عملیات حرارتی فلز یک روش فرآیندی است که در آن قطعه کار فلزی را در محیط خاصی قرار داده و تا دمای مناسب حرارت داده و سپس برای مدت زمان معینی در این دما نگه داشته و سپس با سرعت های مختلف سرد می شود.
عملیات حرارتی فلزات یکی از فرآیندهای مهم در ساخت مکانیکی است. در مقایسه با سایر فناوریهای پردازش، عملیات حرارتی معمولاً شکل و ترکیب شیمیایی کلی قطعه کار را تغییر نمیدهد، بلکه ریزساختار داخل قطعه کار یا ترکیب شیمیایی روی سطح قطعه کار را تغییر میدهد تا عملکرد قطعه کار را بهبود بخشد. ویژگی آن بهبود کیفیت ذاتی قطعه کار است که معمولاً با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیست.
برای اینکه قطعه کار فلزی دارای خواص مکانیکی، خواص فیزیکی و خواص شیمیایی مورد نیاز باشد، علاوه بر انتخاب معقول مواد و فرآیندهای مختلف شکل دهی، فرآیندهای عملیات حرارتی اغلب ضروری هستند. فولاد پرمصرف ترین ماده در صنعت ماشین آلات است. ریزساختار فولاد پیچیده است و با عملیات حرارتی قابل کنترل است، بنابراین عملیات حرارتی فولاد محتوای اصلی عملیات حرارتی فلز است. علاوه بر این، آلومینیوم، مس، منیزیم، تیتانیوم و ... و آلیاژهای آنها نیز می توانند خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی خود را از طریق عملیات حرارتی تغییر دهند تا عملکرد متفاوتی به دست آورند.
در فرآیند از عصر حجر تا عصر برنز و عصر آهن، نقش عملیات حرارتی به تدریج توسط مردم شناخته شده است. در اوایل 770-222 قبل از میلاد، چینی ها در عمل تولید کشف کرده بودند که خواص مس و آهن به دلیل تأثیر تغییر شکل دما و فشار تغییر می کند. عملیات نرم شدن چدن سفید یک فرآیند مهم برای ساخت ابزار کشاورزی است.
در قرن ششم قبل از میلاد، سلاح های فولادی به تدریج پذیرفته شدند. به منظور بهبود سختی فولاد، فرآیند کوئنچ به سرعت توسعه یافت. دو شمشیر و یک هالبرد کشف شده در Yanxiadu، یی شهرستان، استان هبی، چین، دارای مارتنزیت در ریزساختار خود هستند، که نشان می دهد آنها خاموش شده اند.
با توسعه فن آوری خاموش کردن، مردم به تدریج تأثیر خنک کننده ها را بر کیفیت خاموش کردن کشف کردند. پو یوان، مردی شو در دوره سه پادشاهی، زمانی برای ژوگه لیانگ در شیاگو، استان شانشی، 3 چاقو ساخت. گفته می شود که او مردمی را به چنگدو فرستاد تا برای سیر کردن آب بیاورند. این نشان می دهد که چین در زمان های قدیم به ظرفیت خنک کنندگی کیفیت های مختلف آب توجه داشته و همچنین به ظرفیت خنک کننده روغن و ادرار توجه داشته است. شمشیر کشف شده در مقبره پادشاه جینگ ژونگشان در زمان سلسله هان غربی (2{4}}6 قبل از میلاد-24 پس از میلاد) در چین دارای محتوای کربن 0 است.15-0 0.4٪ در هسته، در حالی که محتوای کربن در سطح بیش از 0.6٪ است، که نشان دهنده استفاده از فناوری کربورسازی است. با این حال، به عنوان راز "صنعت" شخصی در آن زمان، تمایلی به انتقال آن نداشت، بنابراین بسیار کند توسعه یافت.
در سال 1863، متالولوژیست ها و زمین شناسان بریتانیایی شش ساختار متالوگرافی متفاوت از فولاد را زیر میکروسکوپ نشان دادند، که ثابت کردند وقتی فولاد گرم و سرد می شود، ساختار داخلی تغییر می کند و فاز در دمای بالا در فولاد به فاز سخت تری تبدیل می شود. به سرعت سرد می شود تئوری آلوتروپی آهن که توسط Osmond فرانسوی ایجاد شد و نمودار فاز آهن-کربن که اولین بار توسط آستین بریتانیایی فرموله شد، شالوده نظری را برای فناوری مدرن عملیات حرارتی ایجاد کرد. در همان زمان، مردم همچنین روشهای حفاظت از فلزات را در طول فرآیند گرمایش عملیات حرارتی فلزات مورد مطالعه قرار دادند تا از اکسید شدن و کربنزدایی فلزات در حین گرمایش جلوگیری کنند.
