عملیات‌ حرارتی یکی از مرسوم ترین روش‌هایی است که به وسیله آن می‌توان خواص فلزات و فولاد را از طریق اصلاح ریز ساختار بهبود بخشید. در ادامه این مطلوب کوشیده ایم تا این فرآیند را دقیق تر بررسی نماییم.

عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی به صورت کلی عبارت است از فرآیند گرم و سردکردن انواع فلزات، فولادها و آلیاژها در جهت رسیدن به خواص مکانیکی و فیزیکی مطلوب. به عبارتی دیگر این فرایند جهت تغییر و بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و به ویژه متالورژیکی مواد انجام می‌پذیرد.

همچنبن قابل ذکر است عملیات حرارتی با هدف تنش زدایی، یکنواخت کردن و ریز کردن دانه‌ها، ایجاد لایه‌های سخت سطحی به منظور بهبود مقاومت به سایش، افزایش استحکام و چقرمگی، بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار و تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی بر روی فلزات علی الخصوص فولادها انجام می‌گردد.

یکی از روش‌هایی که می‌توان فولادهایی با ویِژگی‌های  مختلف و همچنین خواص مطلوب بدست آورد، همان تبدیل ساختمان کریستالی آهن در محدوده دمایی مختلف با تغییر درجه حرارت است که به وسیله انواع فرایندهای عملیات حرارتی امکان پذیر می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند تا حد زیادي تحت تاثیر کربن قرار بگیرد. براي مثال سختی و استحکام در فولادهاي سریع سرد شده (آب داده شده-کوئنچ شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.

از رایج ترین فرآیندهای عملیات حرارتی که بر روی فولادها و فلزات انجام می‌شود می توان به موارد زیر اشاره نمود:

انواع عملیات حرارتی | انواع عملیات حرارتی فولاد

انواع عملیات حرارتی که بر روی فولادها و فلزات انجام می‌گردد عبارت اند از:

 عملیات حرارتی سخت کاری سطحی

سخت کاری سطحی به روش های نفوذی: فرآیندی است که در آن لایه ای از سطح یا قسمتی مشخص از فولاد نسبت به مغز سختی بالاتری پیدا می کند. ترکیب شیمیایی لایه سطح در طول عملیات حرارتی سخت کاری سطحی با اضافه کردن کربن، نیتروژن یا هردو تغییر می کند. از جمله روش های سخت کاری نفوذی می توان به فرآیندهای کربوراسیون، نیتراسیون و کربونیتراسیون اشاره نمود.

سخت کاری با روش های اعمال انرژی: به این صورت است که در این روش سطح فولاد بدون تغییر ترکیب شیمیایی در سطح سخت می‌گردد. اگر فولاد به اندازه کافی کربن جهت انجام عملیات سخت کاری سطحی داشته باشد می‌توان با حرارت دادن و سریع سرد کردن به سختی سطحی برسد. این عملیات را به دو روش القایی و شعله ای می توان انجام داد.

جهت مطالعه بیشتر در رابطه با فرآیند سختکاری سطحی فولاد بر روی لینک زیر کلیک نمایید.

سختکاری سطحی

انواع عملیات حرارتی آنیل

به هرنوع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری با سختی کم و انعطاف پذیری زیاد شود، آنیل گفته می‌شود. عملیات حرارتی آنیل بر اساس دمای عملیات، روش سردکردن، ساختار و خواص نهایی به دو روش آنیل کامل و آنیل هم دما تقسیم می‌شود.

عملیات آنیل کامل

 عملیات حرارتی آنیل کامل عبارت است از فرآیند ایجاد انعطاف پذیری با حرارت دادن فولاد در دمای بالاتر از دمای استحاله AC3. در این فرآیند قطعه را بعد از نگه داری در مدت زمان مشخص در دمای یاد شده، به آرامی در کوره تا دمای زیر دمای تغییر استحاله Ar1 خنک می‌کنند. از آنجایی که دمای استحاله به میزان کربن بستگی دارد، فولادهای پرکربن را می‌توان در دماهای پایین تر از فولاد کم کربن، آنیل کامل انجام داد. در شکل زیر می‌توان دمای استحاله  را برروی دیاگرام آهن-کربن مشاهده نمود.

محدوده دمایی عملیات حرارتی آنیل

محدوده دمایی عملیات حرارتی آنیل

فرآیند آنیل هم دما

فرآیند  آنیل هم دما  که با نام آنیل تنش زدایی هم شناخته می‌شود، معمولا برروی فولادهای کم کربن کار سرد شده انجام می‌پذیرد.  برای آنیل هم دما در فولاد کار سرد شده این نوع فولاد تا دمای نزدیک و زیر خط AC1 حرارت داده می‌شود و سپس با نرخ عادی خنک می‌گردد. این نوع از عملیات آنیل می‌تواند منجر به تبلور مجدد و نرم شدگی ساختار فریت شود و معمولا برروی ساختار پرلیت اثر نمی‌گذارد.

