3- عملیات حرارتی
به فرآیند گرم کردن، نگهداری در دمای بالا و سرد کردن شمش ها، مقاطع و قطعات فلزی در دماها، زمان ها و سرعت های معین در جهت تغییر زیر ساختار و رسیدن به خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مورد نظر عملیات حرارتی می گویند. این فرآیند به صورت معمول در کوره یا به وسیله سایر ابزارهای حرارت دهی همانند کویل ها و مشعل ها انجام می گیرد، با توجه به افزایش دما در فرآیندهایی همانند شکل دهی گرم، جوشکاری و بریزینگ، عملیات حرارتی خود به خود صورت می پذیرد.
نتیجه حاصل از عملیات حرارتی بستگی به عواملی همچون ترکیب شیمیایی، شکل، ابعاد، اندازه، سوابق ساخت و عملیات حرارتی قبلی قطعه، سیکل انتخابی شامل دماها، زمان ها، نرخ گرمایش و سرمایش، سیال محیطی (هوا، گاز خنثی، خلاء و …) و نحوه انتقال حرارت، دارد که این عوامل باید به دقت کنترل شوند.
سیکل های عملیات حرارتی بر اساس دماهای بحرانی و در نظر گرفتن تاثیر عناصر آلیاژی در نمودارهای دو فازی و سه فازی و همچنین دیاگرام های دما – زمان – دگرگونی (TTT) و سردشدن پیوسته (CCT) در آزمایش های پی در پی به صورت تجربی، تعیین می شوند.
نوع عملیات حرارتی به فرآیند طراحی متالوژی و هدف مورد نظر بستگی دارد. در برخی موارد نوع عملیات حرارتی با توجه به مرحله ساخت و کاربرد قطعه مشخص می شود و در برخی موارد دیگر نوع عملیات حرارتی ترکیبی از عملیات مختلف با ترتیب مشخص به کار می روند. انواع فرآیندهای رایج عملیات حرارتی در کاربرد صنایع فولادی در ادامه شرح داده شده است:
آنیل کردن
با افزایش دما به دمای بیشتر از دمای بحرانی و نگهداری به منظور انجام فرآیند نفوذ و ایجاد فاز آستنیت در فولادها و در ادامه خنک کردن آرام در کوره عملیات آنیل انجام می شود. در طی فرآیند آنیل فاز فریتی درشت دانه ایجاد شده که با توجه به نرمی و دانسیته بالا، برای انجام فرآیندهای شکل دهی سرد، برش، خم کاری و ماشین کاری مناسب می باشد. بعضی آلیاژها با توجه به ترکیب شیمیایی، جدا از روش سرد کردن، در دمای محیط به صورت مارتنزیتی یا آستنیتی خواهند بود. از طرف دیگر برخی دیگر از آلیاژها با افزایش دما استحاله فریت به آستنیت را در دیاگرام فازی خود ندارند، از این رو این تفاوت ها باید در عملیات حرارتی آنها لحاظ شوند. نکته قابل توجه این است که در برخی آلیاژها آنیل هم دما، آنیل کروی و همچنین آنیل فرآیندی حین ساخت مقاطع اولیه فولاد در کارخانجات فولاد، صورت می پذیرد که این فرآیندها با نگهداری طولانی مدت در دمای بالا و در برخی موارد تغییرات دمایی سریع در محدوده بالای استحاله یوتکتوئیدی و یا کمی پایین تر از دمای دگرگونی انجام می پذیرد. فرآیند کار گرم نیز با کنترل شرایط سرد کردن می تواند نوعی عملیات حرارتی لحاظ شود. اما جهت اصلاح کشیدگی و جهت دار بودن دانه ها نیاز به عملیات حرارتی دوباره است. در نیتجه می توان عنوان کرد که عملیات آنیل کردن باعث تنش زدایی در قطعاتی می گردد که فرآیندهای کار سرد، ماشین کاری یا جوشکاری باعث افزایش دانسیته نابجایی ها یا تمرکز تنش در آنها شده است.
همگن کردن
عملیات همگن برای فولاد در دمای بسیار بالا در زمان های طولانی جهت نفوذ حجم وسیعی از اتم ها و حل شدن تمام رسوبات و در نهایت همگن شدن ترکیب شیمیایی و یکنواختی ساختار صورت می پذیرد. برخی از قطعات ریخته گری را با جدایش شدید عناصر آلیاژی و ساختار دندریتی، تنها از این راه اصلاح پذیر می شوند. در حالت عادی این قطعات به آرامی سرد می شوند تا از استحاله های پرتنش جلوگیری شود، اما در برخی حالتها همچون فولادهای ضدزنگ آستنیتی قطعات به سرعت سرد می شوند تا از تشکیل دوباره رسوبات و کاربیدها جلوگیری به عمل آید.