از سال 1850 تا 1880، یک سری پتنت برای استفاده از گازهای مختلف (مانند هیدروژن، گاز زغال سنگ، مونوکسید کربن و غیره) برای گرمایش محافظ وجود داشت. از سال 1889 تا 1890، دریاچه بریتانیا اختراعاتی را برای عملیات حرارتی درخشان فلزات مختلف به دست آورد.
از قرن بیستم، توسعه فیزیک فلزات و پیوند و استفاده از سایر فن آوری های جدید، فرآیند عملیات حرارتی فلز را توسعه داده است. پیشرفت قابل توجهی استفاده از کوره های دوار برای کربورسازی گاز در تولید صنعتی از سال 1901 تا 1925 بود. ظهور پتانسیومترهای نقطه شبنم در دهه 1930 باعث شد پتانسیل کربن اتمسفر کوره قابل کنترل باشد و بعداً استفاده از ابزارهای مادون قرمز دی اکسید کربن، کاوشگرهای اکسیژن و غیره برای کنترل بیشتر پتانسیل کربن جو کوره مورد مطالعه قرار گرفت. در دهه 1960، فناوری عملیات حرارتی از نقش میدانهای پلاسما برای توسعه فرآیندهای نیترید کردن یون و کربورسازی استفاده کرد. استفاده از فناوری لیزر و پرتو الکترونی، فلزات را قادر به دستیابی به روشهای جدید عملیات حرارتی سطحی و عملیات حرارتی شیمیایی کرده است.
2. فرآیند عملیات حرارتی فلز
فرآیند عملیات حرارتی به طور کلی شامل سه فرآیند گرمایش، عایق کاری و سرمایش و گاهی اوقات تنها دو فرآیند گرمایش و سرمایش است. این فرآیندها به هم مرتبط هستند و نمی توان آنها را قطع کرد.
گرمایش یکی از مراحل مهم در عملیات حرارتی است. روش های گرمایشی زیادی برای عملیات حرارتی فلزات وجود دارد. اولین ها از زغال سنگ و زغال سنگ به عنوان منبع گرما استفاده می کردند و سپس از سوخت های مایع و گاز استفاده می کردند. استفاده از الکتریسیته کنترل گرمایش را آسان و سازگار با محیط زیست می کند. این منابع حرارتی را می توان برای گرمایش مستقیم یا به طور غیرمستقیم از طریق نمک ها یا فلزات مذاب و یا حتی ذرات شناور استفاده کرد.
هنگامی که فلز گرم می شود، قطعه کار در معرض هوا قرار می گیرد و اغلب اکسیداسیون و کربن زدایی رخ می دهد (یعنی میزان کربن در سطح قطعات فولادی کاهش می یابد) که تأثیر بسیار نامطلوبی بر خواص سطحی قطعات پس از گرما دارد. درمان بنابراین فلزات معمولاً باید در اتمسفر کنترل شده یا اتمسفر محافظ، در نمک های مذاب و در خلاء گرم شوند و همچنین می توان آنها را با روش های پوشش دهی یا بسته بندی محافظت و گرم کرد.
دمای گرمایش یکی از پارامترهای فرآیند مهم در فرآیند عملیات حرارتی است. انتخاب و کنترل دمای گرمایش مسئله اصلی برای اطمینان از کیفیت عملیات حرارتی است. دمای گرمایش با مواد فلزی تحت درمان و هدف عملیات حرارتی متفاوت است، اما معمولاً برای به دست آوردن ساختار مورد نیاز، بالاتر از دمای تغییر فاز گرم می شود. علاوه بر این، تبدیل به زمان معینی نیاز دارد. بنابراین، زمانی که سطح قطعه کار فلزی به دمای حرارت مورد نیاز رسید، باید آن را برای مدت زمان معینی در این دما نگه داشت تا دمای داخلی و خارجی یکنواخت شود و تبدیل ریزساختار کامل شود. این بازه زمانی را زمان نگهداری می نامند. هنگامی که از گرمایش با چگالی با انرژی بالا و عملیات حرارتی سطح استفاده می شود، سرعت گرمایش بسیار سریع است و به طور کلی زمان نگهداری وجود ندارد یا زمان نگهداری بسیار کوتاه است، در حالی که زمان نگهداری عملیات حرارتی شیمیایی اغلب طولانی تر است.
خنک کردن نیز یک مرحله ضروری در فرآیند عملیات حرارتی است. روش خنک کننده بسته به فرآیند، عمدتا برای کنترل سرعت خنک کننده متفاوت است. به طور کلی، آنیل کردن دارای کمترین سرعت خنک کننده است، نرمال سازی سرعت خنک کننده سریع تری دارد و کوئنچ سرعت خنک کننده حتی سریع تری دارد. با این حال، الزامات مختلفی برای انواع مختلف فولاد وجود دارد. به عنوان مثال، فولاد سخت شده با هوا را می توان با همان سرعت خنک کننده معمولی سخت کرد.
