عملیات حرارتی در ریخته گری
عملاً هیچ چیزی را نمی توان بدون عملیات حرارتی تولید کرد ، فرآیندی که در آن فلز تحت کنترل های سخت گرم و خنک می شود تا خواص ، عملکرد و دوام آن بهبود یابد. عملیات حرارتی می تواند فلز را نرم کرده و شکل پذیری آن را بهبود بخشد. این می تواند قطعات را سخت تر کند ، برای افزایش قدرت می تواند سطح سختی را بر روی اجزای نسبتاً نرم قرار دهد تا مقاومت در برابر سایش افزایش یابد.
این می تواند پوستی مقاوم در برابر خوردگی ایجاد کند تا از قسمت هایی که در غیر این صورت دچار خوردگی می شوند محافظت کند. و می تواند محصولات شکننده را سفت کند. قطعات حرارتی برای عملکرد خودروها ، هواپیماها ، فضاپیماها ، رایانه ها و تجهیزات سنگین از هر نوع ضروری هستند. اره ، محور ، ابزار برش ، بلبرینگ ، چرخ دنده ، محور ، بست ، میل بادامک و میل لنگ همه به عملیات حرارتی بستگی دارد.
عملیات حرارتی چیست؟
برای دستیابی به اثر مطلوب ، فلز یا آلیاژ تا دمای مشخصی گرم می شود ، گاهی اوقات تا 2400 درجه فارنهایت نیز داغ می شود ، در آن دما برای مدت زمان معینی نگه داشته می شود و سپس سرد می شود. در حالی که داغ است ، ساختار فیزیکی فلز ، که ریزساختار نیز نامیده می شود ، تغییر می کند و درنهایت خواص فیزیکی آن تغییر می کند.
مدت زمانی که فلز برای آن گرم می شود “زمان خیساندن” نامیده می شود. طول مدت زمان خیساندن نقش مهمی در ویژگی های یک فلز ایفا می کند ، زیرا فلز برای مدت زمان طولانی خیس شده تغییرات ریزساختار متفاوتی را نسبت به خیساندن فلز شاهد خواهد بود.
برای مدت زمان کوتاه تری فرایند خنک کننده پس از زمان خیساندن نیز در نتیجه فلز نقش دارد. فلز ممکن است به سرعت خنک شود ، که به آن خاموش شدن می گویند یا به آرامی در کوره برای اطمینان از دستیابی به نتیجه مطلوب. ترکیب دمای خیساندن ، زمان خیساندن ، دمای خنک کننده و مدت زمان خنک کننده همه در ایجاد خواص مورد نظر در یک فلز یا آلیاژ نقش دارند. هنگامی که فلز در طول فرآیند تولید تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد ، تعیین می کند که چه ویژگی هایی تغییر کرده اند و حتی ممکن است برخی از فلزات چندین بار تصفیه شوند.
به همین دلیل ، دانشمندان مواد معروف به متالورژیست ، اثرات گرما بر روی فلزات و آلیاژها را مطالعه می کنند و اطلاعات دقیقی در مورد نحوه انجام صحیح این فرآیندها ارائه می دهند. تولیدکنندگان به این اطلاعات متکی هستند تا اطمینان حاصل شود که قطعات فلزی آنها در انتهای فرایند خواص صحیحی خواهند داشت.
مراحل عملیات حرارتی
سه مرحله از عملیات حرارتی وجود دارد:
- فلز را به آرامی گرم کنید تا اطمینان حاصل شود که فلز دمای یکنواخت را حفظ می کند.
- فلز را در دمای خاصی برای مدت زمان مشخصی خیس کرده یا نگه دارید
- فلز را تا دمای اتاق خنک کنید.
مرحله گرمایش
در مرحله گرمایش ، مهمترین هدف این است که مطمئن شوید فلز به طور یکنواخت گرم می شود. با گرم کردن آهسته ، حتی گرمایش را دریافت می کنید. اگر فلز را به طور ناهموار گرم کنید ، ممکن است یک قسمت سریعتر از قسمت دیگر منبسط شود و در نتیجه قسمتی از فلز دچار انحراف یا ترک شود. شما میزان گرمایش را با توجه به عوامل زیر انتخاب می کنید:
- هدایت حرارتی فلز. فلزات با رسانایی گرمایی بالا سریعتر از فلزات با رسانایی پایین گرم می شوند.
