فرآیند آنیلینگ و اهداف آن
در صنعت، قطعات معمولاً با استفاده از روشهای مختلفی مانند ریختهگری، کشش یا آهنگری تولید میشوند. اما بعد از این فرآیندها، ساختار قطعات بهطور کامل استاندارد و نهایی نیست و نمیتوان آنها را بهطور مستقیم در تولیدات صنعتی استفاده کرد. برای رسیدن به یک قطعه نهایی با ویژگیهای استاندارد، نیاز به یک فرآیند تکمیلی است که یکی از آنها، فرآیند آنیلینگ یا بازپخت است که به قطعات این امکان را میدهد تا به ساختار نهایی و مقاوم برسند. این روش برای استانداردسازی قطعات و افزایش کیفیت آنها بهویژه در مواردی که نیاز به اصلاح ساختار فلزات و بهبود خواص مکانیکی وجود دارد، کاربرد دارد. با توجه به وجود روشهای مختلف برای استانداردسازی، آنیلینگ بهویژه در موارد خاص و بر اساس نیاز صنایع مختلف، بهعنوان یک انتخاب مناسب شناخته میشود. در این مقاله، به بررسی دقیقتر فرآیند آنیلینگ و اهداف آن خواهیم پرداخت و نحوه تاثیر آن بر کیفیت و استحکام قطعات صنعتی را توضیح خواهیم داد.
در فرآیند آنیلینگ (بازپخت)، به فلز، حرارتی بالاتر از دمای تبلور یا بلورسازی داده میشود. خواصی مانند قابلیت ماشینکاری، خواص الکتریکی، قابلیت کار سرد و پایداری ابعاد، از جمله مواردی هستند که بعد از انجام فرآیند آنیلینگ تقویت میشوند.
هدف از آنیلینگ یا بازپخت مقاطع فلزی چیست؟
در علم مواد و متالوژی، آنیلینگ را عملیاتی حرارتی میدانند که باعث تغییر در خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات میشود. این امر معمولا موجب میشود که سختی کاهش و انعطافپذیری و شکل پذیری فلز افزایش یابد. در فرآیند آنیلینگ، به فلز، حرارتی بالاتر از دمای تبلور یا بلورسازی داده میشود.در واقع در طول انجام این عملیات تعداد مولکولهایی که تخریب شده بودند، کاهش مییابد همچنین اتمها، آرایش جدیدی به خود میگیرند. بعد از گذشت مدت مشخصی، به فلز اجازه میدهند تا به آرامی خنک شود.
خواصی مانند قابلیت ماشینکاری، خواص الکتریکی، قابلیت کار سرد و پایداری ابعاد، از جمله مواردی هستند که بعد از انجام فرآیند آنیلینگ تقویت میشوند.
برای برطرف کردن عیب و ایرادات قطعات فولادی، به این دلیل از روشهای حرارتی مثل آنیل کردن استفاده میکنند که از نظر اقتصادی نسبت به سایر روشها مناسبتر هستند. برای اینکه بهتر متوجه تفاوت روشها از لحاظ قیمتی شوید، کافی است تا به صفحه قیمت ورق سر بزنید و آن را مقایسه کنید. در نتیجه استفاده از عملیات حرارتی بهترین انتخاب برای بهبود عملکرد قطعات فولادی است و معمولا با اهداف زیر آن را انجام میدهند:
- بهبود خواص الکتریکی
- بهبود خواص مغناطیسی
- بهبود استحکام فولاد
- دور کردن تنشها مکانیکی از فولاد
- ایجاد ساختار ریزدانه
عملیات حرارتی آنیلینگ و انواع آن
عملیات حرارتی آنیلینگ به سه دسته اصلی تقسیم میشود: آنیل کامل، آنیل ایزوترمال و آنیل اسفرودایز. هرکدام از این انواع آنیلینگ اهداف و نتایج متفاوتی دارند که بسته به نیاز و ویژگیهای قطعه مورد نظر انتخاب میشوند. زمانی که عنوان خاصی پس از واژه آنیلینگ ذکر نشود، معمولاً منظور آنیل کامل است. هرکدام از این روشها برای دستیابی به خواص خاصی در مواد و قطعات فلزی طراحی شدهاند که در فرآیند تولید و بهبود کیفیت آنها نقش مهمی دارند. در ادامه به بررسی انواع آنیل میپردازیم.
