عملیات حرارتی چیست؟ روش ها و مراحل
عملیات حرارتی (Heat Treatment) انواع فلزات، آلیاژها و فولاد، به صورت پیش‌فرض خواص فیزیکی و شیمیایی مورد انتظار در بسیاری از پروژه‌های صنعتی و ساختمانی را دارا نیستند. این محصولات باید تحت فرآیند سرد و گرم کردن، تغییر ماهیت داده و خواص شیمیایی، فیزیکی، متالورژیکی و ... آنها بهبود پیدا کند. فلزات و آلیاژهای فلزی در مفهوم کلی عبارت است از گرم و سرد کردن کنترل شده در حالت جامد و بدون ایجاد تغییر شکل در آنها، جهت رسیدن به خواص مطلوب فیزیکی و مکانیکی است.
گاهی سهوا حین فرایند تولید، که شامل گرم کردن و سرد کردن می باشد نیز ممکن است این عملیات رخ دهد مانند؛ فرایندهای جوشکاری و شکل دهی. این کار در واقع همان عملیات حرارتی است که در این صفحه از وب سایت آهن آنلاین قصد داریم به صورت مفصل به بررسی آن بپردازیم. لطفا تا پایان با ما همراه باشید.
عملیات حرارتی چیست؟
همان‌طور که اشاره شد، عملیات حرارتی به فرآیندی گفته می‌شود که در آن فلزات در حالت جامد و بدون تغییر شکل ظاهری، ابتدا گرم و بعد از آن سرد می‌شوند. هدف از انجام این عملیات، بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی از قبیل افزایش استحکام، افزایش سفتی، مقاومت به سایش، قابلیت ماشین‌کاری، افزایش مقاومت به خوردگی و ... است.
به طور کلی اکثر فلزات قابلیت عملیات حرارتی را دارند. بسیاری از آلیاژهای غیر آهنی تحت این فرآیند، به مقاومت و سختی بالاتری می‌رسند. عملیات حرارتی به ویژه برای تغییر ماهیت فولاد، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. فولاد در دمای 723 درجه سانتی‌گراد تحت این عملیات قرار گرفته و سختی آن به شکل قابل ملاحظه‌ای افزایش پیدا می‌کند.
عملیات حرارتی باعث می‌شود که بدون تغییر در ماهیت شیمیایی فولاد، ویژگی‌های فیزیکی آن از جمله سختی، تغییر کنند. در این روش، ابتدا درجه حرارت فولاد تا دمای 723 درجه بالا می‌رود، پس از آن برای مدتی مشخص در این دما نگه داشته می‌شود و سپس با سرعتی کنترل شده، سرد می‌شود.
دسته بندی فرآیندهای عملیات حرارتی
عملیات حرارتی انواع مختلفی داشته و هر کدام اثرات ریز ساختاری متفاوتی دارد. عنوان هایی که از نظر علمی و تکنیکی برای فرایندهای مختلف عملیات حرارتی به کار می رود، مناسب است اما در بعضی موارد به دلیل اینکه یک نوع عملیات حرارتی برای هدف های مختلف انجام می شود، تناسبی بین عملیات حرارتی و روند آن وجود ندارد. مثلا؛ عملیات تنش گیری(Stress relieving) و برگشت (Temper) هر دو با تجهیزات مشابه و پروسه های یکسان از نظر دما و زمان انجام می شود، ولی هدف از انجام آنها متفاوت است.
کل فرایندهای عملیات حرارتی از نظر نوع ماده به دودسته آهنی و غیرآهنی تقسیم می شود، که آهنی ها شامل فولاد و چدن و غیر آهنی ها شامل آلیاژهای آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم، مس و موارد دیگر می باشد.
به چه منظوری عملیات حرارتی انجام می‌شود؟
همان‌طور که در تعریف عملیات حرارتی اشاره شد، هدف اصلی از انجام این کار، بهبود خواص فیزیکی، بدون ایجاد تغییر در شکل و ماهیت شیمیایی فولاد، فلزات و ... است. البته حذف تنش‌های باقی مانده در قطعه، افزایش مقاومت به سایش، پالایش دانه‌ها و ... هم از دیگر اهدافی است که به منظور رسیدن به آنها، از عملیات حرارتی استفاده می‌شود.
