وبسایت رسمی شرکت میهن فولاد
۱۴۰۳ ۰۷ ۲۸
۰ دیدگاه
15 دقیقه
نویسنده: کیمیا حسینی
عملیات حرارتی چیست؟
هدف از فرآیند عملیات حرارتی برای فولاد
انواع عملیات حرارتی فولاد
سوالات متداول
مطلب مفیدی بود
چاپ مطلب
اشتراک گذاری مطلب
فولاد، یکی از پرکاربردترین مواد در صنعت، تنها با کمی گرم و سرد شدن کنترل‌شده، می‌تواند ویژگی‌های متفاوتی پیدا کند. این فرآیند عملیات حرارتی نام دارد. در واقع، با عملیات حرارتی، ساختار داخلی فولاد دچار تغییر شده و همین موضوع، باعث می‌شود فولاد از حالتی شکننده به مقاومتی بالا یا از سختی زیاد به انعطاف‌پذیری مطلوب برسد. در این مقاله، انواع عملیات حرارتی که روی فولاد انجام می‌شود و تأثیرات آنها را بررسی می‌کنیم. با میهن فولاد همراه باشید.
عملیات حرارتی، به مجموعه‌ای از فرآیندهای کنترل‌شده حرارتی گفته می‌شود که با هدف تغییر هدفمند خواص فولاد انجام می‌شود. در این فرآیند، با اعمال چرخه‌های حرارتی مشخص، شامل گرم کردن تا دماهای بالا، نگهداری در آن دما و سپس سرد کردن با سرعت‌های مختلف، ساختار داخلی فولاد، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی آن، دچار تغییر می‌شود. این تغییرات ساختاری، منجر به بهبود ویژگی‌هایی همچون سختی، استحکام، چقرمگی، مقاومت به سایش و ماشینکاری می‌شود.
نکته قابل توجه این است که قابلیت عملیات حرارتی در تمام انواع فولاد یکسان نیست. فولادها با گریدهای آلیاژی مختلف، پاسخ‌های متفاوتی به عملیات حرارتی نشان می‌دهند. به عبارت دیگر، با انتخاب چرخه حرارتی مناسب برای هر گرید فولاد، می‌توان طیف وسیعی از خواص مکانیکی را در آن ایجاد کرد و فولاد را برای کاربردهای مختلف، مناسب ساخت.
عملیات حرارتی فولاد، با هدف اصلی توسعه خواص مکانیکی و فیزیکی آن انجام می‌شود. اما اهداف عملیات حرارتی تنها به بهبود خواص مکانیکی محدود نمی‌شود. برای مثال، حذف تنش‌های داخلی ایجاد شده در قطعه حین فرآیندهای ساخت، یکی دیگر از اهداف مهم عملیات حرارتی است. تنش‌های داخلی می‌توانند منجر به تغییر شکل و حتی شکست ناگهانی قطعه شوند.
علاوه‌براین، عملیات حرارتی می‌تواند منجر به افزایش مقاومت به سایش، ریز کردن دانه‌بندی و بهبود خواص الکتریکی و مغناطیسی فولاد شود. به‌طورکلی، می‌توان گفت عملیات حرارتی یکی از فرآیندهای مناسب برای مواد است که با استفاده از آن می‌توانند خواص فولاد را تغییر داده و آن را برای کاربردهای مختلف صنعتی مناسب ساخت.
انواع مختلف عملیات‌های حرارتی به شرح زیر است:
فولاد تولید شده به روش ریخته‌گری، اغلب دارای ساختاری ناهمگن و غیریکنواخت است که به آن ساختار دندریتی گفته می‌شود. این ساختار ناشی از انجماد جهت‌دار مذاب و عدم نفوذ کامل عناصر آلیاژی در حین سرد شدن است. وجود ساختار دندریتی باعث کاهش خواص مکانیکی فولاد، مانند استحکام و چقرمگی می‌شود. برای رفع این نقص و بهبود خواص فولاد ریخته‌گری، از عملیات حرارتی همگن‌سازی استفاده می‌شود.
