فولادهای قابل عملیات حرارتی:

عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی فولاد که نام انگلیسی آن Heat Treatment می باشد در اصل به معنی گرم و سرد کردن کنترل شده در حالت جامد فلزات، سرامیک ها و آلیاژها، بدون ایجاد تغییر شکل در آنها، جهت رسیدن به خواص مطلوب فیزیکی و مکانیکی است. با وجود این که تغییرات به وجود آمده در عملیات حرارتی می تواند بر خواص فیزیکی و مکانیکی تاثیر گذار باشد، اما این تغییرات در شکل قطعات تغییری به وجود نمی آورند، این ویژگی موجب افزایش کاربرد فولادهای عملیات حرارتی در فرآیند های صنعتی گردیده است.

عملیات حرارتی از چه مزایایی برخوردار است؟

• تنش زدایی، تنش های ناشی از عملیات و فرآیند های تولید
• ریز کردن دانه بندی
• افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر روی سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به وجود آوردن مرکز نرم تر در داخل قطعه
• بهبود خواص فولاد به منظور اقتصادی کردن جایگزینی بعضی از انواع ارزان‌تر فولاد به جای انواع گران آن
• افزایش جذب انرژی ضربه فولاد
• بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار
•  بهبود خواص الکتریکی
• تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی

اصلی ترین فرآیندهای عملیات حرارتی

• آنیل کردن
• نرماله کردن
• کوئنچ
•  تمپرینگ
• آستمپرينگ و مارتمپرينگ

فرآیندهای عملیات حرارتی با توجه به دمایی که در آن انجام می شوند به دو دسته تقسیم می شوند، در ادامه‌ی مقاله با هرکدام از فرآیندهای بالا بیشتر آشنا خواهید شد.

انواع عملیات حرارتی بر اساس دما

1ـ حرارت دادن (گرم کردن) فلزات و آلياژهای فلزی تا دماهای بالاتر از دمای 723 درجه سانتی گراد:
اين عمليات حرارتی بيشتر در مورد فولادها و چدن ها به کار می رود و شامل عملیاتی چون سخت کردن (Quenching)، آنيل کامل (Full annealing)، نرماله کردن (Normalizing)، آستمپر کردن (Austempering) و مارتمپر کردن (Martempering) می باشد.

2ـ حرارت دادن (گرم کردن) فلزات وآلياژهای فلزی تا دمای کمتر از دماي 723 درجه سانتی گراد:
اين نوع عمليات حرارتی بيشتر در مورد فولادها به کار می رود و شامل عمليات حرارتی های کروی کردن (Spherodizing)، تنش زدايی(Stress relief) و آنیل (Process anneal) می باشد.

آنیل کردن
در علم مواد و متالورژی آنیل کردن (Annealing) فرآیندی است که طی آن خواصی چون سختی و شکل پذیری ماده دچار تغییر می‌گردد. به بیان دیگر گرم نمودن و نگهداری ماده در دمایی مناسب و زمانی معین به منظور سرد کردن را آنیل کردن می‌نامند. عملیات آنیل هم برای آلیاژهای آهنی و هم غیرآهنی از مفهوم و کاربرد گسترده‌ای برخوردار است.
این فرآیند اغلب با هدف نرم کردن انواع فولادها انجام می‌شود که در نهایت خواصی همچون قابلیت ماشین کاری، خواص الکتریکی، سردکاری، پایداری ابعاد آن و ساختار آلیاژ فولاد دچار تغییر نیز می‌گردد.
فرآیند آنیل کردن در چندین نوع با هدف و نتیجه متفاوت قابل انجام است، لازم به ذکر است در صورتی که از نوع آنیل حرفی به میان نیامده باشد منظور بازپخت کامل است.

نرماله کردن
فرآیند نرماله کردن فولاد به منظور یکنواخت نمودن و ریز شدن ساختار دانه های فولاد است. برای انجام این فرآیند ابتدا فولاد را حرارت داده و سپس آن را در دمای محیط قرار می دهند تا آزادانه و به آرامی سرد شود. دمای تعیین شده برای نرماله کردن حدودا 40 درجه سانتی گراد و بالاتر از دمای بحرانی می باشد.
اگر فرآیند با دمایی بیشتر از حد تعیین شده صورت بگیرد دانه های فولاد درشت تر شده، در نتیجه خواص فولاد نیز دچار تغییر خواهد شد.
نرماله کردن موجب یکنواختی ناهمواری ها و تخلل های داخلی فولاد می شود، به همین علت می تواند به عنوان مرحله آخر  و یا مقدمه ای برای عملیات های دیگر مورد استفاده قرار گیرد.

کوئنچ کردن
فرآیندی که طی آن فولاد از دمای سخت کاری یا آستنیته تا دمای محیط یا دمایی مشخص به سرعت سرد  می گردد، کوئنچ کردن نامیده می شود. این فرآیند با روش هایی همچون فرو بردن فولاد گرم شده در روغن – آب – آب نمک – هوای آرام و حمام نمک و محلول پلیمری انجام می گیرد.