نرماله کردن
فرآیند نرماله کردن در صنعت فولاد به منظور ایجاد ساختار دانه ریز با فاز قالب پرلیت انجام می شود به این صورت که از طریق افزایش 50 درجه سانتی گراد دمای بیشتر از دمای بحرانی و نگهداری جهت تکمیل استحاله فازی و تشکیل آستنیت و در نهایت خنک کردن در هوا رخ می دهد. مشخص است که استحکام و سختی فولاد به صورت نسبی در قیاس با حالت آنیل شده افزایش می یابد.
سختکاری و تمپر
سختکاری به آبدهی یا کوئنچ – تمپر نیز معروف است. سختکاری رایج ترین عملیات برای فولادهای کربن متوسط به بالا و همچنین اکثر فولادهای کم آلیاژ و فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی، در زمان ساخت قطعات نهایی، می باشد. در سختکاری پس از افزایش دمای فولاد تا منطقه آستنیتی و زمان دادن جهت تکمیل استحاله، سرمایش سریع در محیط های گوناگون همانند آب، روغن، نمک مذاب، برای قطعاتی با ضخامت کم حتی در هوا، انجام می پذیرد. به علت بالا بودن نرخ سرد شدن، زمان برای استحاله نفوذی آستنیت به فریت-پرلیت کافی نبوده در نتیجه در اثر استحاله برشی، فاز ناپایدار مارتنزیت ایجاد می گردد که این فاز سختی و استحکام بسیار بالایی دارد. از سوی دیگر این فاز بسیار ترد و شکننده بوده و عملیات تمپر با گرم کردن و نگهداری قطعات در دماهای پایین تر از استحاله یوتکتوئید انجام می شود. سپس عمل سرد کردن به صورت آرام تا رسیدن به دمای محیط انجام می گیرد که از طریق آزاد شدن کربن فوق اشباع، حذف آستنیت باقیمانده، تنش گیری، آزاد شدن نابجایی ها و دو قلویی ها باعث اصلاح فازی و ایجاد مارتنزیت تمپر شده می گردد. در نتیجه این عملیات باعث کاهش تردی و بهبود دانسیته و ضربه پذیری می شود. از طرف دیگر فرآیند کوئنچینگ می تواند باعث تغییر شکل، تاب برداشتن و ترک در قطعه گردد که این مسائل باید با انتخاب سیکل و شرایط مناسب عملیات حرارتی و همینطور تعیین مرحله درست عملیات حرارتی در فرآیند ساخت، کنترل شود.
مارتمپرینگ
عملیات کوئنچینگ ناپیوسته شامل مراحل گرم کردن برای رسیدن به دمای آستنیته و سرد کردن سریع فولاد آستنیته شده تا رسیدن به دمای بالای شروع مارتنزیتی شدن و سپس نگهداری در این دما به مدت معین جهت هم دما شدن قطعه و در نهایت سرد کردن در هوا می باشد. عملیات مارتمپرینگ برای مقاطع نازک مناسب می باشد و جهت استحاله یکنواخت سطح و مغز فولاد و تشکیل مارتنزیت با احتمال اعوجاج، ترک خوردگی و تنش پسماند حداقل استفاده می شود.
آستمپرینگ
در عملیات آستمپرینگ پس از گرم کردن فولاد و ایجاد ساختار آستنیتی، فولاد به سرعت تا دمای بیشتر از مارتنزیتی شدن خنک می گردد. سپس به اندازه کافی در این دما نگهداری می شود تا استحاله بینیتی تکمیل شود، در انتها فولاد در هوا سرد می شود. این عملیات با توجه به فاز نهایی بینیت، بیشترین استحکام را در سختی معین به دست می آورد و تنش های پسماند و خطر تاب برداشتن و ترک خوردگی نیز در آن به شدت کاهش می یابد.