فرآیندهای عملیات حرارتی فلز را می توان به طور کلی به عملیات حرارتی کلی، عملیات حرارتی سطحی، عملیات حرارتی موضعی و عملیات حرارتی شیمیایی تقسیم کرد. با توجه به رسانه های مختلف گرمایش، دمای گرمایش و روش های سرمایش، هر دسته اصلی را می توان به چندین فرآیند عملیات حرارتی مختلف تقسیم کرد. یک فلز یکسان می تواند ساختارهای متفاوتی را به دست آورد و بنابراین با استفاده از فرآیندهای عملیات حرارتی مختلف، خواص متفاوتی دارد. فولاد پرمصرف ترین فلز در صنعت است و ریزساختار آن نیز پیچیده ترین است، بنابراین انواع مختلفی از فرآیندهای عملیات حرارتی فولاد وجود دارد.
عملیات حرارتی کلی یک فرآیند عملیات حرارتی فلز است که قطعه کار را به طور کلی گرم می کند و سپس آن را با سرعت مناسب خنک می کند تا خواص مکانیکی کلی آن تغییر کند. چهار فرآیند اساسی برای عملیات حرارتی کلی فولاد وجود دارد: آنیل کردن، نرمال کردن، خاموش کردن و تمپر کردن.
بازپخت عبارت است از حرارت دادن قطعه کار تا دمای مناسب، استفاده از زمان های مختلف نگهداری با توجه به جنس و اندازه قطعه کار و سپس خنک شدن آهسته آن. هدف این است که ساختار داخلی فلز به حالت تعادل برسد یا به حالت تعادل نزدیک شود، عملکرد فرآیند خوب به دست آید و عملکرد استفاده شود، یا ساختار برای خاموش کردن بیشتر آماده شود. نرمال سازی این است که قطعه کار را تا دمای مناسب گرم کنید و سپس آن را در هوا خنک کنید. اثر نرمال سازی شبیه به بازپخت است، اما ساختار به دست آمده ظریف تر است. اغلب برای بهبود عملکرد برش مواد استفاده می شود و گاهی اوقات به عنوان عملیات حرارتی نهایی برای برخی از قطعات با نیاز کم استفاده می شود.
کوئنچ برای گرم کردن و گرم نگه داشتن قطعه کار و سپس سرد کردن سریع آن در یک محیط خاموش کننده مانند آب، روغن یا سایر نمک های معدنی، محلول های آبی آلی و غیره است. پس از کوئنچ، فولاد سخت، اما شکننده می شود. به منظور کاهش شکنندگی قطعات فولادی، قطعات فولادی کوئنچ شده را برای مدت طولانی در دمای مناسب بالاتر از دمای اتاق و زیر 710 درجه گرم نگه داشته و سپس سرد می کنند. به این فرآیند تمپرینگ می گویند. بازپخت، نرمال کردن، خاموش کردن، و معتدل کردن "چهار آتش" در عملیات حرارتی کلی هستند. در میان آنها، کوئنچینگ و تمپرینگ ارتباط نزدیکی دارند و اغلب به صورت ترکیبی استفاده می شوند. آنها ضروری هستند.
"چهار آتش" به فرآیندهای مختلف عملیات حرارتی با دماهای گرمایش و روش های خنک کننده متفاوت تبدیل شده اند. برای به دست آوردن استحکام و چقرمگی خاصی، به فرآیند ترکیب کوئنچ و تمپرینگ در دمای بالا کوئنچ و تمپرینگ می گویند. پس از خاموش شدن برخی از آلیاژها برای تشکیل محلول جامد فوق اشباع، آنها را برای مدت طولانی در دمای اتاق یا دمای مناسب کمی بالاتر نگه می دارند تا سختی، استحکام یا خواص الکتریکی و مغناطیسی آلیاژ بهبود یابد. چنین فرآیند عملیات حرارتی درمان پیری نامیده می شود. روش ترکیب تغییر شکل پردازش فشار با عملیات حرارتی به طور موثر و نزدیک برای بدست آوردن قطعه کار ترکیب خوبی از استحکام و چقرمگی را عملیات حرارتی تغییر شکل میگویند. عملیات حرارتی در اتمسفر با فشار منفی یا خلاء، عملیات حرارتی خلاء نامیده می شود که نه تنها می تواند از اکسید شدن و کربن زدایی قطعه کار جلوگیری کند، سطح قطعه کار را پس از عملیات صاف نگه دارد و عملکرد قطعه کار را بهبود بخشد، بلکه نفوذ کننده را نیز از بین می برد. برای عملیات حرارتی شیمیایی
عملیات حرارتی سطح یک فرآیند عملیات حرارتی فلز است که فقط سطح قطعه کار را گرم می کند تا خواص مکانیکی سطح آن تغییر کند. برای اینکه فقط سطح قطعه کار گرم شود بدون اینکه گرمای زیادی به داخل قطعه کار منتقل شود، منبع حرارتی مورد استفاده باید چگالی انرژی بالایی داشته باشد، یعنی مقدار زیادی انرژی گرمایی در واحد سطح داشته باشد. قطعه کار به گونه ای که سطح یا قسمت محلی قطعه کار بتواند در مدت زمان کوتاه یا آنی به دمای بالایی برسد. روشهای اصلی عملیات حرارتی سطحی، عملیات حرارتی لیزر، خاموش کردن شعله و عملیات حرارتی القایی است. منابع گرمایی رایج شامل شعله هایی مانند اکسی استیلن یا اکسی پروپان، جریان القایی، لیزر و پرتو الکترونی است.
