عملیات حرارتی فولاد و چدن

عملیات حرارتی فولاد و چدن

عملیات حرارتی فولاد و چدن

عملیات حرارتی فولاد و چدن: عملیات حرارتی فولادها و چدن‌های سفید ریختگی مورد مصرف در کارخانجات سیمان

پس از تولید قطعات فولادی و چدنی چه از طریق ریخته‌گری و چه از طریق سایر روش‌ها همانند فورج و ماشینکاری می‌توان قطعات را بدون انجام عملیات حرارتی مورد مصرف قرار داد.

در این حال استحکام و مقاومت سایشی قطعات فوق در حد متوسط بوده و احتمال بروز شکست (به دلیل استحکام پایین) و یا سایش (به دلیل سختی پایین) در آنها وجود دارد، در حالی که با انجام عملیات حرارتی هم استحکام کششی و هم سختی بالا رفته و موجب افزایش مقاومت کششی و برشی و همچنین مقاومت سایشی قطعات می‌گردد.

انجام عملیات حرارتی به راحتی تا سه برابر سختی قطعات را افزایش داده که معمولاً در محیط پرسایش سیمان مطلوب می‌باشد، گرچه انجام برخی از عملیات حرارتی می‌تواند موجب کاهش مقاومت به ضربه و در نتیجه مستعد به شکسته شدن قطعات گردد. با این حال با انجام عملیات حرارتی تکمیلی مانند برگشت دادن عیب فوق نیز برطرف می‌گردد.

با عضویت در کانال تلگرام bohlerco@  از خدمات ویژه مجموعه ورق فنری بهلر بهره مند شوید.

 

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

مکانیزم انجام عملیات حرارتی

باید دانست که هر نوع فولاد و یا چدن، دارای ساختار میکروسکوپی خاص خود بوده و از فازهای مختلفی تشکیل می‌گردند که در عملیات حرارتی این فازها تغییر یافته و از نوع نرم به نوع سخت تبدیل می‌شوند گرچه در اینجا بیان ساختار کامل فولادها و چدن مقدور نیست. مختصراً از این نوع ساختارها یاد می‌شود.

ساختار و ساختمان میکروسکوپی که در حقیقت طرز قرار گرفتن اتم‌ها کنار یکدیگر می‌باشند و همین امر ویژگی‌های خاصی را به آنها می‌دهد، می‌تواند به شرح زیر باشد:

 

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

فریت که α نامیده می‌شود، محلول جامد کربن در آهن بوده و مقدار کمی کربن را درخود جای می‌دهد، این فاز شبیه ساختار آهن خالص بوده و نرم می‌باشد. به نحوی که فولادی که با ساختار فریت وجود دارد. دارای سختی 120-100 برینل و دارای فرم‌پذیری عالی و استحکام کششی در حد 40-37 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع و مقاومت سایشی پایین است.

معمولاً فولادهای ساختمانی نظیر St37 و St52 دارای ساختار فریتی هستند این فاز مغناطیسی بوده و جذب آهن‌ربا می‌گردد.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

اوستیت γ محلول جامد کربن در فولاد بوده و میزان کربن آن بالاست، معمولاً در درجه حرارت بالای 723 oC ایجاد می‌شود و در صورت کاهش درجه حرارت فریت به Fe3C تبدیل می‌گردد.

این فاز در درجات حرارت بالاتر از 923o غیرمغناطیس بوده و درجه حرارتی که این حالت را از دست می‌دهد، به نقطه‌ کوری معروف است، این فاز می‌تواند در درجه حرارت محیط نیز وجود داشته باشد.

(به صورت غیرمغناطیسی) و این امر با وجود عناصری مانند Cr و نیکل و منگنز در مقادیر بالا ممکن است مثلاً فولادهای ضدزنگ با 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل و فولادهای مقاوم به حرارت با 25 درصد کروم و 20 درصد نیکل و فولاد منگنزی با 13 درصد منگنز دارای ساختار اوستیتی بوده و جذب آهن‌ربا نمی‌شوند،

البته باید توجه داشت که در برخی از فولادهای مقاوم به حرارت که میزان کروم و نیکل آنها پایین‌تر است، مقادیری فریت نیز وجود دارد و همین امر می‌تواند خاصیت مغناطیسی به آنها بدهد و به صورت ضعیف جذب آهن‌ربا گردند.

