فرایند آنیلینگ (آنیل کردن) یا عملیات بازپخت فلزات چیست ؟

عملیات یا فرایند آنیلینگ یا همان بازپخت (Annealing) یک فرآیند عملیات حرارتی است که باعث تغییر خواص فیزیکی و گاهاً شیمیایی یک ماده جهت افزایش شکل‌پذیری و کاهش سختی به منظور کارایی بیشتر آن پس از آنیل کردن می‌شود.

در فرایند آنیلینگ ماده در دمای بالاتر از دمای تبلور مجدد خود برای مدت زمان معینی قبل از سرد شدن، نگه داشته می‌شود. سرعت سرد شدن بستگی به انواع فلزات در حال آنیلینگ دارد. به عنوان مثال، فلزات آهنی مانند فولاد معمولاً در هوای ساکن تا دمای اتاق خنک می‌شوند، در حالی که مس، نقره و برنج می‌توانند به آرامی در هوا خنک شده یا به سرعت در آب کوئنچ (Quench) شوند.

در فرایند آنیلینگ، گرمایش باعث حرکت اتم‌ها در شبکه کریستالی و کاهش تعداد نابجایی‌ها می‌شود که منجر به تغییر شکل پذیری و به نوعی سخت کاری فلزات می‌گردد. مواد عملیات حرارتی شده با سرد شدن دوباره متبلور می‌شوند. اندازه دانه کریستالی و ترکیب فاز به سرعت گرمایش و سرمایش بستگی دارد و این پارامترها هر کدام به نوبه خود خواص مواد را در انتهای فرایند آنیل کردن تعیین می‌کنند.

گام اول در فرایند آنیلینگ | راه اندازی و تجهیزات

به طور معمول، کوره‌های بزرگ برای فرایند آنیلینگ استفاده می‌شوند که به آن کوره آنیلینگ می‌گویند. درون کوره باید به اندازه‌ای بزرگ باشد که قطعه کار را در موقعیتی قرار دهد که به میزان حداکثری در معرض هوای گرم در حال گردش قرار گیرد.

برای فرایند انیل کردن با حجم بالا، اغلب از کوره‌های نقاله گاز سوز استفاده می‌شود. برای قطعات کاری بزرگ یا قطعات با مقادیر زیاد، از کوره‌های با کف متحرک یا ماشینی استفاده می‌شود تا کارکنان بتوانند به راحتی قطعات را به داخل و خارج منتقل کنند.

هنگامی که فرایند آنیلینگ با موفقیت انجام شد، گاهی اوقات قطعات کار در کوره قرار می‌گیرند تا به روشی قابل کنترل خنک شوند. در حالی که برخی از قطعات کار در کوره قرار می گیرند تا به صورت کنترل شده خنک شوند، سایر مواد و آلیاژها از کوره خارج می‌شوند.

پس از خارج شدن از کوره، قطعات کار اغلب به سرعت در فرایندی به نام کوئنچ، خنک می‌شوند. روش‌های معمولی برای کوئنچ مواد شامل محیط‌هایی مانند هوا، آب، روغن یا نمک است.

نمک به عنوان یک محیط برای کوئنچ کردن معمولا به شکل آب نمک استفاده می‌شود. آب نمک سرعت خنک‌سازی سریع‌تری نسبت به آب دارد. این به این دلیل است که وقتی یک جسم در آب فرو می‌رود، حباب‌های بخار روی سطح جسم تشکیل می‌شوند که سطح آب در تماس با آن را کاهش می‌دهد.

نمک موجود در آب نمک تشکیل حباب‌های بخار بر روی سطح جسم را کاهش می‌دهد، به این معنی که سطح بزرگ تری از جسم در تماس با آب قرار می‌گیرد که سرعت خنک شدن سریع تری را فراهم می‌کند. در فرایند آنیلینگ، کوئنچ به طور کلی برای برخی از آلیاژهای آهنی کاربرد دارد، اما برای آلیاژهای مس قابل استفاده نیست.

کوره عملیات آنیلینگ چگونه کار می‌کند؟

کوره عملیات آنیل کردن با گرم کردن یک ماده در دمای بالاتر از دمای تبلور مجدد و سپس خنک کردن مواد پس از نگهداری در دمای مورد نظر برای مدت زمان مناسب کار می‌کند. هنگامی که فرایند گرمایش باعث حرکت اتم و از بین بردن نابجایی‌ها در قطعه کار می‌شود، این ماده با سرد شدن دوباره متبلور می‌شود.

