سخت کاری فلزات به چه منظوری استفاده میشود؟ در علم مواد و متالورژی، عملیات حرارتی فلزات یکی از مهم‌ترین بخش‌‌‌ها برای دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب میباشد. در این میان سخت کاری فلزات از مهم‌ترین انواع عملیات حرارتی محسوب میشود. استفاده از این روش عملیات حرارتی منجر به بهبود خواص مکانیکی و همچنین افزایش سختی شده و باعث ایجاد یک ماده سخت‌تر و بادوام‌تر میشود. برای اینکه با این روش عملیات حرارتی فلزات بیشتر آشنا شوید، پیشنهاد می‌کنیم تا در ادامه مطلب حتما با ما همراه باشید.
*** عملیات حرارتی فلزات چیست؟
آیا می‌دانید منظور از عملیات حرارتی چیست؟ همانطور که گفتیم سخت کاری فلزات یکی از انواع عملیات حرارتی محسوب میشود. اما بهتر است بدانید که تعداد انواع عملیات حرارتی که وجود دارد، بسیار زیاد است. حال برای اینکه با این روش آشنا شوید، ابتدا بایستی با تعریف و اصول عملیات حرارتی آشنا شوید.
عملیات حرارتی به مجموعه‌ای از فرآیندها بر روی فلزات و آلیاژها گفته میشود که با رساندن دمای آن فلز یا آلیاژ به یک دمای معین، ثابت نگه داشتن در آن دما و کاهش دما پس از گذشت یک بازه معلوم، خواص مکانیکی آن ماده دچار تغییرات و بهبود شود. این فرآیند معمولا به منظور تغییر استحکام، سختی، دوام، شکل پذیری و یا دیگر خواص مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نکته‌ای باید بدانید این است که تمامی فرآیندهای موجود در عملیات حرارتی، در فاز جامد انجام می‌گیرد. در برخی از موارد شاهد تکرار چندین باره این فرآیندها هستیم تا خواص ماده به مقدار مورد نظر برسد. در نتیجه می‌توان گفت که عملیات حرارتی مجموعه‌ای از فرآیندهای افزایش و کاهش دمای فلزات و آلیاژها در فاز جامد است که جهت دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب انجام می‌گیرد.
انواع روش‌های عملیات حرارتی مانند سخت کاری فلزات، بازپخت، تمپرینگ، آنیلینگ و نرماله کردن وجود دارد. در این مقاله به طور اختصاصی به روش سخت کاری فلزات خواهیم پرداخت.
*** سخت کاری فلزات چیست؟
زمانی که قطعات و تجهیزات صنعتی تحت بارهای سنگین قرار می‌گیرند، سوالی که پیش می‌آید این است که چگونه می‌توان میزان مقاومت کششی و سختی آن را افزایش داد تا عمر و دوام آن بهبود یابد؟ برای دستیابی به این خواص، عملیات سخت کاری فلزات پیشنهاد میشود. سخت کاری از متداول‌ترین روش‌های عملیات حرارتی محسوب میشود. در این فرآیند اعمال حرارت تا یک دمای از پیش تعیین شده (دمای بحرانی) باعث تبدیل ماده به یک محلول جامد میشود. با ثابت نگه داشتن دمای ماده برای یک مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آن سختی فلز افزیش می‌یابد.
*** محلول جامد چیست؟
به ترکیب شیمیایی یکنواخت از دو ماده جامد که شامل شبکه کریستالی مشترکی هستند، محلول جامد گفته میشود. به طور معمول، محلول جامد از دو یا چند نوع اتم یا مولکول با شبکه‌های کریستالی یکسان تشکیل می‌شوند. این ویژگی را می‌توان در برخی از آلیاژهای فلزی مشاهده کرد. به عنوان مثال طلا با ترکیب شدن با فلزات دیگری مانند مس، پالادیوم، پلاتینیوم و نقره می‌تواند یک محلول جامد را تشکیل دهد. شناخته شده‌ترین مثال محلول جامد در دنیای متالورژی، ترکیب انواع آهن و کربن در آلیاژ فولاد میباشد.
*** آشنایی با مراحل اجرای سخت کاری فلزات
برای فرآیند سخت کاری فلزات روش‌های متنوعی وجود دارد که مختص فلزات و آلیاژهای مشخصی میباشد. با این حال، همه روش‌ها شامل سه مرحله حرارت دهی جهت افزایش دما، نگهداری در دمای معین و سرد کردن سریع می‌باشند.