- وضعیت فلز. ابزارها و قطعاتی که قبلا سفت شده یا تحت فشار قرار گرفته اند باید نسبت به ابزارها و قطعاتی که این کار را نکرده اند ، دیرتر گرم شوند.
- اندازه و سطح مقطع فلز. قطعات بزرگتر یا قطعات با سطح مقطع ناهموار باید آهسته تر از قطعات کوچک گرم شوند تا دمای داخل به دمای سطح نزدیک شود. در غیر این صورت ، خطر ترک خوردگی یا پیچ خوردگی بیش از حد وجود دارد.
مرحله خیساندن
هدف از مرحله خیساندن این است که فلز را در دمای مناسب نگه دارید تا ساختار داخلی مورد نظر شکل بگیرد. “دوره خیساندن” مدت زمانی است که شما فلز را در دمای مناسب نگه دارید. برای تعیین طول زمان صحیح ، به تجزیه و تحلیل شیمیایی و جرم فلز نیاز دارید. برای مقاطع ناهموار ، می توانید دوره خیساندن را با استفاده از بزرگترین بخش تعیین کنید. به طور کلی ، شما نباید دمای فلز را از دمای اتاق به دمای خیساندن در یک مرحله برسانید.
در عوض ، شما باید فلز را به آرامی به دمای زیر درجه حرارت که ساختار تغییر می کند گرم کنید ، و سپس آن را نگه دارید تا دما در کل فلز ثابت شود. پس از این مرحله “پیش گرم کردن” ، سریعتر دما را تا دمای نهایی مورد نیاز خود گرم می کنید. قطعات با طرح های پیچیده تر ممکن است به لایه های پیش گرمایش نیاز داشته باشند تا از پیچ خوردگی جلوگیری شود.
مرحله خنک کننده
در مرحله خنک کننده ، شما می خواهید فلز را به دمای اتاق خنک کنید ، اما بسته به نوع فلز ، روش های متفاوتی برای انجام این کار وجود دارد. ممکن است به یک محیط خنک کننده ، گاز ، مایع ، جامد یا ترکیبی از آنها نیاز داشته باشد. میزان سرمایش بستگی به خود فلز و محیط خنک کننده دارد. به این ترتیب انتخاب هایی که در خنک کننده انجام می دهید عوامل مهمی در خواص مورد نظر فلز هستند. خنک کننده زمانی است که فلز را به سرعت در هوا ، روغن ، آب ، آب نمک یا محیط دیگر خنک می کنید.
معمولاً خاموش شدن با سخت شدن همراه است زیرا اکثر فلزات سفت شده به سرعت با خنک شدن سرد می شوند ، اما همیشه اینطور نیست که خنک کننده یا در غیر این صورت خنک کننده سریع منجر به سخت شدن شود. به عنوان مثال ، برای پختن مس از خنک کننده آب استفاده می شود و سایر فلزات با سرد شدن آهسته سخت می شوند. نباید همه فلزات را خنثی کرد – خنک شدن می تواند برخی از فلزات را بشکند یا تاب دهد.
به طور کلی ، آب نمک یا آب می تواند فلز را به سرعت خنک کند ، در حالی که مخلوط روغن برای خنک شدن کندتر بهتر است. دستورالعمل های کلی این است که می توانید از آب برای سخت شدن فولادهای کربنی ، از روغن برای سخت شدن فولاد های آلیاژی و از آب برای خنثی سازی فلزات غیر آهنی استفاده کنید. با این حال ، مانند همه روشهای درمانی ، میزان و درجه خنک کننده ای که انتخاب می کنید باید با فلز سازگار باشد.
مزایای عملیات حرارتی
دلایل مختلفی برای انجام عملیات حرارتی وجود دارد. برخی از روشها فلز را نرم می کنند ، در حالی که برخی دیگر سختی را افزایش می دهند. آنها همچنین ممکن است بر رسانایی الکتریکی و حرارتی این مواد تأثیر بگذارند. برخی از روش های عملیات حرارتی تنش های ناشی از مراحل اولیه کار سرد را کاهش می دهد.
