کوره‌ خلا یکی از کوره‌های عملیات حرارتی می‌باشد که انواع عملیات حرارتی تحت خلا به وسیله آن انجام می‌گردد. در این مقاله به چیستی، کاربرد، مزایا، معایب و انواع آن‌ها اشاره شده است.

کوره خلا چیست؟

کوره خلا، کوره‌ای است که برای عملیات حرارتی فلزات استفاده می‌شود میزات خلا، سیکل عملیات، نحوه کردن، متناسب با فرآیند و نوع آلیاژ، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوع کوره‌ها، خلاء جایگزین گازهای محافظ در طول عملیات حرارتی می‌گردد. تجهیزات کوره خلا جهت عملیات حرارتی به صورت گسترده در سایز، شکل و شیوه بارگذاری می‌تواند متفاوت باشد.

از کوره های خلاء می‌توان جهت انجام عملیات‌های بریزینگ، زینترینگ، سخت‌کاری و آنیلینگ استفاده نمود. برای انجام عملیات حرارتی نیتراسیون و کربوراسیون   نیز می‌توان از کوره‌های خلاء استفاده نمود. کوره های خلاء از چند ناحیه تشکیل شده‌اند که شامل نواحی تزریق، پیش گرمایش، فرآیند دما بالا و خنک کاری با گاز و یا مایع می‌شوند. از دیگر ویژگی‌های کوره‌های خلاء می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

  • از واکنش‌ سطح‌ مانند اکسیداسیون یا دکربوره شدن جلوگیری می‌کنند
  • موجب حذف آلاینده های اکسیدی و آثار باقی مانده از روانسازهای ناشی از فرآیند ساخت خواهند شد
  • حذف گازهای ناخالص از فلزات که می‌توانند اثر مخرب داشته باشند( به عنوان مثال حذف H2 از تیتانیم)
  • حذف اکسیژن نفوذ کرده به سطح فلز
  • اتصال فلزات با عملیات نفوذ یا بریزینگ

طراحی کوره خلا | انواع کوره خلا

کوره‌های خلا مطابق با موقعیت، حرارت دهی و اجزای عایق دسته بندی می‌شوند. اگرچه کوره‌‌های اتمسفر معمولی را می‌توان برای عملیات حرارتی خلاء با افزودن یک محفظه خلاء متصل به یک سیستم پمپاژ مناسب، تطبیق داد، اما با این حال دو نوع مجزا کوره خلاء وجود دارد. کوره خلا دیوار گرم (بدون جریان آب برروی دیواره) و کوره خلا دیوار سرد (دیواره حاوی سیستم آبگرد)

هر سیستم کوره خلاء جدا از نوع طراحی دیوار گرم یا سرد ملزوماتی دارند که عبارت اند از:

  • المنت‌های کنترل دما
  • محفظه مناسب خلاء
  • سیستم پمپ خلاء
  • مانیتور جهت پایش و کنترل ‌داده‌های بحرانی

همچنین کوره‌های خلاء را می‌توان در یکی از سه طرح اصلی ذیل نیز دسته بندی نمود:

  • کوره‌های شارژ شونده از بالا (Top-loading, or pit, furnaces)
  • کوره‌های شارژ شونده از پایین (Bottom-loading, or bell, furnaces)
  • کوره‌های شارژ شونده افقی یا محفظه‌ای (Horizontal-loading, or box, furnaces)

طرح کوره‌ها را می‌توان با تغییر طول محفظه یا با افزودن درهای داخلی، فن‌های تهویه، سیستم‌های گاز چرخشی و یا سیستم‌های خنک کننده داخلی تغییر داد.

همچنین قابل ذکر است کوره های تولید شده ممکن است به صورت تک محفظه، چند محفظه یا واحد های نیمه پیوسته باشد.

کوره خلا دیوار داغ

کوره‌های دیوار داغ اولین نوع کوره‌های طراحی شده بودند. کل مخزن خلاء توسط المنت‌های گرمایشی نصب شده در ساختار دیوار داغ، گرم می‌شود. به وسیله گرما، مواد عایق در کوره، مشابه مواد مورد استفاده در کوره‌های عملیات حرارتی الکتریکی گرم خواهند شد. کاربرد این دسته از کوره‌ها به دلیل نرخ پایین سرد و گرم شدن محدود است. این کوره‌ها محدود به دمایی زیر 980 درجه سانتیگراد با محفظه متوسط محدود هستند.