مراحل مختلف فرایند آنیل کردن چیست؟

عملیات یا فرایند آنیلینگ در سه مرحله انجام می‌شود: مرحله بازیابی، مرحله تبلور مجدد و مرحله رشد دانه که در ادامه در مورد آن‌ها بحث خواهیم کرد:
۱) مرحله بازیابی: در این مرحله از فرایند آنیلینگ از کوره یا سایر وسایل گرمایشی برای بالا بردن دمای مواد به حدی استفاده می‌شود که تنش‌های داخلی از بین برود.
۲) مرحله تبلور مجدد: در این مرحله از فرایند آنیل کردن، حرارت دادن مواد بالاتر از دمای تبلور مجدد، اما زیر نقطه ذوب آن‌ها، باعث ایجاد دانه‌های جدید بدون هیچ گونه تنش پسماندی می‌شود.
۳) مرحله رشد دانه: در مرحله سرد کردن از فرایند آنیلینگ، سرد کردن مواد با سرعت خاصی باعث ایجاد دانه‌های جدید می‌شود که پس از آن مواد کارایی بیشتری خواهند داشت. عملیات بعدی برای تغییر خواص مکانیکی را می‌توان به دنبال فرآیند آنیلینگ انجام داد.

فرایند آنیلینگ چرا مهم است؟

فرایند آنیلینگ برای معکوس کردن یا به عبارتی کاهش اثرات نامطلوب سخت کاری، که می‌تواند در طی فرآیندهایی مانند خمش، شکل دهی سرد یا کشش رخ دهد، استفاده می‌شود. بنابراین اگر ماده ای داشته باشید که بیش از حد سخت شده باشد، می‌تواند کارایی مطلوب آن را از بین برده یا منجر به ترک خوردن آن شود. اما در این شرایط عملیات آنیل کردن به کمک قطعه می آید.

با حرارت دادن بالاتر از دمای تبلور مجدد، ماده انعطاف پذیرتر می‌شود و بنابراین برای انجام یه کار پرداختی دیگر آماده می‌گردد. فرایند آنیل کردن همچنین تنش‌هایی را که ممکن است در زمان انجماد جوش‌ها ایجاد شود، حذف می‌کند. فولاد نورد گرم نیز با حرارت دادن آن در دمای بالاتر از دمای تبلور مجدد شکل می‌گیرد و ساخته می‌شود.

در صنعت عملیات حرارتی، فرایند آنیلینگ فولاد رایج است، سایر فلزات مانند آلومینیوم، برنج و مس نیز می‌توانند از فرآیند آنیلینگ بهره ببرند. سازندگان فلزات از فرآیند آنیل کردن برای کمک به شکل‌دهی قطعات پیچیده استفاده می‌کنند و با برگرداندن مواد به حالت از پیش کار شده، مواد را کارپذیر نگه می‌دارند. فرآیند آنیلینگ در حفظ شکل پذیری و کاهش سختی پس از کار سرد نقش مهمی دارد. علاوه بر این، برخی از فلزات برای افزایش رسانایی الکتریکی تحت فرآیند آنیل کردن قرار می‌گیرند.

آیا فرآیند آنیلینگ برای آلیاژها هم کاربرد دارد؟

فرایند آنیلینگ را می‌توان برای آلیاژها هم انجام داد و این فرآیند جزئی یا کامل تنها روشی است که برای آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی یا عملیات حرارتی ناپذیر (Non-Heat Treatable) استفاده می‌شود.

استثنا در این مورد مربوط به آلیاژهای سری ۵۰۰۰ است که می‌توان عملیات پایدارسازی را در دماهای پایین روی آن‌ها انجام داد. آلیاژها در دمای بین ۳۰۰ تا ۴۱۰ درجه سانتیگراد بسته به آلیاژ می‌توانند تحت فرایند آنیلینگ قرار بگیرند و زمان حرارت دهی بین ۰.۵ تا ۳ ساعت بسته به اندازه قطعه کار و نوع آلیاژ متغیر است. آلیاژها باید با حداکثر سرعت ۲۰ درجه سانتیگراد در ساعت خنک شوند تا دما به ۲۹۰ درجه سانتیگراد کاهش یابد و پس از آن سرعت خنک شدن مهم نیست.

همانطور که گفته شد، کار سرد یا گرم قطعات فلزی پس از عملیات یا فرایند آنیلینگ، ساختار مواد را یکبار دیگر تغییر می‌دهد، بنابراین ممکن است برای دستیابی به خواص مطلوب، عملیات حرارتی بیشتری مورد نیاز باشد. با این حال، با دانش ترکیب مواد و نمودار فازی، عملیات حرارتی می‌تواند فلزات را نرم کرده و آنها را برای کارهای بعدی مانند تغییر فرم و شکل دهی آماده کرده و همچنین از شکست ترد جلوگیری کند.

فرایند آنیلینگ؛ مزایا، معایب و تاریخچه

مزایای اصلی فرایند آنیلینگ این است که کارایی یک ماده را بهبود می‌بخشد، چقرمگی را افزایش می‌دهد، سختی را کاهش داده و باعث افزایش شکل پذیری و قابلیت ماشین کاری فلز می‌گردد. فرایند گرمایش و سرمایش همچنین باعث کاهش شکنندگی و تردی فلزات می‌شود و در عین حال خواص مغناطیسی و هدایت الکتریکی آنها را افزایش می‌دهد.

