از چه روشهای عملیات حرارتی در تولید فولاد استفاده می شود؟

فولاد یکی از مهم‌ترین آلیاژهایی است که در قرون اخیر مورد استفاده بشر قرار گرفته و امروزه به هر کجا که نگاه کنید ، می‌توانید نشانی از آن مشاهده نمایید. آشپزخانه، ماشین، ساختمان‌ها، پل‌ها، کارخانه‌جات و… از فولاد نهایت بهره و استفاده را می‌برند. شروع عصر فلزات و در ادامه آن آهنگری تحولات عظیمی در تولید انواع محصولات فلزی و پیشرفت صنعتی بوده است. امروزه با پیشرفت علم مواد، برای اینکه محصول ساخته‌شده از فولاد بالاترین سطح از کیفیت را داشته باشند، باید انواع روش‌های عملیات حرارتی روی آن‌ صورت بگیرد. پس آشنایی با اصول انجام عملیات حرارتی فولاد برای هر صنعت‌گری بسیار ضرورت دارد.

برای تولید محصولات فولادی باید با نحوه و اصول انجام عملیات حرارتی در فولاد آشنا باشید. برای اینکه بتوان نسبت به گرم و سرد کردن، کار سرد، سخت کردن و همچنین سایر تغییرات ساختاری و شیمیایی فولاد اقدام کرد، راه‌های بی‌شماری وجود دارند. تمامی این‌گونه تغییرات باید مطابق با هدفی که داریم، اعمال شوند. عملیات حرارتی فولاد روش‎هایی است که مستلزم گرم یا خنک کردن یک فلز تا دماهای بسیار بالا یا پایین برای رسیدن به خواصی مطلوب است، مانند سخت شدن یا نرم شدن یک ماده. فلزات تحت فرآیندهایی تخصصی قرار می‌گیرند تا به خصوصیات یا ساختار معین برسند. از سوی دیگر از برخی روش‌ها برای بازگرداندن فلزات به حالت و ساختار یکنواخت اولیه استفاده می‌شود.

عملیات حرارتی فولاد عبارت است از گرم کردن فلز بدون اجازه رسیدن به مرحله ذوب، و به دنبال آن خنک سازی تحت کنترل و دقیق برای به دست آوردن ویژگی‌های و خواص مکانیکی مورد نیاز. عملیات حرارتی می‌تواند فلز را تقویت کند یا آن را چکش خوارتر، مقاوم در برابر سایش یا انعطاف‌پذیرتر کند. در ادامه مطلب به‌صورت کامل به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت؛ پس تا انتهای مطلب همراه استیل رخ باشید.

بررسی اصول انجام عملیات حرارتی فولاد

روش‌های عملیات حرارتی فولاد شامل چه مواردی می‌شوند؟

عملیات حرارتی تا حد زیادی یکی از حیاتی‌ترین بخش‌های فرآیند تولید فلزات و قطعات فلزی مانند لوله استیل و ورق استیل است. این عملیات شامل گروهی از روش‌های حرارتی و فلزکاری است که خواص فلز را تغییر می‌دهد. به طور دقیق، عملیات حرارتی خواص فیزیکی، مکانیکی و گاهی شیمیایی فلزات را از طریق گرم و سرد کردن تغییر می‌دهد. این ویژگی‌ها عبارتند از قابلیت شکل‌پذیری، سختی، مقاومت در برابر دما، کشش‌پذیری، قابلیت ماشین‌کاری، استحکام و غیره. روش‌های عملیات حرارتی بسته به نوع مواد فلزی و خواص مورد نیاز متفاوت است. برای صنعت‌گران مهم است که روش عملیات حرارتی مناسب را برای رسیدن به نیازهای خاص خود بدانند. افرادی که دوره‌های مهندسی را می‌گذرانند، با مباحث گوناگونی روبه‌رو می‌شوند که هرکدام از آن‌ها اهمیت دارند. از مهم‌ترین سرفصل‌های مهندسی می‌توانیم به تکنیک‌های عملیات حرارتی اشاره داشته باشیم. این تکنیک‌ها در صنایع نفت‌وگاز، ماشین‌سازی، هوافضا و نظامی به‌وفور مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ به همین علت آشنایی با آن‌ها می‌‌تواند به کمک شما بیاید. در ادامه به معرفی رایج‌ترین اصول انجام عملیات حرارتی فولاد خواهیم پرداخت.

نرماله کردن فولاد (Normalizing)

یکی از مهم‌ترین روش‌های عملیات حرارتی، نرمال‌سازی یا نرمال کردن است که با حرارت دادن فولاد در دمای بالا‌تر از دمای بحرانی و دمای آستنیته (حدود 50 درجه سانتیگراد)، نگه‌داشتن آن برای مدت زمان کافی در آن دما به منظور ایجاد ساختار آستنیتی و سپس سرد کردن آن در هوا است. به این ترتیب، فولاد ساختاری بسیار یکنواخت و ریزدانه پیدا می‌کند. برای اینکه فرایند تبدیل شدن به آستینیت به اتمام برسد، باید فولادهای موسوم به هیپو‌ یوتکتوئیدی برای مدت زمانی مشخص در دمایی بالاتر از دمای آستنیت یا دمای تبلور نگه‌داشته شوند.

