عملیات حرارتی فولاد، از جمله فرایندهایی است که حین آن گرمایش و سردکاری کنترلشده مواد، برای تغییر ساختار و ویژگیهای آن انجام میشود. حین این فرایند میتوان خواص فیزیکی و مکانیکی فولاد از جمله استحکام، سختی سطحی، قابلیت ماشینکاری و مقاومت به سایش آن را تغییر داد.
عملیات حرارتی را از مهمترین فرایندها پس از تولید فولاد میدانند. عملیات حرارتی انواع قطعات آهنی، بر قیمت آنلاین آهن نیز اثر میگذارد. در این مقاله، عملیات حرارتی فولاد و اصول انجام آن را تحت بررسی قرار میدهیم.
در تعریف عملیات حرارتی فولاد باید گفت، به حرارت دادن به فولاد تا دمایی مشخص (بالا یا پایینتر از دمای بحرانی) و نگهداری آن در آن دما و سپس سرد کردن آن با سرعت کنترل شده میگویند که پس از آن ریزساختار و خواصی مشخص در ماده ایجاد میشود.
در حقیقت، طی فرایندهای عملیات حرارتی، بدون اینکه در ترکیب شیمیایی ماده تغییری ایجاد شود، خواص مطلوب مورد نظر به دست میآیند.
اگرچه عملیات حرارتی را به طور معمول، حرارتدهی ماده در کوره میدانند اما حین فرایندهایی چون شکلدهی گرم، جوشکاری و لحیمکاری نیز نوعی عملیات حرارتی در نقاط و نواحی مشخص روی ماده انجام میشود. علت آن هم درجه حرارت بالایی است که به آن ناحیه قطعه وارد شده و منجر به تغییر ریزساختار در آن منطقه و اطرافش میشود.
بهبود خواص فولادها، مهمترین و اصلیترین هدف انجام عملیات حرارتی است. از جمله این خواص میتوان به چقرمگی، قابلیت ماشینکاری، سختی سطحی و شکلپذیری اشاره کرد.
به کمک عملیات حرارتی همچنین میتوان تنشهای باقیمانده در قطعه را از بین برد. قیمت ورق سیاه با توجه به عملیات حرارتی که روی آن انجام شده و خواص نهایی آن، میتواند دستخوش تغییر شود.
عملیات حرارتی، انواع مختلفی دارد که انتخاب هر یک از آنها به نوع فولاد، ترکیب شیمیایی آن و خواص مورد نیاز در آن بستگی دارد.
به عنوان مثال، در برخی از کاربردها، فولاد در معرض سایش قرار میگیرد و نیاز به سطحی سخت دارد. اما در کاربردهای دیگر، مقاومت در برابر تنشهای بالا مورد نیاز است. عملیات حرارتی برای نوع اول سخت کاری سطحی و در نوع دوم تنشزدایی است.
بنابراین، باتوجه به نوع فولاد، روش تولید، کاربرد و خواص مورد نیاز، عملیات حرارتی انتخاب و اعمال میشود. از انواع عملیات حرارتی فولادها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
آنیل کردن یا بازپخت
نرماله کردن
کروی کردن
بازیابی
تبلور مجدد
تنش زدایی
تمپر کردن یا برگشت دادن
کوئنچ کردن
سخت کاری سطحی
هر یک از این انواع را در ادامه توضیح خواهیم داد.
هرگونه عملیات حرارتی فولاد st37 و سایر انواع که منجر به ایجاد ساختاری به جز مارتنزیت، با سختی کم و انعطافپذیری بالا شود را آنیل یا بازپخت گویند. آنیل کردن خود به چندین روش مختلف قابل انجام است و انواع مختلفی دارد که هر یک از آنها اغلب برای حذف تنشها و یا کاهش سختی مورد استفاده قرار میگیرند. دمای عملیات، روش سرد کردن، ساختار و خواص نهایی، عواملی هستند که نوع عملیات حرارتی را تعیین میکنند.
