عملیات حرارتی فولادها | انواع و مراحل آن چگونه است؟

عملیات حرارتی فولاد چه تاثیری بر خواص آنها دارد؟ برای پاسخ به این سوال ابتدا باید درک کنید که عملیات حرارتی دقیقا چه کاری انجام می‌دهد؟ همه فرآیندهای معمولی که روی فلزات انجام می‌شوند، از جمله جوشکاری یا برشکاری گرما تولید می‌کنند و ساختار و ویژگی‌های متالورژیکی آن ماده را تغییر می‌دهند.

برعکس، شما می‌توانید برای بازگرداندن فلزات به شکل اولیه خود از عملیات حرارتی (Heat Treatment) استفاده کنید.

به طور ساده، عملیات حرارتی فرآیندی است که در آن فلز بدون رسیدن به مرحله ذوب، گرم شده و سپس با روشی کنترل شده خنک می‌شود تا خواص مکانیکی مورد نظر به دست آید. عملیات حرارتی فولاد برای استحکام دهی یا شکل‌پذیری بیشتر فلز، مقاوم‌تر کردن در برابر سایش یا انعطاف‌پذیری بیشتر استفاده می‌شود.

خواص مورد نظر شما هر چه باشد، مسلم است که با عملیات حرارتی هرگز نخواهید توانست به هر چیزی که می‌خواهید برسید. اگر فلزی را سخت کنید، آن را شکننده می‌کنید. اگر فلزی را نرم کنید، استحکام آن را کاهش می‌دهید. در واقع در حالی که برخی از خواص را بهبود می‌بخشید، برخی دیگر را تضعیف می‌کنید ولی می‌توانید بر اساس مصرف نهایی فلز تصمیم گیری کنید.

* تئوری عملیات حرارتی فلزات

همه فرآیندهای عملیات‌ حرارتی فولاد و فلزات شامل گرم کردن و خنک‌کردن فلزات می‌شوند، اما سه تفاوت اصلی در فرآیندهای عملیات حرارتی وجود دارد: دمای گرم کردن، نرخ سرمایش و انواع آبدهی (Quenching) که بر روی خواص مورد نظر به صورت مستقیم تاثیر گذار هستند. 

برای عملیات حرارتی فلزات، به تجهیزات مناسبی نیاز است تا بتوان تمام عوامل مربوط به گرم کردن، سرمایش و آبدهی را از به صورت ویژه کنترل کرد. به عنوان مثال، کوره باید اندازه و نوع مناسبی برای کنترل دما داشته باشد، از جمله مخلوط گاز در محفظه گرمایش و برای خنک کردن صحیح فلز به ساز و کار آبدهی مناسب نیاز است.

در ادامه به طور مفصل به انواع مختلف عملیات حرارتی برای فولاد یا فلزات غیر آهنی خواهیم پرداخت که شامل آنیل کردن یا بازپخت (Annealing)، نرمال کردن (Normalizing)، سخت کاری (Hardening) و برگشت دادن یا تمپرینگ (Tempering) می‌شود.

** عملیات حرارتی فولاد؛ مرحله اول: گرم کردن

 عملیات حرارتی فولاد سه مرحله دارد. به طور خلاصه، در گام نخست عملیات حرارتی برای اطمینان از حفظ دمای یکنواخت فلز، فلز به آرامی گرم می‌شود. در گام دوم فلز در دمای مشخصی برای مدت زمانی معین نگه داشته شده و در نهایت فلز تا دمای اتاق خنک می‌شود.

در مرحله گرم کردن از عملیات حرارتی، همانطور که گفته شد مهمترین هدف این است که اطمینان حاصل شود فلز به طور یکنواخت گرم می‌شود. اگر فلز به طور غیر یکنواخت گرم شود، ممکن است یک بخش سریعتر از قسمت دیگر منبسط شود و در نتیجه بخشی از فلز دچار اعوجاج یا ترک شود. نرخ گرمایش در عملیات حرارتی فولاد با توجه به عوامل زیر انتخاب می‌شود: 

• هدایت حرارتی فلز: فلزات با هدایت حرارتی بالا سریعتر از فلزهایی با هدایت حرارتی پایین گرم می‌شوند.
• وضعیت فلز: ابزارها و قطعاتی که قبلاً سخت شده یا تحت فشار قرار گرفته‌اند، باید کندتر از ابزارها و قطعاتی که این عملیات روی آن‌ها انجام نگرفته، گرم شوند.
• اندازه و سطح مقطع فلز: قطعات بزرگتر یا قطعات با سطح مقطع ناهموار نسبت به قطعات کوچک باید به آرامی گرم شوند تا دمای داخل به دمای سطح نزدیک شود. در غیر این صورت، خطر ترک خوردن یا تاب برداشتن بیش از حد آنها با عملیات حرارتی وجود دارد.

