انواع عملیات حرارتی فلزات و آلياژهاي فلزي را مي توان به دو گروه تقسيم بندي نمود.
1- حرارت دادن (گرم کردن) فلزات و آلياژ هاي فلزي تا دماهاي بالاتر از دماي 723 درجه سانتی گراد و اين نوع عمليات حرارتي که بيشتر در مورد فولاد ها و چدن ها به کار مي رود شامل :
سخت کردن (Quenching)، آنيل کامل (Full annealing) ، نرماله کردن (Normalizing)، آستمپر کردن (Austempering) و مارتمپر کردن(Martempering) مي باشد.
2- حرارت دادن(گرم کردن) فلزات و آلياژهاي فلزي تا دماي کمتر از دماي 723 درجه سانتی گراد:
اين نوع عمليات حرارتي بيشتر در مورد فولاد ها به کار مي رود و شامل عمليات حرارتي هاي کروي کردن(Spherodizing)، تنش زدايي(Stress relief) و آنيل ضمن عمليات(Process anneal) مي باشد.
کوئنچ کردن فولاد ها
کوئنچ عبارت است از سرد کردن سريع فلز يا آلياژ از دماي آستنيته. اين عمل عموماً با فرو بردن در آب،روغن،هوا،محلول پليمري و يا اسپري کردن اين محلول ها روي آلياژ انجام ميگيرد.به عبارت ديگر براي کوئنچ کردن(آب دهي)،لازم است قطعه تا بالاي دماي دگرگوني گرم شود.فلز در اين دما به حالت پايدار رسيده و کربورها در آن حل شده و به طور همگن در تمام حجم قطعه توزيع مي شوند.سپس قطعه را در آب،روغن،محلول پليمر و يا نمک و نيز با هواي فشرده يا هواي مرطوب،سرد مي کنند.
هدف از انجام عمليات کوئنچ و بازگشت (تمپر کردن) بر روي يک فولاد ابزاري، بالا بردن سختي ، افزايش مقاومت مکانيکي و تحمل در برابر فرسايش آن است.در مورد فولادهاي ساختماني منظور از کوئنچ و بازگشت برقرار ساختن رابطه مناسبي بين استحکام،حد الاستيک،سختي و مقاومت به ضربه مي باشد.
تمپر کردن (برگشت دادن)
به علت تنش هاي داخلي ايجاد شده در ضمن سريع سردشدن (کوئنچ کردن در آب) تقريبا تمامي قطعات سخت شده نسبتا ترد و شکننده مي باشند. از اين رو به ندرت فولادها پس از سريع سرد شدن در شرايط سخت شده مورد استفاده قرار مي گيرند. چرا که فاز مارتنزيت تشکيل شده در اثر سريع سرد کردن فولاد فازي نيمه پايدار بسيار سخت و ترد است، بنابراين براي کاهش سختي و تردي بيش از حد فاز مارتنزيت براي اغلب کاربردهاي صنعتي لازم است فولاد مارتنزيتي شده در دماهايي بين حدود 200-600 درجه سانتی گراد حرارت داده شود.در نتيجه بخشي از اتم هاي کربن حل شده با تشکيل کاربيد ها از محلول جامد جدا مي شود، بدين صورت با شکل گيري ذرات کاربيد که سختي پايين تري دارند از سختي بالاي مارتنزيت کاسته مي شود.لذا فولادها را پس از سرد شدن و قبل از استفاده تمپر مي کنند.
دما و زمان حرارت دادن به ترکيب شيميايي فولاد، ابعاد قطعه(تاثير بيشتر بر روي زمان) و خواص مکانيکي مورد نظر بستگي دارد. در اثر تمپر کردن تنش هاي داخلي کاهش يافته و يا حذف مي شوند، بنابراين استحکام ضربه اي افزايش مي يابد ولي در عوض استحکام، حد تسليم و سختي قطعه کاهش مي يابد.
آستمپرينگ و مارتمپرينگ
به طور کلي سه روش براي سخت کردن فولادها وجود دارد که عبارتند از
کوئنچ کردن مستقيم، آستمپرينگ (Austempering) و مارتمپرينگ (Martempering).
در روش کوئنچ کردن مستقيم که مستلزم سريع سرد کردن فولاد از دماي آستنيته شدن تا زير دماي Ms مي باشد، سطح و مرکز قطعه با سرعت هاي متفاوتي سرد شده و لذا استحاله تشکيل مارنتزيت به طور غير همزمان در نواحي فوق انجام مي گيرد. اين پديده منجر به ايجاد تنش هاي داخلي در قطعه شده و نهايتاً ممکن است قطعه شکسته و يا تغيير شکل دهد.تحت شرايط خاص مي توان از روش هاي ديگر جهت از بين بردن اثرات زيان آور تنش هاي داخلي استفاده نمود.
عمليات حرارتي آستمپرينگ
آستمپرينگ ازجمله روش هاي عمليات حرارتي است که به منظور کاهش تنش هاي حاصل در ضمن سخت کردن فولادهاي ساده کربني و پرکربن,جانشين کوئنچ کردن مستقيم مي شود.
عمليات حرارتي آستمپرينگ شامل مراحل زير مي باشد:
آستنيته کردن فولاد(درجه حرارت آستنيته کردن بستگي به نوع فولاد دارد و معمولا 790-950 درجه سانتی گراد انتخاب مي شود.)