اصلاح پمپ در کوره دیوار داغ امکان ساخت مخازن بزرگتر و استفاده از دمای عملیاتی نزدیک به 1150 درجه سانتیگراد را فراهم می‌کند.

این کوره‌ها معمولا به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:

  • Bell-Type
  • Pit-Type
  • Horizontal and vertical two-zone

کوره خلا دیوار سرد

در این کوره‌ها محفظه خلاء با آب خنک شده و دمای محیط باقی خواهد ماند و از طرفی محفظه داغ آن توسط ساختار حرارت دهی تشعشعی و سیستم عایق حرارتی حفظ خواهد شد. از خلاء به عنوان:

  • جایگزینی برای اتمسفر معمولی عملیات حرارتی برای محافظت از شارژ کوره
  • ایجاد یک محیط عایق در کوره (زیرا هدایت حرارتی خلاء اساساً صفر است)
  • یک پوشش محافظ موثر دورتادور المنت‌ها و پوشش‌های حرارتی

کوره‌های خلاء دیوار سرد را می‌توان به عنوان کوره‌های خلاء دسته‌ای (Batch) یا کوره‌های خلاء نیمه پیوسته طبقه بندی نمود.

کوره‌های خلاء دیوار سرد بر اساس نوع بارگذاری به سه نوع تقسیم می‌شوند:

  1. کوره‌های شارژ شونده از پایین
  2. کوره‌های شارژ شونده از بالا
  3. کوره‌های شارژ شونده به صورت افقی

مقایسه فرایند کوره خلاء و کوره اتمسفر

در اکثر فرآیندهای عملیات حرارتی، زمانی که فلزات تحت حرارت و عملیات  قرار می‌گیرند، با گازهای موجود در اتمسفر که حدودا شامل 21% اکسیژن، 77% ازت، ا% بخار آب و 1% درصد شامل مابقی گازها واکنش نشان می‌دهند. بدین ترتیب عملیات باید در حضور مقداری گاز یا مخلوط گازی غیر از هوای معمولی انجام بپذیرد. قابل ذکر است در دماهای مختلف، واکنش‌های متفاوتی ممکن است با اتمسفر کوره رخ دهد.

در اکثر کوره های اتمسفر، تغییر ترکیب اتمسفر با سرعت کافی به منظور کنترل بهینه ترکیب اتمسفر امکان پذیر نخواهد بود. اما کوره های خلاء به دلیل اینکه حاوی گازهایی با وزن کم هستند، امکان تعویض گاز را با سرعت بالا فراهم خواهند نمود.

تکنولوژی کوره خلاء ترکیبات وابسته به اتمسفر معمولی هوا را، در حین و قبل از عملیات حرارت دهی حذف خواهند نمود. تجزیه و تحلیل اتمسفر باقی مانده در یک کوره خلاء ضد نشتی در خلاء حدود 0.1 پاسکال (10-3 torr) نشان می‌دهد که کمتر از 0.1٪ از هوای اصلی باقی خواهد ماند. قابل ذکر است با یک سیستم پمپ خلاء مناسب می‌توان غلظت اکسیژن و بخار آب را به کمترین میزان رساند.

مزایا عملیات حرارتی با کوره خلا

  1. عدم وقوع تغییر ترکیب شیمیایی سطح: به عنوان مثال دکربوره شدن سطح در نتیجه ی تماس سطح با اکسیژن؛ تماس سطح با اکسیژن و وقوع اکسیداسیون سطحی سبب کاهش خواص سطحی فولاد خواهد شد. بنابراین کوره های تحت خلا امکان انجام عملیات حرارتی بر روی  قطعات را بدون آنکه سطح آن‌ها آلوده گردد فراهم می‌کند. چنانچه بر قطعات میزانی اکسید سطحی نشسته باشد، پس از تجربه فرایند رفت یا آستنیته در نتیجه ی خلا بالای درون کوره (تا ) ، اکسید سطحی احیا شده و سطح قطعه تمیزتر از  عملیات حرارتی خواهد شد.
  2. امکان ایجاد دما با دقت بسیار بالا؛ با توجه به حساسیت آلیاژهای مهندسی به دما و زمانِ سیکل عملیات حرارتی، این موضوع بسیار حائز اهمیت است و در صورت عدم توجه به این مساله با وقوع تغییرات متالورژیکی در نتیجه‌ی انتخاب دمای اشتباه، خواص نهایی مطلوب ایجاد نخواهد شد. درمواردی ایجاد 30 تا 50 درجه سانتی گراد اختلاف در دمای اجرایی با دمای برنامه ریزی شده، سبب تغییرات ریزساختاری ناخواسته خواهد شد که خود عاملی در تغییر خواص خواهد بود.