- آنیل ایزوترمال: در انجام فرآیند آنیل ایزوترمال در دو نوبت به فولاد حرارت داده میشود تا به قطعه موردنظر تبدیل شود. در گام اول درست به همان شکلی که در آنیل کامل عملیات آستنیته کردن صورت میگیرد، در آنیل ایزوترمال هم در همان گستره دمایی این اتفاق میافتد. اما تفاوت آنیل ایزوترمال و آنیل کامل در جایی است که بعد از انجام گام اول، فولاد را به سرعت تا رسیدن به دمای دگرگونی سرد میکنند. سپس به مدت مشخص آن را در دمای دگرگونی قرار میدهند تا به صورت کامل دگرگونی انجام شود. پس از پایان این گام، میتوان گفت که فولاد به شکل ایزوترمال، آنیل شده است.
- آنیل اسفرودایز: سومین و آخرین نوع آنیلینگ، آنیل اسفرودایز است. آنیل اسفرودایز تعادلیترین ساختار در بین ساختارهای تعادی ایجاد زمینهای را دارد و ساختار آن شامل بالاترین خواص در بین دیگر انواع آنیلینگ است.
- آنیل کامل: در فرآیند آنیل کامل، به فولاد یا آهن گرمایی بیشتر از دمای استحاله داده میشود. بعد از اینکه تا این اندازه گرم شد، به آرامی آن را داخل کوره میبرند تا سرد شده و کاملا نرم شود. درصد کربن فولاد، محدوده دمایی آستنیته کردن را تعیین میکند. در انجام فرآیند آنیل کامل دماهای بحرانی نیز تا حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی هستند و به نسبت آنها تغییر میکنند.
کاربردهای آنیلینگ
فرآیند آنیلینگ بهعنوان یک روش حرارتی در صنایع مختلف برای بهبود خواص مکانیکی و ساختاری فلزات و آلیاژها استفاده میشود. این فرآیند با تغییر خواص فلزات، از جمله افزایش انعطافپذیری، کاهش سختی و بهبود مقاومت در برابر تنش، به قطعات کمک میکند تا عملکرد بهتری داشته باشند. آنیلینگ بسته به نوع قطعه و نیازهای خاص، در مراحل مختلف تولید بهکار میرود و نقش بسزایی در ارتقای کیفیت و دوام قطعات صنعتی دارد. در ادامه کاربردهای آنیلینگ را بررسی میکنیم:
- صنعت خودروسازی برای تولید قطعات مقاوم و باکیفیت
- صنعت هوافضا برای بهبود خواص فلزات
- صنعت ابزارسازی برای افزایش استحکام و کاهش شگنندگی
تفاوت آنیل کردن و نرماله کردن چیست؟
تا به اینجا در مورد آنیل کردن و انواع آن به صورت مفصل صحبت کردیم. اما شاید برای شما سوال پیش آمده باشد که منظور از نرماله کردن چیست؟
نرماله کردن یکی دیگر از روشهای عملیات حرارتی است که روندی تقریبا مشابه با آنیل کردن دارد. به این صورت که ابتدا در یک محدوده دمایی فولاد را گرم میکنند و سپس به آن اجازه میدهند تا رفته رفته سرد شود. اما نرماله کردن تفاوتهای اساسی هم با آنیل کردن دارد که در ادامه به چند مورد آن اشاره کردیم:
- دمایی که قطعه یا مقاطع فولادی در فرآیند نرماله کردن میبینند، نسبتا بالاتر از دمایی است که در آنیل کردن با آن مواجه هستند.
- بعد از طی مرحله حرارت دیدن، در نرماله کردن قطعات فولادی و آهن آلات را در مجاورت با هوا خنک میکنند، اما در فرآیند آنیل کردن این قطعات در کوره تولید آهن اجازه خنک شدن پیدا میکنند.
- قطعات فولادی که در عملیات نرمال کردن حرارت میبینند، نسبت به قطعات فولادی که در فرآیند آنیل کردن حرارت دیدهاند، استحکام بیشتر و دانههای ریزتری دارند.
