تجربه نشان داده است با دستکاری صحیح و حساب شده برخی مواد و فلزات می توان به خواص جدید و دلخواهی رسید که کار ساخت و ساز و تولید را سریع و تسهیل می نماید. مثالی از این دستکاری، عملیات حرارتی فولاد است که یکی از فرآیندهای مرسوم در عرصه فلزات به شمار می رود. با انجام این فرآیند که انواع مختلفی دارد، در فولاد تغییراتی رخ می دهد که آن را به فلزی مرغوب تر تبدیل می کند و برای استفاده در موقعیت های گوناگون و سخت، آماده می سازد. با ما همراه باشید تا با تعریف دقیقا عملیات حرارتی فولاد و انواع روش های انجام آن آشنا شوید.
در عملیات حرارتی چه اتفاقی می افتد؟
وقتی روی یک فلز مانند فولاد عملیات حرارتی انجام می شود، یعنی به زبانی ساده و مختصر، فلز گرم و سرد می شود. حرارت دادن به فولاد و سپس سرد کردن آن (البته به صورت حساب شده و با زمان بندی) موجب ایجاد تغییرات فیزیکی و شیمیایی در ساختار و ویژگی های فولاد می شود که بسیاری از این تغییرات، مطابق خواست انسان و در جهت کاربرد این فلز در صنعت، اتفاق می افتد. ایجاد خواص مکانیکی با استفاده از عملیات حرارتی فولاد، موجب بهبود کیفیت و کارایی آن می شود. ویژگی ها و خواص جدیدی که حین این فرآیند در فولاد به وجود می آید یا تقویت می شود مطابق موارد زیر است:
- مولکول های فولاد منسجم تر شده و نسبت به تنش ها مقاوم تر می گردد.
- فلز بعد از عملیات حرارتی منعطف تر می شود.
- ضربه پذیر بودن یکی از خواص مهم فلزها به شمار می رود که طی عملیات حرارتی فولاد، این خاصیت نیز تقویت می گردد.
- با انجام این عملیات، خواص مغناطیسی و الکتریکی فولاد نیز بهبود می یابد.
- دوام و مقاومت فولاد در برابر فرسایش، با انجام عملیات حرارتی افزایش پیدا می کند.
- طی این فرآیند فولاد به فلزی با لایه خارجی سخت و هسته نرم تبدیل می شود.
- قابلیت جذب انرژی بیشتری پیدا می کند.
- و …
از انواع عملیات حرارتی فولاد چقدر می دانید؟
مراحل عملیات حرارتی فولاد به روش های گوناگونی انجام می شود که هر کدام به خواص و ویژگی های خاص و متفاوتی در فولاد می انجامند. در ادامه با انواع رایج خدمات عملیات حرارتی فولاد آشنا خواهیم شد:
روش اول: کوئنچ کردن
به طور کلی لازم است بدانید میزان گرم شدن فولاد و به دنبال آن سرعت سرد شدن فلز، در خواص به دست آمده از عملیات حرارتی تأثیر می گذارد. این دو عامل در روش های مختلف عملیات حرارتی فولاد متفاوت است.
در روش کوئنچ کردن ابتدا فولاد در داخل کوره تا دمای خاصی که معمولاً از دمای ذوب فولاد کمتر و از دمای تبلور مجدد آن بیشتر است، حرارت می بیند. سپس برای سرد کردن آن از یک مایع مانند آب، نیتروژن مایع، آب نمک و یا روغن استفاده می شود. این یعنی سرد کردن سریع اتفاق می افتد و فلز زمان ندارد به خودی خود و یا در هوای آزاد سرد شود. جالب است بدانید سرعت سرد شدن با هر یک از این مایعات متفاوت است و باید با توجه به خواص دلخواه و مورد نظر فولاد، از مایع مناسب استفاده کرد.
انجام عملیات حرارتی فولاد به روش کوئنچ باعث می شود فولاد نهایی سخت تر اما شکننده تر باشد و در مقابل لرزش و سائیدگی مقاومت چندانی نخواهد داشت.
روش دوم: تمپر کردن (برگشت دادن)
عملیات تمپر کردن معمولاً بعد از کوئنچ انجام می شود. در این روش عملیات حرارتی فولاد، بر خلاف روش قبل، فلز بعد از حرارت دیدن در کوره تا دمایی کمتر از دمای بحرانی، به آرامی سرد می شود. این نحوه عملیات حرارتی باعث می شود فولاد، شکل پذیری بیشتری داشته باشد و تنش های آن آزاد شود یا در واقع کاهش یابد. به عبارتی دیگر تمپر کردن موجب کمتر شدن میزان شکنندگی فولادهای سخت می شود.
در این نوع از عملیات حرارتی فولاد ممکن است از کوره های گازی، کوره های القایی یا کوره های مقاومت الکتریکی برای حرارت دادن به فولاد استفاده شود. لازم به ذکر است که به منظور جلوگیری از اکسید شدن فولاد، این فرآیند در خلاء یا در حضور گازهای بی اثر انجام می شود.
روش سوم: آنیل کردن (بازپخت)
یکی دیگر از انواع عملیات حرارتی فولاد، بازپخت یا آنیل کردن است. در این روش نیز مانند تمپر کردن، فولاد باید به آهستگی سرد شود. در آنیل کردن، فولاد تا دمایی حرارت می بیند که میکرو ساختارهای آن به کلی تغییر کنند (دمای بحرانی). سپس با سرعتی آهسته، سرد می شود. انجام این فرآیند باعث می شود هیچ ترکی در فلز باقی نماند.
آنیل کردن نرم نوعی دیگر از روش عملیات حرارتی فولاد به حساب می آید که بیشتر برای فولادهایی که میزان عناصر آلیاژی آن ها زیادتر است به کار برده می شود (این عناصر می توانند مس، برنج و … باشند.). در روش آنیل کردن نرم، فولاد تا حدی حرارت می بیند که کاملاً نرم شود و پس از آن به آرامی سرد می شود. طی این فرآیند ساختار فولاد به راحتی، دوباره شکل داده می شود.
روش چهارم: نرماله کردن
در این نوع از عملیات حرارتی فولاد، فلز مدت زمان کمتری حرارت می بیند و بر خلاف روش قبل، به سرعت سرد می شود. از جمله خواصی که فولاد بعد از این عملیات پیدا می کند سختی و استحکام بالای آن است. فرایند نرماله کردن، کمتر از آنیل کردن زمان می برد اما چون در این روش فولاد مدت زمان کمتری را در معرض حرارت بوده است، ساختار کاملاً یکپارچه ندارد. به همین دلیل بر حسب شرایط و انتظاری که از فولاد نهایی وجود دارد، ممکن است از نرماله کردن به جای آنیل کردن استفاده شود.
آیا انجام عملیات حرارتی تنها بر روی فولاد امکان پذیر است؟
پاسخ به این سؤال منفی است. در واقع بسیاری از فلزات، آهنی و غیرآهنی، می توانند برای بهبود خواص، تحت این عملیات قرار گیرند. برای مثال انواع آلیاژهای فولاد زنگ نزن یا فولاد ابزار، چدن، آلومینیوم، تیتانیوم، برنج و … گزینه هایی برای فرآیند گرم و سرد کردن هستند و عملیات حرارتی فولاد می تواند روی فلزات دیگر نیز به آسانی انجام شود. اما میزان حرارت دهی، سرعت سرد کردن و … برای مواد گوناگون متفاوت خواهد بود.