عملیات حرارتی چیست (انواع روش ها و مزایای آن)

عملیات حرارتی عبارت است از گرمایش و خنک کاری کنترل شده مواد جهت تغییر ساختار و اضافه کردن ویژگی هایی به آن ها که این خواص نیز قابل تغییر می باشند. خواص فلزات که از طریق عملیات حرارتی به دست می آیند می توانند شامل استحکام، سفتی، قابلیت ماشین کاری، مقاومت در برابر سایش و خوردگی باشند. لازم به ذکر است که تغییر در خواص سبب تغییر شکل در قطعات نخواهد شد. همچنین عملیات های حرارتی فقط خواص فلزات را تغییر می دهند، اما تغییر شکلی در آن ها صورت نمی گیرد. این عملیات یکی از مهم ترین و پرکاربردترین فرایندهای صنعتی می باشد.

نحوه انجام عملیات حرارتی تأثیر به سزایی در کیفیت و خواص ایجاد شده در محصولات فولادی دارد. به طور کلی خروجی این عملیات باید فولادهایی با سختی های مختلف باشد. این فرایند با تأثیر بر دانه و تغییر ساختار فلزات سبب تغییر در خواص مکانیکی آن ها خواهد شد. این ویژگی ها شامل سختی، چکش خواری، شکل پذیری و نظایر آن ها می شود. از این رو در ادامه قصد بررسی انواع روش های انجام این عملیات را در جهت استفاده از محصولات فولادی با کیفیت تر داریم.

انواع روش های عملیات حرارتی

همان طور که اشاره شد، انجام عملیات حرارتی سبب به وجود آمدن برخی از خواص الکتریکی، مغناطیسی و ساختاری در فلزات شده و همان طور که کاربرد فلزات متفاوت است، هر محیط نیاز به یک نوع محصول دارد. به طور مثال برای کاربردهای مهندسی، سختی و مقاومت فلزات باید در نظر گرفته شود؛ در صورتی که در کاربردهای الکتریکی، مقاومت ویژه پایین اهمیت بیشتری دارد.

در این بخش با انواع عملیات های حرارتی و تأثیرات آن ها بر فلزات آشنا می شوید. عملیات های حرارتی بر اساس میزان افزایش دما، به دو بخش عمده تقسیم بندی می شوند که به صورت زیر می باشد:

حرارت ‌دهی آلیاژها تا دمای بالای 723 درجه سانتی گراد: مراحل این فرایند شامل سخت کاری یا کوئیچینگ، آنیلینگ کامل، نرماله سازی ، آستمپرینگ و مارتمپرینگ می شود و متناسب با فولاد و چدن است.
حرارت ‌دهی آلیاژها تا دمای زیر 723 درجه سانتیگراد: این عملیات شامب فرایند های کروی کردن، تنش زدایی و آنیل می باشد و مناسب برای آلیاژهای فولاد است.

از این رو عملیات حرارتی سبب تغییر خواص در فلزات شده و هدف از انجام آن تطبیق محصولات فلزی با کاربردهای مختلف در صنایع است. بخش های مختلف عملیات حرارتی به صورت زیر می باشند:

عملیات حرارتی آنیل

آنیل کردن به دلیل نرم شدن فلزات مانند آهن، فولاد، مس، برنج و نقره انجام می شود. برای انجام آن ابتدا فلز تا یک دمای مشخص حرارت دیده و سپس به شکل کنترل شده و به آرامی در محیط سرد می شوند. فرایند آنیل سبب تغییراتی در خواص مکانیکی و شیمیایی محصول خواهد شد به صورتی که خاصیت تورق پذیری آن افزایش یافته و از سوی دیگر سختی آن کاهش می یابد.