از معایب اصلی فرایند آنیلینگ این است که بسته به موادی که آنیل می‌شوند، می‌تواند یک روش زمان بر باشد. موادی که نیاز به دمای بالا دارند ممکن است مدت زیادی طول بکشد تا به اندازه کافی خنک شوند، به خصوص اگر در کوره فرایند آنیل کردن به طور طبیعی خنک شوند. فرایند آنیلینگ در صنایع مختلفی استفاده می‌شود که در آن فلزات باید در سازه‌های پیچیده یا چندین بار به کار گرفته شوند.

قدمت فرایند آنیلینگ به صدها سال قبل برمی‌گردد. خود کلمه از انگلیسی میانه “anelen” به معنای آتش زدن یا برافروختن و همچنین پختن و خنثی کردن نشئت گرفته است. در حالی که دقیقاً نمی‌دانیم چه کسی فرایند آنیلینگ را کشف کرده است، ریشه شناسی نشان می‌دهد که حداقل ۹۰۰ سال پیش در مورد استفاده قرار می‌گرفته است.

ترمودینامیک فرایند آنیلینگ

فرایند آنیلینگ با نفوذ اتم‌ها در یک ماده جامد اتفاق می‌افتد، به طوری که ماده به سمت حالت تعادل خود پیش می رود. گرما با تامین انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندها، سرعت نفوذ را افزایش می‌دهد. حرکت اتم‌ها باعث توزیع مجدد و از بین بردن نابجایی‌ها در فلزات و به میزان کمتر در سرامیک‌ها می‌شود.

این تغییر در نابجایی‌های موجود باعث می‌شود جسم فلزی راحت‌تر تغییر شکل داده و شکل پذیری آن را افزایش دهد. مقدار انرژی آزاد گیبس شروع کننده فرآیند در فلز تغییر شکل یافته نیز با فرایند آنیلینگ کاهش می‌یابد. در عمل و صنعت، این کاهش انرژی آزاد گیبس را تنش زدایی می‌نامند.

با این حال، در دمای اتاق، آنیل کردن یک فرآیند بسیار کند است. دماهای بالایی که در آن فرایند آنیلینگ اتفاق می‌افتد به تسریع این فرآیند کمک می‌کند. واکنشی که بازگشت فلز سرد کار شده به حالت بدون تنش را تسهیل می‌کند، مسیرهای واکنش زیادی دارد که عمدتاً شامل حذف گرادیان‌های خالی شبکه در بدنه فلز است. ایجاد جاهای خالی شبکه توسط معادله آرنیوس کنترل می‌شود و نفوذ جای خالی شبکه توسط قوانین انتشار فیک کنترل می شود.

فرایند آنیلینگ کامل چیست؟

فرایند آنیلینگ کامل (Full Annealing) معمولاً دومین حالت انعطاف پذیری را به همراه دارد که یک فلز می‌تواند برای آلیاژ فلزی در نظر بگیرد. هدف از فرایند آنیلینگ کامل ایجاد یک ریزساختار یکنواخت و پایدار است که بیشترین شباهت را به ریزساختار تعادل نمودار فازی فلز داشته باشد، بنابراین به فلز اجازه می‌دهد تا به سطوح نسبتاً پایینی از سختی، استحکام تسلیم و استحکام نهایی با انعطاف پذیری و چقرمگی بالا دست یابد.

به عنوان مثال، برای انجام یک فرایند آنیل کردن کامل روی فولاد، فولاد کمی بالاتر از دمای آستنیتی گرم می شود و برای مدت زمان کافی نگه داشته می‌شود تا به طور کامل ساختار دانه آستنیت یا آستنیت-سیمنتیت تشکیل شود. سپس اجازه داده می شود تا به آرامی خنک شود تا ریزساختار تعادلی حاصل شود.

در بیشتر موارد فرایند آنیلینگ کامل بدان معناست که به مواد اجازه می‌دهند تا در کوره خنک شوند (کوره خاموش می‌شود و فولاد داخل آن خنک می‌شود) اما در برخی موارد با هوا خنک می‌شوند. سرعت سرد شدن فولاد باید به اندازه کافی آهسته باشد تا اجازه ندهد آستنیت به بینیت یا مارتنزیت تبدیل شود، بلکه باید کاملاً به پرلیت و فریت یا سیمانیت تبدیل شود.

این بدان معناست که فولادهایی که بسیار سختی پذیرهستند (یعنی تمایل به تشکیل مارتنزیت با سرعت خنک‌سازی متوسط دارند) باید در کوره خنک شوند. جزئیات فرآیند به نوع فلز و آلیاژ بستگی دارد. در هر صورت نتیجه فرایند آنیلینگ یا آنیل کردن کامل یک ماده انعطاف پذیرتر است اما استحکام تسلیم کمتر و استحکام کششی کمتری دارد.

این فرآیند همچنین به نام آنیل LP برای پرلیت لایه‌ای (Lamellar Pearlite) در صنعت فولاد نامیده می‌شود، برخلاف فرایند آنیل که ریزساختاری را مشخص نمی‌کند و فقط هدف آن نرم کردن مواد است. اغلب موادی که قرار است ماشین کاری شوند، آنیل می شوند و سپس برای دستیابی به خواص نهایی مورد نظر تحت عملیات حرارتی بیشتری قرار می گیرند.