عملیات حرارتی فولاد چیست و چگونه انجام می شود؟

دکتر فولاد در این مقاله سعی دارد تا با ارائه مطالبی مفید در زمینه عملیات حرارتی شما عزیزان را بیشتر با صنعت و انواع فولاد آشنا نماید. پس در ادامه با ما همراه باشید.

انواع عملیات حرارتی:

عملیات حرارتی به منظور تغییر ساختار و ویژگی فولاد انجام می گیرد. به وسیله این عملیات می توان تغییراتی در خواص فیزیکی و خواص مکانیکی مواد به وجود آورد. به عنوان مثال تغییراتی همانند استحکام، قابلیت ماشینکاری، ماقومت در برابر سایش، مقاومت در مقابل خوردگی و … عملیات حرارتی یکی از مهمترین و پر کاربرد ترین فرایند های صنعتی به شمار می رود. شرکت دکتر فولاد، عرضه کننده انواع فولاد در ایران انواع عملیات حرارتی را نیز برای تمامی هموطنان عزیز انجام می دهد.

 

 

انواع عملیات حرارتی را از نظر میزان افزایش دما می توان به دو دسته تقسیم نمود:

 

• حرارت دهی آلیاژ تا دمای +723 درجه سانتی گراد:

این نوع از عملیات مناسب برای فولاد و چدن بوده که در این عملیات کار هایی نظیر سخت کاری، آنیل کاری، نرماله سازی، آستمپرینگ و مارتپرینگ انجام می گردد.

• حرارت دهی آلیاژ تا دمای – 723 درجه سانتی گراد:

این نوع عملیات حرارت‌دهی بیشتر برای آلیاژهای فولاد مناسب است. عملیات‌های حرارتی این فرآیند عبارتند از: کروی ‌کردن، تنش ‌زدایی و آنیل.

 

انواع روش های عملیات حرارتی:

 

1. آنیل کردن
2. عملیات حرارتی همگن سازی (Homogenization)
3. نرماله
4. تنش زدایی
5. کوئنچ
6. مارتمپرینگ
7. آستمپرینگ
8. عملیات حرارتی subzero
9. بازگشت (Tempering)
10. سخت کاری سطحی

 

آنیل کردن:

 

عملیات آنیل کاری فولاد معمولا به دلایل متفاوتی انجام می شود. این کار در واقع به منظور نرم کردن فلز و افزایش انعطاف آن ها صورت می گیرد. در پی انجام، قابلیت ماشین کاری و شکل پذیری آن بهبود چشمگیری می یابد و در این فرآیند یا باز پخت، فولاد را تا دمای استحاله گرم کرده، مدت معینی در دمای ذکر شده نگه می ‌دارند و سپس تحت سرعت کنترل شده ای تا رسیدن به دمای محیط، در داخل کوره سرد می ‌نمایند.

در آنیل کاری، اتم ها در شبکه کریستالی مهاجرت می کنند و تعداد نابجایی ها کاهش می یابد که منجر به تغییر در داکتیلیته و سختی می شود که آنیل کردن علاوه بر فولادها برای آلیاژهای دیگری چون مس، آلومینیوم و برنج نیز کاربرد دارد، به طور کلی در هر موردی که نیاز باشد قطعه تردی در دمای پایین تغییر شکل پیدا کند، این فرایند کاربرد خواهد داشت.

 

 

عملیات حرارتی همگن سازی (Homogenization):

 

در عمل ریخته گری قطعات، علی الخصوص قطعات سنگین بر اثر عدم تعادل در سرد شدن در حین انجماد و عدم نفوذ عنصر های آلیاژی، عیب هایی همچون ترکیب شیمیایی غیر همگن، توزیع نامناسب عناصر آلیاژی، ریزساختار بدون یکنواختی ایجاد می گردد. این عوامل سبب افت خواص مکانیکی از جمله قابلیت کار گرم و یا سرد و همچنین کاهش کیفیت عملیات حرارتی دیگر می گردد. عملیات حرارتی برای اصلاح این عوامل کاربرد دارد. نحوه انجام این عملیات به این صورت است که قطعه مورد نظر را در زمان مشخصی تا دمای 1150 درجه سانتی گراد حرارت داده و سپس آن را در دمای محیط با شیب حرارتی کنترل شده سرد می نمایند.

 

 

 

نرماله:

از این عملیات در صنعت، معمولا برای تغییر خواص مکانیکی انواع فلزات استفاده می گردد. این مورد یکی از متداول ترین روش های نرماله کردن به شمار می رود. به این صورت که قطعه تا دمای محدوده آستنیت حرارت دیده و پس از آن با قرار گرفتن در دمای محیط، سرد می شود. معمولا دمای این عملیات چیزی حدود 55 درجه سانتی گراد بالای خط بحرانی Ac3  برای فولاد های هیپویوتکتویید و برای فولاد های هایپریوتکتویید، 55 درجه سانتی گراد بالای خط بحرانی Acm  می باشد.