آنیل کردن سبب شکل دهی، قالب گیری و آسان تر شدن آن ها به علاوه برش فلز و افزایش رسانایی الکتریکی خواهد شد. جالب است بدانید بر روی ورق گالوانیزه نیز این عملیات در جهت بهبود خواص انعطاف پذیری و چقرمگی انجام می شود. قیمت ورق گالوانیزه نیز در وب سایت آهن اینفو به صورت روزانه به روز رسانی می شود و همان طور که می دانید این محصول نسبت به خواص و ویژگی های مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدگی، نرخ مقرون به صرفه ای دارد.

عملیات حرارتی سخت کاری سطحی

این مرحله نیز برای فولاد و دیگر آلیاژها استفاده می شود. در انجام این فرایند، فلزات در دمای بسیار بالا حرارت داده می شوند و تا زمانی که نسبتی از کربن در آن حل نشود، این دما حفظ می شود. این عملیات سبب بهبود بخشیدن خواص مکانیکی آن ها می باشد. سپس آن ها را آبدیده می کنند، به صورتی که سریعاً در آب یا نفت خنک می شود. همچنین فرایند سخت کاری سبب تولید فلزات آلیاژی با استحکام بالا و مقاوم در برابر سایش خواهد شد.

با این حال از سوی دیگر سخت کاری سبب افزایش شکنندگی فلز خواهد شد که برای کاربردهای مهندسی مناسب نمی باشد. به طور کلی زمانی که به مقاومت فلزات در برابر سایش و فرسایش نیاز باشد، اما در عین حال نرمی آن ها مد نظر قرار گرفته شود تا در برابر ضربات شدید و ناگهانی همچنان مقاوم باشد، از فرایند سخت کاری سطحی استفاده می شود.

عملیات حرارتی همگن سازی

به طور کلی، هدف از انجام این نوع عملیات حرارتی، یکنواخت سازی ساختارهایی است که حاصل عملیات ریخته گری می باشند؛ زیرا قطعاتی که تحت عملیات ریخته گری قرار می گیرند، ساختار دندریتی داشته و ترکیب شیمیایی آن ها نیز یکنواخت نمی باشد. البته بهتر است بدانید این ساختار به سبب انجماد جهت دار مذاب و عدم تعادن در سرد شدن آن ها اتفاق می افتد. این موضوع در نهایت سبب شکنندگی قطعات فلزی و فولادی شده و برای از بین بردن این مشکلات عملیات حرارتی همگن سازی صورت می گیرد.

در واقع عملیات حرارتی همگن سازی با اعمال حرارت در محدوده پایداری آستنیت صورت گرفته که دمایی در حدود 1000 تا 1200 درجه سانتی گراد برآورد می شود. پس از این گرم شدن، سرد شدن قطعات در هوا و به تدریج باید صورت گیرد، اما زمان حرارت دهی بسته به ابعاد و جنس قطعه متفاوت است.

نرماله کردن فولاد

از این عملیات برای یکنواخت سازی ترکیب و اندازه دانه استفاده می شود. به طوری که فلز تا دمای کنترل شده حرارت داده می شود و سپس با استفاده از هوا خنک می شود. فلز نهایی، هیچ گونه آلودگی و ناخالصی نداشته و همچنین استحکام و سختی بیشتری دارد. این مرحله بیشتر مواقع برای افزایش سختی و استحکام فولاد به کار برده می شود. به طور کلی فرایند نرماله کردن بر روی فلزاتی انجام می شود که قرار است در معرض فرایند ماشین کاری برای بهبود بهتر قرار بگیرند.

همان طور که می دانید ورق های فولادی ساده و رنگی در بسیاری از مواقع باید تحت عملیات ماشین کاری یا رول فرمینگ قرار بگیرند. از جمله این فلزات می توان به شیت های رنگی اشاره کرد که پس از این عملیات به ورق های شیروانی با طرح ها و فرم های مختلف تبدیل می شوند. قیمت ورق رنگی نیز بسته به انجام این عملیات یا سایر فرآیندهایی که قرار است بر روی آن ها صورت بگیرد، تعیین می شود.