آنیل کامل، آنیل همدما، آنیل جزئی، آنیل کروی و آنیل نفوذی یا یکنواخت از مهمترین عملیاتهای آنیل به شمار میروند. آنیل کامل و آنیل همدما به عنوان دو فرایند مهم بازپخت را در ادامه توضیح خواهیم داد. قیمت ورق st52 با توجه به آنیلی که روی آن انجام شده تغییر خواهد کرد.
در آنیل کامل، به فولادهایی که کمتر از 0.78 درصد کربن داشته باشند (فولادهای هیپویوتکتوئید) حدود 50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی A3 و فولادهای که بیشتر از 0.78 درصد کربن داشته باشند (فولادهای هایپریوتکتوئید)، حدود 50 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی A1 حرارت اعمال میشود.
با اعمال حرارت در این محدوده دمایی، فولاد به فاز آستنیت وارد شده و در نهایت پس از سرد شدن نیز ساختاری فریتی – پرلیتی در آن به وجود خواهد آمد. در آنیل کامل، فولاد در کوره سرد میشود.
پس از آنیل کامل، ایجاد ساختار دانه ریز یکنواخت، کاهش سختی، حذف تنشهای داخلی و بهبود قابلیت ماشینکاری ایجاد خواهد شد. معمولا آنیل کامل را با کلمه "آنیل" نیز میشناسند و کلمه آنیل عموما اشاره به این روش بازپخت دارد.
آنیل همدما مشابه با آنیل کامل، با ایجاد ساختار آستنیتی همراه است. اما سرد کردن آن تا زیر دمای بحرانی A1 و نگهداری طولانی مدت آن در آن دما انجام میشود. در نهایت نیز فولاد را با سرعت دلخواه سرد میکنند. این فرایند نسبت به آنیل کامل مدت زمان کمتری به خود اختصاص میدهد اما سختی نهایی آن بیشتر خواهد بود.
در نرماله کردن فولادها، ریزساختار نهایی پرلیتی، فریتی – پرلیتی و یا پرلیت – سمنتیتی خواهد بود. گستره دمایی در نرماله کردن برای فولادهای هیپویوتکتوئیدی، کمر بالاتر از گستره دمایی در فرایند آنیل کردن است. برای فولادهای هایپریوتکتوئیدی نیز گستره دمایی آن تقریبا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از Acm است.
در نرماله کردن، قطعات پس از آستنیته شدن در هوا سرد میشوند. از مهمترین دلایل نرماله کردن میتوان به ریزدانه کردن دانههای درشتی که هنگام کار گرم در دمای بالا و یا ضمن انجماد و ریختهگری ایجاد میکنند، اشاره کرد.
در قطعاتی که دانههای درشت دارند، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه برای زیردانه کردن و سخت کردن قطعات انجام میشود.
فولادهای ریختهگری شده معمولا ساختاری شاخهای، جدایش موضعی و یکنواخت نبودن در ترکیب شیمیایی را دارند. این موارد همگی به دلیل تعادل نداشتن در سرد شدن ضمن انجماد و عدم نفوذ کامل عناصر آلیاژی اتفاق میافتند که منجر به افت خواص مکانیکی فولاد میشوند.
همگن کردن، با حرارت دادن فولاد تا دمای پایداری آستنیت (حدود دمای 1000 تا 1200 درجه سانتیگراد) و آهسته خنک کردن آن در هوا و تا دمای اتاق، انجام میشود. زمان حرارت دادن نسبتا طولانی است و به ابعاد و ترکیب شیمیایی قطعه بستگی دارد.
همگن کردن، به آنیل نفوذی نیز معروف است.
