عملیات حرارتی فولادها

[ghasem motamedi]

عملیات حرارتی بر روی فولادها

تغییر فازها در فولادها به هنگام گرم کردن
پیش از گرم کردن ساختار میکروسکوپی فولاد شامل فریت و پرلیت و کاربیدها است . با حرارت دادن تا رسیدن به دمای بحرانی تغییر فاز با جوانی زنی آستنیت آغاز می شود . با افزایش دما ، فریت و سمانتیت درون آستنیت حل می شوند . پس از حل شدن کار بیدها فاز آستنیت همگن به دست می آید . فرایند آستنینی شدن در دمای بالای به سرعت انجام می گیرد . برای فولادهای هیپریوتکتوئید و هیپویوتکتوئید باید دما را بیشتر افزایش دهیم .


تغییر شکل آستنیت به هنگام سرد کردن :
اگر فولاد با زمینه آستنیت همگن را به آرامی خنک کنیم فازهای فریت ، پرلیت و سمانتیت تشکیل می شود . در صورت افزایش آهنگ خنک کاری به باینیت و مارتنزیت می رسیم .
در فولادیوتکتوئیدی تغییر شکل آستنیت به پرلیت هنگامی است که دمای آستنیت کمتر از دمای بحرانی شود و آهنگ خنک کاری آهسته باشد . در فولادهای هیپریوتکتوئیدی و هیپویوتکتوئیدی ، بین دماهای بحرانی فوقانی و تحتانی ، فریت یا سمانتیت تشکیل می شود .
اگر سرعت خنک کاری فولاد را زیاد کنیم ( بالاتر از خنک کاری بحرانی ) مستقیماً فاز مارتنزیت تشکیل می شود که سخت و مستحکم است.

روش های عملیات حـرارتی

Eتابکاری ( Annealing ):گرم کردن تا فاز آستینی و قطع منبع حرارتی کوره به منظورخنک کاری آرام. اهداف:
۱- کاهش سختی
۲- آزاد کردن تنش های پسماند
۳- بهبود قابلیت ماشینکاری
۴- آماده سازی برای سردکاری با حفظ چکش خواری
علت نرم شدن فولاد خنک کاری آرام پیدایش کار بیدهای کروی و پرلیت ورقه ای درشت ( تابکاری = نرم کننده )
با افزایش درصد کربن و عناصر آلیاژی می توان سختی را افزایش داد .
کاربردها :
۱- بهبود ساختار دندریتی و ترکیب غیر یکنواخت فولادهای ریخته گری شده . همچنین همگن کردن ساختارهای حفره دار
۲- بهبود ساختمان دانه ای اعوجاجی و طویل شده حاصل از سردکاری ، با تشکیل مجدد بلورها . ( آزادسازی تنش پسماند)
۳- نرم کردن محصول و بهتر شدن خاصیت ماشینکاری به واسطه :
الف) حضور ورقه های درشت پرلیت ( فولاد کربن متوسط ) تابکاری کامل
ب) کروی شدن سمانتیت ( فولاد پر کربن ) تابکاری کروی
E نرمال سازی : گرم کردن تا فاز آستنیتی و خنک کردن در هوای بدون جریان . اهداف نرمال سازی :


۱ - ساختمان دانه درشت ناشی از نوردو آهنگری
۲- تصحیح ساختمان شجری حاصل از ریخته گری و کاهش جدایش ذرات به وسیله همگن کردن ساختار میکروسکوپی
۳- بهبوده قابلیت ماشینکاری کم کربن




خواص فولاد پس از نرمال سازی :
به علت آهنگ سریع تر خنک کاری نسبت به تابکاری تغییر شکل آستنیت در دمای پایین تری صورت می گیرد و دانه های پرلیت ریزتر می شوند .
سختی و استحکام بالاتر نسبت به تابکاری به علت :
۱- مقدار بیشتر پرلیت
۲- کوچکی مجموعه های فازهای مجزای پرلیت و فریت
۳- کاهش فضای بین ورقه های پرلیت


