امروزه با صنعتی شدن روز افزون جوامع و گسترش استفاده از فلزات، نیاز به فلزات با کیفیت بالاتر، دیده میشود. از جمله این اقدامات می‌توان به "عملیات حرارتی" اشاره کرد که در واقع از سری فرآیندهایی است که طی آن خواص مکانیکی فلزات مورد نظر، تغییر یافته و اصلاح میشود. این عملیات دارای انواع متعددی است که به روش‌های متنوعی انجام می‌گیرد و اهداف مختلفی نیز دارد که در این مقاله سعی کرده‌ایم به بررسی عملیات، انواع آن، مزایا و دیگر مسائل مربوط به این حوزه بپردازیم.
در طی عملیات حرارتی فولاد، خواص فیزیکی، شیمیایی و متالوژیکی فولاد تغییر یافته و برای مصارف مختلف آماده میشود. در واقع عملیات حرارتی فولاد به این منظور انجام میشود که خواص فیزیکی و شیمیایی قطعه فولادی به تعادل مورد نظر رسیده و بهترین کارایی ممکن را داشته باشد. عملیات حرارتی فولاد انواع متفاوتی داشته که طی هر کدام از آنها خاصیت فلزات تغییر کرده و برای مصارف متعدد آماده می‌شوند. از جمله این عملیات، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
این سری از عملیات حرارتی فلزات خود به موارد زیر تقسیم‌‌بندی می‌شوند:
این سری از عملیات حرارتی فولاد شامل موارد زیر است:
عملیات حرارتی فولاد دیگری مانند کربن دهی سطحی، نیتروژن دهی و غیره نیز وجود دارد.
آنیل کردن فولاد و سایر فلزات، دلایل و اهداف متفاوتی دارد. عملیات حرارتی آنیل کردن در اغلب اوقات برای نرم کردن فلزات و افزایش انعطاف‌پذیری آنها استفاده میشود و در پی آن قابلیت ماشینکاری، پایداری ابعاد، بازگرداندن قابلیت شکلپذیری، خواص الکتریکی و سایر خصوصیات فلز یا آلیاژ بهبود مییابد.
در فرآیند آنیل کردن یا باز پخت، فولاد را تا دمای استحاله گرم میکنند، مدت معینی در آن دما نگه میدارند و سپس با سرعت مشخصی (معمولاً سرعت پایین) تا رسیدن به دمای محیط در داخل کوره سرد میکنند. ماندن فلز فولاد در دمای بالا، باعث میشود که نفوذ اتم‌‌ها راحت‌تر شود و نابجایی‌ها کاهش یابد.
کاهش این نابجایی‌ها باعث میشود که شکلپذیری قطعه بالاتر رود، مقاومت آن در مقابل ضربه افزایش یابد و چقرمه‌تر شود. از فرآیند آنیل کردن به جز در قطعات فولادی در قطعات مسی، برنجی و آلومینیومی هم استفاده میشود. عملیات حرارتی فولاد از نوع آنیل کردن، خود به دو دسته زیر طبقه‌بندی میشود:
نرماله کردن یکی از انواع عملیات حرارتی فولاد است. طی این پروسه، ساختار فولاد، یکنواخت‌تر و ریز دانه‌تر میشود. در این عملیات حرارتی، فولاد را تا دمایی حدود 80 درجه سانتی گراد گرم میکنند و برای مدت زمان معینی (تکمیل فرآیند تبدیل شدن به آستینیت)، فولادهای هیپویوتکتوئیدی را بالاتر از خط AC3 نگه میدارند.
سپس فولادهای هایپر یوتدکتوئیدی را بالاتر از خط Acm نگه داشته و آن را سرد میکنند. نرماله کردن معمولاً جزو عملیات حرارتی نهایی است و طی آن استحکام و سختی فولاد افزایش یافته و انعطاف‌پذیری آن کاهش مییابد.
هدف از نرماله کردن فولاد، تبدیل ساختار دانه درشت به ساختار دانه ریز است که این ساختار دانه درشت، حاصل سایر عملیاتی است که قبلاً روی فولاد انجام شده؛ بعد از عملیات حرارتی نرماله کردن فولاد، ساختار همگن حاصل شده به مصارف زیر می‌رسد:
از فرآیند نرماله کردن در مواقعی استفاده میشود که قطعه فولادی پس از نورد گرم به جهت کشیده شدن نورد، دارای خواص مکانیکی متعدد در جهت‌های مختلف میشود و با نرماله کردن این تفاوت‌ها از بین می‌رود؛ یا وقتی که قطعه فولادی دارای ابعاد و زوایای مختلف است، هنگام سرد شدن با سرعت یکنواخت سرد نمی‌‌شود و یک حالت ناهمگن در ساختارش رخ می‌دهد.
در این هنگام می‌توان با استفاده از فرآیند عملیات حرارتی فولاد از نوع نرماله کردن این همگنی را مجدداً برقرار کرد. در واقع عملیات نرماله کردن فولاد، می‌تواند عیوب حاصل از عملیات قبلی انجام شده روی فولاد را تصحیح کند و فولاد را برای انجام عملیات بعدی آمده کند.
