عملیات حرارتی (Heat Treatment)

مقدمه

عملیات حرارتی که یکی از مهمترین مراحل تولید فولاد آلیاژی می‌باشد، به فرایند گرم کردن، نگه داری در دمای بالا و سرد کردن شمش ها، مقاطع و قطعات فلزی در دماها، زمان ها و سرعت های معین جهت تغییر ریزساختار و دستیابی به خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مورد نظر اطلاق می شود. اگرچه معمولاً این فرایند به صورت جداگانه در کوره یا به وسیله ی سایر ابزارهای حرارت دهی مثل کویل ها یا مشعل ها انجام می گیرد، اما در فرایندهایی مثل شکل دهی گرم، جوشکاری و بریزینگ با توجه به افزایش دما، عملیات حرارتی نیز خود به خود صورت می پذیرد.

نتیجه نهایی عملیات حرارتی به عواملی از جمله ترکیب شیمیایی، شکل، ابعاد، اندازه، سوابق ساخت و عملیات حرارتی قبلی قطعه، سیکل انتخاب شده شامل دماها، زمان ها، نرخ گرمایش و سرمایش، سیال محیطی (هوا، گاز خنثی، خلاء و …) و نحوه انتقال حرارت، بستگی دارد که می بایستی به دقت کنترل شوند.

سیکل های عملیات حرارتی بر اساس دماهای بحرانی و در نظر گرفتن تاثیر عناصر آلیاژی در نمودارهای دو فازی و سه فازی و همچنین دیاگرام های دما-زمان-دگرگونی (TTT) و سردشدن پیوسته (CCT)  در آزمایش های مستمر به صورت تجربی، تعیین می شوند.

دسته بندی

انتخاب نوع عملیات حرارتی بستگی به فرایند طراحی متالورژی و هدف مورد نظر داشته و با توجه به مرحله ی ساخت و کاربرد قطعه تعیین می شود و گاه ترکیبی از عملیات های مختلف با ترتیب مشخص به کار می روند. انواع فرایندهای رایج عملیات حرارتی با رویکرد استفاده در صنایع فولاد به صورت کلی به شرح ذیل است:

آنیل کردن

آنیل کامل معمولا با افزایش دما به بالای دمای بحرانی و نگهداری به منظور انجام پدیده ی نفوذ و ایجاد فاز آستنیت در فولادها و سپس خنک کردن آرام در کوره انجام می پذیرد که نهایتاً فاز فریتی درشت دانه ایجاد شده که با توجه به نرمی و چقرمگی بالا، مناسب برای انجام فرایندهای شکل دهی سرد، برش، خمکاری و ماشینکاری می گردد. البته برخی آلیاژها با توجه به ترکیب شیمیایی، فارغ از نحوه ی سرد کردن، در دمای محیط به صورت مارتنزیتی یا آستنیتی خواهند بود و یا برخی آلیاژها با افزایش دما استحاله ی فریت به آستنیت را در دیاگرام فازی خود ندارند، لذا این تفاوت ها باید در عملیات حرارتی آن ها منظور گردد. لازم به ذکر است که در مورد بعضی از آلیاژها آنیل هم دما، آنیل کروی و همچنین آنیل فرایندی حین ساخت مقاطع اولیه فولاد در کارخانجات فولاد، انجام می گیرد که این فرایندها با نگه داری طولانی مدت در دمای بالا و بعضاً تغییرات دمایی سریع در محدوده ی بالای استحاله ی یوتکتوئیدی و یا کمی پایین تر از دمای دگرگونی انجام می پذیرد. خود فرایند کار گرم نیز با کنترل شرایط سرد کردن می تواند نوعی عملیات حرارتی تلقی شود. اما جهت اصلاح کشیدگی و جهت دار بودن دانه ها نیاز به عملیات حرارتی مجدد می باشد. عملیات آنیل کردن همچنین باعث تنش زدایی در قطعاتی می شود که فرایندهای کار سرد، ماشینکاری یا جوشکاری باعث افزایش دانسیته ی نابجایی ها یا تمرکز تنش در آن ها گردیده است.