مراحل عملیات حرارتی
عملیات حرارتی فولاد به این منظور انجام می شود که خواص فیزیکی و شیمیایی قطعه فولادی به تعادل مورد نظر برسد و قطعه مورد نظر برای کاربردی که مدنظر است بهترین کارایی ممکن را داشته باشد. این عملیات مراحل مختلفی دارد که در ادامه، به معرفی آنها خواهیم پرداخت:
عملیات حرارت دهی فولاد تا دمای بالاتر از 723 درجه سانتی‌گراد (مناسب برای فولاد و چدن) که به مراحل زیر تقسیم می‌شود:
- آنیل کردن (باز پخت)
- نرماله کردن
- سخت کردن یا کوئینچ کردن
- آستمپر کردن
- مارتمپر کردن
عملیات حرارت دهی فولاد تا دمای کمتر از 723 درجه سانتی‌گراد(مناسب برای آلیاژهای فولاد) نیز به مراحل زیر بخش‌بندی می‌گردد:
- آنیل کردن ضمن عملیات
- تنش زدایی
- کروی کردن
به طور کلی، آنیل کردن به به هر نوع عملیات حرارتی فولاد که منجر به تشکیل ساختاری به جز مارتنزیت و با سختی کمتر و انعطاف پذیری زیاد شود اطلاق می‌شود. همچنین در نرماله کردن قطعه تا دمای محدوده آستنیت حرارت می بیند و سپس در تماس با هوای آزاد تا دمای محیط سرد می شود.
در سخت کردن یا همان کوئینچ کردن، قطعه پس از گرم شدن به منظور افزایش سختی به سرعت در مایع سیال مخصوص که معمولا آب، روغن، حمام نمک یا دیگر محلول های مخصوص برحسب رسیدن به خواص مورد نظر سرد می شود. یکی دیگر از عملیات حرارتی فولاد، آستمپر کردن است. این عملیات برای کاهش تنش هایی استفاده می شود که در حین عملیات سخت کردن فولاد ایجاد شده اند. در نهایت، به عملیات مارتمپرینگ فولاد، سریع سرد کردن غیر پیوسته یا مار کوئینچینگ هم می‌‌گویند. در طی این نوع از عملیات حرارتی، فولاد را تا دمای آستینیته گرم کرده و در مرحله بعد، آن را به سرعت درون روغن داغ که دمای 175 درجه سانتی گراد دارد سرد میکنند.
انواع روش های عملیات حرارتی
به طور کلی از یکی از 4 روش زیر برای انجام عملیات حرارتی استفاده می‌شود:
- کربن دهی سطحی
- آنیل کامل
- نرمالیزاسیون
- کوئیچ تمپر
کربن دهی سطحی را می‌توان مقرون به صرفه‌ترین و ساده‌ترین روش برای انجام عملیات حرارتی دانست. در این روش برای افزایش سختی فولاد از کربن استفاده می‌شود و خود به سه روش کربن دهی جامد، کربن دهی مایع و کربن دهی گازی تقسیم می‌شود. درباره 3 روش دیگر عملیات حرارتی نیز در قسمت‌های قبل به طور کامل صحبت کردیم.
اهمیت تجاری عملیات حرارتی
نکته حائز اهمیت این است که تقریبا اکثر فلزات و آلیاژها قابلیت انجام عملیات حرارتی را دارند ولی عکس العمل آنها در برابر این تغییر متفاوت بوده و با توجه به نوع فلز و آلیاژ فرق می کند. به عنوان مثال؛ تقریبا هر فلز و آلیاژی را می توان با عملیات حرارتی نرم کرد ولی آلیاژهایی که با عملیات حرارتی سخت شوند، محدود است.
یکی از علل مهمی که تولید فولاد بالا بوده و کاربردهای فراوانی در صنعت دارد، واکنش آن نسبت به عملیات حرارتی می باشد. بسیاری از آلیاژهای غیر آهنی نیز مانند آلومینیوم، نیکل، منیزیم و تیتانیوم را می توان با روش های عملیات حرارتی مشابه عملیات فولادها مقاوم کرد که البته درجه مقاوم شدن در این دو مورد کاملا متفاوت است.
کارخانه های فولادی ایران که به تعداد زیادی در ایران فعالیت دارند از روش عملیات حرارتی برای تولید بسیاری از مقاطع فولادی خود استفاده میکنند که هنگام مراجعه به این صفحه می توانید با این کارخانه های تولیدکننده فولاد بیشتر آشنا شوید.
تاثیر عملیات حرارتی بر فولاد یا فلزات
در این مقاله با عملیات حرارتی، انواع مراحل و روش‌های آن و ... آشنا شدیم. اکنون و در پایان می‌توانیم بگوییم که عملیات حرارتی باعث می‌شود خواص فیزیکی مختلف فولاد و سایر آلیاژهای غیر آهنی به شکل قابل ملاحظه‌ای بهبود یابند؛ بدون آن‌که در شکل ظاهری و خواص شیمیایی آنها تغییری ایجاد شود.