فرآیند کروی کردن

 عملیات حرارتی کروی کردن فرایندی است که در جهت رسیدن به ساختار کروی کاربیدها در زمینه فریت انجام می‌گردد. در این عملیات، فولاد تا  زیر دمای AC1  به مدت کافی جهت کروی شدن نگه داشته می‌شود و سپس تا دمای اتاق در هوا خنک می‌گردد. این عملیات جهت بهبود ماشینکاری و یا عملیات کار سرد کشش سیم فولادهای پرکربن انجام می‌شود.

عملیات همگن سازی

ساختار فولادها بعد از ریخته گری به صورت شاخه‌ای و جدایش موضعی و  همچنین نایکنواخت در ترکیب شیمیایی است. این ساختار در نتیجه سریع سرد شدن و انجماد سریع و عدم نفوذ کامل عناصرآلیاژی می‌باشد، که باعث افت خواص مکانیکی فولاد از جمله قابلیت کارگرم و کارسرد می‌شود که این ساختارها امکان عملیات حرارتی مطلوب را سلب می‌کنند. از این رو ساختار و ترکیب شیمیایی فولادهای ریخته گری شده باید به کمک عملیات حرارتی مناسب، همگن و یکنواخت شوند.

به این منظور قطعه‌های مورد نظر را تا دماهای حدودا بالا برای مدت زمان کافی (بسته به ابعاد و ترکیب شیمیایی قطعه) حرارت می‌دهند و سپس تا دمای اتاق به آهستگی سرد می‌کنند. این عملیات به همگن سازی و یا آنیل نفوذی مرسوم است. فازهای ثانویه مانند کاربیدهای رسوب یافته به هنگام انجماد در آستنیت حل می گردند و به صورت محلول در می‌آیند.

نرماله کردن فولاد

نرماله کردن یکی دیگر از انواع عملیات حرارتی می‌باشد که ریزساختار حاصل پس از این عملیات، مشابه آنیل به صورت فریت-پرلیت و یا پرلیت-سمنتیت خواهد بود. در این عملیات فولاد در دمای بالاتر از AC3 یا ACcm حرارت داده می‌شود و سپس در هوا خنک می‌گردد.

هدف از این عملیات از بین بردن هر گونه عملیات قبلی است ( مانند درشت دانه شدن ناشی از عملیات فورج گرم( و در جهت به دست آوردن ساختار همگن آستنیت با حرارت دادن مجدد و یا آنیل کامل انجام می‌پذیرد. ساختار نهایی بعد از عملیات نرماله شامل پرلیت و فریت یا سمنتیت متناسب با نوع ترکیب شیمیایی می‌باشد.

از مهمترین مزایای  عملیات حرارتی نرماله کردن، می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1 .افزایش انعطاف پذیري

2 .یکنواخت کردن ریز ساختار

3 .ریز کردن دانه‌ها

4 .افزایش قابلیت ماشینکاري

5 .یکنواخت کردن بیشتر عناصر آلیاژي

عملیات کوئنچ و یا آب دادن فولاد

عملیات کوئنچ کردن که در اصطلاح سنتی با نام آب دادن هم شناخته می‌شود، عبارت است از  سرد کردن سریع فولاد از دماي سختکاري (آستنیته شدن) تا دماي محیط یا دماهای خاص دیگر. عملیات کوئنچ در فولادهای زنگ نزن و پرآلیاژ به منظور به حداقل رساندن میزان کاربید‌های مرزدانه‌‌ها و حل کردن آنها انجام می‌پذیرد.

قابل ذکر است کوئنچ کردن را می‌توان به روشهاي مختلفی انجام داد، مثلا فرو بردن فولاد حرارت دیده در روغن، آب، آب نمک، هواي آرام و حمام نمک که محیط خنک کننده بستگی به نوع فولاد و خواص مورد انتظار دارد.

کوئنچ کردن فولادهاي ابزار و قالب، حساس‌ترین مرحله در عملیات حرارتی آن‌ها محسوب میشود. به این دلیل که سختی و خواص فولاد در فرآیند کوئنچ (quench) پدیدار خواهد شد. قابل ذکر است سرعت سرد کردن فولادهاي ابزار به هنگام کوئنچ، به میزان عناصر آلیاژي مربوط است که می‌توان این سرعت را با انتخاب محیط کوئنچ یعنی آب، روغن یا هوا کنترل نمود.