E کوئنچ : سرد کردن سریع فولاد از فاز آستنیتی با فرو بردن فولاد در حمام مایع . هدف از کوئنچ دستیابی به سختی ، استحکام و مقاومت در برابر سایش مناسب است ( که به علت تشکیل فاز نیمه پایدار مارتزیت است )


Eتمپر : به علت تنش های داخلی ایجاد شده در ضمن خنک کاری سریع تقریباً تمام قطعات سخت شده ، ترد و شکننده اند . تمپر عبارت است از حرارت دادن فولاد سخت شده تا دمای زیر دمای Ae1 ، نگه داشتن برای مدت زمان مشخص و سپس سرد کردن آهسته تا دمای اتاق . در اثر تمپر تنش های داخلی کاهش یافته و یا حذف می شوند . بنابراین استحکام ضربه ای افزایش می یابد .
عملیات های اصلاحی
E کروی کردن : کروی کردن پرلیت در فولاد ها جهت دست یابی به انعطاف پذیری بالا و ماشینکاری مناسب . با این عملیات سمانتیت کروی – که آلیاژی فریتی پرلیتی یا پرلیتی است – در زمینه فریت در فولاد به وجود می آید که پایدار ترین فاز موجود در فولادهای ساده کربنی است .
E همگن کردن : سرد کردن غیر تعادلی حین انجماد و عدم نفوذ کامل عناصر آلیاژی باعث ایجاد ساختار غیر یکنواخت و دندویتی در قطعات ریختگی می شوند که خواص مکانیکی فولاد از جمله کار گرم و کار سرد را کاهش می دهد . پس با نگهداری فولاد در تا و خنک کردن آرام خواص مکانیکی فولاد را بهبود می بخشیم .
E بازیابی و تبلور مجدد : پس از انجام عملیات های مکانیکی ، به علت ایجاد عیوب کریستالی ، سختی افزایش و ضربه پذیری کاهش می یابد ( کار سختی )
E در اثر کار مکانیکی انرژی داخلی افزایش یافته شکل دانه کشیده از نظر ترمودینامیکی ناپایدار پس با حرارت دادن قطعه تا دمای مشخص و نگهداری در این دما و خنک کاری آرام این مشکلات را از بین می بریم .
مقدار درجه حرارت و زمان در تبلور مجدد با هم رابطه عکس دارند .

نمودار زمان – دما – تغییر شکل ( TTT )

این نمودار نشان دهنده تغییر شکل آستنیت به فازهای مختلف با تغییرات دما و زمان است . مهمترین بخش نمودار دماغه آن است که منحنی را به دو بخش تقسیم می کند . خط بالائی دماغه آغاز تغییر شکل آستنیت به پرلیت است و خط پایین دماغه پایان تغییر شکل آستنیت به پرلیت را نمایش می دهد .






بخش زیر دماغه در محدوده تا نمایش دهنده تغییر شکل آستنیت به باینیت است که هنگامی تشکیل می شود که فولاد به سرعت به دمای زیر دماغه منتقل شده و به مدت کافی در این دما نگه داشته شود .
پایین ترین بخش نمودار ، تغییر شکل آستنیت به مارتنزیت را نمایش می دهد که با خنک کاری سریع فولاد به آن می رسیم .

سخت سازی سطحی

برای دستیابی به قطعاتی با مغز نرم و سطح سخت از این روش کمک می گیریم .
کربوراسیون : فولادهای کم کربن توانائی سخت شدن به روش کربن دهی را دارند ( c%15/0 ) فولاد را در دمای و در یک اتمسفر حاوی کربن (زغال ) نگهداری می کنیم تا اتم های کربن جذب سطح فولاد شوند . برای تکمیل عملیات کربن دهی فولاد را کوئنچ می کنیم.
کربن دهی به سه روش انجام می شود :
۱) کربن دهی پودری : قطعات در پودر زغال چوب حاوی کاتالیزورهای کربنات کلسیم و کربنات باریم قرار می گیردند .
۲) کربن دهی مایع : پس از حررات دادن فولاد در و نگهداری آن در این دما ، به مدت ۵ تا ۶۰ دقیقه آنرا در حمام مایع قرار می دهیم . ترکیب شیمیائی حمام مایع %۵۰ تا %۲۰ نمک سیانیدسدیم CNNa ، %۴۵ کربنات سدیم و مابقی کلرید سدیم یا کلرید باریم .
۳) کربن دهی گازی : اقتصادی ترین روش کربن دهی استفاده از متان ، اتان یا پروپان می باشد که با یک گاز حامل ( نیتروژن ، هیدروژن و منوکسید کربن ) وارد محفظه می شود .
نیتراسیون : فولادهایی با عناصر آلیاژی نظیر کرم ، مولیبیدن ، وانادیم و آلومینیوم در صورتیکه دراتمسفر حاوی نیتروژن قرار گیرند به محض تماس با نیتروژن ، عناصر آلیاژی تشکیل یک لایه نیتریدی را در سطح می دهند که باعث می شود سطح سخت شود .