سريع سرد کردن قطعه در حمام نمک مذاب تا دمايي بلافاصله قبل از دماي شروع استحاله مارتنزيتي (Ms). (غالبا دما در حمام نمک 260-400 مي باشد)
نگه داشتن در اين دما به نحوي که دگرگوني آستنيت به بينيت به طور کامل صورت گيرد.
سرد کردن در هوا تا دماي اتاق
اهداف عمليات حرارتي آستمپرينگ
هدف از به کارگيري روش آستمپرينگ به جاي روش کوئنچ و تمپر عبارت است از
افزايش استحکام به ضربه و انعطاف پذيري در يک سختي يکسان
حذف و يا کاهش امکان ايجاد ترک،تغييرشکل و تاب برداشتن و يا ايجاد تنش هاي داخلي در ضمن عمليات حرارتي.
عمليات حرارتي مارتمپرينگ
عمليات مارتمپرينگ يا سريع سرد کردن غير پيوسته که آن را مار کوئنچينگ نيز مي نامند شامل مراحل زير است
آستنيته کردن فولاد
سريع سرد کردن فولاد در روغن داغ ( 175 درجه سانتی گراد) تا دمايي درست بالاتر ( يا درست پايين تر) از دماي Ms. (معمولا 175-250 درجه سانتی گراد)
نگه داشتن در محيط ياد شده تا اين که دماي تمامي قطعه يکنواخت شود.اين زمان 2 تا 4 دقيقه براي هر 1cm ضخامت قطعه است.
سرد کردن با سرعت متوسط (معمولا در هواي فشرده) به گونه اي که سطح و مرکز قطعه تقريباً همزمان سرد شود و به مارتنزيت تبديل شود
تمپر کردن قطعه به منظور افزايش چقرمگي.
آنيل کردن (بازپخت) فولادها (Annealing of steel)
آنیل کردن چیست
به هر نوع عمليات حرارتي که منجر به تشکيل ساختاري غير از مارتنزيت، با سختي کم و انعطاف پذيري بالا شود آنیل گوییم.
گرم کردن فولاد تا درجه حرارتي بالاي درجه حرارت دگرگوني فازها، نگهداري به مدت زمان کافي در اين درجه حرارت و آن گاه سرد کردن آرام.
اهداف آنيل
- کاهش سختي فولاد کوئنچ شده.
- بدست آوردن حداکثر نرمي براي آسان کردن عمليات شکل دهي و ماشينکاري.
- تغيير در خواص الکتريکی.
- بازسازي قطعه (فولاد) به حالت قبل از عمليات کار سرد
- آزاد کردن تنش هاي داخلي به وجود آمده به وسيله عمليات نورد، فورج و سرد کردن غير يکنواخت.
آنيل کامل Full Annealing
گرم کردن فولاد (آستنيته کردن فولاد) تا دماي مشخص بر حسب هپيو و هايپر و نگهداري در اين دما به مدت کافي (گرم شدن کامل قطعه و يکنواخت شدن فولاد) و سپس سرد کردن آهسته (معمولا در کوره) تا اينکه آستنيت کاملا تجزيه گردد. درجه حرارت آستنيته کردن براي يک فولاد بستگي به ترکيب شيميايي ( به ويژه درصد کربن) و ابعاد قطعه دارد.
به طور کلي هدف از آنيل کامل، کاهش سختي و استحکام، افزايش نرمي( انعطاف پذيري)، قابليت ماشين کاري و مقاومت به ضربه فولاد مي باشد.
آنيل ايزوترم (Isothermal)
در اين نوع آنيل (بازپخت) فولاد را همانند آنيل کامل در محدوده دماهاي مورد نظر گرم مي کنند.
به عبارت ديگر اين عمليات،شامل حرارت دادن فولاد در دو دماي مختلف است.ابتدا عمليات آستنيته کردن که در همان گستره دمايي مربوط به آنيل کامل صورت مي گيرد و سپس سرد کردن.
از جمله موارد عمده کاربرد آنيل هم دما در رابطه با فولادهاي آلياژي است که داراي سختي پذيري بالا هستند در صورتي که بر روي اين فولادها عمليات حرارتي آنيل کامل انجام شود به علت سختي پذيري زياد، ساختار نهايي حاصل به جاي پرليت خشن،ممکن است پرليت ظريف و يا حتي مخلوطي از پرليت ظريف و بينيت بالايي باشد.آنيل ايزوترم مخصوصا براي قطعات نوردشده، آهنگري شده و نيز قطعاتي که داراي ابعاد کوچک هستند، مناسب است.
نرماله کردن (Normalizing)
نرماله کردن يکي ديگر از انواع روش هاي عمليات حرارتي است که ميکرو ساختار حاصل همانند آنيل کردن شامل پرليت، مخلوطي از پرليت و فريت و يا مخلوطي از پرليت و سمنتست ( بستگي به ترکيب شيميايي فولاد) است. ليکن، تفاوت هاي مهمي بين نرماله کردن و آنيل وجود دارد. در نرماله کردن، دماي آستنيته کردن براي فولاد هاي هيپويوتکتوييد کمي بالاتر ( 50 درجه سانتی گراد) از گستره دمايي مربوط به آنيل.
برخلاف آنيل کامل که فولاد در کوره سرد مي شود در عمليات نرماله کردن قطعات پس از آستنيته شدن در هوا سرد مي شوند.
هدف از نرماله کردن، ريز نمودن دانه هاي درشتي که اغلب در هنگام کار گرم در دماي بالا يا ضمن ريخته گري و انجماد به وجود مي آيند و همچنين افزايش سختي و استحکام بيشتر خواهد بود.