روند نرمال کردن منجر به افزایش انعطاف‌پذیری و چقرمگی می‌شود. فلزاتی که تحت عملیات سخت‌کاری حرارتی یا مکانیکی قرار می‌گیرند و ریزساختار آنها دچار ناهمگونی می‌شود باید نرمال شوند. فولاد تحت فرآیند نرمال سازی به ساختاری ریز دانه و یکنواخت می‌رسد و خواص مکانیکی آن بهبود می‌یابد. با این عملیات انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری و قابلیت ماشین‌کاری فولاد بهبود یافته ولی پس از نرمال شدن سختی فولاد اندکی کاهش می‌یابد.

بیشتر بخوانید: 9 کاربرد فولاد ضد زنگ در ساخت و ساز

روش نرماله کردن فولاد

آنیل کردن فولاد (Annealing)

از دیگر روش‌های عملیات حرارتی فولاد، آنیل کردن است. عملیات حرارتی آنیل کردن یا آنیلینگ باعث می‌شود که فولاد شکل‌پذیرتر و چکش‌خارتر شده ولی سختی آن کاهش یابد. برای اینکه بتوان فولاد را نرم‌تر کرد و باعث افزایش انعطاف‌پذیری آن شد، یا به عبارت دیگر برای کاهش شکنندگی فولاد و قابلیت خم شدن از فرآیند آنیلینگ استفاده می‌شود. تنش‌های داخلی ناشی از کار سرد، معمولا خواص مکانیکی فولاد را کاهش می‌دهد و عملیات آنیلینگ موجب بازگشت خواص و بهبود ویژگی‌های فولاد می‌شود. عملیات حرارتی آنیلینگ علاوه بر خواص اشاره شده موجب بهبود خواص دیگری نیز می‌شود که عبارتند از:

• قابلیت ماشین‌کاری
• کارپذیری
• پایداری کیفی و ابعادی
• بازگرداندن قابلیت شکل‌پذیری
• خواص هدایت الکتریکی

فرایند آنیل کردن تخت عنوان بازپخت نیز شناخته می‌شود. در این روش فولاد را تا دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد گرم می‌کنند. پس از مدت زمان مشخصی که فولاد در دمای بالا نگه داشته شد آن را برای رسیدن به دمای محیط در هوا سرد می‌کنند. فرایند سرد کردن معمولاً داخل کوره‌ای که تازه خاموش شده انجام می‌پذیرد و فولاد با سرعت بسیار پایین به دمای محیط می‌رسد. زمانی که فلز در دمای بالا قرار می‌گیرد، ساختار فریتی فلز به آستنیتی تبدیل می‌شود. همچنین نابجایی‌های موجود در ریز ساختار فولاد نیز کاهش پیدا کرده و ساختار یکنواخت می‌شود و قابلیت شکل‌پذیری قطعه نیز با افزایش روبه‌رو خواهد شد. به این ترتیب با این فرایند چقرمگی فولاد بیشتر می‌شود.

قطعات مسی، برنجی و آلومینیومی نیز می‌توانند با عملیات حرارتی آنیل کردن خواص بهتری پیدا کنند. این روش خود دارای دو دسته‌بندی متفاوت است که شامل آنیل کامل و آنیل هم‌دما می‌شود.

تمپر کردن فولاد (Tempering)

عملیات حرارتی تمپر کردن یا برگشت دادن بر روی آلیاژهای آهنی و فولادها باعث می‌شود تا قطعه فلزی دوام بیشتری داشته پیدا کند. برای کاهش مقداری سختی اضافی ناشی از کار سرد، معمولاً پس از سخت شدن، عملیات تمپر کردن انجام می‌شود. این فرآیند شامل حرارت دادن فلز برای یک زمان خاص در دمایی کمتر از نقطه بحرانی و سپس اجازه دادن به آن برای خنک شدن در هوای ساکن است. به‌این ترتیب شکنندگی و تنش‌های درونی با اعتدال کاهش می‌یابند.

در عملیات تمپر کردن با حرارت دادن فولاد تا کمتر از دمای بحرانی، بخشی از کربن محبوس در میان فاز آستنیتی آزاد شده و ترکیبی از سختی و چقرمگی به دست می‌آید. در این عملیات حرارتی توجه به میزان کربن فولاد بسیار مهم است. اگر کربن فولاد کم تا متوسط باشد این عملیات قابل انجام نیست.

نیتروژن ‌دهی فولاد (Nitriding)

از دیگر روش‌های انجام عملیات حرارتی فولاد می‌توانیم به نیتروژن ‌دهی اشاره کنیم. در این روش یک محیط غنی از نیتروژن آماده می‌کنند و قطعات فولادی تا دمایی پایین‌تر از استحاله یوتکتوئیدی (AC1) در این محیط گرم می‌شوند. سپس برای مدت‌زمان مشخصی فولاد در این محیط و دما قرار داده می‌شود تا قطعات بتوانند نیتروژن را به خود جذب کنند. پس از این مرحله سرد شدن اتفاق می‌افتد.