مثلاً فولادی که حاوی 28 درصد کروم و 5 درصد نیکل می‌باشد، گرچه فولادی مقاوم به حرارت است ولی به دلیل داشتن ساختار فریتی جذب آهن‌ربا می‌شود و یا فولاد ضدزنگ با 14 درصد کروم که به فولاد زنگ نزن قاشقی معروف است، جذب آهن‌ربا شده و به آن بگیر می‌گویند.

با عضویت در کانال تلگرام bohlerco@  از خدمات ویژه مجموعه ورق فنری بهلر بهره مند شوید.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

سمانتیت ترکیب بین فلزی آهن و کربن با فرمول Fe3C می‌باشد که می‌تواند حداکثر 67 درصد کربن داشته باشد. این فاز شکننده و سخت بوده و معمولاً به تنهایی ساختار فولادی را تشکیل نمی‌دهد و به همراه سایر فازها ساختمان فولادها را می‌سازد.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

پرلیت فازی است نسبتاً سخت تشکیل شده از فریت α و سمانتیت Fe3C که می‌تواند ساختار برخی از فولادها بخصوص فولادهای ضدسایش را تشکیل دهد. فولادی که ساختار پرلیتی دارد، معمولاً سختی آن 250-200 برینل می‌باشد. در تقسیم‌بندی فولادها، فولادهای پرکربن پرلیتی هستند و فولادهای متوسط کربن فولادهای فریتی، پرلیتی می‌باشند.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

مارتنزیت و بینیت ساختار تغییر فرم‌یافته اوستیت و پرلیت بوده و جزو ساختارهای سخت می‌باشند. فولادهای مارتنزیتی معمولاً دارای سختی بالا ولی شکننده هستند، از نظر مقاومت سایشی بالا و با تمپر کردن و برگشت دادن آنها می‌توان تا حدودی از شکنندگی آنها جلوگیری نمود.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

به دلیل کاربردی بودن مقاله از بحث بیشتر و سایر ساختارهای فولادی خودداری می‌گردد که علاقمندان می‌توانند به کتاب‌های فراوان متالورژی و عملیات حرارتی مراجعه نمایند.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

عملیات حرارتی Heat Treatment

عملیات حرارتی همان طوری که از نامش پیداست گرم کردن و سرد کردن فولاد مطابق گراف مخصوص می‌باشد، شدت گرم کردن مثلاً 200 oC بر ساعت و یا شدت سرد کردن در محیط آب یا روغن و یا نمک مذاب و یا هوا بر ایجاد فاز سخت و خواص فولاد تاثیر می‌گذارد.

 

عملیات حرارتی فولاد و چدن

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

در علم متالورژی، منحنی‌هایی برای هر یک از فولادها وجود دارد که به منحنی‌های TTT مشهورند. این منحنی‌ها نحوه گرم کردن، سرد کردن و ساختار حاصله را نمایش می‌دهند که معمولاً متخصصان عملیات حرارتی از این نوع منحنی‌ها بهره می‌گیرند.

عملیات حرارتی همانند علم کیمیاگری نوعی جادوگری محسوب می‌شد برای مثال می‌توان یک نوع فولاد را به نحوی عملیات حرارتی داد که با کوچک‌ترین ضربه‌ای خرد شود و یا نوعی عملیات حرارتی نمود که بتواند بزرگ‌ترین ضربات را تحمل نماید.

انجام این عملیات به صورت علمی گرچه جدید می‌باشد، ولی به صورت تجربی بسیار قدیم است برای مثال در بررسی شمشیرهایی که مربوط به چند هزار سال پیش است، مشخص شده است که روی آنها عملیات حرارتی انجام گردیده است، در زیر مختصراً در مورد عملیات حرارتی متفاوتی که روی قطعات فولادی و بعضاً چدنی انجام می‌گردد، شرح داده می‌شود.

