1.عملیات حرارتی

عملیات حرارتی گرمایش و سرمایش یک فلز جامد یا آلیاژ در راستای دستیابی به خواص موردنظر است. کاربرد و علل استفاده از عملیات حرارتی فولاد شامل موارد زیر است:

• حذف تنش‌ها مانند تنش‌هایی که هنگام فرایندهای یک قطعه ایجاد می‌شود؛
• بهبود ساختار دانه‌ای فولاد به‌کاررفته در یک قطعه؛
• افزایش مقاومت سطح قطعه در برابر سایش، با بالابردن سختی سطح قطعه به‌طوری‌که مغز نرم و چقرمه باقی بماند. (عملیات حرارت سطحی)
• بهبود خواص یک فولاد اقتصادی به‌گونه‌ای که بتواند جایگزین فولادی گران‌تر شود و هزینة مواد را در یک کاربرد مشخص کاهش دهد؛
• افزایش چقرمگی با ایجاد ترکیبی از استحکام کششی بالا و شکل‌پذیری مناسب برای بهبود مقاومت ضربه‌ای؛
• بهبود خواص برشی فولادهای ابزار؛
• بهبود خواص الکتریکی؛
• تغییر یا اصلاح خواص مغناطیسی.

فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که کربن آن معمولاً از چند صدم درصد تا حدود ۲ درصد وزنی است. مقدار عناصر آلیاژی دیگر در فولادهای کم‌آلیاژ عموماً تا حدود ۵ درصد وزنی است، درحالی‌که در فولادهای پرآلیاژ (مانند فولاد ابزار و زنگ‌نزن) می‌تواند بیشتر باشد. خواص فولادها به ترکیب شیمیایی و ریزساختار حاصل از عملیات حرارتی وابسته است.

نمودار تعادلی یا شبه‌تعادلی آهن–کربن (Fe–C) فازهای پایدار را برحسب دما و درصد کربن مشخص می‌کند. در ناحیة کم‌کربن، فریت (α-Fe) با حلالیت حداکثر حدود ۲۸‌/‌۰ درصد وزنی کربن در دمای 727  و آستنیت (γ-Fe) با حلالیت تا حدود ۱۱‌/‌۲ درصد وزنی کربن در 1148 دیده می‌شوند؛ در سمت پرکربن، سمنتیت (Fe₃C) قرار دارد. فریت δ، که در دماهای بسیار بالا پایدار است، به‌جز در برخی فولادهای پرآلیاژ، معمولاً اهمیت کمتری دارد. بین نواحی تک‌فازی، میدان‌های دوفازی مانند α+Fe₃C، γ+Fe₃C و α+γ و در دماهای بالاتر نیز ناحیة مایع و ترکیبات دوفازیِ مایع+γ، مایع+Fe₃C، و مایع+δ وجود دارد.

مرزهای کلیدی ناحیة آستنیت بدین‌صورت نام‌گذاری می‌شوند: A1 (دمای یوتکتوئید و حداقل دمای تشکیل آستنیت)، A3 (مرز γ/γ+α در فولادهای کم‌کربن)، و Acm (مرز γ/γ+Fe₃C در فولادهای پرکربن). گاهی برای تمایز شرایط، پسوندهایی مانند c، e یا r به این نمادها افزوده می‌شود. این مرزها با افزودن عناصر آلیاژی جابه‌جا می‌شود. ازاین‌رو برای مطالعة دقیق‌تر شرایط غیرتعادلی، به نمودارهای CCT مراجعه می‌کنیم.

شکل 1. دیاگرام آهن-کربن

به‌طورکلی، عملیات حرارتی فولاد را می‌توان به چند دسته تقسیم کرد:

1.1. نرماله‌کردن (Normalizing)

اصطلاح نرماله‌کردن به‌طور دقیق ماهیت این فرایند را توصیف نمی‌کند. این عملیات را می‌توان با دقت بیشتری یک عملیات همگن‌سازی (Homogenizing) یا اصلاح دانه (Grain Refining) دانست که هدف اصلی آن ایجاد یکنواختی در ترکیب و ساختار در سراسر قطعه است.

از دیدگاه حرارتی، نرماله‌کردن شامل گرم‌کردن فولاد تا ناحیة آستنیتی (Austenitizing) و سپس سردکردن آن در هوای ساکن یا هوایی با جریان ملایم است. معمولاً قطعه تا دمایی حدود ۵۵ درجة سانتی‌گراد (۱۰۰ درجة فارنهایت) بالاتر از خط بحرانی بالایی در نمودارآهن-کربن (شکل1) گرم می‌شود و مرحلة گرم‌کردن باید به تشکیل یک فاز آستنیتی کاملاً همگن منجر شود. دمای واقعی مورد استفاده به ترکیب شیمیایی فولاد بستگی دارد، اما دمای معمول این فرایند حدود ۸۷۰ درجة سانتی‌گراد (۱۶۰۰ درجة فارنهایت) است.

