مقالات
در حال خواندن
عملیات حرارتی
0

عملیات حرارتی

توسط میلاد سکاکی۱۹ اسفند, ۱۳۹۵

عملیات حرارتی به یک فرآیند گرمایی یا تعدادی فرایندها که برای بهبود خواص مورد نظر در فلزات استفاده می شوند می گویند.یعنی گرم کردن و خنک کردن فلز تحت شرایط مختلف و به صورت حساب کتاب شده.در این مقاله اهمین و نحوه انجام عملیات حرارتی و برخی از عملیات حرارتی را بطور کامل بررسی میکنیم.عملیات حرارتی، فرایند گرم كردن و سرد كردن فلزی جامد برای رسیدن به خواص مطلوب و دلخواه میباشد.دلایل استفاده از عملیات حرارتی عبارتند از:

  • ریز كردن دانه بندی
  • تنش زدایی، تنش های ناشی از عملیات و فرایندهای تولید(تنش پس ماند)
  • افزایش یا کاهش استحکام فلز بر طبق نیاز
  • سخت کردن پوسته
  • خوش تراش کردن فلز
  • افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به‌وجود آوردن مرکز نرم‌تر در داخل قطعه
  • تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی
  • بهبود خواص الکتریکی

فولاد از نظر خواص مناسبی که در عمل دارد، یکی از مهمترین مواد فلزی است.یکی از دلایل عمده‌ای که می‌توان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند در حد زیادی تحت تاثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.

عملیات حرارتی معمولا در کوره انجام میشود این کوره ها ها بصورت سنتی هستند یا بصورت مدرن که به شرح آن ها میپردازیم:

کوره های سنتی

کوره سنتی

کوره های سنتی با سوخت فسیلی علاوه بر نداشتن توجیه اقتصادی از نظر راندمان، دمـای محیـط کار را به شـدت بالا برده و دارای عـوارض زیست محیطی بسیاری می باشد،امکان کنترل دقیق دما مقدور نبـوده و هیچ گاه سرخی یکسانی در قطعه کار دیده نمی شود و نیز با اکسیداسیون بالا از کیـفیت تولید می کاهد.

کوره های القایی(مدرن)

کوره القایی

کوره های القـایـی جایگزیـن مـناسبی بـرای کوره های سنـتی محـسوب شده که علـاوه بـر سرعت بسیار بالای عملیات دارای راندمان بالا و مصرف انرژی بسـیار کمتر نسبت به کوره های سنتی می باشد که فاقد هرگونه آلودگی و صدا بوده و با اضافه کردن فیدر های هیدرولیکی برای سری کاری ،سرعت تـولیـد را به چنـد بـرابر افزایــش داده و شرایـط کاری تمــیز و حــرارت یکنـواخت و قابل کنـترلی ایجاد می کند.

اصول و مبانی عملیات حرارتی(برای فولاد)

  1. حرارت فولاد تا دمای آستنیتی
  2. نگهداری فولاد در این دما برای تشکیل فاز آستنیت همگن ( زمان همدما سازی )
  3. کاهش دمای فولاد با سرعتی مشخص بر اساس خواص مورد نظر
  4. گرم کردن تا دمای بالا ولی کمتر از دمای بحرانی ( در صورت لزوم )

تغییر فازها در فولادها به هنگام گرم کردن

پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانی زنی آستنیت آغاز می شود . با افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کار بیدها فاز آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای به سرعت انجام می گیرد . برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویوتکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم .

تغییر شکل آستنیت به هنگام سرد کردن

تغییر رنگ فولاد در دما های مختلف

اگر فولاد با زمینه آستنیت همگن را به آرامی خنک کنیم فازهای فریت ، پرلیت و سمانتیت تشکیل می شود . در صورت افزایش آهنگ خنک کاری به باینیت و مارتنزیت می رسیم .در فولادیوتکتوئیدی تغییر شکل آستنیت به پرلیت هنگامی است که دمای آستنیت کمتر از دمای بحرانی شود و آهنگ خنک کاری آهسته باشد . در فولادهای هیپریوتکتوئیدی و هیپویوتکتوئیدی ، بین دماهای بحرانی فوقانی و تحتانی ، فریت یا سمانتیت تشکیل می شود .اگر سرعت خنک کاری فولاد را زیاد کنیم ( بالاتر از خنک کاری بحرانی ) مستقیماً فاز مارتنزیت تشکیل می شود که سخت و مستحکم است.

