به زبان ساده، عملیات حرارتی فرآیند گرم کردن فلز، نگه داشتن آن در آن دما و سپس سرد کردن آن است. در طول فرآیند، قسمت فلزی در خواص مکانیکی خود دچار تغییراتی می شود. این به این دلیل است که دمای بالا ریزساختار فلز را تغییر می دهد. و ریزساختار نقش مهمی در خواص مکانیکی یک ماده دارد.
نتیجه نهایی به عوامل مختلفی بستگی دارد.
این پارامترها شامل :
- زمان گرم شدن
- زمان نگهداری قطعه فلزی در دمای معین
- سرعت خنک شدن
- شرایط محیطی
- و غیره
پارامترها به روش عملیات حرارتی، نوع فلز و اندازه قطعه بستگی دارد.
در طول این فرآیند، خواص فلز تغییر خواهد کرد. از جمله این ویژگی ها می توان به مقاومت الکتریکی، مغناطیس، سختی، چقرمگی، شکل پذیری، شکنندگی و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد.
روشهای متداول عملیات حرارتی
روش های عملیات حرارتی زیادی وجود دارد که می توانید از بین آنها انتخاب کنید. هر یک از آنها ویژگی های خاصی را به همراه دارد.
رایج ترین روش های عملیات حرارتی عبارتند از:
- آنیل کردن
- عادی شدن
- سخت شدن
- سالخورده
- کاهش دهنده استرس
- معتدل کردن
- کربناتاسیون
آنیل کردن
در بازپخت، فلز فراتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود و سپس با سرعت آهسته سرد می شود.
بازپخت برای نرم شدن فلز انجام می شود. این فلز را برای کار سرد و شکل دهی مناسب تر می کند. همچنین ماشین کاری، شکل پذیری فلز را افزایش می دهد.
بازپخت همچنین در کاهش تنش های وارده در قسمت ناشی از فرآیندهای سرد کاری قبلی مفید است. هنگامی که دمای فلز از دمای بحرانی بالایی عبور می کند، تغییر شکل های پلاستیکی موجود در طول تبلور مجدد حذف می شوند.
فلزات ممکن است تحت تعداد زیادی از تکنیک های بازپخت مانند بازپخت با تبلور مجدد، آنیل کامل، بازپخت جزئی و آنیل نهایی قرار گیرند.
عادی شدن
نرمال کردن یک فرآیند عملیات حرارتی است که برای کاهش تنش های داخلی ناشی از فرآیندهایی مانند جوشکاری ، ریخته گری یا خاموش کردن استفاده می شود.
در این فرآیند، فلز تا دمای 40 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی بالایی خود گرم می شود.
این دما بالاتر از دمایی است که برای سخت شدن یا بازپخت استفاده می شود. پس از نگه داشتن آن در این دما برای مدت زمان مشخص، در هوا خنک می شود. نرمال کردن یک اندازه دانه و ترکیب یکنواخت را در سراسر قطعه ایجاد می کند.
فولادهای نرمال شده سخت تر و قوی تر از فولادهای آنیل شده هستند. در واقع، در شکل نرمال شده خود، فولاد سخت تر از هر شرایط دیگری است. به همین دلیل است که قطعاتی که به مقاومت ضربه ای نیاز دارند یا نیاز به تحمل بارهای خارجی عظیم دارند تقریباً همیشه نرمال می شوند.
سخت شدن
متداول ترین فرآیند عملیات حرارتی، سخت شدن برای افزایش سختی فلز است. در برخی موارد، فقط سطح ممکن است سخت شود.
یک قطعه کار با گرم کردن آن تا دمای مشخص شده سخت می شود و سپس با فرو بردن آن در یک محیط خنک کننده به سرعت سرد می شود. ممکن است از روغن، آب نمک یا آب استفاده شود. قطعه به دست آمده دارای سختی و استحکام بیشتری خواهد بود، اما شکنندگی به طور همزمان افزایش می یابد.
سخت شدن کیس نوعی فرآیند سخت شدن است که در آن فقط لایه بیرونی قطعه کار سخت می شود. فرآیند استفاده شده یکسان است، اما از آنجایی که یک لایه خارجی نازک تحت فرآیند قرار می گیرد، قطعه کار حاصل یک لایه بیرونی سخت اما یک هسته نرم تر دارد.
این برای شفت ها رایج است. یک لایه بیرونی سخت آن را از سایش مواد محافظت می کند . هنگام نصب یک یاتاقان بر روی یک شفت، ممکن است در غیر این صورت به سطح آسیب برساند و برخی از ذرات را از بین ببرد و سپس فرآیند پوشیدن را تسریع کند. یک سطح سخت شده از آن محافظت می کند و هسته هنوز دارای خواص لازم برای مدیریت تنش های خستگی است.