*** مرحله اول سخت کاری فلزات: حرارت دهی
در این مرحله فلز مورد نظر در معرض دمای بسیار بالا قرار می‌گیرد. با اعمال این دمای بسیار بالا، تغییر و کنترل ترکیب شیمیایی و فیزیکی فلز راحتتر میشود. در حقیقت در این مرحله، حرارت دهی تا یک دمای معین پیش از تغییر فاز منجر به تشکیل محلول جامد و شروع تغییر ریزساختار آن میشود.
در مرحله حرارت دهی به علت اینکه ماده راحت تغییر شکل پیدا می‌کند، می‌توان شکل مورد نظر را به ماده اعمال کرد و با کاهش دمای اصولی، خواص مکانیکی آن را نسبت به قبل بهبود بخشید. به عبارت دیگر مرحله نخست سخت کاری فلزات امکان افزایش استحکام و سختی را همراه با تغییر ریزساختار ماده فراهم می‌کند. تجهیزات مورد استفاده برای حرارت دهی معمولا کوره‌های القایی و یا گازی می‌باشند.
*** مرحله دوم سخت کاری فلزات: نگهداری در دمای معین
بعد از مرحله اول و رساندن دمای فلز به دمای مورد نظر، حال باید مطمئن شویم که تغییر ریزساختار در دمای ثابت انجام می‌گیرد. به فرآیند حفظ دمای فلز در حین سخت کاری اصطلاحا خیساندن “soaking” گفته میشود. برای نگهداری فلز در دمای مورد نظر باید به دمای سخت کاری و دمای بحرانی ماده توجه شود. دمای سخت کاری همان دمای نرماله کردن و دمای بحرانی دمای تغییر ریزساختار فلز میباشد.
*** مرحله سوم سخت کاری فلزات: سرد کردن سریع یا کوئنچینگ
مرحله آخر سخت کاری فلزات سرد کردن سریع قطعه حرارت دیده میباشد. بعد از اعمال حرارت قطعه و نگهداری در دمای معین نوبت به کاهش دمای آن می‌رسد. برای اینکه سرعت سرد کردن از حد تعادلی بیشتر باشد، قطعه حرارت دیده را باید در معرض محیط‌هایی مانند آب، روغن، آب نمک، نیتروژن مایع و یا هوا قرار داد.
پس از فرآیند کاهش دما، ساختار فیزیکی یا شیمیایی ماده ممکن است به حالت اولیه برگردد و یا اینکه برای همیشه تغییر کند. در هر حال، بعد از این فرآیند سختی قطعه بهبود می‌یابد. مرحله خنک کاری سریع در فلزات با عنوان کوئنچینگ شناخته میشود. سختی بالای بدست آمده توسط سخت کاری ناشی از تغییر فاز ماده طی مرحله سرد کردن سریع میباشد. در واقع سرد کردن سریع به سرعت بالای کوئنچ نسبت به دماهای بحرانی اشاره دارد.
*** روش‌های مختلف سخت کاری فلزات
معمولا سخت کاری و کوئنچ در یک محیط برای فلزات عیوبی مانند ترک و اعوجاج را به همراه خواهد داشت. به همین دلیل برای کاهش این عیوب و به دست آوردن خواص مورد نظر از روش‌های مختلفی استفاده میشود که در ادامه آنها را توضیح می‌دهیم.
*** کوئنچ در چند مرحله و چند محیط مختلف
قطعات سخت شده با این روش ابتدا در آب تا دمای ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد کوئنچ می‌شوند و سپس به سرعت به یک محیط کوئنچ دیگر با شدت کمتر (مثلاً روغن یا هوا) منتقل می‌شوند و در آنجا نگهداری شده تا کاملاً خنک شوند. هدف از انتقال به کوئنچ دوم کاهش تنش‌های داخلی ناشی از فازهای جدید میباشد.
در عملیات سخت کاری فلزات توصیه نمی‌شود که ابتدا در آب و سپس در روغن کوئنچ انجام شود؛ زیرا منجر به تجزیه فازهای سخت جدید شده و ممکن است در دمای تجزیه تنش‌های پسماند جدیدی ایجاد شوند. ایجاد این تنش‌های پسماند در ایجاد ترک و شکست ماده تاثیر منفی خواهند داشت.