متداول ترین و با اهمیت ترین عملیات های حرارتی عبارتند از:

  • کربن‌دهی سطحی
  • نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
  • کوئنچ‌کردن
  • برگشت دادن (تمپر کردن)
  • بازپخت کامل (آنیلینگ)
  • آنیلینگ
  • تنش زدایی

آنیل کردن(آنلیلینگ یا باز پخت)
هدف دستیابی به یک ساختار متالورژیکی کاملاً همگن و پایدار (معمولاً فریت و یا پرلیت) و عاری از تنش های پسماند و اثرات کارسرد و جدایش می باشد. قطعات آنیل شده معمولاً بیشترین انعطاف پذیری و کمترین استحکام را دارند. برای آنیل کردن معمولاً بعد از قرار دادن نمونه ها برای مدت زمان مشخص در دمای آستنیته ، در محیط کورۀ خاموش خنک می شوند.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 می باشد. کلمه آنیل (بازپخت) مفهوم گسترده ای داشته و هم در بخش فلزات و آلیاژهای آهنی و هم غیر آهنی 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:

انواع آنیل کردن انواع مختلفی داشته 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.

آنیل کامل

آنیل کامل عبارتست از حرارت دادن فولاد در گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر و سپس سرد کردن آهسته، معمولاً در کوره است. تحت شرایط فوق آهنگ سرد شدن در حدود ۰٫۰۲درجه سانتیگراد بر ثانیه است . همچنان که در شکل دیده می شود، گستره دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل، تابع درصد کربن فولاد است. بدین صورت که ، برای فولادهای هیپویوتکتویید حدود ۵۰ درجه سانیگراد بالای خط و برای فولادهای هایپریوتکتویید حدود ۵۰ درجه سانتیگراد بالای خط است. دماهای بحرانی و تا حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی در فولادهای تغییر می کند. بنابر این، به طور کلی در عملیات آنیل کامل ، فولادهای هیپویوتکتویید را در ناحیه تکفاز آستنیت و فولادهای هایپر یوتکتویید را در ناحیه دوفازی آستنیت- سمنتیت حرارت می دهند.

آنیل ایزو ترمال

این عملیات شامل حرارت دادن فولاد در دو دمای مختلف است، ابتدا عملیات آستنیته کردن که در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل انجام می شود و سپس سرد کردن سریع تا دمای دگر گونی و نگه داشتن برای مدت زمان کافی جهت انجام دگر گونی .

پس از پایان دگر گونی ، فولاد را با هر آهنگ سرد شدن دلخواهی می توان سرد کرد .منحنی زیر شمایی از مراحل گرم کردن و سرد شدن را در عملیات آنیل همدما برای یک فولاد هیپو یوتکتوییدنشان می دهد.

زمان لازم برای آنیل همدما در مقایسه با آنیل کامل به مراتب کمتر است، در حالی که سختی نهایی کمی بیشتر خواهد بود. همانند آنیل کامل ،میکروساختار حاصل از آنیل همدما در فولادهای هیپو یوتکتویید، یو تکتوییدو هایپر یوتکتوییدبه ترتیب عبارت است از فریت-پرلیت، پرلیت و پرلیت – سمنتیت است . ولی پرلیت حاصل نسبتاً ظریفتر و در صد فریت و سمنتیت پرویوتکتویید تا حدودی کمتر است.از جمله موارد عمده کاربرد آنیل همدما در رابطه با فولادهای آلیاژی است که دارای سختی پذیری بالایی اند . در صورتی که بر روی این فولادها عملیات حرارتی آنیل کامل انجام شود به علت سختی پذیری زیاد، ساختار نهایی حاصل به جای پرلیت خشن ، ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوط از پرلیت ظریف و بینیت بالایی باشد.

آنیل اسفرودایز

تعادلی ترین ساختار در بین ساختارهای تعادلی ایجاد زمینه ای از فریت همراه با کره های ریز سمنتیت درآن است این ساختار دارای بالاترین خواص می باشد.

برای آلیاژهای غیر آهنی با ترکیب و ساختار مربوط به خود، عملیات بازپخت برای اهداف زیر انجام می شود:

  1. حذف کامل یا جزیی اثرات کار سرد (احتمال رخ دادن تبلور مجدد)
  2. آمیخته شدن کامل رسوبات به صورت ذرات درشت
  3. رسوب ذرات از محلول جامد

نرماله کردن

در این عملیات حرارتی قطعات در محیط هوا خنک می شوند. به این ترتیب ساختار با دانه بندی ریز بدست خواهد آمد.

