آیا می‌دانستید که فلزات در حالت خام خود هیچ کاربردی ندارند؟ این موضوع دلیل اصلی این است که بیشتر صنایع از انواع عملیات حرارتی برای تغییر خواص مکانیکی فلزات استفاده می‌کنند. عملیات حرارتی فرایندی مهم در صنایع ذوب آهن محسوب می‌شود. در این مطلب به توضیح عملیات حرارتی و انواع آن می‌پرازیم.

عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی یک سری از مراحل گرم و سرد کردن با روش‌های مشخص برای رسیدن به ویژگی‌هایی مثل سختی، رسانایی، استحکام و… است. این عملیات‌ها مجموعه‌ای از فرایند‌های گرمایی، صنعتی و فلزکاری هستند که خواص مکانیکی و شیمیایی فلز را تغییر می‌دهند. به زبان ساده عملیات حرارتی یک مجموعه اقدامات شامل گرم کردن فلز تا دمایی مشخص، نگه‌داشتن فلز در آن دما برای زمان مشخص و سپس سرد کردن با سرعتی مناسب و کنترل‌شده می‌باشد. در طول این مراحل، تغییر ریزساختارهای فلز، خواص مکانیکی آن را تغییر می‌دهند.

همه فلزات دانه‌هایی در ساختار خود دارند که چیزی جز ریزساختارهای متبلور فلز نیستند. ماهیت این دانه‌ها خواص مکانیکی فلز را مشخص می‌کنند. عملیات حرارتی با کنترل نرخ پخش‌شدن و نرخ سردشدن ریزساختارها خواص مکانیکی فلز را تغییر می‌دهد.

مراحل عملیات حرارتی

ویژگی‌های موادی که تحت عملیات حرارتی قرار گرفته‌اند، به فرایندهایی که پشت سر گذاشته‌اند وابسته‌است. در زیر به این فرایندهای کلیدی اشاره شده‌است:

• حرارت‌دهی
• نگه‌داشتن در دمای مشخص
• سرد کردن

حرارت‌دهی

اولین مرحله در عملیات حرارتی گرما دادن است. دمای موردنظر باتوجه به نوع فلز و روش به کار گرفته‌شده انتخاب می‌شود.

بعضی وقت‌ها لازم است تا فقط قسمت‌های خارجی یک قطعه فلزی حرارت ببینند و بعضی وقت‌ها کل فلز را باید گرم کنیم. این موضوع بستگی به تغییراتی دارد که می‌خواهید بر روی فلز اعمال کنید. در زیر انواع کوره‌هایی که برای عملیات حرارتی فلزات استفاده می‌شوند، نام برده شده‌است:

• کوره جعبه‌ای شکل
• دسته‌ای
• کوره نوع آسانسور
• زنگ شکل
• گودال شکل
• حمام نمک
• کوره بستر سیال
• کوره نگه‌داشتن دما

نگه‌داشتن در دمای مشخص

در طول این مرحله فلز برای مدتی در دمای حاصل از مرحله قبل نگه داشته می‌شود‌. طول این مدت به نوع فلز، کاربرد مدنظر برای آن و اندازه قطعه وابسته‌است. قطعه فلزی که اندازه بزرگتری داشته باشند مقدار بیشتری در این مرحله نگه داشته می‌شود.

سرد کردن

بعد از مرحله نگه‌داشتن، مرحله سردکردن است. این مرحله می‌بایست با روش‌های از پیش تعیین‌شده انجام شود. در طی سرد کردن بعضی تغییرات ساختاری هم رخ می‌دهند. بعضی محیط‌‌ها مثل آب، روغن و هوای پرفشار برای کمک به سردکردن به کار می‌روند. همچنین می‌توان از کوره‌ها برای سردکردن استفاده کرد چرا که کنترل محیط به سردکردن کمک می‌کند.

روش‌های عملیات حرارتی

در ادامه به بعضی از تکنیک‌های لازم اشاره شده‌است:

• بازپخت
• نرماله‌کردن
• سخت کردن
• برگشت‌دادن
• کربن‌دهی
• سریع سرد کردن/شوکه سازی

 