ریزساختار سمنتیت کروی توزیعشده به صورت یکنواخت در زمینه فریتی، منجر به ایجاد انعطافپذیرترین و نرمترین ساختار در هر فولاد میشود. با انجام این فرایند، شکلپذیری قطعه در دمای پایین، افزایش مییابد. کروی کردن به سه طریق انجام میشود:
حرارت دادن فولاد تا پایین دمای Ac1 و سرد کردن آن در هوا تا دمای اتاق
حرارت دادن فولاد تا ناحیه دو فازی بین Ac3-Ac1 برای فولادهای هیپویوتکتویید و یا بین Acm-Ac برای فولادهای هایپریوتکتوئید به منظور آستنیته کردن جزئی؛ سرد کردن تا دمای Ar1، نگهداشت برای مدت کافی برای کروی شدن و در نهایت سرد کردن در هوا تا دمای اتاق
عملیات حرارتی فولاد تا بالای دمای Ac1، آستنیته کردن جزئی، سرد کردن تا زیر دمای Ar1 و نگهداری در این دما به مدت 30 دقیقه، گرم کردن مجدد تا دمای Ac1 و تکرار عملیات تا رسیدن به میکروساختار سمنیتیت کروی و سپس سرد کردن در هوا و تا دمای اتاق
کروی کردن سمنتیت نیز وابسته به نفوذ است. بنابراین انتخاب دما و زمان عملیات باید به دقت انتخاب شود تا در کوتاهترین زمان ممکن بیشترین میزان کروی شدن سمنتیت اتفاق بیفتد.
کارسرد فولادها، ضمن افزایش سختی و استحکام و کاهش انعطافپذیری یا شکلپذیری آنها، ناشی از افزایش پیوسته معایب بلوری حین کار سرد است. حرارت دادن فولادهای اینچنینی، معایب بلوری موجود را از بین برده و منجر به بازیابی میکروساختار و خواص فیزیکی و مکانیکی اولیه میشود.
حین عملیات حرارتی بازیابی، معایب بلوری که قدرت تحرک زیادی دارند کاهش یافته و یا به طور کلی از بین میروند.
کارسرد همچنین باعث تغییر شکل دانهها در جهت اعمال نیرو و ایجاد تنشهای داخلی نیز میشود. عملیات حرارتی تبلور مجدد موجب میشود دانههایی جدید و هممحور و همچنین عاری از تنش در فلز کارسرد شده ایجاد شوند. در حقیقت میتوان گفت تبلور مجدد در ادامه عملیات حرارتی بازیابی انجام میشود.
برخی از فرایندهای مکانیکی و یا عملیات حرارتی فولادها، منجر به ایجاد تنشهای داخلی در فولادها میشوند که مخرب بوده و بر قطعات اثر نامطلوب میگذارند. این تنشهای داخلی ممکن است منجر به تاببرداشتن، ترک خوردن و یا شکست قطعات در اثر تنشهایی بسیار کمتر از سطح تنش طراحیشده میشود.
از جمله عوامل ایجاد تنشهای نامطلوب داخلی میتوان به کارسرد، ماشینکاری و جوشکاری اشاره کرد. تنش گیری فولادها با گرم کردن آن تا زیر دمای Ac1 و سرد کردن آهسته آن انجام میشود.
تمپر کردن فولاد یا برگشت دادن، با هدف کاهش تردی و شکنندگی قطعات فولادی سختشده، انجام میشود. برای این کار، فولاد را تا زیر دمای Ar1 گرم کرده و پس از نگهداری به مدت لازم، با سرعت پایین و تا دمای اتاق آن را سرد میکنند.
تنشهای داخلی حین این عملیات حرارتی فولاد کاهش مییابند و استحکام ضربهای نیز بالاتر میرود. البته گفتنیست که سختی و استحکام کششی قطعه حین این فرایند تا حدی کاهش مییابد.
روش سرد کردن کنترل شده که به منظور سخت کردن فولاد انجام میشود، دارای سه نوع سریع سرد کردن مستقیم، مارتمپرینگ و آستمپرینگ است.