نرماله کردن فلز و گذاشتن آن در هوای آزاد

نرمالیزه کردن یکی از انواع عملیات حرارتی است . نرمالیزه کردن فولاد حرارت دادن در درجه حرارتهای کمی(حدود ۵۰ºC ) بالاتر از خط Acm و نگهداشتن کافی در آن درجه حرارت برای تبدیل کامل به آستنیت و سپس سرد کردن در خارج از کوره ، یعنی در هوای تقریباً ساکن ، تا دمای معمولی محیط است .

بعد از نرمالیزه کردن ، ساختار دانه ای ریز و یکنواخت با خواص معین خوبی به دست می آید . بنابراین نرمالیزه کردن می تواند هممچنین عملیات حرارتی اولیه ای با موقعیت معین برای عملیات حرارتی بعدی باشد . زیرا به کمک نرمالیزه کردن تمام تغیراتی که در نتیجه عملیات قبلی بر روی فولاد در ساختار دانه ای و در خواص معین ظاهر گشته است بر طرف می شود .

در نرمالیزه کردن سرعت سرد کردن تأثیر قابل ملاحظه روی درجه حرارت تبدیل آستنیت و ریزی پرلیت خواهد داشت . عموما هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر باشد درجه حرارت تبدیل آستنیت پاینتر و پرلیت ریزتر خواهد بود .

بهتر است قطعات فولادی ریخته گری شده بعد از تولید ، نرمالیزه شوند تا چنانچه احیانا ساختاری با خواص میکانیکی نامناسب در آنها ایجاد شده ، بر طرف شود .در مواردی برای به دست آوردن دانه های درشت فولاد را در درجه حرارت نرمالیزه کردن در ناحیه γ حرارت داده و سپس آهسته سرد می کنند . فولادی که این چنین به دست می آیند دارای دانه های درشت بوده و تا حدودی با تردی کمتر دارای قابلیت خوبی برای عملیات براده برداری است .

مزایای نرمالایزینگ عبارتند از:

  1. ریز کردن دانه ها
  2. افزایش انعطاف پذیری
  3. یکنواخت کردن ریز ساختار
  4. افزایش قابلیت ماشینکاری
  5. یکنواخت کردن بیشتر عناصر آلیاژی

کوئنچ و تمپر

پس از سرد کردن سریع فولادها از دمای آستنیت در یک محیط خنک کننده مانند روغن ، آب نمک و … ، فرصت برای تشکیل ساختارهای پایدار داده نمی شود و نهایتاً ساختارهای شبه نا پایدار یعنی مارتنزیت تشکیل می شود. اگرچه به علت حلالیت فوق اشباع کربن و همچنین دانسیتۀ زیاد عیوب کریستالی در شبکه بلوری مارتنزیت، استحکام بسیار زیاد است، اما انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه آن کم است. برای دستیابی به خواص مکانیکی بهینه معمولاً ساختارهای مارتنزیتی را در دمایی کمتر از °C 700، حرارت می دهند. به این ترتیب با وجود کاهش کمی در استحکام و سختی ، انعطاف پذیری به مقدار قابل ملاحظه ای زیاد می شود.در ادامه با مکاسیس همراه باشید برای بررسی این دو عملیات حرارتی

کوئنچ کردن در آب

کوئنچ کردن در آب

توصیه میشود به جای آب خالص، از آب نمک برای کوئنچ استفاده شود. دلیل این پیشنهاد این است که به هنگام کوئنچ قطعه فولادی خیلی داغ در آبع بخار ایجاد شده در مجاورت سطوح قطعه کار، یک مانع عایق ایجاد کرده و از انتقال حرارت مطلوب جلوگیری میکند، مخصوصا در گوشههای تیز داخلی، رزوهها، سوراخهای ته بسته و دیگر فرمهای مشابه. در نتیجه بعضی نقاط در قطعه کار نرم باقی میمانند (Soft spots) و این کوئنچ اختلافی باعث ایجاد تنش در قطعه کار شده و اعوجاج و/ یا ترک را در آن به وجود خواهد آورد.