نرماله کردن فولاد معمولا زمانی انجام می شود که خواسته و یا نا خواسته به دلیل فرآیند هایی که بر روی فلز صورت می گیرد، خاصیت شکل پذیری کاهش و یا سختی آن افزایش یافته باشد. و همینطور به منظور توزیع یکنواخت عناصر آلیاژی، ریز کردن دانه های درشتی که بیشتر به هنگام کار گرم یا ریخته گری شکل گرفته اند و یا همینطور انحلال کاربید های رسوب گرفته و شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی که در حین عملیات های قبلی در مرزدانه ها به وجود آمده اند استفاده می شود.

 

 تنش زدایی:

در مواردی از فرایند های عملیات حرارتی و یا عملیات مکانیکی در قطعه ها تنهش هایی همچون تنش داخلی ایجاد می گردد. این مورد می تواند بر عملکرد قطعه ها تاثیر منفی و مخرب گذاشته و کارکرد آن ها را دچار مشکل کند. این مشکلات ممکن است باعث تاب برداشتن و یا خرد شدن قطعه ها در تنش های پایین بشود. در این قسمت به تعدادی از منابع تنهش های داخلی اشاره می کنیم:

1. سرد شدن نقاط مختلف قطعه به صورت غیر یکنواخت
2. ماشین کاری و کار سرد
3. جوشکاری

می توان برای حذف و یا کم کردن تنش های باقی مانده از عملیات های قبل، قطعه ها را در زمان مشخص و در دمایی زیر دمای بحرانی Ac1  حرارت داد. میزان زمان حرارت دهی، به بعاد قطعه بستگی دارد. به منظور جلوگیری از ایجاد تنش های حرارتی جدید و همچنین احتمال شکسته شدن یا تاب برداشتن، حرارت دادن به دمای تنش گیری و سرد کردن از آن دما باید خیلی آهسته و براساس استاندارد انجام شود. توجه به هندسه قطعه نیز ضروری است و در برخی موارد برای جلوگیری از تاب برداشتن نیاز به اجرای ساپورت کشی و تقویت سازه است. هدف از عملیات تنش گیری این است که تنش تنها توسط ساز و کار های بازیابی انجام پذیرد.

 

 

شما می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر و یا دریافت مشاوره درباره خرید فولاد یا راهنمایی های دیگر با مشاورین دکتر فولاد تماس حاصل بفرمایید. مشاورین ما به صورت 24 ساعته آماده پاسخگویی به شما عزیزان می باشند.  تلفن تماس: 02166672577 – 09128686710

 

در این بین تنش زدایی بعد از جوشکاری به دلیل الزامات مشخص برای مخازن تخت فشار و همینطور کد های پایپینگ از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد. جوشکاری یه صورت PWHT صورت می گیرد. این واژه مخف شده ی Post Weld Heat Treatmrnt  است که به معنی عملیات حرارتی بعد از جوشکاری می باشد.

این عملیات جوشکاری به دلیل تنهش های باقیمانده و همینطور تغییرات زیر ساختاری که بعد از تمام شدن جوشکاری رخ می دهد اهمیت بالایی دارد. در هنگام جوشکاری، ناحیه جوش که به حالت مذاب در آمده، ضمن انجماد منقبض می شود. از انجاییکه فلز پایه سرد بوده و انعطاف پذیری کمی دارد، در برابر تغییر شکل ناشی از انقباض ناحیه جوش مقاومت کرده و ناحیه جوش تا حدودی نواحی کناری آن را تحت تنش کششی قرار می دهد.

 

 

کوئنچ:

کوئنچ در معنای لغوی به منظور سرد کردنِ سریع می باشد. در این روش، قطعه پس از گرم شدن به منظور بالا رفتن سختی آن به سرعت درون یک مایع سیال مخصوص که اغلب آب، روغن، حمام نمک و یا دیگر محلول های مخصوص می باشد، سرد می شود. این عملیات بیشتر در سرد کردن فولاد های و تشکیل ساختار مارتنزیت شناخته شده است. در حالی که در فلز های غیر آهنی ممکن است این عملیات به صورت برعکس موجب نرم شدن بیش از حالت معمول شود.

در فرآیند کوئنچ معمولا به منظور تشکیل فاز مارتنزیت، تا دمای بالای محدوده آستنیت حرارت داده شده و بایستی که فلز به نحوی سریع سرد شود. تا فاز بینیت و مارتنزیت تشکیل گردد. انتخاب محیط سرکننده (همانند نوع حمام ها) بستگی به نوع خواص مورد نظر و میزان سختی پذیری آلیاژ، ضخامت قطعه مورد نظر و سطح مقطع دارد.