بازپخت

بازپخت فرایندی از عملیات‌های حرارتی است که برای نرم کردن فلز به کار می‌رود. در واقع این فرایند به بهبود رسانایی، استحکام و کارایی فلز کمک می‌کند. از طرف دیگر، با تغییر ریزساختارها، سختی فلز کمتر و فلز نرم‌تر می‌شود‌. در فرایند بازپخت، فلز در دمای بالای دمای بحرانی گرم می‌شود، در آن نقطه نگه‌داشته‌می‌شود و سپس با سرعتی آهسته سرد می‌شود. بازپخت معمولا روی فلزات آهن‌دار و غیر آهن‌دار پس از کارسرد انجام می‌شود تا سختی فلز کم و رسانایی آن زیاد شود.  دو نوع اصلی عملیات بازپخت شامل موارد زیر هستند:

• جزئی
• کامل

بازپخت جزئی

این فرایند با گرم کردن تا زیر دمای دمای بحرانی، نگه‌داشتن و سپس سرد کردن انجام می‌شود و برای فولادهای با میزان کربن پایین مثل ورقه‌ها و سیم‌ها مناسب است. هیج تغییر فازی در این نوع فرایند رخ نمی‌دهد و نسبت به روش دیگر بازپخت ارزان‌تر است.

بازپخت کامل

در این روش، فلز تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی گرم می‌شود. مناسب برای فلزات با درصد کربن بالا و همچنین پایین است. تغییر فاز رخ می‌دهد و گران‌قیمت است.

چرا عملیات بازپخت انجام می‌شود؟

• آزاد کردن تنش درونی
• کم کردن سختی فلز
• افزایش رسانایی، ثبات و استقامت فلز
• بهبود ساختار دانه‌ها در فلز

ممکن است دوست داشته باشید تا مطالعه کنید: عملیات آنیلینگ ( Annealing ) یا بازپخت چیست  انواع و کاربردهای آن

نرماله‌کردن

شباهت زیادی به عملیات بازپخت دارد؛ با این تفاوت که از هوا به جای محیط‌های آبی استفاده می‌شود. فلز در دمایی بالای دمای بحرانی گرم می‌شود و سپس اجازه داده‌می‌شود تا توسط هوای آزاد خنک شود. این فرایند را برای فولادها با طیف‌های متفاوتی از کربن می‌توان به کار برد.

چرا نرماله‌کردن انجام می‌شود؟

• ایجاد ساختار یک‌دست از دانه‌ها در فولاد کربن‌دار
• آزادسازی تنش درونی
• افزایش کارایی و استحکام فولاد کربن‌دار

 

برگشت‌دادن

یکی دیگر از انواع عملیات‌ حرارتی برگشت‌دادن یا تمپر کردن است. این فرایند روی فلزاتی انجام می‌شود که قبلا سخت شده‌اند. در واقع بعضی وقت‌ها ما به فلزاتی نیاز داریم که علاوه بر استحکام، سختی هم داشته باشند. برگشت‌دادن به ما کمک می‌کند تا با فدا کردن سختی به چقرمگی لازم برسیم. برگشت‌دادن فرایندی مرسوم برای ابزارهای ماشینی، چاقوها و… است.

برگشت‌دادن یا تمپر کردن معمولا با گرم کردن فلز تا دمایی نسبتا پایین انجام می‌شود. دما بستگی به خواص مورد نیاز دارد. مثلا برای رسانایی بالا می‌بایست فلز را تا دمای بالایی گرم کنید.

چرا برگشت‌دادن یا تمپر کردن انجام می‌شود؟

• بهبود رسانایی
• کاهش سختی
• آزادسازی تنش درونی
• کاهش شکنندگی

سخت کردن

همانطور که از نامش پیداست، در این فرایند سختی فلز افزایش می‌یابد. برای انجام این کار معمولا فلز تا دمای نرماله‌کردن گرم می‌شود، در آن دما نگه داشته می‌شود و سپس درون آب، روغن و یا محلول آب‌نمک قرار داده‌می‌شود. گرمای مورد نیاز بستگی به اندازه و خواص مکانیکی فلز دارد. معمولا بعد از سخت کردن، برگشت‌دادن یا تمپر کردن برای بهبود رسانایی و استحکام فلز انجام می‌شود.

چرا سخت کردن انجام می‌شود؟

• افزایش سختی فلز
• افزایش خواص آهن‌ربایی
• کاهش رسانایی و استحکام
• کاهش اندازه دانه

انواع سخت‌ کردن شامل موارد زیر می‌شود:

• سطحی
•  اختلافی
•  شعله‌ای
• نیتروژن‌دهی
• سیانید دهی
• سخت کردن القایی
• کربن دهی

سخت کردن سطحی

در این عملیات حرارتی سخت کردن بر خلاف سخت کردن معمولی می‌بایست فقط اطراف فلز حرارت داده شود. در این صورت قسمت مرکزی نرم و ترد باقی می‌ماند. این فرایند برای تولید ابزار و ماشین‌آلاتی به کار می‌رود که نیاز است سطح فلز برخلاف مرکز آن سخت‌ شود. این فرایند دارای دو زیرگروه نیتروژن‌دهی و سیانید دهی است.