به‌دلیل ویژگی‌های ذاتی فولادهای ریختگی، عملیات نرماله‌کردن معمولاً بر روی شمش‌ها (Ingots) پیش از انجام فرایند بعدی و بر روی قطعات فولادی ریخته‌گری‌شده(Casting)  و آهنگری‌شده (Forgings) پیش از عملیات سخت‌کاری انجام می‌شود. فولادهای هوا سخت‌شونده (Air Hardening Steels) در دستة فولادهای نرماله‌شده قرار نمی‌گیرند، زیرا پس از سردشدن در هوا، ریزساختار پرلیتی معمولی را که مشخصة فولادهای نرماله‌شده است، تشکیل نمی‌دهند.

1.2. آنیل‌کردن (Annealing)

آنیل کردن یک اصطلاح کلی برای عملیات حرارتی‌ای است که شامل گرم‌کردن فلز تا یک دمای مناسب، نگهداری در آن دما برای مدت معین، و سپس سردکردن با نرخ مناسب می‌شود. این عملیات عمدتاً برای نرم‌کردن فلزات و هم‌زمان ایجاد تغییرات مطلوب در خواص یا ریزساختار آن‌ها به‌کار می‌رود.

از مهم‌ترین اهداف آنیل‌کردن، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بهبود قابلیت ماشین‌کاری
• تسهیل عملیات کار سرد
• بهبود خواص مکانیکی یا الکتریکی
• افزایش پایداری ابعادی قطعه

در آلیاژهای آهنی، عملیات آنیل‌کردن معمولاً در دماهایی بالاتر از دمای بحرانی بالایی انجام می‌شود؛ بااین‌حال، چرخه‌های زمان–دما از نظر حداکثر دما و نرخ سردشدن، بسته به ترکیب شیمیایی فولاد، وضعیت اولیة آن و خواص مورد نظر، بسیار متفاوت‌اند.

هرگاه اصطلاح آنیل‌کردن (Annealing) بدون هیچ قیدی به‌کار رود، منظور آنیل کامل (Full Annealing) است. اگر هدف تنها حذف تنش‌های پسماند باشد، این فرایند تنش‌زدایی (Stress Relieving یا Stress Relief Annealing) نامیده می‌شود.

1.3. تنش‌زدایی(Stress Relieving)

تنش‌های پسماند (Residual Stresses) می‌توانند به روش‌های مختلفی در قطعات فولادی ایجاد شوند؛ از مراحل اولیة تولید شمش در کارخانه تا ساخت محصول نهایی. ازجملة منابع ایجاد این تنش‌ها می‌توان به نورد، ریخته‌گری، آهنگری، خم‌کاری، کوئنچ (سردکردن سریع)، سنگ‌زنی، و جوشکاری اشاره کرد.

در فرایند تنش‌زدایی، فولاد تا دمایی حدود 595 درجة سانتی‌گراد (1105 درجة فارنهایت) گرم می‌شود؛ به‌گونه‌ای که تمام بخش‌های قطعه به‌طور یکنواخت به این دما برسند؛ سپس قطعه به‌آرامی تا دمای محیط سرد می‌شود. این عملیات با نام آنیل تنش‌زدایی (Stress Relief Annealing) یا به اختصار تنش‌زدایی (Stress Relieving) شناخته می‌شود.

در طی این فرایند، باید دقت زیادی به‌عمل آید تا سردشدن قطعه به‌صورت یکنواخت و همگن انجام شود؛ به‌ویژه در قطعاتی که دارای ضخامت‌ها یا مقاطع متفاوت هستند. اگر نرخ سردشدن در تمام قسمت‌های قطعه ثابت و یکنواخت نباشد، ممکن است تنش‌های پسماند جدیدی ایجاد شوند که حتی از تنش‌های اولیه نیز بزرگ‌تر باشند.

تنش‌های پسماند موجود در فولادهای فریتی می‌توانند موجب کاهش قابل توجه خواص مکانیکی و پایداری ابعادی قطعه شوند. کاهش مقاومت در برابر شکست ترد (Brittle Fracture) از پیامدهای مهم تنش‌های پسماند در فولادهای فریتی است. در فولادهایی که ذاتاً مستعد شکست ترد نیستند، مانند فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی، تنش‌های پسماند می‌توانند منجر به ترک‌خوردگی ناشی از خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking – SCC) شوند. همچنین، اعوجاج یا تاب‌برداشتن (Warping) یکی از مشکلات رایج ناشی از تنش‌های پسماند است.