همگن کردن

این عملیات در دماهای بسیار بالا (معمولاً 1000 تا 1200 درجه ی سانتی گراد برای فولادها) و زمان های طولانی جهت نفوذ گسترده ی اتم ها و حل شدن کلیه رسوبات و در نهایت همگن شدن ترکیب شیمیایی و یکنواختی ساختار انجام می گیرد. برخی قطعات ریخته گری با جدایش شدید عناصر آلیاژی و ساختار دندریتی را تنها از این راه می توان اصلاح نمود. در حالت معمول این قطعات آرام سرد می شوند تا از استحاله های پرتنش جلوگیری شود، اما در برخی حالات مثل فولادهای زنگ نزن آستنیتی قطعات سریع سرد می شوند تا از تشکیل مجدد رسوبات و کاربیدها جلوگیری شود.

نرماله کردن

این فرایند در فولادها به منظور ایجاد ساختار دانه ریز با فاز غالب پرلیت و از طریق افزایش دما تا حدود 50 درجه ی سانتی گراد بیشتر از دمای بحرانی بالایی (بالاتر از دمای آنیل)  و نگهداری جهت تکمیل استحاله ی فازی و تشکیل آستنیت، و سپس خنک کردن در هوا ایجاد می شود. طبیعی است که استحکام و سختی فولاد به صورت نسبی در مقایسه با حالت آنیل شده افزایش می یابد.

سختکاری و تمپر

سختکاری یا آبدهی یا کوئنچ-تمپر رایج ترین عملیات برای فولادهای کربن متوسط به بالا و همچنین اکثر فولادهای کم آلیاژ و فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی، در هنگام ساخت قطعات نهایی، می باشد. در این عملیات پس از افزایش دمای فولاد تا منطقه ی آستنیتی و فرصت دادن جهت کامل شدن استحاله، سرمایش سریع در محیط های مختلف مثل آب، روغن، نمک مذاب و برای قطعات با ضخامت کم حتی در هوا، انجام می گیرد. به علت بالا بودن نرخ سرد شدن، زمان برای استحاله ی نفوذی آستنیت به فریت-پرلیت کافی نبوده و لذا در اثر استحاله ی برشی، فاز ناپایدار مارتنزیت ایجاد می شود که سختی و استحکام بسیار بالا دارد. اما این فاز بسیار ترد و شکننده بوده و لذا عملیات تمپر با گرم کردن و نگهداری قطعات در دماهای پایین تر از استحاله ی یوتکتوئید و سپس سرد کردن آرام تا دمای محیط انجام می گیرد که از طریق آزاد شدن کربن فوق اشباع، حذف آستنیت باقیمانده و همچنین تنش گیری و آزاد شدن نابجایی ها و دو قلویی ها باعث اصلاح فازی و ایجاد مارتنزیت تمپر شده می گردد که نهایتاً باعث کاهش تردی و بهبود چقرمگی و ضربه پذیری می شود. لازم به ذکر است که فرایند کوئنچینگ می تواند باعث تغییر شکل، تاب برداشتن و ترک در قطعه شود که این مسائل باید با انتخاب سیکل و شرایط مناسب عملیات حرارتی و همچنین تعیین مرحله درست عملیات حرارتی در فرایند ساخت، گنترل گردند.

مارتمپرینگ

عملیات کوئنچینگ ناپیوسته شامل گرم کردن تا دمای آستنیته و سرد کردن سریع فولاد آستنیته شده تا بالای دمای شروع مارتنزیتی شدن و سپس نگه داری در این دما به مدت معین جهت هم دما شدن قطعه و در آخر سرد کردن در هوا می باشد. این عملیات برای استحاله یکنواخت سطح و مغز فولاد و تشکیل مارتنزیت با احتمال اعوجاج، ترک خوردگی و تنش پسماند حداقل استفاده می شود و برای مقاطع نازک مناسب می باشد.

آستمپرینگ

در این عملیات پس از گرم کردن فولاد و ایجاد ساختار آستنیتی، فولاد سریعاً تا بالای دمای مارتنزیتی شدن خنک می گردد و سپس به مدت زمان کافی در این دما نگهداری می گردد تا استحاله ی بینیتی کامل شده و پس از آن فولاد در هوا سرد می شود. این عملیات با توجه به فاز نهایی بینیت، بیشترین چقرمگی را در سختی معین ایجاد کرده و تنش های پسماند و خطر تاب برداشتن و ترک خوردگی نیز در آن بسیار کاهش می یابد.

