انواع روش های عملیات حرارتی فلزات

فلز، همان قدر که سخت و سرسخت به نظر می رسد، در برابر گرما و زمان، رام و شکل پذیر است. عملیات حرارتی هنرِ هدایتِ همین رام شدن است؛ هنری که در دلِ صنعت می نشیند و از یک قطعه ی ساده، چیزی می سازد که تابِ سایش، ضربه، فشار و خستگی را داشته باشد. این مقاله قرار نیست فهرستی خشک از نام ها باشد؛ می خواهد درک روشن و کاربردی بدهد، طوری که وقتی نام آنیل یا نیتراسیون را می شنوی، بدانی چه اتفاقی درون ساختار فلز می افتد و چرا صنعت به آن تکیه می کند.

عملیات حرارتی فولاد CK45 زمانی بیشترین بازده فنی و اقتصادی را دارد که انتخاب روش آنیل، نرماله یا سخت کاری متناسب با کاربرد قطعه انجام شود و هم زمان قیمت روز فولاد ck45 نیز در تصمیم گیری های تولید و مهندسی در نظر گرفته شود.

انواع روش های عملیات حرارتی فلزات

آنیل (Annealing)

آنیل را می توان بازگرداندن فلز به آرامش دانست. هدف اصلی آن نرم کردن، افزایش شکل پذیری، بهبود ماشین کاری، و کاهش تنش های داخلی است. آنیل معمولاً با گرم کردن تا محدوده ای مشخص، نگه داری، و سردکردن آهسته انجام می شود تا ساختار فرصت داشته باشد خودش را بازآرایی کند.

آنیل کامل
در آنیل کامل، فولاد تا دمایی بالاتر از محدوده ی بحرانی (برای بسیاری از فولادها، نزدیک به ناحیه ی آستنیتی) گرم می شود و سپس بسیار آهسته سرد می گردد. نتیجه معمولاً ساختاری نرم تر و یکنواخت تر است. این روش برای آماده سازی قطعه قبل از ماشین کاری یا شکل دهی شدید کاربرد زیادی دارد، به خصوص وقتی ساختار اولیه درشت یا نامنظم باشد.

آنیل همگن سازی
همگن سازی بیشتر برای قطعات ریخته گری یا آلیاژهایی به کار می رود که در آن ها ترکیب شیمیایی در مقیاس ریز یکنواخت نیست. در ریخته گری، جدایش آلیاژی طبیعی است؛ همگن سازی با نگه داری طولانی تر در دماهای مناسب، کمک می کند عناصر آلیاژی بهتر پخش شوند و رفتار قطعه در مراحل بعدی قابل پیش بینی تر شود.

آنیل تنش زدایی
گاهی قطعه سخت یا نرم بودنش مسئله ی اصلی نیست؛ مسئله تنش های پسماند ناشی از جوشکاری، ماشین کاری سنگین، یا شکل دهی سرد است. آنیل تنش زدایی دمای پایین تری دارد و هدفش این است که بدون تغییرات شدید ساختاری، تنش ها آرام شوند و خطر تاب برداشتن یا ترک خوردن در سرویس یا مراحل بعدی کاهش یابد.

نرماله کردن (Normalizing)

نرماله کردن شبیه آنیل است اما با یک تفاوت مهم: سردکردن معمولاً در هوا انجام می شود، نه با سرعت بسیار آهسته ی کوره. همین تفاوت ساده باعث می شود ساختار نهایی معمولاً ریزتر و در نتیجه، استحکام و سختی کمی بالاتر از آنیل به دست آید.

تفاوت نرماله با آنیل
اگر آنیل را نرم کردن با صبوری بدانیم، نرماله مرتب کردن با قاطعیت است. در نرماله، به دلیل سردشدن سریع تر، دانه ها کمتر فرصت رشد می کنند و ساختار ریزتر می شود. نتیجه معمولاً ترکیبی است از استحکام بهتر و شکل پذیری قابل قبول. آنیل بیشتر برای بیشینه کردن نرمی و ماشین کاری مناسب است، نرماله بیشتر برای دستیابی به ساختاری یکنواخت و نسبتاً مقاوم، پیش از عملیات های بعدی یا حتی سرویس.

کاربردهای نرماله کردن
نرماله در فولادهای کربنی و کم آلیاژ بسیار رایج است، مخصوصاً وقتی قطعه از ریخته گری یا فورج آمده و ساختار آن ناهمگون یا درشت دانه است. همچنین در بسیاری از خطوط تولید، نرماله کردن مرحله ای میانی است تا قطعه با ریزساختاری کنترل شده وارد سخت کاری یا فرآیندهای سطحی شود.