نیترو کربوراسیون : استفاده از منوکسید کربن و آمونیاک در اتمسفر کوره . این عملیات در درجه حرارت انجام می شود .
سخت کاری شعله ای : سطح قطعه به کمک شعله آستنیتی شده و سپس با پاشش آب سریعاً سرد می شود . گاز مورد استفاده برای شعله استیلن ، پروپان یا گاز طبیعی است . از معایب این روش اکسایش سطح و کاهش درصد کربن سطوح می باشد .








می توان برای حرارت دادن سطح از ایجاد میدان القایی کمک گرفت که به روش سخت کاری القایی معروف است .

محیط های خنک کننده

الف ) آب : اقتصادی – در دسترس – با افزایش درصد %۱۰ نمک طعام و کربنات در سود ( جوش شیرین – سودا ) قدرت خنک کنندگی آن تا می رسد .
ب ) روغن : قدرت خنک کنندگی کمتر از آب – مورد استفاده برای فولادهای آلیاژی ، به خصوص قطعات نازک
ج ) هوا : مورد استفاده برای فولادهای کم آلیاژ و فولادهای پر آلیاژی ضخیم
د ) حمام نمک : نیترات پتاسیم و نیترات سدیم قدرت خنک کنندگی مدت نگهداری ۲ تا ۴ دقیقه به ازای هر سانتی متر ضخامت .


Eحمام نمک فاقد لایه بخار است خنک کنندگی یکنواخت

انواع عملیات حـرارتی چدن

۱) تنش زدایی : نگهداری به مدت چند ساعت در دمای تا از بین رفتن تنش های پسماند حاصل از خنک کاری غیر یکنواخت
۲) تابکاری : قرار گرفتن در دمای تا و خنک کاری آرام تبدیل سمانتیت به فریت و گرافیت بهبود قابلیت ماشینکاری
۳) کوئنچ : گرم کردن تا دمای بالاتر از دمای بحرانی و خنک کاری سریع در روغن تشکیل مازتزیت افزایش سختی و مقاومت در برابر سایش
۴) تمپر : گرم کردن تا و نگهداری در این دما بازیابی چقرمگی و چکش خواری پس از عملیات کوئنچ

عملیات حـرارتی آلومینیوم

در فولادها به روش کوئنچ و تمپر سخت سازی صورت می گیرد . اما در آلومینیوم به علت وجود رسوبات غیر یکنواخت در ساختار قطعه ، ابتدا باید قطعه را در دمای بالا نگهداری کنیم تا رسوبات حل شوند . سپس آن را سریعاً در آب کوئنچ می کنیم ( محیط کوئنچ در آلومینیوم فقط آب است ) در این مرحله که انحلال نام دارد دیگر رسوبی در قطعه نداریم .
در مرحله بعد ( پیرسازی ) دمای قطعه را کمی بالا می بریم تا فرصت تشکیل رسوب یکنواخت به قطعه داده شود . در گروه های ۴xxx,2xxx پس از انحلال ، در مدت زمان ۷۲ ساعت بدون افزایش دما قطعه پیرسازی می شود . ( دمای ) پس پیرسازی به دو دسته عملیاتی و خود به خودی تقسیم بندی می شود .
توجه : حساسیت آلومینیوم در عملیات حرارتی بسیار بالاتر از فولاد است . دامنه تغییرات دما در فولاد و در آلومینیوم می باشد.