برخی دیگر خواص شیمیایی مطلوبی برای فلزات ایجاد می کنند. انتخاب روش مناسب به نوع فلز و خواص مورد نیاز بستگی دارد. در برخی موارد ، یک قسمت فلزی ممکن است چندین روش عملیات حرارتی را طی کند. به عنوان مثال ، برخی از سوپرآلیاژهای مورد استفاده در صنعت هواپیماسازی ممکن است تا شش مرحله مختلف عملیات حرارتی را برای بهینه سازی آن برای کاربرد ، طی کنند.
قطعات موتور جت که وارد کوره می شوند
همانطور که قبلاً بحث کردیم ، ریز ساختار آلیاژها در طول عملیات حرارتی تغییر می کند. گرمایش مطابق با مشخصات حرارتی تعیین شده انجام می شود. هنگام گرم شدن ، آلیاژ ممکن است در یکی از سه حالت مختلف وجود داشته باشد. ممکن است مخلوط مکانیکی ، محلول جامد یا ترکیبی از هر دو باشد. مخلوط مکانیکی مشابه مخلوط بتنی است که در آن سیمان شن و ماسه را به هم متصل می کند. شن و ماسه هنوز به عنوان ذرات جداگانه قابل مشاهده هستند. با آلیاژهای فلزی ، مخلوط مکانیکی توسط فلز پایه به هم متصل می شود.
از طرف دیگر ، در یک محلول جامد ، همه اجزا به طور یکنواخت مخلوط می شوند. این بدان معناست که نمی توان آنها را به طور جداگانه حتی زیر میکروسکوپ شناسایی کرد. هر ایالت ویژگیهای متفاوتی را به همراه دارد. مطابق نمودار فاز می توان حالت را از طریق گرمایش تغییر داد. با این حال ، خنک کننده ، نتیجه نهایی را تعیین می کند. این امکان وجود دارد که این آلیاژ بسته به روش آن به یکی از این سه حالت ختم شود
نمودار فاز
هر آلیاژ فلزی نمودار فاز مخصوص به خود را دارد. همانطور که قبلاً گفته شد ، عملیات حرارتی مطابق این نمودارها انجام می شود. آنها تغییرات ساختاری را نشان می دهند که در دماهای مختلف و ترکیبات شیمیایی مختلف رخ می دهد. بیایید از نمودار فاز آهن-کربن به عنوان مثال استفاده کنیم ، زیرا این شناخته شده ترین و گسترده ترین نمودار در دانشگاه ها است.
نمودار فاز آهن-کربن یک ابزار مهم برای یادگیری رفتار فولادهای کربنی مختلف در هنگام عملیات حرارتی است. محور x میزان کربن موجود در آلیاژ و محور y دما را نشان می دهد.
توجه داشته باشید که 2.14٪ کربن محدودیت فولاد چدن است ،
نمودار نواحی مختلفی را نشان می دهد که فلز در ریزحالت های مختلف مانند آستنیت ، سیمانیت ، پرلایت وجود دارد. این مناطق با مرزهای A1 ، A2 ، A3 و Acm مشخص شده اند. در این رابط ها ، تغییرات فاز زمانی رخ می دهد که دما یا مقدار کربن از آنها عبور می کند.
A1: حد بالایی فاز سمنتیت/فریت.
A2: محدوده ای که آهن مغناطیس خود را از دست می دهد. دمایی که فلز مغناطیس خود را از دست می دهد ، دمای کوری نیز نامیده می شود.
A3: رابطی که فاز آستنیت + فریت را از فاز γ (گاما) آستنیت جدا می کند.
Acm: واسطی که γ Austenite را از میدان Austenite + Cementite جدا می کند.
نمودار فاز یک ابزار مهم برای بررسی این است که آیا عملیات حرارتی مفید است یا خیر. هر ساختار ویژگی های خاصی را به محصول نهایی می رساند و انتخاب عملیات حرارتی بر اساس آن انجام می شود.
چندین تکنیک عملیات حرارتی برای انتخاب وجود دارد. هر یک از آنها ویژگی های خاصی را به همراه دارد.