1.4. سخت‌کاری سطحی (Surface Hardening)

عملیات سخت‌کاری سطحی شامل مجموعه‌ای از فرایندهای مختلف است که در آن‌ها سطح قطعه سخت و مقاوم به سایش می‌شود، درحالی‌که مغز قطعه نرم‌تر و چقرمه‌تر باقی می‌ماند. این ترکیب خواص باعث می‌شود قطعه علاوه بر مقاومت سایشی بالا، در برابر ضربه و شکست نیز مقاومت مناسبی داشته باشد.

سختی سطح از طریق کوئنچ (Quenching) یا سردکردن سریع از دمایی بالاتر از دمای استحالة فولاد به‌دست می‌آید. قطعاتی که در این وضعیت قرار دارند، ممکن است در صورت سقوط یا واردشدن ضربة شدید دچار ترک شوند. برای افزایش شکل‌پذیری و کاهش تردی، عملیات تمپرکردن (Tempering) انجام می‌شود. در قطعات سخت‌کاری سطحی‌شده، لایة سخت سطحی را کیس (Case) و  بخش داخلی نرم‌تر را مغز (Core) می‌نامند.

کربوره‌کردن گازی (Gas Carburizing) یکی از متداول‌ترین روش‌های سخت‌کاری سطحی است. در این فرایند، کربن به سطح فولادهای کم‌کربن در دمایی بین 850 تا 950 درجة سانتی‌گراد (1560 تا 1740 درجة فارنهایت) نفوذ داده می‌شود. در این محدودة دمایی، فاز آستنیت قابلیت انحلال مقدار زیادی کربن را دارد. پس از عملیات کربوره‌کردن، قطعه کوئنچ و در نتیجه آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود. حاصل این فرایند تشکیل یک لایة سطحی مارتنزیتی پرکربن و بسیار سخت به‌همراه مغزی کم‌کربن، نرم، و چقرمه است.

فولادهای مورد استفاده برای کربوره‌کردن معمولاً دارای حدود ۲‌/‌۰ درصد کربن هستند. مقدار کربن در لایة کربوره‌شده معمولاً در محدودة ۸‌/۰ تا 1 درصد کربن کنترل می‌شود. علاوه‌بر کربوره‌کردن گازی، برخی روش‌های دیگر سخت‌کاری سطحی به شرح زیر هستند:

• سیانوره‌کردن (Cyaniding)
• نیتروکربوره‌کردن فریتی (Ferritic Nitrocarburizing)
• کربونیتراسیون (Carbonitriding)

1.5. کوئنچ (Quenching)

در عملیات کوئنچ، قطعات فولادی از دمای آستنیتی‌کردن (Austenitizing) یا عملیات انحلالی (Solution Treating) به‌سرعت سرد می‌شوند. این دما معمولاً در محدودة 815 تا 870 درجة سانتی‌گراد (1500 تا 1600 درجة فارنهایت) قرار دارد.

فولادهای زنگ‌نزن و فولادهای پرآلیاژ گاهی به‌منظور کاهش تشکیل کاربیدها در مرزدانه‌ها یا بهبود توزیع فریت کوئنچ می‌شوند؛ اما بیشتر فولادها، ازجمله فولادهای کربنی، کم‌آلیاژ و ابزار، برای ایجاد مقدار کنترل‌شده‌ای از مارتنزیت در ریزساختار تحت عملیات کوئنچ قرار می‌گیرند.

اهداف اصلی عملیات کوئنچ عبارت‌اند از:

• دستیابی به ریزساختار مورد نظر
• رسیدن به سختی مطلوب
• حصول استحکام موردنظر
• حصول چقرمگی موردنظر
• کاهش تنش‌های پسماند
• به حداقل رساندن اعوجاج (Distortion)
• جلوگیری از ایجاد ترک احتمالی

توانایی یک محیط کوئنچ (Quenchant) در سخت‌کردن فولاد به ویژگی‌های سرمایش آن محیط بستگی دارد. به‌عبارت دیگر، سرعت و نحوة انتقال حرارت توسط محیط کوئنچ تعیین می‌کند که چه میزان مارتنزیت در فولاد تشکیل شود.

کارایی عملیات کوئنچ به عوامل متعددی وابسته است؛ ازجمله:

• ترکیب شیمیایی فولاد
• نوع محیط کوئنچ
• شرایط استفاده از محیط کوئنچ (دما، هم‌زدن، حجم، و …)
• طراحی سیستم کوئنچ
• نگهداری و کنترل مناسب تجهیزات کوئنچ
• طراحی صحیح سیستم کوئنچ و نگهداری مناسب آن

1.6. بازگشت-تمپر(Tempering)

تمپرینگ، که معمولاً پس از عملیات حرارتی سخت‌کاری (Hardening)یا نرماله (Normalizing) شده انجام می‌شود، معمولاً تا دمایی پایین‌تر از دمای بحرانی پایین (A₁) گرم شده و سپس با نرخ مناسبی سرد می‌شود. هدف اصلی این عملیات افزایش شکل‌پذیری (Ductility) و چقرمگی (Toughness) است، هرچند می‌تواند تغییراتی نیز در اندازة دانه‌های زمینه ایجاد کند.