سخت کاری (Hardening)

سخت کاری معمولاً همان فرآیندی است که در ذهن بسیاری از افراد با عملیات حرارتی گره خورده است: گرم کردن تا تشکیل ساختار مناسب (برای فولاد، اغلب آستنیت)، سپس سردکردن سریع (کوئنچ) برای رسیدن به ساختار سخت (مثل مارتنزیت). اما سخت کاری اگر تنها بماند، اغلب بهای سنگینی دارد: شکنندگی.

اصول سخت کاری
در سخت کاری، کلید اصلی کنترل دما و سرعت سردشدن است. دمای بالا و نگه داری کافی باعث می شود ساختار اولیه به فاز هدف تبدیل شود؛ سپس کوئنچ با سرعت مناسب، مانع از تشکیل فازهای نرم تر می شود و ساختاری سخت ایجاد می کند. این سختی معمولاً با افزایش تنش های داخلی همراه است، چون تغییرات حجمی و فازی در زمان کوتاه رخ می دهد.

محیط های سردکننده در سخت کاری
انتخاب محیط سردکننده مثل انتخاب شدت ضربه است:

• آب: سردکنندگی شدید، سختی بالا، اما خطر ترک و تاب برداشتن بیشتر
• روغن: ملایم تر، ریسک کمتر، اما ممکن است برای برخی فولادها سختی کامل ندهد
• محلول های پلیمری: قابل تنظیم، کنترل پذیر، گزینه ای صنعتی برای کاهش اعوجاج
• هوا یا گاز (در برخی فولادهای خاص یا کوره های خلأ): کم اعوجاج و تمیز، اما نیازمند آلیاژ مناسب و تجهیزات پیشرفته

تمپرینگ یا برگشت دادن (Tempering)

اگر سخت کاری را تیغِ تیز بدانیم، تمپرینگ آن تیغ را قابل استفاده می کند. پس از سخت کاری، قطعه ممکن است آن قدر شکننده باشد که در ضربه ی کوچک یا حتی در تنش های داخلی خودش ترک بخورد. تمپرینگ با گرم کردن در دمای پایین تر و نگه داری، بخشی از تنش ها را آزاد می کند و چقرمگی را بالا می برد، در حالی که هنوز بخشی از سختی حفظ می شود.

هدف از تمپرینگ
هدف تمپرینگ ساختن تعادل است: کاهش شکنندگی، افزایش چقرمگی، بهبود پایداری ابعادی، و تنظیم سختی به عددی که برای کاربرد مناسب است. در بسیاری از قطعات صنعتی، سختی نهایی نه در سخت کاری، بلکه در تمپرینگ تنظیم می شود.

انواع تمپرینگ
تمپرینگ بسته به دما و زمان، نتایج متفاوتی می دهد. تمپرینگ در دماهای پایین معمولاً سختی را بیشتر حفظ می کند اما چقرمگی محدودتر است؛ دماهای بالاتر چقرمگی را بهتر می کنند اما سختی را بیشتر پایین می آورند. برخی صنایع از تمپرینگ چندمرحله ای یا تمپرینگ دوباره استفاده می کنند تا ساختار یکنواخت تر و پایدارتر شود.

کربوریزه کردن (Carburizing)

کربوریزه کردن یک فرآیند سطحی است که در آن کربن به سطح فولادهای کم کربن نفوذ داده می شود. نتیجه جذاب است: سطح سخت و مقاوم به سایش، در کنار مغزی که هنوز چقرمه و ضربه پذیر است. این دقیقاً همان ترکیبی است که برای چرخ دنده ها، شافت ها و قطعات انتقال قدرت ایده آل است.

فرآیند کربوریزه
در کربوریزه کردن، قطعه در دمای مشخص در محیطی غنی از کربن قرار می گیرد تا کربن به سطح نفوذ کند. پس از آن معمولاً سخت کاری انجام می شود تا لایه ی غنی شده به ساختار سخت تبدیل شود. عمق لایه ی کربوره شده تابع زمان، دما، و پتانسیل کربن محیط است؛ یعنی همان قدر که فرآیند جذاب است، دقیق هم هست.