در فرآیند همگن‌سازی، قطعه فولادی تا دمای بالایی در محدوده پایداری آستنیت (معمولاً بین ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شده و برای مدت زمان مشخصی در این دما نگهداری می‌شود. این کار باعث می‌شود اتم‌های عناصر آلیاژی فرصت کافی برای نفوذ و پراکندگی یکنواخت در ساختار فولاد را داشته باشند. سپس قطعه به آرامی و معمولاً در هوای آرام تا دمای محیط سرد می‌شود. زمان مورد نیاز برای نگهداری قطعه در دمای همگن‌سازی به ابعاد و ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد و با افزایش ابعاد و میزان نایکنواختی ساختار، افزایش می‌یابد.
آنیلینگ یا بازپخت، یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین انواع عملیات حرارتی است که با هدف کاهش سختی، افزایش انعطاف‌پذیری و بهبود قابلیت ماشینکاری فولاد انجام می‌شود. در واقع، آنیلینگ فرآیندی است که در آن، فولاد را تا دمای مشخصی گرم کرده، برای مدتی در آن دما نگه داشته و سپس به آرامی سرد می‌کنند. این چرخه حرارتی باعث تغییر ساختار فولاد و تشکیل فازهایی با سختی کمتر و انعطاف‌پذیری بیشتر می‌شود.
انواع مختلفی از آنیلینگ وجود دارد که هر یک با هدف خاصی و با چرخه حرارتی متفاوتی انجام می‌شود. برخی از مهم‌ترین انواع آنیلینگ عبارتند از:
این روش معمولاً برای نرم کردن کامل فولاد و حذف تنش‌های داخلی ناشی از فرآیندهای قبلی مانند نورد یا فورج استفاده می‌شود. در این روش، فولاد تا دمای بالای ناحیه آستنیت گرم شده و برای مدت زمان طولانی در آن دما نگهداری می‌شود تا ساختار آن کاملاً به آستنیت تبدیل شود. سپس فولاد به آرامی و کنترل شده در کوره سرد می‌شود تا ساختاری یکنواخت و نرم شامل فریت و پرلیت تشکیل شود.
در این روش نیز مانند آنیل کامل، فولاد ابتدا تا دمای آستنیت گرم می‌شود. اما برخلاف آنیل کامل، سرد کردن فولاد به صورت ناگهانی و تا دمای زیر ناحیه بینیتی انجام می‌شود و فولاد برای مدت زمان مشخصی در این دما نگهداری می‌شود. سپس فولاد در هوا سرد می‌شود. آنیل هم‌دما نسبت به آنیل کامل زمان کمتری نیاز دارد اما سختی نهایی آن کمی بیشتر است.
این روش برای فولادهای پرکربن استفاده شده و هدف از آن افزایش قابلیت ماشینکاری و کاهش سختی این فولادها است. در این روش، فولاد تا دمای کمی زیر ناحیه آستنیت گرم شده و برای مدت زمان طولانی در این دما نگهداری می‌شود. این کار باعث می‌شود ساختار سمنتیت در فولاد از شکل لایه‌ای به شکل کروی تغییر کند و در نتیجه سختی فولاد کاهش یابد.
انتخاب نوع روش آنیلینگ بستگی به نوع فولاد، خواص مکانیکی مورد نیاز و کاربرد قطعه دارد. آنیلینگ با تغییر ساختار فولاد، خواص مکانیکی آن را بهبود بخشیده و آن را برای عملیات بعدی مانند ماشینکاری یا شکل‌دهی آماده می‌کند.
نرماله کردن، با هدف اصلاح ساختار و بهبود خواص مکانیکی آنها انجام می‌شود. این فرآیند اغلب برای قطعاتی که قرار است ماشینکاری یا کار سرد شوند مناسب است و باعث ایجاد ساختاری یکنواخت، ریز و با خواص مکانیکی بهینه می‌شود.