با عضویت در کانال تلگرام bohlerco@  از خدمات ویژه مجموعه ورق فنری بهلر بهره مند شوید.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

سختکاری Hardening و برگشت Tempering

هدف از سختکاری، بالا بردن استحکام و سختی فولادهاست. در این روش فولاد را بالاتر از 723oC (با توجه به آنالیز فولاد متغیر است) گرم نموده و پس از نگهداری در درجات حرارت بالا که امکان تغییر فاز مهیا گردد، از کوره خارج و در محیط خنک‌کن سرد (کونچ) می‌نمایند، محیط خنک‌کننده می‌تواند آب، روغن، نمک مذاب و یا هوا باشد، در این حالت امکان تابیدگی و ترک برداشتن قطعات وجود دارد که پس از انجام این عملیات، قطعات باید به لحاظ عدم وجود ترک و تابیدگی کنترل گردند.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

درجه حرارت و زمان نگهداری مهم می‌باشد، برای مثال فولادهای ضدسایش را تا حدود 900oC و فولادهای منگنزی را تا 1100oC گرم می‌نمایند. محیط خنک‌کننده فولادهای ضدسایش روغن و محیط خنک‌کننده فولادهای منگنزی آب می‌باشد، چدن‌های سفید مانند Ni-Hard و پرکروم را در هوا خنک می‌کنند.

در این حال به جز فولاد منگنزی که پس از کونچ در آب دارای ساختار اوستیتی و کاربیدهای منگنز ریز و پراکنده می‌باشد و سختی آن حدود 200 برینل می‌گردد. مابقی فولادها و چدن‌ها به سختی بین 500 تا 650 برینل می‌رسند، باید توجه داشت که در این حال به دلیل ایجاد فاز مارتنزیت پرکربن، فولادها و چدن‌ها شکننده بوده و باید عملیات حرارتی تکمیلی که به آن برگشت یا Temper می‌گویند، انجام گردید.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

برگشت دادن

عملیات Tempring، پس از عملیات سختکاری صورت می‌گیرد، در این حال پس از نگهداری فولادها و چدن های‌سفید در درجه حرارت 400-700 oC قسمتی از کربن از ساختار مارتنزیت خارج شده و مارتنزیت تمپر شده به وجود می‌آید و از کجی شبکه مارتنزیت کاسته می‌شود و به همین دلیل، مقداری از سختی کاهش می‌یابد ولی قطعات مقاوم به ضربه می‌شوند.

هر چه درجه حرارت برگشت و زمان نگهداری بیشتر باشد، کاهش سختی بیشتر است. این درجه حرارت با توجه به نوع فولادهاو کاربرد قطعات انتخاب می‌گردند.

با عضویت در کانال تلگرام bohlerco@  از خدمات ویژه مجموعه ورق فنری بهلر بهره مند شوید.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

آنیلینگ (بازپخت)

در انجام عملیات آنیلینگ، اهداف مختلفی مدنظر می‌باشد. برای مثال، قطعاتی که در حین ریخته‌گری، آهنگری و ماشینکاری دچار تنش‌های پس‌ماند شده‌اند، با انجام عملیات حرارتی آنیلینگ تنش‌زدایی یا Stress relive می‌شوند، این امر موجب جلوگیری از تابیدگی هنگام استفاده از قطعات می‌گردد، گرچه متاسفانه در ایران کمتر از این عملیات استفاده می‌شود ولی انجام عملیات فوق ضروری است.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

درجه حرارت آنیلینگ بسته به نوع فولاد و انتظارات کاربردی آن می‌باشد، ولی معمولاً 500-600oC درجه حرارت رایج است، در قطعاتی که در معرض ماشینکاری قرار می‌گیرند، لازم است پاس نهایی پس از انجام عملیات صورت گیرد تا پوسته‌های ایجاد شده در کوره هنگام گرم کردن موجب تغییر ابعاد و خروج از تلرانس نگردند.

بعضی مواقع لازم است قطعات قبل از ماشینکاری آنیل شده تا نرمی لازم جهت سهولت در ماشینکاری در آنها پدید آید.