تمپرینگ
با حرارت دادن فولاد به منظور ایجاد ریز ساختارها فاز آستنیت نیز تشکیل می گردد، در صورتی که فولاد به سرعت سرد شود آستنیت تحت فشار قرار گرفته و فاز مارتنزیت به وجود می آید که دارای ساختاری شکننده و ترد است.
به منظور بهبود شرایط فولاد جهت استفاده در صنعت آن را تا زیر دمای بحرانی حرارت می دهند تا انعطاف پذیری آن افزایش پیدا کند.

نکته: ( دمای بحرانی متناسب با گرید فولاد متفاوت است. )

آستمپرينگ و مارتمپرينگ چگونه انجام می شوند؟

به جز کوئنچ کردن از دو روش آستمپرینگ و مارتمپرینگ نیز برای سخت کردن فولادها استفاده می گردد.

آستمپرینگ

آستمپرینگ می تواند یک روش جایگزین مناسب و کاربردی برای کوئنچ کردن باشد. برای انجام روش آستمپرینگ باید چند مرحله انجام گیرد:

1. ابتدا باید فولاد را آستنیته نمود. درجه حرارت آستنیته فولادها اغلب بین  950_790 درجه سانتی گراد بوده و بسته به نوع فولاد متفاوت است.
2. قطعه را بلافاصله در حمام نمک مذاب تا مرز دمای شروع استحاله مارتنزيتی (Ms) فرو برده و سرد می کنند. (معمولای دمای حمام نمک 400_260 می باشد.)
3. تا زمانی که آستنیت به بینیت تبدیل گردد قطعه در این دما نگهداری می شود.
4. سرد نمودن قطعه در هوا تا رسیدن به دمای اتاق

اهداف عمليات حرارتی آستمپرينگ

هدف از به کارگيری روش آستمپرينگ به جای روش کوئنچ و تمپر عبارت است از:

1. افزايش استحکام به ضربه و انعطاف پذيری در يک سختی يکسان
2.  حذف و يا کاهش امکان ايجاد ترک، تغيير شکل، تاب برداشتن و يا ايجاد تنش های داخلي در ضمن عمليات حرارتی

عمليات حرارتي مارتمپرينگ شامل چند مرحله است؟

مارتمپرينگ يا سريع سرد کردن غير پيوسته که آن را مار کوئنچينگ نيز می نامند شامل مراحل زير است:

• آستنيته کردن فولاد
• سريع سرد کردن فولاد در روغن داغ ( 175 درجه سانتی گراد) تا دمايی درست بالاتر ( يا درست پايين تر) از دمای Ms. (معمولا 250_175  درجه سانتی گراد)
• نگه داشتن در محيط ياد شده تا اين که دمای تمام قطعه يکنواخت شود. اين زمان 2 تا 4 دقيقه براي هر  1mm ضخامت قطعه است.
• سرد کردن با سرعت متوسط (معمولا در هواي فشرده) به گونه ای که سطح و مرکز قطعه تقريباً همزمان سرد شده و به مارتنزيت تبديل شود.
• تمپر کردن قطعه به منظور افزايش چقرمگی.

ویدیوی زیر در راستای آشنایی بیشتر با عملیات حرارتی برای شما بزرگواران تهیه گردیده است، تماشای آن می تواند اطلاعات کامل تری را در اختیارتان قرار دهد.

کدام گریدها در گروه فولادهای عملیات حرارتی قرار دارند ؟

فولاد 1.7225: معروف به Mo40 یکی از معروفترین و پرکاربردترین فولادهای آلیاژی می باشد که برای ساخت قطعات با سطح مقطع متوسط و نسبتاً بزرگ در صنایع مختلف از جمله خودرو سازی و ماشین سازی مانند میل لنگ, شاتون, چرخ دنده های واسط و همچنین اسپیندل غلطک های صنایع فولاد و سیمان و پیچ های مقاوم و … مورد استفاده قرار می گیرد.

فولاد 1.7218: فولاد 1.7218 که در خانواده فولادهای قابل عملیات حرارتی قرار گرفته، سختی پذیری نسبتا خوب، مقاومت سایشی متوسط و استحکام متوسط رو به پایین دارد.

فولاد 1.6582:   این فولاد، دارای استحکام بالا، مقاومت سایشی خوب، وسختی پذیری عالی می باشد.

فولاد CK55:  فولاد 1.1203 که در خانواده فولاد قابل عملیات حرارتی قرار دارد مناسب برای استفاده در فنرها، فنر های قابل عملیات حرارتی، شفت های قابل سخت کردن سطحی می باشد.

فولاد CK45: نام دیگر آن فولاد 1.1191 بوده که دارای استحکام خوب، مقاومت در برابر ضربه و اصطکاک می باشد.

فولاد 1.7254: 1.7254  یکی دیگر از فولادهای عملیات حرارتی است که سختی پذیری نسبتا خوب، مقاومت سایشی متوسط و استحکام متوسط را دارا می باشد.

فولاد 1.7228:  گرید 1.7228 یک فولاد قابل عملیات حرارتی به شمار آمده که از مقاومت سایشی متوسط رو به بالا، سختی پذیری و استحکام خوب برخوردار می باشد.