افزودن نمک (حداکثر ۱۰% حجمی) به آب، فرایند کوئنچ فولاد را تسهیل میکند، زیرا کریستالهای نمک که بر روی سطح قطعه کار رسوب میکنند، به شدت منفجر میشوند. این انفجار کریستالها باعث به هم خوردن شدید مایع شده و از ایجاد سد بخار در حوالی قطعه کار در حال کوئنچ جلوگیری خواهد کرد. تلاطم مایع همچنین باعث دور شدن پوستههای ناشی از عملیات حرارتی از سطح قطعه کار و ادامه یکنواخت عملیات کوئنچ میگردد. بنابراین استفاده از آب نمک باعث سرد شدن یکنواخت قطعه کار خواهد شد.

کوئنچ کردن در روغن

کوئنچ کردن در روغن

رعایت نکات زیر میتواند در عملیات کوئنچ فولاد در روغن مفید باشد:

  • با توجه به این که کوئنچ فولاد داغ در روغن ممکن است خطر آتشسوزی داشته باشد، لازم است برای این کار از روغن با نقطه اشتعال لحظهای (Flash point) بالا استفاده شود.
  • سرعت سرد شدن قطعه کار به هنگام کوئنچ شدن در روغن، آهستهتر از آب یا آب نمک است. بنابراین میزان تنشهای پس ماند در قطعه کار نیز پایینتر خواهد بود.
  • برای کوئنچ کردن هر ۱ lb فولاد در یک ساعت، تقریبا ۱ galروغن مورد نیاز است. (تقریبا ۸٫۴ L برای هر کیلوگرم) مثلا اگر ۱۰۰۰ lb (45 kg) فولاد در هر ساعت کوئنچ شود، احتیاج به یک مخزن روغن به گنجایش ۱۰۰ gal (378 L) مورد نیاز خواهد بود.
  • روغن درون مخزن باید هم زده شود تا سرعت سرد شدن قطعه کار در آن یکنواخت باشد.
  • دمای روغن باید در حدود ۹۰-۱۳۰۰F(32-540C) نگهداشته شود تا عملیات کوئنچ به صورت مناسب انجام شود

    کوئنچ کردن در روغن

تمپر کردن (برگشت)

تمپر کردن

تمپر کردن (برگشت) Tempering یا برگشت دادن عبارت است از گرم کردن مجدد فولاد یا چدن سخت شده تا پایین تر از دمای استحاله یوتکتوئید (معمولا کمتر از ۷۰۰ درجه سانتی گراد)، نگهداری در این دما به مدت مشخص و سپس آهسته سرد کردن تا دمای محیط.

انتخاب دما و زمان عملیات تمپر کردن (برگشت)

انتخاب دما و زمان عملیات تمپر کردن بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نیاز دارد. با حذف و یا کاهش تنش های داخلی توسط عملیات تمپر، چقرمگی شکست قطعه افزایش (کاهش شکنندگی) و سختی و استحکام قطعه سخت شده تا حدی کاهش می یابد.

دمای برگشت فولادهای سخت شده غالبا از ۱۵۰ درجه سانتی گراد تجاوز نمی کند. سیکل عملیات برگشت از نظر دما و زمان مشابه عملیات بازپخت ناقص و بازپخت تنش گیری می باشد ولی هدف و ساختار نهایی به دست آمده از هر کدام متفاوت است، بنابراین نباید این سه نوع عملیات مشابه در نظر گرفته شود.

تقریبا تمام قطعات سخت شده در ضمن سرد شدن به علت تنش های داخلی ایجاد شده نسبتا ترد وشکننده هستند. از این رو به ندرت فولادها پس از سرد کردن و در شرایط مارتنزیت شده استفاده می شوندمگر در مواردی استثنایی نظیر هنگامی که به سختی زیادی نیاز باشد و یا در مورد فولادهای کم کربن . معمولا فولادها پس از سریع سرد شدن و قبل از استفاده باید بازپخت شوند. بازپخت عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمای زیر دمای ونگه داشتن برای مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق . دما وزمان AC1 حرارت دادن به ترکیب شیمیایی فولاد و ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد. در اثر بازگشت دادن تنش های داخلی کاهش یافته یا حذف می شوند بنابراین افزایش استحکام قطعه سخت شده تا حدودی کاهش خواهد یافت.