متداول ترین روش های عملیات حرارتی عبارتند از:
- پخت
- عادی سازی
- سخت شدن
- پیری
- رفع استرس
- مزاج
- کاربوریزاسیون
پخت (آنیل کردن)
در پخت ، این فلز فراتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود و سپس با سرعت کم سرد می شود. برای نرم شدن فلز ، آنیل انجام می شود. این فلز را برای کار در سرد و شکل گیری مناسب تر می کند. همچنین قابلیت کارکرد ، شکل پذیری و چقرمگی فلز را افزایش می دهد. بازپخت همچنین برای از بین بردن تنش ها در قسمت ایجاد شده به دلیل فرایندهای کار سرد قبل مفید است.
تغییر شکل های پلاستیکی موجود در حین تبلور مجدد هنگامی که دمای فلز از دمای بحرانی فوقانی عبور می کند حذف می شوند. فلزات ممکن است از تکنیک های زیادی برای بازپخت مانند بازپخت مجدد تبلور ، بازپخت کامل ، بازپخت جزئی و بازپخت نهایی استفاده کنند.
عادی سازی
عادی سازی یک فرایند عملیات حرارتی است که برای از بین بردن تنش های داخلی ناشی از فرایندهایی مانند جوشکاری ، ریخته گری یا خاموش شدن استفاده می شود. در این فرایند ، فلز تا دمای 40 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی بالای خود گرم می شود. این دما بیشتر از دمایی است که برای سفت شدن یا پخت استفاده می شود.
پس از نگه داشتن آن در این درجه حرارت برای مدت زمان مشخص ، در هوا سرد می شود. عادی سازی اندازه و ترکیب دانه یکنواخت را در سراسر قسمت ایجاد می کند. فولادهای نرمال سخت تر و قوی تر از فولادهای آنیل شده هستند. در حقیقت ، فولاد در حالت عادی خود سخت تر از هر شرایط دیگری است. به همین دلیل است که قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه دارند یا نیاز به تحمل بارهای خارجی زیاد دارند تقریباً عادی می شوند.
سخت شدن
فرایند مورد استفاده یکسان است اما به عنوان یک لایه بیرونی نازک تحت عمل قرار می گیرد ، قطعه کار حاصل دارای یک لایه بیرونی سخت اما هسته نرم تر است. این برای شفت ها رایج است. یک لایه خارجی سخت آن را در برابر سایش مواد محافظت می کند. هنگام نصب یاتاقان بر روی شافت ، در غیر این صورت ممکن است به سطح آسیب برساند و برخی ذرات را از هم جدا کرده و سپس روند پوشیدن را تسریع کند. سطح سخت شده از آن محافظت می کند و هسته هنوز خواص لازم را برای تحمل تنش های خستگی دارد.
پیری
پیری یا سخت شدن رسوبی یک روش عملیات حرارتی است که بیشتر برای افزایش مقاومت تسلیم فلزات چکش خوار استفاده می شود. این فرآیند ذرات پراکنده یکنواختی را در ساختار دانه فلز ایجاد می کند که باعث تغییر در خواص می شود. سخت شدن باران معمولاً پس از یک فرآیند دیگر حرارتی انجام می شود که به دمای بالاتر می رسد.
با این حال ، افزایش سن تنها درجه حرارت را به سطوح متوسط می رساند و دوباره سریع آن را پایین می آورد. برخی از مواد ممکن است به طور طبیعی (در دمای اتاق) پیر شوند ، در حالی که برخی دیگر فقط به طور مصنوعی پیر می شوند ، یعنی در دمای بالا. برای مواد طبیعی پیری ، ممکن است ذخیره آنها در دمای پایین مناسب باشد.
رفع استرس
تسکین استرس مخصوصاً برای قطعات دیگ بخار ، بطری های هوا ، باتری ها و غیره متداول است. این روش باعث می شود فلز به دمای کمی زیر مرز بحرانی پایین تر برسد. فرآیند خنک کننده کند است و بنابراین یکنواخت است. این کار برای از بین بردن تنش های ایجاد شده در قطعات به دلیل فرایندهای قبلی مانند شکل گیری ، ماشینکاری ، نورد یا راست شدن انجام می شود.