- قطعات فولادی که در آنیل کردن حضور دارند، نسبت به قطعات فولادی حاصل از نرماله کردن، انعطاف بیشتری دارند.
البته ذکر این نکته هم خالی از لطف نیست که استفاده از هر کدام این فرآیندها بسته به نیاز عملیات حرارتی موردنظر است و هر دوی آنها بسیار پرکاربرد هستند و در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. هم نرماله کردن و هم آنیلینگ در میان روشهای دیگر از شهرت بیشتری هم برخوردارند.
کوره آنیل چیست؟
فرآیند آنیلینگ و تولید آن در کوره صورت میپذیرد. این کورهها ویژگیهای خاص خود را دارند و ساختار آنها متناسب با روندی است که قرار است ورقها طی کنند تا آنیل شوند. کورههای آنیل به دو نوع مختلف تقسیم میشوند:
- کوره آنیل تک پایهای: در کوره آنیل تک پایه، همانطور که از نامش پیداست، برای هر پایه یک کوره وجود دارد. این پایهها به شکل صفحات دایرهای فولادی هستند که قسمت داخلی آنها نسوز است. مرکز این کوره، محل استقرار شافت و مجراهای عبور جریان گاز است. روی صفحه فولادی محفظهی داخلی کوره قرار خواهد گرفت و خود صفحه و جدارهای نسوز آن داخل کلاهک کوره واقع میشوند.
البته لازم است که اطراف کلاهک با استفاده از روشهایی مثل ریختن شن، واشربندی پلاستیکی و سیستم آب و روغن به خوبی آببندی شوند تا امکان استفاده برای مدت طولانیتری از کوره باشد و ایمنی کار هم حفظ شود. - کوره آنیل چند پایهای: در کورههای چند پایهای هم بر خلاف کورههای تک پایه، از چند پایه برای ساخت آن استفاده میشود. در این مورد کلافها را به صورت عمودی روی چند پایه میچینند تا وارد یک کوره شود. کوره آنیل چندپایهای، انرژی بیشتری مصرف میکند اما ارزان قیمتتر هستند.
اجزای کوره آنیل
کورههای آنیل از بخشهای مختلفی تشکیل میشوند، این قسمتها شامل موارد زیر هستند:
- فن برای گردش هوای احتراقی
- سیستم پاشش سوخت
- مشعل
- قسمت پیشگرم هوای احتراقی
- تنظیمکننده هوا و سوخت
- کلاهک محافظ
- محفظه (که برای پوشاندن کلاف در نظر گرفتهشده که علاوه بر ممانعت از برخورد مستقیم شعله به کلافها، گاز محافظ را نگهداري میکند.
فولاد آنیل شده چیست؟
در صنعت فولادسازی، فولاد آنیل شده جایگاه ویژهای را به خود اختصاص داده است. در واقع فرآیند آنیلینگ برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی ورقهای فولادی بعد از نورد سرد انجام میشود. فرآیند فولاد آنیلشده دارای پیچیدگیهای خاصی است. سرعت ورق و شار حرارتی باید در آنیل شدن فولاد به درستی کنترل شود.
رسیدن به دمای مناسب و جلوگیری از گرم شدن بیش از حد ورق هم از دیگر موارد مهمی است که باید به آن توجه کرد؛ چرا که باعث میشود انرژی اتلاف شود و برای خنک کردن ورقها نیز انرژی بیشتری صرف شود. فرآیندهای عملیات حرارتی را بر اساس نوع تغییری که در ساختار مواد ایجاد میکنند، به چند دسته میتوان تقسیم کرد که مهمترین آنها به شرح زیر هستند:
- همگنسازی: همگنسازی برای از بین بردن اختلاف غلظت یا ترکیب ریزدانههای آلیاژی در دماهای بالا رخ میدهد. دما و مدت زمان نگهداری قطعات به ابعاد و ترکیب شیمیایی آنها بستگی دارد.