در روش اول، قطعه به سرعت از دمای آستنیته شدن تا زیر دمای پایانی مارتنزیت شدن سرد میشود. در این روش، سطح و مغز قطعه سرعت سرد کردن متفاوتی دارند و بنابراین مارتنزیت به صورت همزمان در نواحی تشکیل نخواهد شد.
تنشهای داخلی به وجود آمده در این فرایند میتوان موجب شکست قطعه و یا تغییر شکل آن گردد. دو روش بعد، برای جلوگیری از اثرات زیانآور تنشهای داخلی مورد استفاده قرار میگیرند.
مارتمپرینگ یا سرد کردن سریع ناپیوسته، شامل آستنیته کردن فولاد، سرد کردن سریع آن در روغن داغ یا نمک مذاب تا دمایی درست بالاتر یا پایینتر از دمای شروع مارتنزیت و نگهداشتن در محیط یادشده تا یکنواخت شدن دمای قطعه است.
در نهایت نیز با آهنگی متوسط و معمولا در هوا نمونه را سرد میکنند به طوری که سطح و مرکز آن تقریبا همزمان سرد شوند. قطعه برای افزایش چقرمگی باید مجددا آنیل شود.
در مارتمپرینگ اصلاح شده، سرد شدن قطعه در مرحله اول در سطح و مرکز نمونه با دو سرعت متفاوت انجام میشود. درحالیکه ضمن دگرگونی آستنیت به مارتنزیت، تمام بخشهای قطعه به صورت همزمان سرد میشوند و در نهایت ترک برداشتن، اعوجاج و ایجاد تنش در قطعه به حداقل مقدار خود میرسد.
آستمپرینگ فولاد، مشابه با مارتمپرینگ است با این تفاوت که برای فولادهای کربن متوسط یا پرکربن که سختی بین 35 تا 55 راکول سی دارند، انجام میشود. در این روش سرد کردن فولاد در حمامهای مناسب تا دمای تشکیل فاز مارتنزیت، تا زمانی که دما در بخشهای مختلف فولاد یکنواخت شود ادامه مییابد. پس از تشکیل فاز بینیت، قطعه را در هوا و به آهستگی سرد میکنند.
افزایش چقرمگی و همچنین کاهش احتمال ترک برداشتن و از بین بردن تنشهای داخلی حین عملیات حرارتی فولاد از اهداف این فرایند است.
در بسیاری از کاربردها، قطعه نیازمند سختی سطحی بالا در عین داشتن چقرمگی و مقاومت به ضربه خوب است. در این شرایط، سخت کاری سطحی انجام میشود.
این فرایندها به دو نوع ترموشیمی و عملیات حرارتی موضعی تقسیم میشوند:
کربن دهی
نیتروژن دهی
کربن – نیتروژن دهی
سخت کردن شعله ای
سخت کاری القایی
در هر یک از روشهای عملیات حرارتی فولاد st52 و سایر انواع، آخرین مرحله، سرد کردن قطعه است. برای رسیدن به خواص مورد نظر، محیطی مناسب برای سرد کردن باید انتخاب شود. شدت سردکنندگی محیط، نوع آن را مشخص میکند. از انواع محیطهای مذکور میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
آب
آب نمک
هوا
روغن
کوره
سرعت سرد کنندگی در آب نمک از همه محیطها بیشتر است. پس از آن نیز به ترتیب میتوان آب، روغن و هوا را نام برد.
همانطور که گفته شد، فرایندهای مختلفی برای عملیات حرارتی فولادها وجود دارد که هر یک اثر خود را بر قطعه نهایی میگذارند. با توجه به خواصی که از قطعه انتظار داریم، عملیات حرارتی انجام شده روی آن میتواند متفاوت باشد.
انواع مقاطع فولادی با خواص مختلف، از مجموعه بازرگانی آیرومارت به خریداران عرضه میشود. شما میتوانید، فولاد مورد نظر خود و مقاطع فولادی مختلف را از آیرومارت به نشانی iromart.com و یا تماس با کارشناسان از طریق شماره تلفن 02145306 خریداری نمایید.