 

بازگشت (Tempering):

بدلیل سرد شدن سریع، قطعه فولادی دارای یک سری تنش داخلی شده و تمامی قطعات سخت شده تا حدودی شکننده می شوند. به این دلیل به ندرت از فولاد ها پس از سرد شدن در شرایط سخت استفاده می گردد. به جز موارد استثنایی همانند زمانی که یه سختی بالا نیاز باشد و یا در رابطه با فولاد های کم کربن.

فولاد پس از سخت شدن بایستی پیش از استفاده بازگشت داده شود. تمپرینگ و یا عملیات بازگشت باعث رسوب عناصر آلیاژی و همینطور در فولاد های کوئنچ شده باعث بالا رفتن مقاومت در برابر ضربه و تنش و افزایش خواص شکل پذیری می باشد.

با گرم شدن فلز در چنین فرآیندی، اتم های موجود در کربن در مرحله های مجزا واکنش از خود نشان داده و باعث تشکیل Fe3C و کاربید آلیاژی در زمینه فریتی می شود. در عملیات تمپرینگ دما از اهمیت بالایی برخوردار است. به طوری که میزان دمای دقیق، میزان سختی حذف شده را تعیین کرده و ترکیب آلیاژ در محصول نهایی متفاوت می باشد.

 

 

 

مارتپرینگ:

1. آستینه کردن فولاد
2. سرد کردنِ سریع فولاد درون روغن داغ و یا نمک مذاب تا دمایی بالا تر از دمای شروع تشکیل مارتنزیت. 
3. نگه داشتن در محیط یاد شده تا اینکه دمای قطعه در تمام قسمت های آن یکنواخت شود. لازم به ذکر است که مدت زمان نگهداری در این دما بستگی به موقعیت نمودار TTT و ضخامت قطعه دارد. مدت زمان آن معمولا بین 2 الی 4 دقیقه برای هر میلی متر ضخامت می باشد.
4. سرد کردن با روندی متوسط و به نحوه ای که سطح و مرکز قطعه تقریبا همزمان سرد شود.
5. بازپخت دادن قطعه به منظور بالا بردن چقرمگی.

 

عملیات مارتمپرینگ که نام دیگر آن سریع سرد کردن ناپیوسته می باشد، نوعی از فرایند بوده که بعد از رسیدن فولاد به دمای آستنیت آن را در محیط سرد کننده مناسب بر حسب نیاز تا بالا تر از دمای تشکیل فاز مارتزیت سریع سرد می کنند.

سپس آن را در این دما نگه داشته، به طوری که آستنیت تا مدت زمان تعیین شده تجزیه نشود.در نتیجه این کار سطح و مرکز نمونه که در اثر سریع سرد شدن با دو اهنگ متفاوت سرد شدند هم دما می شوند و پس از آن با سرد کردن قطعه با اهتگ متوسط تمام قسمت های قطعه تقریبا به طور همزمان سرد شده و دگرگونی آستنیت به مارتنزیت در سطح و مرکز همزمان انجام می شوند و ساختاری یکنواخت که بیشترین درصد مارتنزیت را دارد تشکیل میشود.

هدف از انجام این عملیات این است که زمان سریع سرد شدن را به تعویق انداخته تا اطمینان حاصل کنیم که دمای مغز و دمای سطح یکسان شده است.

 

 

یکی از جنبه های مهم مارتمپرینگ این بوده که به جز مارتنزیت، ساختار و یا فاز دیگری به وجود نخواهد آمد (لازم به ذکر است که در مقایسه با سرد کردن سریع و مستقیم در این حالت معمولا درصد آستنیت باقی مانده بیشتر می باشد).

فولادهایی برای مارتمپرینگ مناسب می باشند که نه تنها نسبت به محصولات حاصل از دگرگونی در دمای بالا بلکه نسبت به تشکیل بینیت که ممکن است در دما های بلافاصله قبل از Ms تشکیل شود نیز دارای سختی پذیری خوبی باشند.

نکته دیگری که در این رابطه باید به آن توجه نمود، این است که شدت سرد کنندگی روغن داغ و نمک های مذاب کمتر از شدت سرد کنندگی آب و یا روغن سرد است.

بنابراین فولادهایی را می توان مارتمپر کرد که سختی پذیری آن ها به قدری زیاد باشد که کاهش روند سرد کنندگی محیط سرد کننده را جبران کند. به این دلیل این نوع عملیات حرارتی عمدتا به فولادهایی که در هوا و یا روغن سخت می شوند محدود می شود.