 ** عملیات حرارتی فولاد؛ مرحله دوم: نگهداری در دمای مورد نظر

هدف از مرحله نگهداری تا دمای مد نظر در عملیات حرارتی این است که فلز در دمای مناسب نگه داشته می‌شود تا زمانی که ساختار داخلی مورد نظر شکل بگیرد.بنابراین «دوره نگهداری تا دمای مد نظر» مدت زمانی است که فلز در دمای مناسب عملیات حرارتی قرار می‌گیرد.

دقت کنید که برای تعیین طول زمان درست در عملیات حرارتی، آنالیز شیمیایی و جرم فلز مورد نیاز است. علاوه بر این برای مقاطع ناهموار، می‌توان دوره نگهداری در دمای مناسب را با استفاده از بزرگترین مقطع تعیین کرد. به طور کلی، نباید دمای فلز در یک مرحله از دمای اتاق به دمای نگهداری رسانید.

این نکته را هم فراموش نکنید که در عملیات حرارتی باید فلز را به آرامی تا دمایی که ساختار تغییر می‌کند گرم کرد و سپس آن را نگه داشت تا دما در کل فلز ثابت شود. بعد از این مرحله از پیش گرم کردن، دما را سریع‌تر به دمای نهایی که نیاز است می‌توان افزایش داد. در عملیات حرارتی قطعات با طراحی پیچیده تر ممکن است برای جلوگیری از تاب برداشتن نیاز به پیش گرم کردن چند لایه‌ای داشته باشند.

عملیات حرارتی فولاد؛ مرحله سوم: خنک کردن

در مرحله خنک‌سازی از عملیات حرارتی، هدف رساندن دمای فلز به دمای اتاق است، اما بسته به نوع فلز روش‌های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد. این مرحله از عملیات حرارتی ممکن است به یک محیط خنک کننده گازی، مایع، جامد یا ترکیبی از آنها نیاز داشته باشد.

نرخ خنک شدن بستگی به فلز و محیط خنک کننده دارد. انتخاب هایی که در خنک سازی صورت می‌گیرد، عوامل مهمی در تعیین خواص مطلوب فلز هستند. کوئنچ در عملیات حرارتی زمانی است که به سرعت فلز در هوا، روغن، آب، آب نمک یا یک محیط دیگر خنک می‌شود.

معمولاً کوئنچ با سخت شدن همراه است زیرا اکثر فلزاتی که سخت می‌شوند، با کوئنچ به سرعت سرد می شوند. اما این مورد همیشه صادق نیست که کوئنچ یا سرد شدن سریع منجر به سخت شدن شود.

به عنوان مثال، کوئنچ با آب برای بازپخت مس استفاده می‌شود و سایر فلزات با سرد شدن آهسته سخت می شوند. همه فلزات نباید کوئنچ شوند. کوئنچ می‌تواند برخی از فلزات را دچار ترک یا اعوجاح کند.

به طور کلی، آب نمک یا آب می تواند به سرعت فلز را خنک کند، در حالی که مخلوط روغن برای خنک شدن کندتر بهتر است. در عملیات حرارتی دستورالعمل کلی این است که می‌توان  از آب برای سخت شدن فولادهای کربنی و کوئنچ کردن  فلزات غیر آهنی و از روغن برای سخت شدن فولادهای آلیاژی استفاده کرد. با این حال، سرعت و محیط خنک‌کننده‌ای که انتخاب می‌شود باید متناسب با فلز باشد.

۱) عملیات حرارتی بازپخت یا آنیل کردن (Annealing)

هدف از آنیل کردن دقیقا برعکس سخت شدن است. عملیات حرارتی آنیل کردن یا بازپخت برای تنش زدایی، نرم کردن، افزایش شکل پذیری و بهبود ساختار دانه فلزات انجام می‌شود.

در طول فرآیند آنیل کردن، اتم ها در شبکه کریستالی خود جابه‌جا شده و تعداد نابجایی اتم‌ها کاهش می یابد که منجر به تغییر در شکل پذیری و سختی می‌شود. با سرد شدن فلز، دوباره متبلور می‌شود.