مزایا و معایب کربوریزه کردن
مزایا:

• افزایش سختی و مقاومت سایشی سطح
• حفظ چقرمگی در مغز قطعه
• افزایش عمر قطعات در تماس و اصطکاک

معایب:

• امکان اعوجاج به علت دماهای بالا و کوئنچ پس از آن
• نیاز به کنترل دقیق برای جلوگیری از تردی سطح یا تشکیل ساختارهای نامطلوب
• زمان بر بودن در عمق دهی های زیاد

نیتراسیون (Nitriding)

نیتراسیون نیز سطح را دگرگون می کند، اما به جای کربن، نیتروژن را وارد میدان می کند. ویژگی مهم نیتراسیون این است که اغلب بدون نیاز به کوئنچ انجام می شود؛ بنابراین اعوجاج کمتر و پایداری ابعادی بیشتر به دست می آید. برای قطعات دقیق، این یک مزیت بزرگ است.

مکانیزم نیتراسیون
نیتروژن در دمای مناسب به سطح نفوذ می کند و با عناصر آلیاژی (مثل آلومینیوم، کروم، مولیبدن و وانادیوم) ترکیبات بسیار سختی تشکیل می دهد. این ترکیبات، لایه ای مقاوم در برابر سایش و خستگی سطحی می سازند. به همین دلیل، فولادهای نیتراسیون پذیر که عناصر مناسب دارند، در این فرآیند بهترین پاسخ را می دهند.

کاربردهای صنعتی نیتراسیون
نیتراسیون در جاهایی می درخشد که دقت و دوام هم زمان لازم است: قطعات قالب، میل لنگ، شافت های دقیق، قطعات هیدرولیک، و جاهایی که خستگی سطحی یا سایش مزمن مسئله ی اصلی است.

کربن نیتراسیون (Carbonitriding)

کربن نیتراسیون راهی میان کربوریزه و نیتراسیون است: هم کربن و هم نیتروژن وارد سطح می شوند. این فرآیند معمولاً در دمای پایین تر از کربوریزه انجام می شود و می تواند سختی سطحی خوبی با کنترل بهتر اعوجاج ایجاد کند، به خصوص برای قطعات کوچک تر یا با هندسه های حساس.

تفاوت با کربوریزه
در کربوریزه، تمرکز بر کربن و معمولاً دمای بالاتر است؛ در کربن نیتراسیون، حضور نیتروژن می تواند سختی سطح و پاسخ به سخت کاری را تغییر دهد و گاهی مقاومت به سایش و خستگی را بهبود دهد. همچنین بسیاری از خطوط صنعتی به کربن نیتراسیون علاقه دارند چون برای قطعات انبوه و کوچک، اقتصادی و کنترل پذیر است.

موارد استفاده
پیچ ها، پین ها، قطعات کوچک انتقال نیرو، اجزایی که باید سطح سخت داشته باشند اما نمی خواهیم مغز شکننده شود، و همچنین قطعاتی که زمان فرآیند و هزینه برایشان مهم است.

مقایسه روش های مختلف عملیات حرارتی

مقایسه از نظر سختی

اگر دنبال بیشینه ی سختی در کل حجم قطعه باشی، سخت کاری (با تمپرینگ مناسب) معمولاً گزینه ی اصلی است. اگر دنبال سختی سطحی با مغز چقرمه باشی، کربوریزه، نیتراسیون و کربن نیتراسیون جلوتر می آیند. آنیل و نرماله هدفشان معمولاً بیشینه کردن سختی نیست؛ آن ها بیشتر برای تنظیم ساختار و آماده سازی اند.

مقایسه از نظر استحکام و چقرمگی

چقرمگی، معمولاً قربانی سختی بی مهار است. ترکیب سخت کاری و تمپرینگ امکان تنظیم تعادل را می دهد. نرماله اغلب استحکام مناسبی با چقرمگی قابل قبول می دهد. فرآیندهای سطحی مثل کربوریزه و نیتراسیون، چون مغز را چقرمه نگه می دارند، برای قطعات تحت ضربه یا بارهای متناوب عالی اند. اگر شکست ترد برایت کابوس است، هیچ وقت فقط سخت را هدف نگیر؛ هوشمندانه سخت را هدف بگیر.