نیتروژن‌دهی

در این فرایند از گاز نیتروژن برای سخت کردن لایه خارجی استفاده می‌شود. فلز در اتمسفری از آمونیاک(NH3) گرم  و سپس خنک می‌شود. در طول این فرایند آمونیاک به نیتروژن و هیدروژن تبدیل می‌شود. نیتروژن در سطح فلز به نیتریت تبدیل شده و سبب سخت شدن سطح می‌شود.

سیانید دهی

در این فرایند فلز درون حمامی از سیانید سدیم یا پتاسیم فرو برده می‌شود. پس از آن فلز به وسیله آب آهک‌دار خنک می‌شود، سبب‌شده تا نمک سیانید به سطح خارجی فلز بچسبد و سطح خارجی را سخت کند.

سخت کردن اختلافی

در طی سخت کردن اختلافی بخش‌های مختلفی از فلز، عملیات حرارتی متفاوتی دریافت می‌کنند. این روشی محبوب برای ساخت ابزارهای برشی است.

سخت کردن شعله‌ای

در این فرایند فقط بخشی از قطعه فلزی سخت می‌شود. این نوع از سخت کردن متفاوت از سخت کردن اختلافی است. چرا که سخت کردن شعله‌ای بخشی را سخت می‌کند اما سخت‌ کردن اختلافی همه قطعه را با روش‌های مختلف سخت می‌کند.

کربن‌دهی

در این روش، سختی فلز با افزودن کربن به آن افزایش می‌یابد. قطعه فلز با ترکیباتی مثل زغال چوب تا دمایی کمتر نقطه ذوب گرم می‌شود. فلز گرمادیده سپس کربن را به خود جذب می‌کند تا سخت‌تر و تردتر شود.

 

سریع سرد کردن یا شوکه سازی

فرایندی است که قطعه فلز بلافاصله بعد از گرما دیدن، خنک می‌شود. آبدهی به فلز کمک می‌کند تا قطعات فلز آهنی و غیر آهنی به ترتیب سخت و نرم شوند. در این فرایند لازم است تا فلز تا بالای دمای بحرانی حرارت ببیند و به سرعت به وسیله هوای پرفشار، آب، روغن، نیروژن و… خنک شود. در بعضی موارد وقتی به سرعت فلز را خنک می‌کنیم، قطعه به علت وجود تنش درونی زیاد ترک می‌خورد.

 

مزایای عملیات حرارتی

• بهبود رسانایی در فرایند گرم کردن و سرد کردن
• سخت کردن فلز
• سخت کردن لایه خارجی قطعه فلز و نرم نگه داشتن مرکز آن در فرایند سخت کردن سطحی
• افزایش کارایی فلز
• افزایش مقاومت در برابر خوردگی
• بهبود خواص الکتریکی و آهن‌ربایی
• آزاد شدن تنش درونی
• بهبود ساختار دانه‌ها در فلز

نتیجه‌گیری

عملیات حرارتی فرایندی مهم در صنعت علم مواد است که برای بهبود خواص تجاری استفاده می‌شود. همچنین این فرایند نقشی کلیدی در به دست آوردن خواص مکانیکی و شیمیایی دلخواه دارد.

برخی واژه‌های تخصصی

عملیات حرارتی: heat treatment

ساختار/ ریزساختار: microstructure/structure

نرخ پخش‌شدن: diffusion rate

نرخ سردشدن: cooling rate

حرارت‌دهی: Heating

نگه‌داشتن در دمای مشخص: Holding

بازپخت: Annealing

نرماله‌کردن: Normalizing

سخت کردن: Hardening

برگشت‌دادن: Tampering

کربن‌دهی: Carburizing

سریع سرد کردن/شوکه سازی: Quenching

دمای بحرانی: critical temperature

بازپخت جزئی: partial annealing

بازپخت کامل: full annealing

سختی: hardness

چقرمگی: toughness

سخت کردن سطحی: case hardening

سیانید دهی: Cyaniding

سخت کردن اختلافی: Differential Hardening

سخت کردن شعله‌ای: Flame Hardening

ممکن است دوست داشته باشید تا مطالعه کنید: عملیات حرارتی آلومینیوم (Aluminum heat treatment)