زمانی که نیتروژن به فولاد نفوذ پیدا می‌‌کند، می‌توانید شاهد ایجاد یک لایه سخت سطحی روی قطعه فولادی باشید. با این کار دیگر نیازی نیست بار دیگر فرایند سخت‌کاری را پشت سر بگذارید. این فرایند برای فولادهای کم‌کربن مناسب است. در فرایند نیتروژن ‌دهی می‌توان از انواع جامد، مایع، گاز و پلاسمایی نیتروژن بهره برد.

بیشتر بخوانید: کنترل کیفیت فولاد و انواع تست های آن

روش نیتروژن ‌دهی فولاد

کربن‌دهی فولاد (Carburizing)

روش دیگری که می‌توان از آن برای عملیات حرارتی فولاد استفاده کرد، کربن‌دهی یا کربوره کردن است. در این فرایند لایه سطحی فولاد با کمک کربن، کربن‌دهی می‌شوند. این کار باعث سخت شدن سطحی فولاد خواهد شد. قطعه‌ای که از این روش به دست می‌آید، هر چند دارای یک سطح سخت است؛ اما بااین‌وجود حجم درونی آن همچنان حالت نرم‌تری دارد.

در یک نگاه کلی می‌توانیم این‌طور بیان کنیم که با این عملیات، سطح درونی کار کم‌کربن و سطح بیرونی پرکربن می‌شود. برای پشت سر گذاشتن عملیات حرارتی کربن‌دهی پنج روش وجود دارند که شامل گزینه‌های کربن‌دهی جامد یا پودری، کربن‌دهی مایع، کربن‌دهی در خلأ، کربن‌دهی گازی و کربن‌دهی پلاسما می‌شوند.

آستمپرینگ فولاد (Austempering)

آخرین مورد از اصول انجام عملیات حرارتی فولاد که در این مطلب به آن اشاره می‌کنیم، آستمپرینگ یا آس‌پخت می‌باشد. در حین سخت کردن فولاد ممکن است یک سری از تنش‌ها ایجاد شوند. برای اینکه بتوان این تنش‌های داخلی را در فولادهایی با کربن متوسط و بالا، کاهش داد، آستمپرینگ یکی از مناسب‌ترین راهکارها است. از نتایجی که با این فرایند به دست می‌آید، می‌توانیم به گزینه‌های زیر اشاره کنیم:

• افزایش انعطاف‌پذیری
• افزایش استحکام در برابر ضربه
• کاهش تنش‌های داخلی

در این روش نیاز است تا فولاد را در محدوده دمایی 790 تا 950 درجه سانتی‌گراد گرم کرد. سپس باید برای سرد کردن آن از حمام مذاب نمک استفاده کنند که دمایی بین 260 تا 400 درجه سانتی‌گراد دارد. قطعه مدت‌زمان مشخصی در این حمام نگهداری می‌شود و در نهایت تا رسیدن به دمای اتاق در همان حالت باقی می‌ماند.

بیشتر بخوانید: کربن استیل (فولاد پر کربن) چیست؟

در چه محیط‌هایی می‌توان به سرد کردن فولاد پرداخت؟

از مهم‌ترین مواردی که در مقاله اصول انجام عملیات حرارتی فولاد باید به آن توجه کرد، محیط مورد نظر برای فرایند سرد کردن است. در واقع سومین مرحله عملیات حرارتی را سرد کردن تشکیل می‌دهد. در این مرحله باید مناسب‌ترین محیط را به‌منظور سرد کردن انتخاب کنید.

سرعت سرد کردن، با محیط انتخابی رابطه مستقیم دارد. به‌طورکلی از مهم‌ترین محیط‌ها که به‌منظور سرد کردن بهره برده می‌شود، می‌توانیم به آب‌نمک، آب، روغن، هوا و کوره اشاره داشته باشیم. از بین موارد ذکرشده می‌توانیم این‌طور بیان کنیم قدرت سردکنندگی آب‌نمک بسیار بیشتر است. رتبه‌های بعدی به ترتیب به آب، روغن و هوا اختصاص دارند.

سرد کردن فولاد در محیط‌های مختلف

سخن آخر

بدون شک انواع آلیاژ استیل و فولاد از پرکاربردترین آلیاژهایی به‌حساب می‌آیند که در اطراف ما به چشم می‌خورند. برای اینکه بتوان به فولاد زنگ نزن مناسب دست یافت، روش‌های عملیات حرارتی مختلفی وجود دارند که هر یک می‌توانند ویژگی‌های خاص خودشان را به فولاد بدهند و فولاد را آماده مصرف در صنایع مختلف کنند.

از مهم‌ترین اصول انجام عملیات حرارتی فولاد می‌توان به کربن‌دهی، نیتروژن‌‌دهی، آنیل کردن، تمپرکردن و نرماله کردن اشاره کنیم. در هر یک از روش‌های مذکور شرط و شروطی وجود دارند که باید به‌صورت کامل رعایت شوند؛ در غیر این صورت نمی‌توانید انتظار نتیجه‌ای مطلوب و باکیفیت را داشته باشید.