  3. -امکان کنترل دقیق نرخ گرمایش؛ با توجه به اینکه نرخ آهسته‌ی گرمایش امکان تنش‌زدایی قطعه  و همچنین همگن سازی دمای سطح و مغز قطعه را فراهم می‌کند، می‌تواند بر بهبود کیفیت عملیات حرارتی و نیز کمینه کردن مقدار تاب اثرگذار باشد
  4. امکان کنترل بسیار دقیق نرخ سرمایش؛ با توجه به اینکه تشکیل فاز مارتنزیت و کاربیدهای انتقالی حین کوئنچ وابسته به نرخ سرد کردن است، کیفیت سختکاری به شدت در گرو میزان کنترل نرخ سرمایش خواهد بود. از نگرانی‌های خدمات عملیات حرارتی می‌توان به ایجاد تابیدگی و یا ترک کوئنچی اشاره نمود که کوره‌های تحت خلا ریسک این دو عیب عملیات حرارتی را به حداقل رسانده است. کنترل نرخ سرمایش امکان انجام آستمپرینگ و مارتمپرینگ در فولادها را در کوره‌های خلا عملیات حرارتی مبتکران فراهم می‌کند و همین امر نیز منجر به کاهش تابیدگی به عنوان یکی از دغدغه های تولیدکنندگان و قالبسازان خواهد شد. همچنین کنترل این نرخ، احتمال شکستگی و یا ایجاد ترک حین کوئنچ را نیز به کمترین مقدار خود می‌رساند.
  5. همانطور که در موارد 2، 3 و 4 توضیح داده شد کوره‌های خلا امکان کنترل دقیق فرایند با ضریب اطمینان بالا را فراهم می‌کنند و این موضوع با قابلیت این کوره‌ها به گزارش‌دهی کمّی و دقیق از سیکل عملیات حرارتی میسر شده است.

  6. ایجاد کمینه مقدار تابیدگی؛ اعوجاج و تابیدگی قطعات می‌تواند در نتیجه‌ی “رهاسازی تنش‌های ماشینکاری و جوشکاری”، “وقوع استحاله‌های فازی”، “بالا بودن مدول قطعه که آیتمی وابسته به طراحی نامناسب قطعات” است و یا “وضعیت نامناسب قراردهی قطعات در کوره” و یا “جابجایی قطعات بین کوره آستنیته تا محیط کوئنچ” رخ بدهد که در کوره‌های خلا با  کنترل نرخ گرمایش  به منظور گرم کردن آهسته‌ی قطعات، تنش‌ها به آهستگی آزاد شده و با گرم شدن یکپارچه‌ی آن‌ها و نیز عدم نیاز به جابجایی قطعات حین کوئنچ، کمینه مقدار تابیدگی در قطعات و قالب‌ها ایجاد خواهد شد و در مجموع استفاده از این کوره‌ها روشی قابل اعتماد و مطمئن برای مدیریت موضوع اعوجاج و تابیدکی به عنوان یکی از عیوب لاینفک عملیات حرارتی است. در کوره‌های دو محفظه‌ای عملیات حرارتی مبتکران نیز با توجه به دقت اتوماسیون طراحی شده، جابجایی قطعات و قالب‌ها، کاملا تحت کنترل بوده و بسیار آهسته صورت می‌گیرد و امکان ایجاد تابیدگی در نتیجه ی انتقال قطعات از محفظه آستنیته به محفظه کوئنچ به حداقل خواهد رسید.