فولادهایی که در بازار به فروش می‌رسند می‌توانند به صورت بدون عملیات حرارتی، آنیل شده و یا سخت شده (فرگوته) باشند و انتخاب این فولادها، بسته به نوع عملیات ماشینکاری و روش‌های آن و کاربرد قطعات می‌باشند.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

نرمالیزینگ

نرماله کردن، نوعی عملیات حرارتی است که عبارت است از گرم کردن فولادها و سپس سرد کردن در هوا، این امر موجب بهبود ساختار فولاد و افزایش استحکام آنها می‌گردد، در این حال سختی فولادها، نیز اندکی افزایش می‌یابد.

عملیات حرارتی فولاد و چدن

 

سختکاری سطحی و موضعی

گاهی سخت کردن حجمی و تمامی قطعات موجب شکنندگی آنها می‌گردد. در این حال یک موضوع از قطعه و یا تمامی سطح آنها را به روش‌هایی که شرح داده می‌شود، سخت می‌نماید.

در سختی سطحی ابتدا باید فولاد کم‌کربنی نظیر Clo یا C15 و یا 16MnCr5 با نام تجاری Ec80 را انتخاب و عملیات زیر را به ترتیب روی آنها انجام داد.

بالا بردن کربن سطح از طریق نفوذ مواد کربنی که به این عمل کربوراسیون می‌گویند مثلاً فولاد را در محیط سیانور و یا گازهای پرکربن و یا مواد جامد کربنی مثل گرافیت قرار داده و حرارت می‌دهند، در این حال کربن از طریق نفوذ وارد سطح شده و کربن سطح از 1/ یا 16/ به 4/-3/ و یا بالاتر می‌رسد.

پس از انجام این عمل فولادی که سطح آن پرکربن شده را گرم می‌نمایند. (معمولاً به روش القایی) و سپس آن را در محیط خنک‌کن کونچ می‌نمایند. در این حال مغز فولاد که کم‌کربن است به دلیل داشتن کربن پایین‌ سخت نشده و فاز سخت ایجاد نمی‌گردد ولی سطح آن که پرکربن است، با ایجاد فازهای سخت به سختی بالا می‌رسد.

با عضویت در کانال تلگرام bohlerco@  از خدمات ویژه مجموعه ورق فنری بهلر بهره مند شوید.

 

باید توجه داشت که بالا بردن سختی فولاد از طریق کونچینگ هنگامی مقدور است که کربن از 25/ بالاتر باشد و در مقادیر کمتر از 25/ درصد فولاد امکان سختی بالابه روش کونچینگ را ندارد.

به مجموع عملیات فوق سمانتاسیون گویند و به فولادهایی که مناسب انجام عملیات فوق هستند فولاد سمانته می‌گویند.

در سمانتاسیون، دنده‌ها به دلیل بالا رفتن کربن سطحی ممکن است ترک‌های سطحی در قطعات ایجاد گردد. به همین دلیل معمولاً به جای انجام عملیات سمانتاسیون از نیتروراسیون استفاده می‌شود.

در این حال به جای نفوذ کربن در سطح با قرار دادن قطعه در محیط مایع پر نیتروژن (آمونیاک) و گرما دادن نیتروژن را در سطح نفوذ داده و موجب بالا بردن سختی سطحی فولاد می‌گردند. در این حال معمولاً عمق و میزان سختی سطحی به این روش کمتر از عمق و میزان سختی به روش سمانتاسیون است، ولی خطر بروز ترک از بین می‌رود.

بحث عملیات حرارتی بسیار وسیع و گسترده می‌باشد، به نحوی که دانش و علم آن در حد طی دوره لیسانس تا دکترا می‌باشد.

در اینجا منظور بیان مختصری از انواع عملیات حرارتی که روی قطعات ریخته‌گری و فورجی مورد مصرف در قطعات سیمان به کار می‌رود، بوده و قطعاً علاقمندان برای کسب اطلاعات بیشتر به کتاب‌های مربوطه مراجعه مینمایند.

نویسنده: آقای مهندس جواد آقایی

 

با عضویت در کانال تلگرام bohlerco@  از خدمات ویژه مجموعه ورق فنری بهلر بهره مند شوید.

1- تخفیف ویژه

2- ارائه نمونه رایگان

3- ارائه مشاوره رایگان

4- ارائه سرتیفیکیت

5- تسهیلات در حمل و نقل

bohler

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

فارسی