عملیات کوئنچ

فرایند کوئنچ کردن شامل عملیاتی است که در آن قطعه کار پس از گرم شدن در یک دما و زمان مشخص شده، سریعاً سرد می شود که با توجه به خواص مکانیکی مد نظر این سرد شدن در آب، روغن یا در هوا صورت می گیرد. عملیات کوئنچ یک فرایندی است که از به وجود آمدن تغییرات نامطلوب و فرایندهایی که در فلزات در دمای پایین رخ می دهد (تغییر فاز)، جلوگیری می کند. این عملیات از راه کاهش زمان خنک شدن فلزات و افزایش نرخ سرد شدن انجام می شود.

عملیات تنش زدایی

عملیات تنش زدایی یا در اصطلاح اصلی تنش گیری شامل اعمال حرارت به قطعه در بازه دمایی 500 تا 650 درجه سانتی گراد می باشد. به طور کلی این فرآیند برای از بین بردن تنش های پسماند صورت می گیرد که از پیش بر روی قطعه ایجاد شده اند. این تنش های پسماند نیز حاصل از کار سرد، عملیات های مکانیکی و شوک حرارتی می باشد و در نهایت سبب تاب برداشتن، ترک خوردن یا شکست قطعات می گردد. در واقع این تنش ها سبب می شود تا قطعه شکننده تر از سطح تنش طراحی شده، باشد.

به طور مثال یکی از مهم ترین خواص در تولید ورق های قلع اندود، با توجه به ضخامت کمی که دارند، قابلیت فرم پذیری یا انعطاف پذیری می باشد. در صورتی که در زمان تولید تنش های پسماند در این قطعات باقی بماند، طبیعتاً از قابلیت فرم پذیری آن ها کاسته شده و دیگر قابلیت استفاده برای ساخت قوطی های بسته بندی مواد غذایی را نخواهند داشت. از این رو نرخ خرید ورق قلع اندود در تولید و هزینه کلی مواد غذایی کنسروی، اسپری ها، بشکه های فلزی و ... مؤثر است.

عملیات تمپرینگ

هنگام استفاده از فرایند تمپر کردن، نرمی، تورق پذیری و چقرمگی فولاد بسیار اهمیت دارد. به طور کلی فولاد هایی که تحت فرایند تمپر قرار نمی گیرند، بسیار سخت و محکم هستند، اما شکننده می باشند؛ به همین علت قابلیت استفاده در کارهای عملی را ندارند. تمپر نوعی از عملیات های حرارتی است که در دمای پایین و پس از فرایند سخت کاری انجام می شود.

فرایندهای سخت کاری شامل سخت کاری خنثی، سخت کاری مضاعف، کربنیزاسیون جوی، کربونیزه سازی یا سخت کاری سطحی می شود تا فولاد به میزان سختی مطلوب برسد. در این عملیات فولاد در دمای پایین قرار گرفته تا سختی اضافی آن از بین برود و سپس در هوای بدون باد قرار می گیرد تا خنک شود. نتیجه این فرایند فولادی با سختی بالا و شکنندگی پایین می باشد.

حتما بخوانید: ورق قلع اندود چیست

مزایای عملیات حرارتی

مزیت های عملیات حرارتی به بخش هایی برمی گردد که خواص محصول را تحت تأثیر قرار می دهند. از این رو مهم ‌ترین بخش هایی که سبب تغییر در خواص حرارتی فلزات می شوند، به صورت زیر می باشند:

مقاومت الکتریکی : به معیاری که قدرت بازدارندگی فلز را در برابر معبر جریان الکتریکی نشان می دهد، مقاومت الکتریکی می گویند. در زمان عبور الکترون ها از فلز، با ساختار فلزی برخورد کرده و در نتیجه پخش می شوند. هنگام گرما دیدن فلز در اثر عملیات حرارتی، انرژی بیشتر از سمت الکترون ها آزاد می شود و با سرعت بیشتری حرکت می کنند. این کار با افزایش پراکندگی الکترون ها همراه است و به سبب آن میزان مقاومت فلز را افزایش می دهد. دستگاه های دما سنج برای اندازه گیری دما در مقاومت الکتریکی از یک تکه سیم استفاده می کنند.
انبساط حرارتی : گرمایش فلزات سبب انبساط آن ها می شود به طوری که با افزایش دما، طول، ناحیه سطحی و حجم آن افزایش می یابد. میزان انبساط حرارتی، در فلزات مختلف متفاوت می باشد؛ زیرا سبب افزایش جنبش اتم های فلزات و در نهایت انبساط حرارتی آن ها خواهد شد. در زمان طراحی ساختارهای فلزی، توضیح و توجیح انبساط حرارتی لازم است. به طور مثال می توان طراحی لوله های خانگی را نام برد که با تغییر کردن فصل ها، انبساط و انقباض پیدا می کنند.
ساختار : به طور کلی ساختار فلزات اتم های متقارن می باشد که به آن آلوتروپ یا دگرشکل گفته می شود. همان طور که پیش تر گفتیم گرمایش فلزات سبب جا به جایی اتم ها از جایگاه اولیه خود شده و در نتیجه یک ساختار جدید تشکیل خواهد شد. این ساختار فاز آلوتروپی نامیده می شود. انجام این فرایند سبب تغییر در خواص فلز مانند سختی، استحکام و نرمی آن خواهد شد. همچنین این فاز توسط آهن انجام می شود.آهن در زمان قرار گرفتن در دمای بالاتر از 912 درجه سانتی گراد، کربن بیشتری را جذب کرده و کربن هم سبب سختی محصولات خواهد شد. این تأثیر در بسیاری از فولاد های پر کربن که بالاتر از 0.5 درصد می باشد، مانند فولاد ابزاری به کار برده می شود.البته این دما سبب سخت شدن سطح و کدر شدن رنگ ورق های سیاه حاصل از این عملیات می شود؛ از این رو برای ساخت محصولاتی که سطح ظاهری حائز اهمیت است، ورق سیاه را اسیدشویی می کنند. قیمت ورق اسیدشویی طبیعتاً از ورق سیاه بالاتر می باشد، اما با توجه به خواص انعطاف پذیری، استحکام، مقاومت به خوردگی و مواردی از اینو قبیل مقرون به صرفه تر از محصولات سرد است.
مغناطیس : خواص مغناطیسی فلزاتی مانند آهن، نیکل و کبالت سبب نامگذاری آن ها به فلزات فرو مغناطیسی می شود. گرمایش این فلزات سبب تغییر در خواص مغناطیسی و از بین رفتن آن می شود. دمایی که سبب از بین رفتن خواص مغناطیسی می شود، دمای کوری شناخته می شود. این دما برای نیکل 330 درجه سانتی‌گراد، برای کبالت 1100 درجه سانتی‌گراد، و برای آهن، 770 درجه سانتی‌گراد است.

معایب عملیات حرارتی

همان طور که اشاره کردیم عملیات حرارتی با مزیت های فراوانی همراه است. هر کدام از انواع عملیات های حرارتی سبب ایجاد یک سری خواص در فلزات خواهند شد. با این وجود میزان حرارتی که به سبب عملیات های حرارتی بر روی این قطعات وارد می شود، اگر به درستی انجام نگیرد، ممکن است سبب ایجاد معایب و آسیب هایی به آن ها شود. از این رو در ادامه به بررسی عیوب عملیات حرارتی پرداخته ایم:

تاب برداشتن: اعمال حرارت بالا و سپس سرد شدن ممکن است سبب ایجاد اعوجاج و تاب برداشتن قطعات شود.
ترک: در صورتی که سرد شدن قطعات با سرعت زیادی صورت گیرد، شاید تنش های حرارتی را برای فولاد به وجود آورد که در نهایت منجر به ترک می شوند.
پیچیدگی: بهتر است بدانید عملیات حرارتی شامل رعایت یک سری نکات در مورد میزان دما، زمان خیس شدن قطعه، میزان خنکی و شرایط دمپر داشته و در صورتی که رعایت نشوند قطعات دچار پیچیدگی می شوند.
محدودیت کاربرد: برخی از فرآیندهای حرارتی ممکن است به سبب داشتن ویژگی های ریز ساختاری برای عملیات حرارتی مناسب نباشند. از این رو روش های جایگزین برای تقویت سختی آن ها مورد استفاده قرار می گیرد.
کربن زدایی: اگر سطوح قطعات در عملیات حرارتی دچار کربن زدایی شوند و همین موضوع بر درجه سختی و استحکام این فلزات اثرگذار می باشد.
مصرف انرژی: بهتر است بدانید عملیات های حرارتی جدا از این که مزیت های فراوانی دارند، انرژی بسیار بالایی را مصرف کرده و همین موضوع سبب ایجاد اثرات زیست محیطی مخربی خواهد شد.
سرعت و هزینه: همان طور که می دانید عملیات حرارتی در واقع یک فرآیند اضافه بر سازمان برای بهبود خواص قطعات فلزی می باشد؛ از این رو سبب افزایش هزینه تولید خواهد شد. از سوی دیگر برای رسیدن به هدف مورد نظر، تجهیزات تخصصی و افراد ماهر در این زمینه را نیاز دارد و همین موضوع ممکن است سرعت تولید را کاهش دهد.
عدم کنترل ریزساختار: محدودیت هایی برای کنترل ساختاری قطعه فولادی به سبب انجام این فرآیند به وجود خواهد آمد که ممکن است باعث آن سرعت سرد شدن و سوابق پردازش باشند.

کاربرد عملیات حرارتی

فولادی که بر روی آن یک سری عملیات حرارتی صورت بگیرد، طبیعتاً خواص و عملکرد بهتری را در مصارف مختلف خواهد داشت؛ از این رو می توان گفت فولادهای حرارتی کاربردهای بسیار گسترده تری را به خود اختصاص می دهند و برخی از آن ها نیز در ادامه آورده شده اند:

تولید قطعات و تجهیزاتی مانند چرخ دنده، محور، اجزای انتقال، تجهیزات خودروسازی، میل لنگ، میل بادامک و ...
ارابه های فرود هواپیما، اجزای موتور، قطعات صنایع هوا فضا، دیسک های توربین
ساخت ابزار برش، قطعات پانچ و قالب
میلگرد تقویتی، پیچ های لنگر در ساخت و ساز، پل سازی، اجزای سازه فولادی
قطعات ماشین آلات و تجهیزات آن ها از جمله ساخت فنر، یاتاقان، شفت و ...
ابزار ها و ایمپلنت های صنعت پزشکی
ساخت لوله های حفاری، دریچه، ابزارآلات مورد نیاز برای نفت و گاز

به طور کلی این موارد تنها برخی از کاربردهای فولاد حرارتی شده هستند؛ زیرا این فرآیندها بر روی هر قطعه بر اساس کاربرد نهایی و مطابق با خواسته خریدار انجام می گیرند.

حتما بخوانید:تفاوت ورق st37 و st52

جمع بندی

به طور کلی کلاف های فولادی طی فرایند های مختلف به محصولات متعددی تبدیل می شوند که ویژگی های مختلفی را به خود اختصاص می دهند. این فرایندها سبب تغییر خواص الکتریکی، فیزیکی، مکانیکی و در کل ساختار فلزات خواهند شد. از جمله فرایندهایی که بر روی فلزات انجام می شوند می توان به نورد گرم، نورد سرد و عملیات حرارتی اشاره کرد.

در این مطلب با انواع عملیات های حرارتی که بر روی فلزات برای تغییر در خواص آن ها انجام می شود، آشنا شدید. این عملیات ها سبب افزایش برخی از خواص و کاهش آن ها نیز می شوند. به طور کلی هر کدام از فلزات بسته به نوع ویژگی های خود، تحت برخی از عملیات های حرارتی قرار می گیرند.

عملیات حرارتی چیست؟ چه تأثیری بر فلزات دارد؟