فولادها پس از سخت‌کاری مجدداً گرم می‌شوند تا:

• خواص مکانیکی مشخص و موردنیاز حاصل شود.
• تنش‌های پسماند ناشی از کوئنچ کاهش یابد.
• پایداری ابعادی قطعه تضمین شود.

بیشتر فولادها در دمایی بین 205 تا 595 درجه سانتی‌گراد (400 تا 1105 درجة فارنهایت) گرم شده و به مدت یک ساعت یا بیشتر در این دما نگهداری می‌شوند. افزایش دمای تمپر باعث افزایش چقرمگی، افزایش مقاومت به ضربه می‌شود، اما در مقابل سختی و استحکام کاهش می‌یابد. این کاهش سختی و استحکام، بهای دستیابی به چقرمگی بیشتر است. فولادهای سخت‌کاری‌شده دارای ریزساختاری کاملاً مارتنزیتی هستند که براثر کوئنچ تشکیل می‌شود. فولادی که دارای 100 درصد مارتنزیت باشد، در بیشترین استحکام ممکن قرار دارد، اما مارتنزیت تازه تشکیل‌شده بسیار ترد و شکننده است. ریزساختار فولاد کوئنچ و تمپرشده را مارتنزیت تمپرشده (Tempered Martensite) می‌نامند.

1.6.1. مارتمپرینگ فولاد (Martempering)

مارتمپرینگ یکی از فرایندهای عملیات حرارتی است که به کوئنچ ناپیوسته یا منقطع از دمای آستنیته‌کردن در برخی فولادهای آلیاژی، فولادهای ریختگی، فولادهای ابزار و فولادهای زنگ‌نزن گفته می‌شود. اساس این فرایند آن است که سردشدن قطعه برای مدتی کوتاه در دمایی کمی بالاتر از دمای شروع تشکیل مارتنزیت (Ms) متوقف شود تا دمای تمام نقاط قطعه یکنواخت گردد.

مزایای این عملیات عبارت‌اند از:

• کاهش اعوجاج (Distortion)
• کاهش احتمال ترک‌خوردگی
• کاهش تنش‌های پسماند

به همین دلیل، اصطلاح Marquenching توصیف مناسب‌تری برای این فرایند محسوب می‌شود. ریزساختار حاصل از مارتمپرینگ عمدتاً شامل مارتنزیت اولیة تمپرنشده است که همچنان ترد و شکننده است؛ بنابراین معمولاً پس از آن، عملیات تمپر انجام می‌شود.

1.6.2.  آستمپرینگ فولاد (Austempering)

در عملیات حرارتی آستمپرینگ، آلیاژهای آهنی در دمایی پایین‌تر از محدودة تشکیل پرلیت و بالاتر از محدودة تشکیل مارتنزیت به‌صورت هم‌دما (Isothermal) استحاله می‌شوند.

مراحل فرایند به شرح زیر است:

1. فولاد تا دمای آستنیته‌کردن، معمولاً بین 790 تا 915 درجة سانتی‌گراد (1455 تا 1680 درجه فارنهایت) گرم می‌شود.
2. قطعه در حمامی با دمای ثابت، معمولاً بین 260 تا 400 درجة سانتی‌گراد (500 تا 750 درجه فارنهایت) کوئنچ می‌شود.
3. قطعه در همین حمام نگه داشته می‌شود تا آستنیت به‌صورت هم‌دما به بینیت (Bainite) تبدیل شود.
4. پس از تکمیل استحاله، قطعه تا دمای محیط سرد می‌شود.

در مقایسه با کوئنچ و تمپر معمولی، آستمپرینگ مزایای زیر را دارد:

• افزایش شکل‌پذیری
• افزایش چقرمگی
• افزایش استحکام در یک سختی مشخص
• کاهش اعوجاج قطعه
• کاهش زمان ماشین‌کاری بعدی
• کاهش مقدار باربرداری
• کاهش هزینه‌های بازرسی و تفکیک قطعات
• کاهش ضایعات تولید

همچنین، آستمپرینگ کوتاه‌ترین چرخة زمانی را برای سخت‌کاری کامل قطعات در محدودة سختی 35 تا 55 HRC فراهم می‌کند و موجب صرفه‌جویی در انرژی و سرمایه‌گذاری تجهیزات می‌شود.

کلمات کلیدی: عملیات حرارتی- آنیل- نرماله- تنش­زدایی- تمپر- کوئنچ- دیاگرام آهن­کربن

منابع

ASM Handbook -Volume 4 -Heat Treating of Irons and Steels

Heat treater’s guide: practices and procedures for irons and steels