سختکاری سطحی

این عملیات بر دو نوع است. در نوع بدون تغییر در ترکیب شیمیایی که مناسب برای فولادهای کربنی و آلیاژی با کربن متوسط یا بالا و همچنین فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی است، اساساً با فرایند القایی یا با شعله دمای سطح قطعه تا منطقه آستنیتی افزایش یافته و پس از تشکیل فاز آستنیت، سرمایش سریع منجر به تشکیل فاز مارتنزیت در سطح می شود. ضخامت این لایه پایین بوده و عدم تغییر قابل توجه در مغز قطعه می تواند باعث گردد که این قطعه از مزیت داشتن هم زمان مغز داکتیل مقاوم به ضربه و سطح سخت مقاوم به سایش برخوردار باشد. نوع دیگر این عملیات که با تغییر ترکیب شیمیایی همراه است، عملیات های کربوریزاسیون، نیتریداسیون و یا ترکیبی از آن ها هستند. عملیات کربوریزاسیون یا کربن دهی معمولا برای فولادهای کم کربن یا اصطلاحاً سمانته استفاده می شود که از طریق ایجاد اتم های کربن آزاد از واکنش های منبع جامد، مایع یا گازی در دمای آستنیته و نفوذ این اتم ها به سطح قطعه فولادی و سپس سرمایش سریع جهت ایجاد فاز مارتنزیت پرکربن انجام می شود. در فرایند نیتریداسیون از منبع گازی یا پلاسما جهت تولید و نفوذ اتم های نیتروژن استفاده شده و فرایند در دماهای زیر دمای یوتکتوئید و البته پایین تر از دمای تمپر قبلی، انجام می شود. نکته قابل توجه این است که این فرایند الزاماً نیاز به حضور عناصر آلیاژی نیتریدزا مثل آلومینیوم، وانادیم و کرم داشته تا با تشکیل نیتریدها فاز سخت و مقاوم به سایش در سطح ایجاد گردد. فرایند نیتریده کردن تغییر ابعادی قابل توجهی نداشته و ضخامت لایه سخت سطحی بسیار کمتر از روش های دیگر است، لذا عموماً به عنوان فرایند نهایی در ساخت قطعه در نظر گرفته می شود.

رسوب سختی

این عملیات دو مرحله ای بوده و نیازمند وجود عناصر آلیاژی خاصی مثل کرم، نیکل، تیتانیوم، آلومینیوم، مولیبدن، نایوبیم و مس می باشد. ابتدا از طریق عملیات انحلال دردماهای بسیار بالا کلیه رسوبات و کاربیدها در ساختار حل می گردند و فاز آستنیتی همگن ایجاد می گردد. سپس فولاد سریعاً تا دمای محیط سرد می گردد که فاز غالب در این حالت متاثر از ترکیب شیمیایی به صورت آستنیتی، نیمه آستنیتی و مارتنزیتی بوده و برای گریدهای مختلف متفاوت است. در مرحله بعد فولاد مجدداً و این بار تا دماهای کمتر (بین 400 تا 700 درجه ی سانتی گراد) گرم می گردد. به این ترتیب انرژی لازم برای نفوذ و ترسیب ذرات فاز دوم فراهم شده که اصطلاحاً به آن پیرسازی می گویند. زمان و دمای پیرسازی بسیار مهم است تا اولاً رسوبات به مقدار کافی و اندازه مناسب تشکیل گردند و ثانیاً از رشد بیش از اندازه ی آن ها جلوگیری شود. در نهایت قطعات تا دمای محیط سرد شده و وجود این رسوبات و کاربیدها در ساختار عامل اصلی استحکام بخشی می باشد.

تنش گیری

عملیات حرارتی تنش گیری جهت حذف تنش های باقیمانده ی ایجاد شده در فرایندهای ساخت مثل کارسرد، جوشکاری، ریخته گری و ماشینکاری اسفاده می شود. فولاد می تواند تا زیر دمای بحرانی (معمولاً کمتر از 600 درجه ی سانتی گراد) گرم شده و پس از نگه داری به مدت زمان مشخص به آرامی سرد می گردد. مکانیزم اصلی کاهش تنش های پسماند، بازیابی ساختار از طریق کاهش دانسیته نابجایی ها می باشد که جهت جلوگیری از اعوجاج و ترک خوردگی قطعه در حین استفاده یا عملیات بعدی بسیار مفید است.