کوئنچ در دو محیط مختلف به طور گسترده در عملیات حرارتی ابزار فولاد کربنی (شیرها، قالب‌ها، فرز برش‌ها و غیره) به منظور جلوگیری از نظر ترک خوردگی و تاب برداشتن استفاده میشود.
*** کوئنچ با سلف تمپرینگ
در کوئنچ سلف تمپرینگ یا کوئنچ زمانی پس از رسیدن به دمای سخت کاری و نگهداری، قطعه در محیط کوئنچ قرار می‌گیرد. بعد از اینکه زمان مشخصی گذشت، بدون اجازه به خنک شدن کامل، قطعه از محیط کوئنچ بیرون آورده میشود. در نتیجه مقدار قابل توجهی از حرارت در درون مرکز قطعه باقی میماند. سپس در مرحله بعد قطعه به یک محیط کوئنچ ملایم‌تر مانند هوا یا روغن منتقل میشود. مرحله کوئنچینگ اولیه باعث تشکیل فاز سخت مانند مارتنزیت و مرحله کوئنچینگ ثانویه سبب یکنواختی دمای تمام بخش‌های قطعه میشود.
*** کوئنچ منقطع یا مارتمپرینگ
کوئنچ منقطع یا مارتمپرینگ یکی دیگر از روش‌های سخت کاری فلزات میباشد. در این روش، پس از اعمال حرارت سخت کاری و نگهداری دما، قطعه را باید به محیطی شامل نمک، روغن و یا سرب برای کوئنچ انتقال داد. دمای محیط کوئنچ منقطع بین ۱۸۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد است. پس از رسیدن دمای قطعه به دمای محیط سرمایش، آن را خارج کرده و در معرض هوا قرار می‌گیرد.
نرخ سرمایش قطعه در روش مارتمپرینگ باید به اندازه کافی بالا و بازه زمانی آن بسیار کوتاه باشد. رعایت این موارد در فولاد از تشکیل ریزساختار پرلیت یا بینیت جلوگیری می‌کند. تشکیل مارتنزیت در مرحله دوم کوئنچینگ رخ می‌دهد. این روش ویژگی‌هایی دارد که از جمله آن می‌توان به ایجاد حداقل تنش داخلی، کاهش احتمال اعوجاج، کاهش احتمال ترک خوردگی و بهبود خواص مکانیکی نسبت به روش کوئنچینگ مستقیم و تمپرینگ اشاره کرد.
*** کوئنچ همدما یا آستمپرینگ
کوئنچ هم دما یا آستمپرینگ یکی از روش‌های اجرای سخت کاری فلزات است که معمولا برای تقویت خواص آلیاژهای آهنی، بخصوص فولاد و چدن نشکن، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش، ریزساختار آستنیت به بینیت تبدیل میشود. هدف این روش، بهبود خواص مکانیکی مانند شکل‌پذیری، سختی، مقاومت ضربه‌ای، مقاومت خستگی و کاهش اعوجاج ناشی از سخت کاری است.
تفاوت اصلی بین آستمپرینگ با دیگر روش‌های سخت کاری، دمای حرارت دهی، مدت زمان نگهداری دما و محیط کوئینچینگ میباشد. شروع این فرآیند با رساندن دمای قطعه به ۷۹۰ تا ۹۱۵ درجه سانتیگراد همراه خواهد بود. با توجه به نوع آلیاژ و نحوه اجرای فرآیند، قطعه برای چند دقیقه در این دما باقی میماند. سپس درون نمک نیتریت-نیترات قرار می‌گیرد. به دلیل بازه دمایی محدود برای تشکیل بینیت (حدود ۲۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد)، امکان استفاده از آب یا آب نمک وجود نخواهد داشت.
*** نتیجه گیری
سخت کاری فلزات از جمله مهم‌ترین فرآیندهای عملیات حرارتی میباشد که در جهت بهبود خواص مکانیکی از جمله سختی قطعه مورد نظر انجام می‌گیرد. سه مرحله اصلی سخت کاری شامل حرارت دهی تا دمای بالا، نگهداری در آن دما و خنک کاری سریع میباشد. سخت کاری فلزات روش‌های مختلفی دارد که شامل کوئنچ کردن‌های متفاوت میباشد. امیدواریم تا با مطالعه مقاله فوق پاسخ سوال‌هایتان را دریافت کرده باشید.
این مطلب بدون برچسب می باشد.
ثبت دیدگاه