تاریخچه عملیات حرارتی
عملیات حرارتی از چه زمانی وارد زندگی انسان ها شده است؟ بیش از پنجاه هزار سال است که بشر از آهن استفاده می کند و تقریبا در نصف این مدت آهن به عنوان وسیله‌ای زینتی و فلزی افسانه ای مورد توجه خاصی بوده است. پس از آن، تهیه آهن از کانی های طبیعی میسر شد و انسان اولین بار آهن را در تهیه سلاح به کار برد، ولی پیش از آن نیز بشر وسایل و سلاح های خود را از ابزار مفرغی تهیه می کرد. کشف آتش را می توان سرآغاز صنعتی شدن جامعه بشری دانست. مس اولین فلزی است که به طور خالص و طبیعی و جدا از مواد معدنی در اختیار بشر قرار گرفته است. پس از آن نقره، سرب، آنتیموان (سنگ سرمه) و قلع کشف شد و فلزکاران با استفاده از آتش و سرخ کردن و سپس ذوب فلزات، آمیختن آنها را تجربه کرده و موفق به شناخت تجربی آلیاژها شدند. از ترکیب قلع و مس، مفرغ پدید آمد و عصر مفرغ آغاز شد. آنها به این نکته پی برده بودند که از ترکیب مس با کمی قلع، آلیاژ مناسبی حاصل می‌شود که برای بسیاری از کاربردهای آن زمان مناسب بوده است و هرچقدر عیار قلع افزایش می یابد، آلیاژ حاصل محکم تر و به همان میزان شکننده تر می شود.
هر فلز جامد در یک حالت قطعی از انرژی، معمولا دارای یک واحد سلولی با اندازه و شکل مشخص است؛ اما در بعضی از فلزات، این مشخصات از یک حالت انرژی به حالت دیگر تغییر می‌کند. حالت انرژی فلزات معمولا با افزایش یا کاهش حرارت تغییر می‌کند که به این فرایند عملیات حرارتی می‌گویند. در واقع عملیات حرارتی به ترکیبی از عملیات که شامل حرارت دادن و سرد کردن فلزات یا آلیاژهای جامد، به منظور کسب خواص مشخصی است، گفته می‌شود.
اجزای عملیات حرارتی
سه قسمت اصلی عملیات حرارتی عبارت است از:
- حرارت دادن فلز تا یک دمای تعریف شده
- نگه داشتن فلز در آن دما تا زمانی که تمام ساختار فلز یکنواخت شود.
- سرد کردن فلز با یک نرخ تعریف شده برای تشکیل ساختارهای درونی فلز یا آلیاژ، برای رسیدن به هدف مورد نظر.
فرآیند عملیات حرارتی روی فلزات در مقیاس صنعتی به منظور بهبود خواص کلی فلزات برای استفادۀ آنها در کاربردهای آتی انجام می‌شود. خواص فلزات شامل چقرمگی، سختی، انعطاف پذیری، قابلیت ماشین‌کاری، اصلاح ساختار دانه، حذف تنش‌های درونی و بهبود مقاومت به سایش است. روش‌های خاص استفاده شده برای حرارت دادن و سرد کردن فلزات نه تنها برای هر فلز منحصر به فرد است، بلکه برای کاربردهای صنعتی متفاوت نیز یکسان نیستند. ارزیابی شده است که بیش از ۸۰ درصد کل صنایع، فرآیندهای عملیات حرارتی را روی فولادها انجام می‌دهند. در میان فلزات، عملیات حرارتی در آلیاژهای آهنی (فولاد و چدن)، آلومینیوم، مس، برنج و تیتانیوم رواج دارد.
انواع خدمات عملیات حرارتی
- عملیات حرارتی سختکاری برای انواع فولادهای صنعتی با تیراژ بالا در کوره های عملیات حرارتی مداوم (Continues heat treatment)
- عملیات حرارتی سختکاری عمیق انواع مختلف ابزارها و قطعات مهندسی در کوره های(Through hardening) مختلف ابزار
- عملیات حرارتی سختکاری سطحی انواع مختلف ابزارهای مخصوص (Case hardening) با استفاده از روش سمانتاسیون جامد در کوره های ابزار
- عملیات حرارتی سختکاری موضعی (Partial hardening) انواع مختلف فولادهای مهندسی در کوره های ابزار
- عملیات حرارتی آنیل کامل (Full Annealing) و آنیل اسفرودایز (Sphorodized annealed) و نرمالیزه (Normalizing) در کوره های ابزار
- عملیات تنشگیری قطعات مهندسی در کوره های ابزار (Stress relieving)
- عملیات حرارتی سختکاری فولادهای تندبر (High speed steel) مربوط به ابزارهای فورمینگ (Form tools) در
کوره های حمام نمک
عملیات حرارتی نرمالیزاسیون چیست؟
نرماله کردن (Normalizing) یکی دیگر از انواع روش های عملیات حرارتی است که میکروساختار حاصل همانند آنیل کردن شامل پرلیت، مخلوطی از پرلیت و فریت و یا مخلوطی از پرلیت و سمنتیت (بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد) است. لیکن، تفاوت‌های مهمی بین نرماله کردن و آنیل کردن وجود دارد. در نرماله کردن، دمای آستنیته کردن برای فولادهای هیپویوتکتوئید (hypoeutectoid) کمی بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل کردن است، در حالی که برای فولادهای هایپریوتکتویید از گسترۀ دمایی حدود 50 درجه سانتیگراد بالای Acm استفاده می شود. برخلاف آنیل کامل که فولاد در کوره سرد می شود، در عملیات نرماله کردن قطعات پس از آستنیته شدن در هوا سرد می‌شوند. در چنین شرایطی آهنگ سرد شدن در حدود 0.1 تا 1 درجه سانتیگراد بر ثانیه است.