قطعه فولادی در فرآیند نرماله کردن تا دمایی بالاتر نسبت به فرآیند آنیل کردن، حرارت می‌بیند. در مرحله مربوط به سرد کردن قطعه فولادی نیز در روش آنیل کردن فولاد، قطعه در کوره سرد میشود ولی در روش نرماله کردن، قطعه در هوا سرد میشود.
فولادهایی که تحت عملیات نرماله شدن قرار گرفته‌اند نسبت به فولادهایی که آنیله شده‌اند، دانه ریزتر بوده و استحکام بالاتری دارند. در نقطه مقابل، انعطاف‌پذیری فولادهای آنیله شده نسبت به فولادهای نرماله شده بیشتر است. به طور کلی برای سخت کردن قطعات فولادی، یکی از این روش‌های کوئینچ کردن، آستمپر و یا مارتمپر کردن استفاده میکنند.
عملیات حرارتی فولاد به روش کوئینچ کردن در ابتدا فلز را تا دمای آستنیته شدن یعنی چیزی حدود بین 815 الی 900 درجه سانتی‌گراد گرم کرده سپس آن را به سرعت خنک میکنند. خنک کردن قطعه فولادی می‌تواند به وسیله سیل آب یا آب نمک، فرو بردن در روغن مخصوص یا آب، اسپری کردن محلول‌‌های خاص روی فولاد، قرار گیری در معرض هوای فشرده و مرطوب و غیره انجام گیرد.
عملیات کوئینچ کردن یا سخت کردن به این منظور انجام میشود که استحکام و مقاومت فولاد یا هر آلیاژ دیگر بالاتر برده شود و مقاومت آن در برابر فشار و فرسایش افزایش یابد. باید توجه داشت که فقط زمانی از عملیات حرارتی کوئینچ کردن استفاده میشود که به سختی خیلی بالایی نیاز داشته باشیم زیرا عملیات حرارتی کوئینچ باعث تردی و شکنندگی بیشتر قطعه خواهد شد.
به این نکته دقت کنید که:
تمام نقاط قطعه باید به طور یکنواخت گرم و سپس سرد شود (این موضوع برای قطعاتی که ابعاد نامنظم دارند حائز اهمیت بیشتر است.) اگر از آب برای سرد کردن استفاده شود، ممکن است موجب بروز ترک‌‌های ریز شود و اگر از روغن استفاده شود، ممکن است رسوبی روی قطعه ایجاد کند که باعث کند شدن زمان سرد شدن فولاد و در نتیجه کاهش سختی فولاد در مقایسه با فولادی که با آب سرد شده است، میشود.
در جدول زیر به صورت کامل با تفاوت این دو مفهوم آشنا خواهید شد:
| ویژگی | آنیل کردن فولاد | نرماله کردن فولاد |
| دمای مورد استفاده | دمای پایین‌تر (معمولا 815 درجه سانتی گراد) | دمای بالاتر (بین 815 تا 900 درجه سانتی گراد) |
| روش خنک سازی پس از حرارت دهی | در کوره سرد یا با استفاده از آب سرد | در هوا سرد میشود |
| ساختار دانه ریز فولاد | دانه درشت‌تر | دانه ریزتر و یکنواخت‌تر |
| استحکام فولاد | کمتر نسبت به نرماله کردن | بیشتر نسبت به آنیل کردن |
| انعطاف پذیری فولاد | بیشتر نسبت به نرماله کردن | کمتر نسبت به آنیل کردن |
| منظور اصلی از اجزای عملیات حرارتی | تغییر دادن ساختار داخلی برای افزایش انعطاف‌پذیری | تغییر ساختار داخلی برای افزایش استحکام |
| روش‌های استفاده برای سخت کردن | کوئینچ کردن، آستمپر، مارتمپر | کوئینچ کردن، آستمپر، مارتمپر |
| نکته مهم | انجام شده در کوره سرد و نیاز به یکنواختی دما | انجام شده در فضای آزاد و نیاز به دمای یکنواخت |
یکی دیگر از عملیات حرارتی فولاد، آستمپر کردن است. این عملیات برای کاهش تنش‌هایی استفاده میشود که در حین عملیاتِ سخت کردن فولاد ایجاد شده‌اند. هدف از عملیات حرارتی آستمپر کردن فولاد، افزایش انعطاف‌پذیری و استحکام در برابر ضربه و همینطور، کاهش یا حذف تنش‌های داخلی، تاب برداشتن، تغییر شکل و ترک‌‌های حاصل از عملیات کوئینچ کردن است. عملیات حرارتی آستمپر کردن شامل مراحل زیر است:
به عملیات مارتمپرینگ فولاد، سریع سرد کردن غیر پیوسته یا مار کوئینچینگ هم می‌گویند. در طی این نوع از عملیات حرارتی، فولاد را تا دمای آستینیته گرم میکنند و در مرحله بعد آن را به سرعت درون روغن داغ که دمای 175 درجه سانتی گراد دارد سرد میکنند.
باید توجه شود که به ازای هر 1 سانتی‌متر ضخامت در قطعه، قطعه فولادی باید حدود 2 تا 4 دقیقه درون روغن داغ قرار بگیرد تا تمامی قسمت‌‌های قطعه فولادی به طور یکنواخت خنک شود. سرد کردن قطعه فولادی در روش مارتمپر کردن باید به گونه‌ای باشد که مرکز قطعه و سطح آن به طور هم زمان سرد شوند. در مرحله آخر، قطعه را تمپر میکنند.
عملیات تنش زدایی یکی دیگر از عملیات حرارتی فولاد است که طی آن تنش‌های به وجود آمده در قطعه فولادی طی روند تولید را از بین می‌برند. به عملیات تنش زدایی فولاد، عملیات تنش‌گیری یا بازپخت هم می‌گویند. اهمیت عملیات تنش‌زدایی از آن جهت است که قطعات فولادی یا آلیاژها ممکن است طی تغییرات دمایی یا تحت فشار دچار تنش‌هایی شوند.
اصطلاحاً به آنها تنش‌های پس‌ماند گفته میشود و در دراز مدت، اثرات زیان باری را از قبیل ترک برداشتن، تاب برداشتن و شکسته شدن قطعه در حین کار را ایجاد می‌کند. عملیات تنش‌زدایی می‌تواند مانع از این اثرات زیان بار شود. این عملیات معمولاً پس از جوشکاری انجام شده و به اصطلاح عملیات پس‌گرم هم نامیده میشود. در طی این عملیات فلز را به صورت یکنواخت گرم میکنند و سپس بصورت یکنواخت آن را سرد می‌نمایند.
عملیات حرارتی تنش‌زدایی جوش به دو صورت زیر انجام میشود:
هدف از عملیات حرارتی کروی کردن فولاد، افزایش قابلیت ماشین کاری و شکلپذیری قطعه فولادی است. فاز سمنتیت یا کاربید آهن (Fe3C) در طی این مرحله از حالت لایه مانند به حالت کروی تغییر شکل می‌دهد. این امر به این خاطر است که نرم‌ترین حالتی که ساختار فولاد می‌تواند داشته باشد، حالت کروی است.
ساختار کروی در عین حال که نرم‌ترین حالت ساختاری فولاد است، پایدارترین حالت نیز به حساب می‌آید. بنابراین قطعه فولادی که تحت عملیات کروی کردن قرار گرفته است، بسیار انعطاف‌پذیر خواهد بود. برای کروی کردن قطعه فولادی عملیاتی را انجام میدهند که تحت آن ساختار پیوسته لایه‌‌های سمنتیت شکسته میشود و به صورت کروی درون زمینه رسوب میکنند.
از جمله فواید عملیات حرارتی کروی کردن فولاد این است که فولاد کروی شده قابلیت شکل پذیری بالا و همچنین قابلیت ماشینکاری بالایی (به خصوص در نوع پرکربن فولادها) دارند. همین طور، کروی کردن فولاد باعث کاهش مصرف انرژی برای عملیات بعدی میشود.
در این روش، لایه سطحی فولاد کم کربن را با استفاده از موادی که کربن‌‌ده هستند به طور سطحی کربن‌دهی و سخت میکنند. قطعه فولاد حاصل از این عملیات حرارتی به گونه‌ای است که سطحی سخت ولی حجم و درونی نرم دارد، یعنی سطح قطعه فولادی از فولاد پرکربن است و درون آن از فولاد کم کربن تشکیل شده است. عملیات حرارتی کربن‌دهی به پنج صورت زیر انجام می‌گیرد:
نیتروژن دهی فولاد، نوع دیگری از عملیات حرارتی فولاد بوده که طی آن قطعات فولادی در محیط سرشار و غنی از نیتروژن تا دمای خاصی گرم شده و مدت معینی در این دما می‌مانند تا نیتروژن جذب کرده و سپس سرد می‌شوند. نفوذ نیتروژن به فولاد باعث ایجاد لایه‌ای سخت خواهد شد و دیگر نیازی به سخت‌‌کاری نیست. نیتروژندهی فولاد نیز مانند کربن‌دهی دارای انواع نیتروژندهی جامد، مایع، گازی و پلاسمایی است.
جمع بندی
عملیات حرارتی فولاد به مجموعه عملیاتی گفته میشود که طی آن قطعه فولادی را تحت شرایط خاص تحت تأثیر قرار میدهند تا طی فرآیندهای کنترل‌شده گرمایش و سرمایش، قطعه فولادی دارای خصوصیات فیزیکی، شیمیایی و متالوژیکی دلخواه و بهبودیافته شده و کارایی بهتری پیدا کند. در این مقاله انواع این عملیات و ویژگی‌های هر یک معرفی شد تا با رمز و راز این متریال پرکاربرد آشنا شوید.