مقایسه از نظر کاربرد صنعتی

• آنیل: آماده سازی برای ماشین کاری، بهبود شکل پذیری، کاهش تنش
• نرماله: یکنواخت سازی ساختار، افزایش نسبی استحکام، آماده سازی برای مراحل بعد
• سخت کاری + تمپرینگ: قطعات باربر، ابزارها، قطعاتی که سختی حجمی لازم دارند
• کربوریزه: چرخ دنده، شافت، قطعات سایشی با نیاز به مغز چقرمه
• نیتراسیون: قطعات دقیق، قالب ها، اجزای مقاوم به خستگی سطحی با اعوجاج کم
• کربن نیتراسیون: قطعات کوچک انبوه، بهبود سایش و خواص سطحی با کنترل مناسب

کاربردهای عملیات حرارتی در صنایع مختلف

عملیات حرارتی در صنعت خودروسازی

خودرو از قطعاتی ساخته شده که دائماً میان سایش و ضربه و خستگی رفت وآمد می کنند. چرخ دنده ها و شافت ها معمولاً از فرآیندهای سطحی بهره می برند تا عمر سایشی بالا برود و مغز در برابر ضربه تاب بیاورد. میل لنگ ها، قطعات سیستم انتقال قدرت و برخی اجزای تعلیق نیز با عملیات های مناسب، پایداری و دوام پیدا می کنند.

عملیات حرارتی در صنایع هوافضا

در هوافضا، وزن و اعتماد دو فرمانروا هستند. قطعه باید سبک باشد اما شکست ناپذیر بماند. عملیات حرارتی برای آلیاژهای خاص (از فولادهای ویژه تا آلیاژهای تیتانیوم و نیکل) نقش حیاتی دارد و هدف اغلب افزایش استحکام همراه با کنترل دقیق ریزساختار و خستگی است. اینجا خطا بخشیده نمی شود؛ هر درجه و هر دقیقه اهمیت دارد.

عملیات حرارتی در ساخت ابزار و قالب

ابزارها باید سخت باشند تا لبه و سطحشان نماند، و در عین حال آن قدر شکننده نباشند که با اولین شوک ترک بردارند. به همین دلیل سخت کاری و تمپرینگ در ابزارسازی ستون اصلی است. نیتراسیون هم به ویژه برای قالب ها و سطوح کاری که سایش مهم ترین دشمن است، بسیار رایج است.

مزایا و معایب عملیات حرارتی

مزایای عملیات حرارتی

• افزایش عمر مفید قطعات با بهبود مقاومت سایشی و خستگی
• امکان تنظیم دقیق تعادل سختی، استحکام و چقرمگی
• بهبود قابلیت ماشین کاری یا شکل دهی در مراحل ساخت
• کاهش تنش های پسماند و کاهش ریسک ترک و اعوجاج در سرویس
• ایجاد خواص سطحی ویژه بدون قربانی کردن مغز قطعه

معایب و محدودیت ها

• احتمال اعوجاج و تغییر ابعادی، به خصوص در کوئنچ و قطعات پیچیده
• خطر ترک های حرارتی یا ساختاری در صورت انتخاب نادرست سیکل
• نیاز به تجهیزات، کنترل دقیق دما/زمان و گاهی اتمسفر محافظ
• هزینه ی انرژی و زمان فرآیند، مخصوصاً در عملیات های طولانی
• حساسیت به ترکیب شیمیایی و کیفیت مواد اولیه؛ هر فولادی هر روشی را خوش نمی پذیرد

سوالات متداول

عملیات حرارتی دقیقاً چه چیزی را در فلز تغییر می دهد؟
بیشتر از همه ریزساختار (فازها و اندازه ی دانه ها) و تنش های پسماند را تغییر می دهد و همین تغییرات، خواص مکانیکی مثل سختی، استحکام و چقرمگی را بالا و پایین می کند.

چرا بعد از سخت کاری معمولاً تمپرینگ انجام می شود؟
چون سخت کاری سختی بالایی می دهد اما شکنندگی و تنش داخلی را هم افزایش می دهد. تمپرینگ برای کم کردن شکنندگی و پایدارکردن خواص انجام می شود.

آنیل بهتر است یا نرماله؟
به هدف بستگی دارد. اگر نرمی، شکل پذیری و ماشین کاری بهتر می خواهی، آنیل مناسب تر است. اگر ساختار یکنواخت تر با استحکام کمی بالاتر می خواهی، نرماله انتخاب بهتری است.

کربوریزه و نیتراسیون چه تفاوتی دارند؟
کربوریزه با کربن سطح را غنی می کند و معمولاً نیاز به سخت کاری پس از آن دارد؛ نیتراسیون با نیتروژن لایه های سخت سطحی ایجاد می کند و اغلب بدون کوئنچ انجام می شود، بنابراین اعوجاج کمتری دارد.

چطور می شود اعوجاج در عملیات حرارتی را کم کرد؟
با انتخاب سیکل مناسب، کنترل نرخ گرم کردن و سردکردن، استفاده از محیط سردکننده ی مناسب، طراحی فیکسچر، و در برخی موارد انتخاب فرآیندهای سطحی کم اعوجاج مثل نیتراسیون.