از آنجایی که در نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتویید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن، عبارت است از ریز کردن دانه های درشتی که اغلب به هنگام کارگرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده اند. هنگامی که قطعه کارگرم یا ریخته گری شده با دانه‌های درشت در دمایی بین دمای Ac3 و Ac1 قرار بگیرد، دانه های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند. در صورتی که دمای آستنیته کردن به گستره دمایی نشان داده شده محدود شود، آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز به وجود می آید. حرارت دادن در دماهای بالاتر از گستره دمایی یاد شده ممکن است منجر به درشت شدن دانه ها شود، بنابراین در عملیات نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتویید، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌های ریز به وجود می‌آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می‌شود. از نظر خواص مکانیکی، میکروساختار حاصل از نرماله کردن می‌تواند در بعضی موارد به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه های درشت هستند، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه‌ها استفاده می‌شود.
آنیل کردن در فرایند عملیات حرارتی
آنیل کردن (Annealing) درعلم مواد، به فرایندی می گویند که موجب تغییر خواص ماده مانند سختی و شکل پذیری آن می شود. این فرایند شامل گرم کردن ماده تا دمایی مناسب، نگه داری در آن دما در زمان مشخص و کافی و سپس سرد کردن آن با سرعت مناسب تا دمای محیط است. کلمه آنیل (بازپخت) مفهوم گسترده ای داشته و علاوه بر بخش فلزات و آلیاژهای آهنی و در قسمت غیرآهنی نیز کاربرد دارد. این عملیات عموما برای نرم کردن مواد فلزی انجام می شود و در نتیجه آن خواصی مانند قابلیت ماشین کاری، خواص الکتریکی، قابلیت کار سرد و پایداری ابعاد آن و ساختار آلیاژ تغییر قابل توجه ای می کند.
انواع فرایندهای آنیل کردن
آنیل کردن انواع مختلفی دارد که هدف و نتیجه آنها متفاوت است. هر گاه عنوان خاصی برای آن ذکر نشود، منظور بازپخت کامل است که در آن آلیاژ آهنی تا بالاتر از دمای استحاله گرم شده و سپس به آرامی در داخل کوره سرد شده و کاملا نرم می شود. سیکل این عملیات با توجه به ترکیب و مشخصات آلیاژ متفاوت بوده و برای هر فولاد سیکل مشخصی وجود دارد.
برای آلیاژهای غیرآهنی با ترکیب و ساختار مربوط به خود، عملیات بازپخت برای اهداف زیر انجام می شود:
- حذف کامل یا جزئی اثرات کار سرد (احتمال رخ دادن تبلور مجدد)
- آمیخته شدن کامل رسوبات به صورت ذرات درشت
- رسوب ذرات از محلول جامد
نمونه ای از انجام عملیات حرارتی
شمشیر دمشقی با ویژگی منحصربه‌فرد خطوط موجی
بر روی بعضی از شمشیرهایی که از قرن پنجم میلادی به بعد ساخته شده اند، دیده شده است که لبه تیز آنها خیلی کربن‌دارتر از بقیه قسمت های شمشیر است. بعضی از آنها فقط سمانته شده و برخی دیگر آب داده شده یودند که باعث ایجاد یک ساختار مارتنزیتی در آنها شده بود که سختی این بخش تا حدود 610 ویکرز می رسید. در اواخر قرن نوزدهم شناخت پدیده های متالورژی با سرعت بیشتری توسعه یافت. جستجوی مداوم برای تحصیل قدرت بیشتر و کم کردن وزن قطعات و همچنین نیاز به مصالحی با حد الاستیک و مقاومت بالاتر، با توجه به اقتصاد مصالح ایجاب می کرد که از حداکثر کیفیت فلزات استفاده شود.
هدف عملیات حرارتی، ایجاد بهترین ویژگی های ممکن برای قطعات با توجه به کاربرد آنهاست. این عملیات امکان می دهد بتوان در یک میدان وسیع بر روی ویژگی های فولاد اثر گذاشت. اگر عملیات حرارتی به خوبی اجرا شود، اغلب می تواند اثر خیلی بزرگ تری نسبت به تغییرات ترکیب شیمیایی بر روی خصوصیات نهایی فولاد داشته باشد.
تمام پیشرفت هایی که در قرن اخیر حاصل شده نتیجه نیازهای صنایع مختلف مانند اتومبیل‌سازی، صنایع فضایی، کامپیوتر، صنعت استخراج و تصفیه نفت، صنایع هسته‌ای و... است.
در طول قرن حاضر، عملیات حرارتی در جهت های متعددی از قبیل: تعمیم عملیات حرارتی بر روی آلیاژهای غیرآهنی، عملیات موضعی توسط سمانتاسیون، نیتروراسیون، کربونیتروراسیون، گرم کردن با شعله یا توسط جریان های القایی با فرکانس بالا، عملیات حرارتی در شرایط اتمسفر کنترل و یا خلأ پیشرفت کرده است.
تهیه شده در گروه تولید محتوای فولا 24