بدون یک مرحله آنیل کردن مناسب، جوشکاری می‌تواند منجر به ایجاد فلزی با دماهای ناهموارشود. در این شرایط جوشکاری می‌تواند فلز را ضعیف‌تر کند. با سردتر شدن جوش، تنش‌های داخلی در کنار نقاط سخت و شکننده ایجاد می‌شود. آنیل کردن یکی از راه‌های رفع مشکلات رایج مانند اینها و کاهش تنش‌های داخلی است.

جهت انجام عملیات حرارتی آنیل کردن فولاد و سایر فلزات آهنی برای ایجاد بالاترین سطح شکل‌پذیری، باید فلز به آرامی تا دمای مناسب گرم شود، در آن دما نگه داشته شده و سپس اجازه داده شود تا به آرامی خنک شود. برای این منظور یا در نوعی ماده عایق قرار داده شود یا کوره خاموش شده و اجازه داده شود هم کوره و هم قطعه به آرامی با هم خنک شوند. مدت زمانی که اجازه می دهید فلز در دمای مطلوب نگهداری شود به نوع و جرم آن بستگی دارد. اگر فولاد کم کربن باشد، به بالاترین دمای آنیل ممکن نیاز دارد و با افزایش محتوای کربن، دمای آنیل آن کاهش می‌یابد.

۲) عملیات حرارتی نرمال کردن (Normalizing)

هدف از عملیات حرارتی نرمال‌سازی حذف هرگونه تنش داخلی ناشی از عملیات حرارتی فولاد، ماشین‌کاری، آهنگری، شکل‌دهی، جوشکاری یا ریخته‌گری است. شکست فلز می‌تواند ناشی از تنش کنترل نشده باشد، بنابراین نرمال سازی فولاد قبل از هر گونه سخت شدن می‌تواند به اطمینان از موفقیت پروژه‌ها کمک کند.

اما شاید بپرسید تفاوت بین آنیل کردن و نرمال کردن چیست؟

در واقع نرمال سازی فقط برای فلزات آهنی مانند فولاد اعمال می‌شود. اما یک تفاوت کلیدی دیگر در فرآیند عملیات حرارتی وجود دارد. هنگام نرمال سازی، پس از اینکه فلز تا دمای بالاتر گرم شد، پس از خارج کردن از کوره با هوا خنک می‌شود. فولاد نرمال شده مستحکم تر از فولاد آنیل شده است. بدین گونه که فولاد نرمال سازی شده با استحکام و شکل پذیری بالا، چقرمه تر از فولاد آنیل شده است.

اگر قطعه فلزی نیاز به مقاومت در برابر ضربه یا حداکثر چقرمگی برای مقاومت در برابر تنش‌های خارجی داشته باشد، معمولاً توصیه می‌شود به جای عملیات حرارتی آنیل کردن، عملیات حرارتی نرمال کردن انجام شود. از آنجایی که فلزات نرمال شده با هوا خنک می‌شوند، جرم فلز تعیین کننده کلیدی در نرخ سرد شدن و سختی سطح قطعه است.

در طول نرمال سازی، قطعات نازکتر سریعتر در هوا خنک می‌شوند و نسبت به قطعات ضخیم تر، سخت تر می‌شوند. اما، با عملیات حرارتی آنیل کردن و خنک شدن در کوره، سختی هر دو قسمت ضخیم و نازک مشابه خواهد بود.

۳) عملیات حرارتی سخت کردن (Hardening)

هدف از عملیات حرارتی سخت کاری فلزات فقط سخت شدن نیست، بلکه مستحکم تر کردن آن نیز می‌باشد. در حالی که سخت شدن باعث افزایش استحکام می‌شود، شکل پذیری را کاهش می‌دهد و فلز را شکننده تر می‌کند. پس از سخت شدن، ممکن است لازم باشد فلز تمپر شود تا ترد شوندگی آن از بین برود.

برای سخت تر شدن بیشتر فولادها، باید از دو مرحله اول عملیات حرارتی فولاد (حرارت با دمای آهسته و سپس نگه داری در یک زمان مشخص تا دمای یکنواخت) استفاده شود، اما مرحله سوم متفاوت است. هنگامی فلزات سخت می‌شوند که با فرو بردن آنها در آب، روغن یا آب نمک به سرعت سرد شوند. به میزانی که عناصر آلیاژی به فولاد اضافه می‌شوند، سرعت خنک سازی مورد نیاز برای سخت شدن آن کاهش می‌یابد. سرعت خنک شدن کندتر خطر ترک خوردن یا اعوجاج را کاهش می‌دهد.