گرامیش مجدد

کوئنچ کردن باعث ایجاد تنش های داخلی در قطعات و در نتیجه موجب ایجاد تردی و شکنندگی در آنها می شود. به همین علت به جز در مواردی که سختی بسیار بالایی مورد نیاز باشد، از فولادهای کوئنچ شده استفاده نمی شود. در این مرحله، می بایست فولاد قبل از استفاده تمپر شود. با انجام این عملیات روی آلیاژهای سخت شده، خواص مکانیکی آلیاژ تعدیل می شود.

مراحل عملیات تمپر کردن (برگشت):

  1. تشکیل کاربیدهای انتقالی مانند کاربید اپسیلن ƹ یا کاربید اتا ƞ و کاهش درصد کربن در زمینه ماتنزیتی
  2. تبدیل آستنیت باقی مانده به فریت و سمنتیت
  3. جایگزینی کاربیدهای انتقالی و ماتنزیت کم کربن توسط فریت و سمنتیت

افزایش درجه حرارت عملیات حرارتی برگشت موجب کاهش سختی نهایی شده ولی نکته قابل توجه در این زمینه، سختی فولادهای پر کربنی بوده که در دمای پایین تمپر شده است، سختی این فولادها پس از کوئنچ و تمپر تا حدی بیشتر از سختی ناشی از کوئنچ بوده که این افزایش سختی را به تشکیل کاربیدهای انتقالی بسیار ریز در بین صفحات مارتنزیتی مربوط می دانند.

در اخر نیز به نکات ایمنی در عملیات حرارتی میپردازیم:

اول ایـــــمنی بـــــــعد کـــــار

  1. روغنهای کوئنچ می توانند خیلی داغ باشند (بیشتر از ۱۰۰ درجه) و دمای آن در حین کوئنچ افزایش یابد و در اثر پاشش یا تماس با پوست باعث سوختگی شوند.
  2. مطمئن شوید حجم مخزن کوئنچ به منظور انجام عملیات حرارتی قطعه یا قطعات مورد نظر به اندازه کافی باشد(حجم تقریبی حداقل ۱۰ برابر وزن شارژ در نظر گرفته می شود).
  3. هنگام استفاده از کوره از دستورالعملهای سازنده استفاده گردد.
  4. مطمئن شوید که آب به عنوان آلودگی وارد روغن نشود، هر رطوبتی در تماس با روغن می تواند منجر به انفجار گردد.
  5. مطمئن شوید که محلولهای کوئنچ ضد باکتری و ضد قارچ باشند.
  6. نشتیهای روغن را بلافاصله با جاذبهای ضد آتش تمیز نمایید.
  7. دستهای خود را به طور کامل بعد از کار و در استراحت(بخصوص قبل از صرف وعده غذایی)، قبل از اقدام به کارهای دیگر یا قبل از استفاده از سرویس بهداشتی به طور کامل بشویید.
  8. هنگام ناراحتی های پوستی یا مشکوک به آن مراتب را به ناظر خود اطلاع دهید و راهنماییهای سلامتی را فرا گیرید.
  9. حتما از محافظ صورت، کلاه و عینک ایمنی، دستکش مخصوص و در مواقعی که با فلز داغ کار می کنید از لباس ضد آتش استفاده نمایید.
  10. قبل از روشن کردن کوره، کنترل کنید که تمام ابزارهای ایمنی نظیر شیرهای اطمینان، سوییچهای هوا، هواکشها به درستی کار می کنند.
  11. مطمئن شوید در سطح کوئنچ، تهویه کافی برای نگهداشتن مه روغن در حد توصیه شده وجود داشته باشد.
  12. فاصله را هنگام روشن شدن کوره های گازی رعایت کنید.
  13. از انبرهای مناسب کار استفاده کنید و از خشک بودن آن اطمینان داشه باشید بخصوص در خارج کردن قطعه از بوته کربوره مایع
  14. در صورت عدم استفاده از وان کوئنچ سر مخزن را بپوشانید.
  15. در حد امکان سطح کار، جیگ و فیکسچرها، سبدها و ابزارالات را عاری از روغن نگاه دارید.
  16. هنگام بریدگی و خراش دست، از کمکهای اولیه بهره گرفته و از آلوده شدن زخم با استفاده از باند یا پوشش تمیز بهره گیرید.

منابع:

brighthubengineering.com

رفتار مکانیکی مواد – دکتر سجادی

سایت انجمن مهندسی مکانیک Semeng

 

واکنش شما چیست؟
I like it
63%
interested
38%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
میلاد سکاکی
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید