نکات مهم عملیات حرارتی

دلایل عملیات حرارتی

تنش‌زدایی، تنش‌های ناشی از عملیات و فرایندهای تولید
ریز کردن دانه‌بندی

افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به‌وجود آوردن مرکز نرم‌تر در داخل قطعه

بهبود خواص فولاد به منظور اقتصادی کردن جایگزینی بعضی از انواع ارزان‌تر فولاد به جای انواع گران آن

افزایش جذب انرژی ضربه فولاد

بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار

بهبود خواص الکتریکی

تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی

عملیات حرارتی فولادها

فولاد از نظر خواص مناسبی که در عمل دارد، یکی از مهمترین مواد فلزی است.

یکی از دلایل عمده‌ای که می‌توان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان

تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند در حد زیادی تحت تاثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.

– کربن‌دهی سطحی

– بازپخت کامل (آنیلینگ)

– آنیلینگ جهت کروی کردن سمنتیت

– نرماله کردن (نرمالیزاسیون)

– کوئنچ‌کردن

– برگشت دادن (تمپر کردن)

– تنش زدایی

متداول ترین عملیات حرارتی که معمولاً برای فولادها انجام می شود و ما به آن می پردازیم به قرار زیر است:

۱– آنیل کردن: هدف دستیابی به یک ساختار متالورژیکی کاملاً همگن و پایدار (معمولاً فریت و یا پرلیت) و عاری از تنش های پسماند و اثرات کارسرد و جدایش می باشد. قطعات آنیل شده معمولاً بیشترین انعطاف پذیری و کمترین استحکام را دارند. برای آنیل کردن معمولاً بعد از قرار دادن نمونه ها برای مدت زمان مشخص در دمای آستنیته ، در محیط کورۀ خاموش خنک می شوند.

۲- نرماله کردن: در این عملیات حرارتی قطعات در محیط هوا خنک می شوند. به این ترتیب ساختار با دانه بندی ریز بدست خواهد آمد.

۳- کوئنچ و تمپر : پس از سرد کردن سریع فولادها از دمای آستنیت در یک محیط خنک کننده مانند روغن ، آب نمک و … ، فرصت برای تشکیل ساختارهای پایدار داده نمی شود و نهایتاً ساختارهای شبه نا پایدار یعنی مارتنزیت تشکیل می شود.

اگرچه به علت حلالیت فوق اشباع کربن و همچنین دانسیتۀ زیاد عیوب کریستالی در شبکه بلوری مارتنزیت، استحکام بسیار زیاد است، اما انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه آن کم است. برای دستیابی به خواص مکانیکی بهینه معمولاً ساختارهای مارتنزیتی را در دمایی کمتر از °C 700، حرارت می دهند. به این ترتیب با وجود کاهش کمی در استحکام و سختی ، انعطاف پذیری به مقدار قابل ملاحظه ای زیاد می شود.
اصول و مبانی عملیات حرارتی :

۱- حرارت فولاد تا دمای آستنیتی.

۲- نگهداری فولاد در این دما برای تشکیل فاز آستنیت همگن ( زمان همدما سازی ).

۳- کاهش دمای فولاد با سرعتی مشخص بر اساس خواص مورد نظر.

۴- گرم کردن تا دمای بالا ولی کمتر از دمای بحرانی ( در صورت لزوم ).
تغییر فازها در فولادها به هنگام گرم کردن

پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانی زنی آستنیت آغاز می شود . با افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کار بیدها فاز آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای به سرعت انجام می گیرد . برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویوتکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم .
تغییر شکل آستنیت به هنگام سرد کردن :

اگر فولاد با زمینه آستنیت همگن را به آرامی خنک کنیم فازهای فریت ، پرلیت و سمانتیت تشکیل می شود . در صورت افزایش آهنگ خنک کاری به باینیت و مارتنزیت می رسیم .

در فولادیوتکتوئیدی تغییر شکل آستنیت به پرلیت هنگامی است که دمای آستنیت کمتر از دمای بحرانی شود و آهنگ خنک کاری آهسته باشد . در فولادهای هیپریوتکتوئیدی و هیپویوتکتوئیدی ، بین دماهای بحرانی فوقانی و تحتانی ، فریت یا سمانتیت تشکیل می شود .

اگر سرعت خنک کاری فولاد را زیاد کنیم ( بالاتر از خنک کاری بحرانی ) مستقیماً فاز مارتنزیت تشکیل می شود که سخت و مستحکم است.
عملیات نرماله کردن:

نرمالیزه کردن یکی از انواع عملیات حرارتی است . نرمالیزه کردن فولاد حرارت دادن در درجه حرارتهای کمی(حدود ۵۰ºC ) بالاتر از خط Acm و نگهداشتن کافی در آن درجه حرارت برای تبدیل کامل به آستنیت و سپس سرد کردن در خارج از کوره ، یعنی در هوای تقریباً ساکن ، تا دمای معمولی محیط است .

بعد از نرمالیزه کردن ، ساختار دانه ای ریز و یکنواخت با خواص معین خوبی به دست می آید . بنابراین نرمالیزه کردن می تواند هممچنین عملیات حرارتی اولیه ای با موقعیت معین برای عملیات حرارتی بعدی باشد . زیرا به کمک نرمالیزه کردن تمام تغیراتی که در نتیجه عملیات قبلی بر روی فولاد در ساختار دانه ای و در خواص معین ظاهر گشته است بر طرف می شود .

در نرمالیزه کردن سرعت سرد کردن تأثیر قابل ملاحظه روی درجه حرارت تبدیل آستنیت و ریزی پرلیت خواهد داشت . عموما هر چقدر سرعت سرد کردن بیشتر باشد درجه حرارت تبدیل آستنیت پاینتر و پرلیت ریزتر خواهد بود .

بهتر است قطعات فولادی ریخته گری شده بعد از تولید ، نرمالیزه شوند تا چنانچه احیانا ساختاری با خواص میکانیکی نامناسب در آنها ایجاد شده ، بر طرف شود .

در مواردی برای به دست آوردن دانه های درشت فولاد را در درجه حرارت نرمالیزه کردن در ناحیه γ حرارت داده و سپس آهسته سرد می کنند . فولادی که این چنین به دست می آیند دارای دانه های درشت بوده و تا حدودی با تردی کمتر دارای قابلیت خوبی برای عملیات براده برداری است .

مهمترین مزایای نرمالایزینگ بصورت زیر می باشد:

– افزایش انعطاف پذیری

– یکنواخت کردن ریز ساختار

– ریز کردن دانه ها

– افزایش قابلیت ماشینکاری

– یکنواخت کردن بیشتر عناصر آلیاژی

– محدوده دمایی نرمالایز تنها ۵۰ºC بالاتر از دمای آستنیته پیشنهاد می شود زیرا اگر بیشتر از آن باشد دانه های فولاد درشت می شود و باعث افت خواص فولاد میشود که بر خلاف هدف نرمالایز است که هدف آن ریز کردن ساختار فولاد است .

– هنگامی که قطعات بزرگ را سرد می کنند سطح آن سریع سرد شده ولی مغز و مرکز آن هنوز دمای بالایی دارد و هنگامی که مغز آن سرد می شود و می خواهد از فاز γ به α تبدیل شود جسم تمایل به ازدیاد حجم پیدا می کند ولی چون سطح آن کاملأ شکل گرفته قادر به این ازدیاد حجم نبوده و باعث ایجاد تنش در داخل قطعه می شود ، لذا عملیات نرماله کردن برای قطعات خیلی بزرگ پیشنهاد نمی شود.

از آنجایی که در نرماله کردن فولاد های هیپویوتکتویید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریز کردن دانه‌ های درشتی که اغلب به هنگام کارگرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده‌ اند. هنگامی که قطعه کارگرم یا ریخته گری شده با دانه‌های درشت در دمایی بین دمای Ac3 و Ac1 قرار بگیرد، دانه‌ های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند.

در صورتی که دمای آستنیته کردن به گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر محدود شود، آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌ های ریز به وجود می آید. حرارت دادن در دماهای بالاتر از گستره دمایی یاد شده ممکن است منجر به درشت شدن دانه‌ ها شود.

بنابراین در عملیات نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتویید، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌های ریز به وجود می‌آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می‌شود. از نظر خواص مکانیکی، میکروساختار حاصل از نرماله کردن می‌تواند در بعضی موارد به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه‌ های درشت هستند، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه‌ها استفاده می‌شود.

برای نرماله کردن فولادهای هایپریوتکتویید از گستره دمایی بین خط Acm و حدود ۵۰ درجه سانتیگراد بالای آن استفاده می‌شود. انتخاب این گستره دمایی به منظور ریز کردن دانه‌های آستنیت، انحلال کاربید های راسب شده و همچنین شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی که احتمالا در ضمن عملیات قبلی در مرز دانه‌ ها به وجود آمده‌ اند، است.

از آنجایی که در نرماله کردن قطعات از دمایی بالاتر از Acm در هوا سرد می شوند، احتمال تشکیل مجدد شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌ های آستنیت وجود دارد. در این صورت میکروساختار حاصل ممکن است تا حدودی فولاد را ترد و شکننده کند. اگر قرار باشد که این فولاد سخت شود، در ضمن آستنیته شدن مجدد (به منظور سخت کردن) شبکه پیوسته کاربید شکسته شده و ذرات مجتمع و کروی کاربید به دست می آید.

از آنجایی که در نرماله کردن قطعات در هوا سرد می‌شوند، میکرو ساختارهای به دست آمده اختلاف قابل توجهی با میکرو ساختارهای حاصل از آنیل دارند. نمودار نشان دهنده تغییرات دما بر حسب زمان (شکل اول) گستره‌ های دمایی مربوط به دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و پرلیت را برای فولاد هیپویوتکتویید در عملیات آنیل و نرماله کردن نشان می دهد.

باتوجه به اینکه در نرماله کردن فریت و پرلیت در دمایی کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل کردن تشکیل می‌شوند، اندازه دانه‌های فریت و سمنتیت و فاصله بین لایه‌ای پرلیت هر دو کاهش می‌یابند. بنابراین، در مقایسه با خواص حاصل از فرایند آنیل، استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حدودی کاهش می‌یابد.

نکته‌ ای که باید در رابطه با سرد شدن قطعات در هوا در ضمن نرماله کردن بدان توجه داشت این است که، نقاط مختلف در داخل یک قطعه با آهنگ‌ های متفاوت سرد می‌ شوند. همچنین آهنگ‌ های سرد شدن یاد شده، با تغییر ابعاد قطعه تغییر می‌کنند. بدین صورت که، هرچه قطعه حجیم تر باشد آهنگ سرد شدن قطعه و همچنین آهنگ‌ های سرد شدن نقاط مختلف در داخل آن کمتر است. این موضوع به مقدار حرارتی که باید از داخل قطعه به خارج هدایت شود مربوط می‌ شود. در حقیقت هرچه قطعه حجیم تر باشد برای اینکه دمای قسمت مرکزی آن افت کند به زمان بیشتری نیاز است.

از اثر ابعاد قطعه بر روی آهنگ سرد شدن، دو نتیجه مهم استنتاج می شود؛ اول، در مقاطع خیلی بزرگ آهنگ سرد شدن سطح قطعه ممکن است به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از ناحیه داخلی باشد و در نتیجه باعث ایجاد تنش در آن شود. دوم اینکه در قطعات خیلی کوچک، به خصوص در مورد فولاد های آلیاژی، سرد شدن در هوا ممکن است منجر به تشکیل بینیت و یا حتی مارتنزیت به جای مخلوط فریت و پرلیت شود. باتوجه به این نکته توصیه می‌شود که عملیات نرماله کردن بر روی فولادهای آلیاژی اعمال نشود.

از جمله پارامتر های مهم که بر روی خواص مکانیکی فولادهای نرماله و آنیل شده اثر می‌گذارد، درصد کربن فولاد است. هرچه درصد کربن بیشتر باشد (تا حد یوتکتویید) پرلیت بیشتری تشکیل شده و در نتیجه استحکام و سختی فولاد زیادتر و انعطاف پذیری آن کمتر می‌ شود. در پایان این فصل، اثرات پارامتر های مختلف از جمله درصد کربن بر روی خواص مکانیکی فولادها با ساختار فریتی- پرلیتی بررسی می‌شود.

به منظور محاسبه استحکام کششی (TS) فولادهای کربنی ساده و کم آلیاژ در شرایط نرماله شده از معادله‌ های موجودی که در کتاب‌ها آمده است، می‌توان استفاده کرد. به عنوان مثال بعضی از این معادله‌های عبارت‌اند از: (در این معادله‌ها استحکام کششی برحسب ksi و درصد عناصر آلیاژی برحسب درصد وزنی است.)

برای فولاد گرم نوردیده شده TS=27+56Cp

برای فولاد آهنگری شده TS=27+50Cp

برای فولاد ریخته گری شده TS=27+48Cp