند و فولادی که از هر کدام از آن ها حاصل می شود خصوصیات و به تبع آن مصارف مختلفی دارد. برخی از این عملیات حرارتی عبارتند از:
عملیات کوئنچ کردن به نوعی از عملیات حرارتی گفته می شود که در طی آن قطعه فولاد گرم شده تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی را با سرعت بالا توسط موادی مانند آب، حمام نمک، آب نمک، هوای آرام، محلول های پلیمری و یا روغن سرد می کنند تا این قطعه فولاد زمان لازم برای ایجاد به فریت و پرلیت (که ساختار نرم و انعطاف پذیر دارند) در درون خود را نداشته باشد و کیفیت بالاتری را نسبت به حالتی که به صورت عادی سرد می شود کسب کند.
در طی عملیات کوئنچ کردن، وقتی که دمای فولاد در مرحله و نقطه یوتکتوئید است شروع به سرد کردن سریع قطعه می کنند تا وارد فاز مارتنزیت شود. نقطه یوتکتوئید در واقع جایی است که فاز آستنیت ناپایدار است. همچنین میتوان قبل از انجام فرآیند عملیات حرارتی کوئنچ کردن، به قطعه فولادی عناصری مانند منگنز و نیکل اضافه کرد تا دمای این نقطه کاهش یابد. این کار باعث می شود که ایجاد فاز مارتنزیت نیز در دمای پایین تری شروع شود و خاتمه یابد. فاز مارتنزیتی در واقع سخت ترین ساختار هر فولاد سختی پذیر است.
عملیات حرارتی کوئنچ کردن یکی از متداول ترین و رایج ترین عملیات حرارتی روی قطعات فولادی است که مراحل انجام آن به شرح زیر است:
در اغلب مواقع از سیالاتی مانند آب یا روغن برای این منظور استفاده می شود. اگر قطعه فولادی را توسط آب، سرد و کوئنچ نماییم، سختی خیلی خوبی در قطعه حاصل می شود ولی عیب این روش این است که ممکن است اعوجاج در قطعه و یا ترک های ریزی در قطعه ایجاد شود؛ اما اگر قطعه فولادی را توسط روغن، سرد و کوئنچ نماییم، یک لایه رسوب روی قطعه تشکیل می دهد که همین لایه باعث این امر می شود که قطعه به اندازه کافی سریع سرد نشود و بنابراین سختی قطعه حاصله نسبت به قطعاتی که با آب سرد می شوند پایین تر است. ذکر این نکته حائز اهمیت است که عملیات کوئنچ کردن اگر در شرایط مطلوب و طبق استاندارد ها انجام نشود میتواند دارای درصدی خطا باشد؛ مثلاً ممکن است ترک های ریزی در درون و روی سطح فولاد ایجاد شود.
سرعتی که باید عملیات کوئنچ کردن طی آن انجام شود، به نوع و میزان عناصر آلیاژی بستگی دارد که در فولاد یا ورق آلیاژی وجود دارند و این سرعت را می توان با انتخاب نوع ماده سرد کننده (آب، نمک، روغن و غیره) تحت کنترل و نظارت درآورد. اگر فولاد عناصر آلیاژی زیادی داشته باشد یعنی در اصطلاح پر آلیاژ باشد، آن را در هوا سرد می کنند. اگر عناصر آلیاژی خیلی اندکی داشته باشد یا فاقد آلیاژ باشد، آن را در آب سرد می کنند (ولی بهتر است از آب نمک به جای آب خالص استفاده شود) و در آخر اگر مقدار عناصر آلیاژی آن کمتر از حالت اول و بیشتر از حالت دوم باشد آن را در روغن سرد می کنند.
در واقع وقتی یک قطعه فولاد تحت عملیات کوئنچ کردن قرار می گیرد، در عین حال که سختی قابل ملاحظه ای پیدا می کند ولی ممکن است ترد و شکننده نیز بشود، بنابراین از عملیات کوئنچ کردن فقط برای مواردی استفاده می شود که می خواهیم فولاد حاصله سختی زیادی داشته باشد، ولی در سایر موارد بهتر است از عملیات تمپر کردن استفاده شود. عملیات تمپر کردن یا تمپرینگ نیز یکی دیگر از عملیات حرارتی است که روی فولاد انجام می شود و طی آن خواص فیزیکی و شیمیایی فولاد تغییر می کند. ذکر این نکته حائز اهمیت است که عملیات تمپر کردن روی فولادهایی که کربن کم یا کربن به میزان متوسط دارند انجام نمی شود زیرا در اصل باید بخشی از کربن آن خارج شود.
تمپر کردن یا تمپرینگ طی مراحل زیر انجام می شود:
مرحله اول: گرم کردن تا دمای مناسب
در واقع تمپر کردن به عملیاتی اطلاق می شود که طی آن فولاد یا چدن را که حالت مارتنزیتی (بعد از کوئنچ کردن) پیدا کرده است، مجدداً تا دمایی کمتر از دمای بحرانی (که معمولاً چیزی حدود 700 درجه سانتی گراد است) گرم می کنند. این کار در کوره های گازی، کوره های مقاومت الکتریکی یا کوره های القایی انجام می شود. گازی که برای حرارت دادن استفاده می شود گاز بی اثر است که باعث تشکیل اکسیداسیون روی فولاد نمی شود و یا برای جلوگیری از اکسیداسیون، عملیات گرمایش را در خلأ انجام می دهند.
مرحله دوم: نگهداشتن فولاد در آن دما برای زمان مشخص
سپس قطعه فولاد گرم شده را برای مدت زمان مشخصی در این دما نگه میدارند.
مرحله سوم: خنک کردن آهسته فولاد گرم شده
فولاد را بعد از مدت زمان مشخصی که در آن دما باقی ماند، به آرامی سرد می کنند تا به دمای محیط برسد. انتخاب دما و مدت زمانی که باید قطعه فولادی در آن دما قرار بگیرد به عواملی مانند خواص مکانیکی مورد نیاز برای قطعه نهایی، ابعاد قطعه و ترکیبات شیمیایی آن و نوع و میزان عناصر آلیاژی موجود در آن بستگی دارد. زمانی که به مدت زمان خاصی برای عملیات حرارتی تمپر اشاره نشود، منظور یک ساعت است.
دوباره گرم کردن فولادی که کوئنچ شده است (تمپر کردن) باعث می شود که در ساختار سخت ولی ترد و شکننده مارتنزیتی، مقداری از کربن ساختار تتراگونالی مارتنزیت خارج شود و کمی از استحکام کم شود ولی به جای آن، ترد و شکننده بودن نیز کاهش یافته و انعطاف پذیری و چقرمگی افزایش پیدا کند. همچنین تمپر کردن باعث از بین رفتن تنش های داخلی درون فولاد می شود که طی عملیات قبلی روی آن به وجود آمده است.
جمع بندی
عملیات حرارتی و به طور خاص عملیات حرارتی کوئنچ کردن و تمپر کردن به منظور افزایش سطح کیفی قطعه فولادی انجام می شود و فولاد حاصله بهینه سازی شده و استانداردهای بهتری دارد.