سختکاری سطحی
عملیات سختکاری سطحی بر دو نوع است: نوع اول بدون تغییر در ترکیب شیمیایی و نوع دوم با تغییر در ترکیب شیمیایی همراه است. نوع اول برای فولادهای کربنی و آلیاژی با کربن متوسط یا بالا و فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی مناسب است. این نوع به صورت اصولی با فرآیند القایی یا با شعله دمای سطح قطعه تا منطقه آستنیتی افزایش یافته و پس از تشکیل فاز آستنیت، سرمایش سریع منجر به تشکیل فاز مارتنزیت در سطح می شود. ضخامت این لایه پایین می باشد و عدم تغییر قابل توجه در مغز قطعه می تواند باعث شود که این قطعه هم زمان از مغز داکتیل مقاوم در برابر ضربه و سطح سخت مقاوم در برابر سایش برخوردار باشد که این موضوع مزیت محسوب می شود. همانطور که عنوان شد نوع دوم این عملیات با تغییر ترکیب شیمیایی همراه است که عملیات کربوریزاسیون، نیتریداسیون و یا ترکیبی از آن ها می باشد. عملیات کربوریزاسیون یا کربن دهی برای فولادهای کم کربن یا اصطلاحاً سمانته استفاده می شود. این عملیات از طریق ایجاد اتم های کربن آزاد از واکنش های منبع جامد، مایع یا گازی در دمای آستنیته و نفوذ اتم های کربن به سطح قطعه فولادی و سپس سرمایش سریع جهت ایجاد فاز مارتنزیت پرکربن انجام می شود. در فرآیند نیتریداسیون از منبع گازی یا پلاسما برای تولید و نفوذ اتم های نیتروژن استفاده می شود. این فرآیند در دماهای زیر دمای یوتکتوئید و پایین تر از دمای تمپر قبلی، انجام می پذیرد. این فرآیند اساسا نیاز به حضور عناصر آلیاژی نیتریدزا همانند آلومینیوم، وانادیم و کرم دارد از این جهت که با تشکیل نیتریدها فاز سخت و مقاوم به سایش در سطح ایجاد گردد. فرآیند نیتریده کردن، تغییر قابل توجهی در ابعاد ایجاد نمی کند و ضخامت لایه سخت سطحی نیز بسیار کمتر از روش های دیگر است، از این رو به عنوان فرآیند نهایی در ساخت قطعه به کار گرفته می شود.
رسوب سختی
عملیات رسوب سختی دو مرحله ای می باشد و نیازمند وجود عناصر آلیاژی خاصی همانند کرم، نیکل، تیتانیوم، آلومینیوم، مولیبدن، نایوبیم و مس است. در آغاز به کمک عملیات انحلال تمام رسوبات و کاربیدها در ساختار در دمای بسیار بالا حل می شوند و فاز آستنیتی همگن ایجاد می گردد. سپس فولاد در دمای محیط سرد می شود که فاز غالب در این حالت ناشی از ترکیب شیمیایی به صورت آستنیتی، نیمه آستنیتی و مارتنزیتی بوده و برای گریدهای مختلف متفاوت است. در مرحله بعد فولاد مجدد در دمای پایین بین 400 تا 700 درجه سانتی گراد گرم می گردد. از این رو انرژی لازم جهت نفوذ و ترسیب ذرات فاز دوم فراهم شده که اصطلاحاً به آن پیرسازی می گویند. زمان و دمای پیرسازی بسیار حائز اهمیت است به این دلیل که رسوبات به مقدار کافی و اندازه مناسب تشکیل شوند و در نهایت از رشد بیش از اندازه آنها جلوگیری گردد. در نتیجه قطعات تا دمای محیط سرد شده و وجود این رسوبات و کاربیدها در ساختار، عامل اصلی استحکام بخشی به قطعات می باشد.
تنش گیری
عملیات تنش گیری نوعی عملیات حرارتی محسوب می شود. عملیات حرارتی تنش گیری جهت حذف تنش های باقیمانده و ایجاد شده در فرآیندهای ساخت همانند کارسرد، جوشکاری، ریخته گری و ماشینکاری به کار گرفته می شود. فولاد می تواند تا زیر دمای بحرانی که عموماً کمتر از 600 درجه سانتی گراد است گرم شود و پس از ثبات در مدت زمان مشخصی به آرامی سرد گردد. مکانیزم اصلی کاهش تنش های پسماند، بازیابی ساختار از طریق کاهش دانسیته نابجایی ها صورت می گیرد که جهت جلوگیری از اعوجاج و ترک خوردگی قطعه حین استفاده یا عملیات بعدی بسیار مفید و لازم است.