- تنشزدایی: تنشزدایی در واقع برای حذف تنشهای داخلی انجام میشود. تنشهای داخلی ممکن است ناشی از یکنواخت سرد نکردن بعد از ریختهگری، نورد گرم یا نورد سرد باشد. وجود تنشهای داخلی سبب بروز برخی از مشکلات مثل پوست پوست شدن، ترک خوردن یا تاب برداشتن ورق شود. برای کاهش و از بین بردن این تنشها در ورقهای فولادی آنیل شده، باید آنها را حرارت داد و در نهایت به آرامی سرد کرد. اما باید توجه داشت که سرد شدن نهایی منجر به ایجاد تنش جدید نشود.
- تبلور مجدد: تمامی عیوب ایجاد شده در ساختار کریستالی مواد که ناشی از عدم تعادل ترمودینامیکی هستند، در اثر حرارتدهی تا جایی که امکان تبلور مجدد به ماده داده شود، قابل رفع هستند.
مس آنیل شده چیست؟
برای آنیل کردن مس به صورت کلی دو روش وجود دارد که در این بخش به بررسی هر کدام میپردازیم.
- روش انباشتی: روش انباشتی روشی است که امروزه کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. در این روش مجموعهای از مسها به صورت رشته رشته شده در داخل کوره آنیل حرارت میبینند، سپس خنک میشوند. برای جلوگیری از اکسید شدن مفتول در حین گرما، لازم است که محفظه داخل کوره هیچگونه هوایی را درون خود نداشته باشد.
برخی از معایب این روش عبارتند از:
- عملیات بسیار کند و طولانی انجام میشود.
- مسهایی که در لایههای زیرین قرار دارند، شرایط حرارتی متفاوتی را از مفتولهای لایه بیرونی تجربه میکنند. به همین خاطر تمام مسها به صورت یکنواخت آنیل نمیشوند.
- تعداد زیادی از مسها قبل از خنک شدن انباشته میشوند.
این معایب را شاید بتوان علل اصلی کمتر استفاده شدن این روش دانست.
- روش پیوسته: روش پیوسته برای آنیل شدن مس بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. این روش برخلاف روش انباشتی، با سرعت بالایی انجام میشود و مسها را میتوان در سریعترین زمان ممکن و به صورت یکنواخت آنیل کرد. آنیل ایجاد شده با روش پیوسته میتواند معیار مناسبی برای کنترل کیفیت باشد چرا که وجود ناخالصی میتواند در حرارت منجر به سوختگی و از بین رفتن مس شود. این اتفاق کمک میکند که محصول با کیفیت تولید شود.خود آنیل پیوسته را میتوان به دو نوع آنیل مقاومتی و آنیل القایی تقسیم کرد.
آنیل پیوسته مس به روش مقاومتی از پرکاربردترین روشهای تولید مس آنیل شده است. در این روش سه نقطه مجزا از هم وجود دارند که قابل تفکیک هستند:
- ناحیه پیشگرمکننده
- ناحیه کوره
- ناحیه خنککننده و خشککننده
مس پیش از ورود به کوره که حرارت اولیه میبیند در مرحله پیش گرم کن قرار دارد. بعد از آن وارد کوره میشود و در نهایت باید به مرحله خنککنندگی و خشککنندگی وارد شوند. آنیل پیوسته به روش القایی هم دیگر روشی است که برای آنیل کردن مس استفاده میشود. از آنیل پیوسته به روش القایی بیشتر در صنایع دیگر استفاده میکنند و کاربردهای بیشتر در آنیل کردن قطعاتی است که مربوط به صنایع حمل و نقل میشوند.
آشنایی با فرآیند آنیلینگ و نقش آن در پیشرفت صنعت
فرآیند آنیلینگ یکی از تکنیکهای کلیدی در صنعت است که به بهبود خواص مکانیکی قطعات فلزی کمک میکند. این روش باعث افزایش استحکام، انعطافپذیری و مقاومت قطعات در برابر تغییرات دمایی و فشار میشود، بهطوری که قطعات میتوانند بهدرستی در کاربردهای مختلف صنعتی عمل کنند. با توجه به پیشرفت تکنولوژی، فرآیند آنیلینگ در آینده نقش برجستهتری در صنایع خواهد داشت و تأثیرات آن در بهبود کیفیت و افزایش عمر مفید قطعات بیشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.