سختی فولاد کربنی به میزان کربن آن بستگی دارد. میزان کربن مورد نیاز برای دست یابی به بالاترین سطح سختی در فولادهای آلیاژی در مقایسه با فولادهای کربنی ساده کمتر است. در نتیجه، فولادهای آلیاژی معمولاً عملکرد بهتری نسبت به فولادهای کربنی ساده دارند. هنگامی که فولاد کربنی سخت می شود، فولاد باید در کمتر از یک ثانیه تا دمای زیر ۱۰۰۰ درجه فارنهایت خنک شود.

به طور معمول، فولادهای کربنی در آب نمک یا آب کوئنچ شده، در حالی که فولادهای آلیاژی در روغن کوئنچ می‌شوند. متأسفانه، کوئنچ فرآیندی است که تنش داخلی زیادی ایجاد می‌کند و برای تنش زدایی فولاد، یکی از گزینه‌ها تمپر کردن آن است. درست قبل از سرد شدن قطعه، از حمام کوئنچ با دمای ۲۰۰ درجه فارنهایت خارج شده و اجازه داده می‌شود با هوا خنک شود. محدوده دما از دمای اتاق تا ۲۰۰ درجه فارنهایت «محدوده ترک» نامیده می‌شود.

۴) عملیات حرارتی تمپر کردن (Tempering)

بعد از اینکه فلزی سخت شد و پس از سرد شدن سریع، تنش‌های داخلی به وجود می‌آیند و فولاد اغلب هم سخت‌تر از حد نیاز است و هم بسیار شکننده است. راه حل ممکن برای بر طرف کردن این مسئله، عملیات حرارتی تمپر کردن برای کاهش آن شکنندگی و حذف یا کاهش تنش‌های داخلی می‌تواند باشد. در حین عملیات حرارتی تمپر کردن موارد زیر اتفاق می‌افتد:

• گرم کردن فولاد تا دمای تنظیم شده کمتر از دمای سخت شدن آن
• نگه داشتن فولاد در آن دما برای مدت زمان مشخص
• سرد کردن فولاد؛ معمولاً در هوای ساکن

این سه مورد اشاره شده آشنا به نظر می‌رسد؟ بله درست حدس زدید! عملیات حرارتی تمپر کردن شامل همان سه مرحله عملیات حرارتی است. تفاوت اصلی در دمای تمپر کردن و تأثیر آن بر سختی، استحکام و البته شکل پذیری است.

هنگامی که یک قطعه فولادی گرم می‌شود، سختی ناشی از سخت شدن کاهش می‌یابد و خواص فیزیکی خاصی ایجاد می‌گردد. تمپر کردن همیشه به دنبال سخت شدن است و در حالی که ترد شدگی را کاهش می‌دهد، فولاد را نیز نرم می‌کند.

متأسفانه نرم شدن فولاد با عملیات حرارتی تمپر کردن اجتناب ناپذیر است. اما میزان سختی که از کاهش می‌یابد را می توان بر اساس دما در حین تمپر کردن کنترل کرد. در حالی که سایر فرآیندهای عملیات حرارتی آنیل، نرمال کردن و سخت شدن همیشه در دماهای بالاتر از نقطه بحرانی بالایی فلز انجام می‌شوند، عملیات حرارتی تمپر همیشه در دماهای زیر آن صورت می‌گیرد.

هنگام گرم کردن مجدد فولادی که سخت شده است، حرارت در ۲۱۲ درجه فارنهایت شروع شده و تا زمانی که به نقطه بحرانی پایین نزدیک می‌شود فرآیند ادامه دارد. برای انتخاب سختی و استحکامی که مد نظر است، می‌توانید دمای مطلوب را از پیش تنظیم کنید. در صورتی که ضخامت قطعه کمتر از یک اینچ باشد، حداقل زمان تمپر کردن باید یک ساعت باشد. اگر ضخامت آن بیش از یک اینچ باشد، می‌توانید برای هر اینچ ضخامت یک ساعت دیگر اضافه کنید.

سرعت سرد شدن حاصل از تمپر روی اکثر فولادها تاثیری ندارد. پس از اینکه یک قطعه فولادی از کوره تمپر خارج شد معمولاً آن را در هوای ساکن خنک می‌کنند، همانطور که در فرآیند نرمال سازی انجام داده می‌شود.  به طور خلاصه تمپر کردن تنش‌های داخلی ناشی از کوئنچ، شکنندگی و سختی را کاهش می‌دهد و در واقع می‌تواند استحکام کششی فولاد سخت‌شده را تا دمای ۴۵۰ درجه فارنهایت افزایش دهد. بیش از ۴۵۰ درجه فارنهایت، استحکام کششی کاهش می‌یابد.