سخت شدن القایی
انواع دیگر فرآیندهای سخت شدن عبارتند از سخت شدن القایی، سخت شدن دیفرانسیل و سخت شدن شعله. با این حال، سخت شدن شعله ممکن است منجر به ایجاد یک ناحیه متاثر از حرارت شود که پس از خنک شدن قطعه ایجاد می شود.
سالخورده
سخت شدن با پیری یا رسوب یک روش عملیات حرارتی است که بیشتر برای افزایش مقاومت تسلیم فلزات چکش خوار استفاده می شود. این فرآیند ذرات پراکنده یکنواختی را در ساختار دانه فلز تولید می کند که تغییراتی در خواص ایجاد می کند.
سخت شدن بارندگی معمولاً پس از یک فرآیند عملیات حرارتی دیگر که به دماهای بالاتر می رسد انجام می شود. با این حال، افزایش سن فقط دما را به سطوح متوسط بالا می برد و دوباره به سرعت آن را پایین می آورد.
برخی از مواد ممکن است به طور طبیعی (در دمای اتاق) پیر شوند در حالی که برخی دیگر فقط به طور مصنوعی پیر می شوند، یعنی در دمای بالا. برای موادی که به طور طبیعی پیر می شوند، ممکن است نگهداری آنها در دماهای پایین تر راحت باشد.
کاهش استرس
تنش زدایی به ویژه برای قطعات دیگ بخار، بطری های هوا، آکومولاتورها و غیره رایج است. این روش فلز را به دمایی درست زیر مرز بحرانی پایینی خود می برد. فرآیند خنک سازی کند است و بنابراین یکنواخت است.
این کار برای از بین بردن تنش های ایجاد شده در قطعات به دلیل فرآیندهای اولیه مانند شکل دهی، ماشین کاری، نورد یا صاف کردن انجام می شود.
معتدل کردن
تمپر کردن فرآیند کاهش سختی اضافی و در نتیجه شکنندگی است که در طول فرآیند سخت شدن ایجاد می شود. استرس های داخلی نیز از بین می رود. انجام این فرآیند می تواند فلزی را برای بسیاری از کاربردهایی که نیاز به چنین خواصی دارند مناسب سازد.
دمای او معمولاً بسیار کمتر از دمای سخت شدن است. هر چه دمای استفاده شده بیشتر باشد، قطعه کار نهایی نرم تر می شود. سرعت سرد شدن بر ساختار فلز در حین تلطیف تأثیر نمی گذارد و معمولاً فلز در هوای ساکن سرد می شود.
کاربوراسیون
در این فرآیند عملیات حرارتی، فلز در حضور ماده دیگری گرم می شود که در هنگام تجزیه کربن آزاد می کند.
کربن آزاد شده در سطح فلز جذب می شود. محتوای کربن سطح افزایش می یابد و آن را سخت تر از هسته داخلی می کند.
چه فلزاتی برای عملیات حرارتی مناسب هستند؟
اگرچه فلزات آهنی بیشتر مواد عملیات حرارتی شده را تشکیل می دهند، آلیاژهای مس ، منیزیم، آلومینیوم، نیکل، برنج و تیتانیوم نیز ممکن است تحت عملیات حرارتی قرار گیرند.
حدود 80 درصد از فلزات عملیات حرارتی شده از فولاد با گریدهای مختلف است. فلزات آهنی که قابلیت عملیات حرارتی دارند عبارتند از چدن، فولاد ضد زنگ و درجات مختلف فولاد ابزار .
فرآیندهایی مانند سخت شدن، بازپخت، نرمال‌سازی، تنش‌زدایی، سخت‌کردن، نیتریدینگ و تمپر معمولاً روی فلزات آهنی انجام می‌شود.
مس و آلیاژهای مس تحت روشهای عملیات حرارتی مانند بازپخت، پیری و کوئنچ قرار می‌گیرند.
آلومینیوم برای روش های عملیات حرارتی مانند بازپخت، عملیات حرارتی محلول، پیری طبیعی و مصنوعی مناسب است. عملیات حرارتی برای آلومینیوم یک فرآیند دقیق است. دامنه فرآیند باید مشخص شود و در هر مرحله برای ویژگی های مورد نظر به دقت کنترل شود.
بدیهی است که همه مواد برای انواع عملیات حرارتی مناسب نیستند. به طور مشابه، یک ماده واحد لزوماً از هر روش سود نمی برد. بنابراین، برای رسیدن به نتیجه مطلوب، باید هر ماده را جداگانه مطالعه کرد. استفاده از نمودارهای فاز و اطلاعات موجود در مورد تأثیر روش های فوق نقطه شروع است.