در نرماله کردن، فولاد تا دمای بالاتری نسبت به آنیل کامل گرم می‌شود. این دما برای فولادهای هیپویوتکتوئید کمی بالاتر از دمای آنیل کامل و برای فولادهای هایپریوتکتوئید حدود ۵۰ درجه سانتی‌گراد بالاتر از خط Acm است. پس از رسیدن به دمای مورد نظر، قطعه برای مدت زمان مشخصی در این دما نگهداری می‌شود تا ساختار آن کاملاً به آستنیت تبدیل شود. سپس قطعه در هوای آرام و به‌طور طبیعی سرد می‌شود. این سرعت سرد شدن نسبت به آنیل کامل، بیشتر است و باعث تشکیل ساختاری ریزتر و یکنواخت‌تر از پرلیت و فریت می‌شود.
یکی از مزایای مهم نرماله کردن نسبت به آنیل کامل، افزایش استحکام و سختی فولاد است. این افزایش استحکام به‌دلیل ریز شدن دانه‌بندی و کاهش فاصله بین لایه‌های پرلیت در ساختار فولاد نرماله شده است. همچنین، نرماله کردن باعث بهبود قابلیت ماشینکاری و کاهش اعوجاج قطعه در حین عملیات بعدی می‌شود.
در فولادها، انعطاف‌پذیری بالا همواره مهم نیست. گاهی نیاز داریم فولاد به راحتی شکل پذیرد و در برابر ضربه مقاومت خوبی از خود نشان دهد. در چنین مواردی، عملیات حرارتی کروی کردن استفاده می‌شود. این فرآیند با تغییر شکل سمنتیت در ساختار فولاد از حالتی لایه‌ای و پیوسته به شکل ذرات کروی و پراکنده، انعطاف‌پذیری و قابلیت ماشینکاری فولاد را افزایش می‌دهد.
کروی کردن فولاد با حرارت‌دهی کنترل شده آن تا دمای مشخصی، نگهداری در آن دما برای مدت زمان مناسب و سپس سرد کردن آهسته انجام می‌شود. دمای حرارت‌دهی می‌تواند کمی بالاتر یا پایین‌تر از دمای A1 (دمای تبدیل یوتکتوئید) باشد و بسته به ترکیب شیمیایی و خواص مورد نیاز فولاد تعیین می‌شود. در حین نگهداری در دمای کروی کردن، ساختار لایه‌ای سمنتیت به تدریج به شکل ذرات کروی در می‌آید. هرچه زمان نگهداری در این دما بیشتر باشد، ذرات کروی شده سمنتیت بزرگتر و انعطاف‌پذیری فولاد نیز بیشتر خواهد بود.
انتخاب دقیق دما و زمان نگهداری در فرآیند کروی کردن بسیار مهم است. اگر دما و زمان به درستی انتخاب نشوند، ممکن است سمنتیت به‌طور کامل کروی نشود و خواص مکانیکی مورد انتظار حاصل نگردد.
کار سرد، فرایندی متداول برای شکل‌دهی و افزایش استحکام فولاد است. اما این فرآیند با وجود مزایای فراوان، معایبی نیز به همراه دارد. کار سرد باعث ایجاد عیوب بلوری در ساختار فولاد و در نتیجه کاهش انعطاف‌پذیری و افزایش سختی آن می‌شود. برای رفع این معایب و بازیابی خواص اولیه فولاد، از عملیات حرارتی بازیابی و تبلور مجدد استفاده می‌شود.
در فرآیند بازیابی، قطعه فولادی تا دمای مشخصی زیر دمای تبلور مجدد، گرم می‌شود. این حرارت‌دهی باعث می‌شود اتم‌ها انرژی کافی برای حرکت و رفع بخشی از عیوب ایجاد شده در حین کار سرد را پیدا کنند. در نتیجه، تنش‌های داخلی فولاد کاهش یافته و بخشی از انعطاف‌پذیری آن باز می‌گردد. با این حال، ساختار دانه‌بندی فولاد در این فرآیند تغییر زیادی نمی‌کند.
برای دستیابی به ساختاری کاملاً یکنواخت و عاری از تنش، فولاد را پس از بازیابی، تحت عملیات حرارتی تبلور مجدد قرار می‌دهند.. در این فرآیند، اتم‌ها انرژی کافی برای تشکیل دانه‌های جدید و بدون عیب را پیدا می‌کنند. در نتیجه، ساختار دانه‌بندی فولاد کاملاً تغییر کرده و خواص مکانیکی آن به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد. فولاد تبلور مجدد شده دارای انعطاف‌پذیری بالا، سختی کم و قابلیت شکل‌پذیری مناسبی است.
در پشت پرده صلابت و استحکام فولاد، گاهی تنش‌های نهفته‌ای وجود دارد که می‌تواند به یک تهدید جدی برای ساختار و عملکرد آن تبدیل شود. این تنش‌های داخلی، ناشی از فرآیندهای ساخت مانند جوشکاری، ماشینکاری، کار سرد و یا حتی سرد شدن غیریکنواخت قطعه هستند و مانند بمب‌های ساعتی، قابلیت ایجاد ترک، تاب برداشتن و در نهایت شکست ناگهانی قطعه را دارند. برای خنثی کردن این تهدید پنهان، از عملیات حرارتی تنش‌گیری استفاده می‌شود.
در فرآیند تنش‌گیری، قطعه فولادی تا دمای مشخصی زیر دمای A1 (معمولاً بین ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شده و برای مدت زمان مشخصی در این دما نگهداری می‌شود. این حرارت‌دهی کنترل شده باعث آزاد شدن تنش‌های داخلی محبوس شده در ساختار فولاد می‌شود و قطعه به حالت تعادل ساختاری باز می‌گردد. زمان مورد نیاز برای نگهداری قطعه در دمای تنش‌گیری به عواملی مانند دما، ابعاد قطعه و میزان تنش موجود در آن بستگی دارد.
نکته پراهمیت در فرآیند تنش‌گیری، گرم و سرد کردن آهسته و یکنواخت قطعه است. اگر این مراحل با سرعت بالا انجام شود، خود باعث ایجاد تنش‌های حرارتی جدید در قطعه شده و هدف اصلی از تنش‌گیری را تحت الشعاع قرار می‌دهد. بنابراین، کنترل دقیق دما و زمان در تمام مراحل تنش‌گیری برای دستیابی به نتیجه مطلوب ضروری است.
سخت کردن فولاد، اگرچه استحکام و سختی آن را افزایش می‌دهد، اما همزمان می‌تواند فولاد را به ماده‌ای شکننده و مستعد شکست تبدیل کند. در اینجا از تمپرینگ، به‌عنوان یک عملیات حرارتی مکمل استفاده می‌شود. تمپرینگ با مهار سختی بیش از حد فولاد سخت شده، چقرمگی و مقاومت به ضربه آن را بهبود می‌بخشد.
در فرآیند تمپرینگ، قطعه فولادی سخت شده تا دمای مشخصی زیر دمای A1 (دمای تبدیل یوتکتوئید) گرم شده و پس از نگهداری در این دما برای مدت زمان مناسب، به آرامی تا دمای محیط سرد می‌شود. دمای و زمان تمپرینگ دو عامل بسیار مهم هستند که بسته به ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نیاز، تعیین می‌شوند. با افزایش دما و زمان تمپرینگ، سختی فولاد کاهش و چقرمگی آن افزایش می‌یابد.
در حین تمپرینگ، بخشی از تنش‌های داخلی ایجاد شده در فرآیند سخت کردن نیز آزاد می‌شود و ساختار فولاد به سوی حالتی متعادل‌تر و پایدارتر می‌رود. در نتیجه، علاوه‌بر افزایش چقرمگی، مقاومت به سایش و خستگی فولاد نیز بهبود می‌یابد.
سرد کردن کنترل شده، یکی از مراحل مهم در بسیاری از عملیات حرارتی فولاد است که با هدف دستیابی به سختی مورد نظر انجام می‌شود. در واقع، سرعت سرد کردن فولاد از حالت آستنیت تاثیر زیادی در نوع ساختار و در نتیجه خواص مکانیکی آن دارد. برای کنترل سرعت سرد کردن و دستیابی به ساختار مناسب، از روشهای مختلفی استفاده می‌شود که هر یک ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
در این روش، فولاد پس از آستنیت شدن به‌طور مستقیم و با سرعت زیاد در محیط سرد کننده‌ای مانند آب یا روغن غوطه‌ور می‌شود. این روش ساده و کم هزینه است اما به‌دلیل سرد شدن غیریکنواخت سطح و هسته قطعه، می‌تواند منجر به ایجاد تنش‌های داخلی و در نهایت ترک برداشتن یا اعوجاج قطعه شود. به همین دلیل، این روش بیشتر برای فولادهای ساده کربنی با ضخامت کم مناسب است.
این روش نوعی سرد کردن مقطعی است که در آن، فولاد پس از آستنیت شدن در حمام مذاب نمک یا روغن داغ با دمای کمی بالاتر از دمای شروع تشکیل مارتنزیت (Ms) غوطه‌ور می‌شود. قطعه برای مدت زمان مشخصی در این دما نگهداری می‌شود تا دمای تمام نقاط آن یکنواخت شود. سپس قطعه در هوا سرد می‌شود. مارتمپرینگ با کاهش اختلاف دما بین سطح و هسته قطعه در حین سرد شدن، احتمال ایجاد تنش‌های داخلی و اعوجاج را به حداقل می‌رساند و ساختاری یکنواخت‌تر و با چقرمگی بالاتر ایجاد می‌کند.
این روش نیز مانند مارتمپرینگ، نوعی سرد کردن مقطعی است که در آن، فولاد پس از آستنیت شدن در روغن داغ یا حمام مذاب نمک با دمای بالاتر از دمای شروع تشکیل مارتنزیت غوطه‌ور می‌شود. اما برخلاف مارتمپرینگ، قطعه برای مدت زمان طولانی‌تری در این دما نگهداری می‌شود تا ساختار آن به‌طور کامل به بینیت تبدیل شود. سپس قطعه در هوا سرد می‌شود. آستمپرینگ منجر به ایجاد ساختاری بسیار چقرمه و با مقاومت خوب در برابر ضربه می‌شود. این روش، اغلب برای قطعاتی که در معرض ضربه و بارگذاری دینامیکی قرار دارند، مناسب است.
طی فرآیند کوئنچ کردن، فولاد از کوره داغ به یک حمام سردکننده مانند آب یا روغن منتقل می‌شود. این شوک حرارتی ناگهانی، ساختار داخلی فولاد را به‌کلی تغییر داده و آن را از حالتی نرم و شکل‌پذیر به ماده‌ای بسیار سخت و مقاوم تبدیل می‌کند.
در حین کوئنچ کردن، فولاد با سرعتی بسیار بالا از دمای آستنیت شدن تا زیر دمای Mf (دمای پایان تشکیل مارتنزیت) سرد می‌شود. این سرعت سرد شدن باید به اندازه‌ای زیاد باشد که اتم‌های کربن فرصت کافی برای نفوذ و تشکیل ساختارهای متعادل مانند فریت و سمنتیت را نداشته باشند. در نتیجه، کربن به صورت محلول در ساختار آهن به دام افتاده و فاز بسیار سخت و تردی به نام مارتنزیت تشکیل می‌شود.
با وجود افزایش سختی و استحکام فولاد در فرآیند کوئنچ کردن، این روش معایبی نیز به همراه دارد. سرد شدن غیریکنواخت سطح و هسته قطعه در حین کوئنچ کردن می‌تواند منجر به ایجاد تنش‌های داخلی قابل توجهی در ساختار فولاد شود. این تنش‌ها در صورت عدم کنترل مناسب، می‌توانند باعث ایجاد ترک، تاب برداشتن و حتی شکست ناگهانی قطعه شوند. به همین دلیل، معمولاً پس از کوئنچ کردن، از عملیات حرارتی دیگری مانند تمپرینگ برای کاهش تنش‌های داخلی و بهبود چقرمگی فولاد استفاده می‌شود.
در بسیاری از کاربردها، به قطعاتی نیاز داریم که در عین داشتن سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش، از چقرمگی و مقاومت به ضربه مناسبی برخوردار باشند. تصور کنید یک چرخ‌دنده را که دندان‌های آن باید در برابر سایش مداوم مقاوم باشند اما همزمان از داخل نیز به اندازه کافی مقاوم باشد تا در برابر ضربات ناگهانی نشکنند. این خواص سطح و هسته، با استفاده از عملیات حرارتی سخت‌کاری سطحی قابل دستیابی است.
سخت‌کاری سطحی به دو روش اصلی انجام می‌شود:
در این روش، با استفاده از حرارت و محیط شیمیایی مناسب، ترکیب شیمیایی سطح فولاد تغییر می‌کند. به عبارت دیگر، عناصر آلیاژی سخت‌کننده مانند کربن، نیتروژن و بور، به‌شیوه کنترل شده‌ای به سطح فولاد نفوذ داده می‌شوند. این افزایش غلظت عناصر آلیاژی در سطح، منجر به تشکیل فازهای بسیار سخت مانند کاربید، نیترید و بورید شده و سختی سطح را افزایش می‌دهد.
از جمله روشهای متداول سخت‌کاری ترموشیمیایی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
در این روش، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی سطح، تنها با اعمال حرارت و سرد کردن سریع موضعی، سختی سطح فولاد افزایش می‌یابد. این روش اغلب برای فولادهایی با میزان کربن متوسط (۰.۳۵ تا ۰.۵ درصد) مناسب است که قابلیت سخت شدن کافی در ساختار خود را دارند. از جمله روشهای متداول سخت‌کاری موضعی می‌توان به دو مورد زیر اشاره کرد:
در دنیای فولادهای ابزار، دقت و پایداری ابعادی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است. یک ابزار برشی با اندکی تغییر شکل یا ابعاد می‌تواند دقت عملیات ماشینکاری را به خطر انداخته و منجر به تولید قطعات غیرقابل قبول شود. برای دستیابی به بالاترین سطح دقت و پایداری در فولادهای ابزار، از عملیات حرارتی خاصی به‌نام عملیات حرارتی زیر صفر یا سابزیرو استفاده می‌شود.
این فرآیند در واقع مکملی بر عملیات حرارتی سخت‌کاری معمولی است و شامل سرد کردن شدید فولاد تا دماهای زیر صفر درجه سانتی‌گراد (معمولاً بین -۷۰ تا -۱۸۰ درجه سانتی‌گراد) پس از کوئنچ کردن است. در دماهای زیر صفر، فاز آستنیت باقی‌مانده در ساختار فولاد که فازی ناپایدار است، به مارتنزیت تبدیل می‌شود. حذف آستنیت باقی‌مانده باعث افزایش سختی، استحکام و مقاومت به سایش فولاد شده و از همه مهم‌تر، پایداری ابعادی آن را در طول زمان و در شرایط سخت کاری بهبود می‌بخشد.
عملیات حرارتی زیر صفر، به‌دلیل تاثیر قابل توجهی که بر پایداری ابعادی فولاد دارد، به پایدارسازی نیز معروف است. این فرآیند برای ابزارهای برشی، قالب‌ها و قطعاتی که در دماهای پایین کار می‌کنند بسیار مناسب است. با این حال، انجام عملیات حرارتی زیر صفر نیازمند تجهیزات و کنترل دقیق دما است و معمولاً برای قطعات با پراهمیت و حساس انجام می‌شود.
درکل، عملیات حرارتی با هدف توسعه خواص فولاد انجام می‌شود. هرکدام از این عملیات و مراحل با دمای مشخص انجام شده و هدف خاصی را دنبال می‌کنند. آشنا شدن با مواردی که پیش‌تر گفتیم، به فعالیت بهتر شما در صنایع مختلف کمک می‌کند. همچنین، شما می‌توانید برای اطلاع از قیمت روز فولاد آلیاژی با کارشناسان ما تماس گرفته یا از طریق سایت اقدام کنید.
بخش های مرتبط:
۰نظر ارسال شده است
نظر خود را در مورد مطلب عملیات حرارتی انواع فولاد بنویسید