عملیات حرارتی شیمیایی یک فرآیند عملیات حرارتی فلز است که ترکیب شیمیایی، سازماندهی و خواص سطح قطعه کار را تغییر می دهد. تفاوت بین عملیات حرارتی شیمیایی و عملیات حرارتی سطحی در این است که دومی ترکیب شیمیایی سطح قطعه کار را تغییر می دهد. عملیات حرارتی شیمیایی عبارت است از حرارت دادن قطعه کار در محیطی (گاز، مایع، جامد) حاوی کربن، نیتروژن یا سایر عناصر آلیاژی و گرم نگه داشتن آن برای مدت طولانی به طوری که سطح قطعه کار با عناصری مانند نفوذ کند. کربن، نیتروژن، بور و کروم. پس از نفوذ عناصر، گاهی اوقات به سایر فرآیندهای عملیات حرارتی مانند کوئنچ و تمپرینگ نیاز است. روشهای اصلی عملیات حرارتی شیمیایی عبارتند از: کربورسازی، نیتروژن، متالیزاسیون و نفوذ کامپوزیت.
عملیات حرارتی یکی از فرآیندهای مهم در فرآیند ساخت قطعات مکانیکی و ابزار و قالب است. به طور کلی، می تواند خواص مختلف قطعه کار مانند مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی را تضمین و بهبود بخشد. همچنین میتواند سازماندهی و وضعیت استرس را بهبود بخشد تا پردازش سرد و گرم مختلف را تسهیل کند.
به عنوان مثال، چدن سفید را می توان با بازپخت طولانی مدت برای به دست آوردن چدن چکش خوار و بهبود انعطاف پذیری به دست آورد. چرخ دنده ها را می توان با فرآیند عملیات حرارتی صحیح استفاده کرد. عمر مفید می تواند دو برابر یا ده ها برابر بیشتر از چرخ دنده هایی باشد که عملیات حرارتی نشده اند. علاوه بر این، فولاد کربن ارزان دارای برخی از خواص فولاد آلیاژی گران قیمت با نفوذ عناصر آلیاژی خاص است که می تواند جایگزین برخی فولادهای مقاوم در برابر حرارت و فولاد ضد زنگ شود. تقریباً تمام ابزارها و قالب ها قبل از استفاده باید تحت عملیات حرارتی قرار گیرند.
3. طبقه بندی فولاد
فولاد آلیاژی با آهن و کربن به عنوان اجزای اصلی است و میزان کربن آن به طور کلی کمتر از 2.11 درصد است. فولاد یک ماده فلزی بسیار مهم در ساخت و ساز اقتصادی است. فولاد از نظر ترکیب شیمیایی به دو دسته فولاد کربنی (به اختصار فولاد کربنی) و فولاد آلیاژی تقسیم می شود. فولاد کربن آلیاژی است که از ذوب آهن خام به دست می آید. علاوه بر آهن و کربن به عنوان اجزای اصلی، حاوی مقدار کمی ناخالصی مانند منگنز، سیلیکون، گوگرد و فسفر است. فولاد کربن دارای خواص مکانیکی خاصی، عملکرد فرآیند خوب و قیمت پایین است. بنابراین فولاد کربنی به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، با پیشرفت سریع صنعت و علم و فناوری مدرن، عملکرد فولاد کربنی دیگر نمی تواند نیازها را به طور کامل برآورده کند، بنابراین مردم فولادهای آلیاژی مختلفی تولید کرده اند. فولاد آلیاژی یک آلیاژ چند عنصری است که با افزودن هدفمند عناصر خاص (به نام عناصر آلیاژی) به فولاد کربنی به دست می آید. در مقایسه با فولاد کربنی، عملکرد فولاد آلیاژی به طور قابل توجهی بهبود یافته است، بنابراین کاربرد آن روز به روز گسترده تر می شود.
