اهمیت عملیات حرارتی بر روی قطعات فلزی

به منظور ارائه قطعات کار فلزی با خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی مورد نیاز، علاوه بر انتخاب منطقی مواد و فرآیندهای مختلف شکل‌دهی، فرآیندهای عملیات حرارتی اغلب ضروری است. فولاد پرمصرف‌ترین ماده در صنعت مکانیک است که دارای ریزساختار پیچیده‌ای است که می‌توان آن را از طریق عملیات حرارتی کنترل کرد. بنابراین، عملیات حرارتی فولاد محتوای اصلی عملیات حرارتی فلز است.

علاوه بر این، آلومینیوم، مس، منیزیم، تیتانیوم و آلیاژهای آنها نیز می توانند خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی خود را از طریق عملیات حرارتی برای به دست آوردن ویژگی های عملکردی متفاوت تغییر دهند.

عملیات حرارتی به طور کلی شکل و ترکیب شیمیایی کلی قطعه کار را تغییر نمی دهد، بلکه عملکرد آن را با تغییر ریزساختار داخل قطعه کار یا تغییر ترکیب شیمیایی روی سطح قطعه کار ایجاد یا بهبود می بخشد. ویژگی آن بهبود کیفیت ذاتی قطعه کار است که معمولاً با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیست.

عملکرد عملیات حرارتی بهبود خواص مکانیکی مواد، حذف تنش‌های پسماند و افزایش ماشین‌کاری فلزات است. با توجه به اهداف مختلف عملیات حرارتی، فرآیندهای عملیات حرارتی را می توان به دو دسته تقسیم کرد: عملیات حرارتی اولیه و عملیات حرارتی نهایی.

1.هدف از عملیات حرارتی مقدماتی بهبود عملکرد پردازش، حذف تنش داخلی و تهیه یک ساختار متالوگرافی خوب برای عملیات حرارتی نهایی است. فرآیند عملیات حرارتی شامل بازپخت، عادی سازی، پیری، خاموش کردن و تمپر کردن و غیره است.

l بازپخت و نرمالیزاسیون برای قسمت های خالی که تحت پردازش حرارتی قرار گرفته اند استفاده می شود. فولاد کربن و فولاد آلیاژی با محتوای کربن بیشتر از 0.5٪ اغلب برای کاهش سختی و تسهیل برش آنیل می شوند. فولاد کربنی و فولاد آلیاژی با محتوای کربن کمتر از 0.5٪ با نرمال سازی درمان می شوند تا به دلیل سختی کم، ابزار در حین برش نچسبد. بازپخت و نرمال کردن می تواند اندازه دانه را اصلاح کند و به ریزساختار یکنواخت دست یابد و برای عملیات حرارتی آینده آماده شود. بازپخت و نرمال سازی اغلب بعد از ماشینکاری خشن و قبل از ماشینکاری خشن مرتب می شوند.

l عملیات زمانی عمدتاً برای از بین بردن تنش های داخلی ایجاد شده در تولید بلانک و پردازش مکانیکی استفاده می شود. برای جلوگیری از بار کاری بیش از حد حمل و نقل، برای قطعات با دقت کلی، می توان قبل از ماشینکاری دقیق، یک عملیات زمانی ترتیب داد. با این حال، برای قطعاتی که نیاز به دقت بالایی دارند (مانند پوشش دستگاه‌های حفاری مختصات)، دو یا چند فرآیند تصفیه کهنه باید ترتیب داده شود. قطعات ساده معمولاً نیازی به درمان پیری ندارند. علاوه بر ریخته‌گری‌ها، برای برخی از قطعات دقیق با استحکام ضعیف (مانند پیچ‌های دقیق)، درمان‌های چندگانه پیری اغلب بین ماشین‌کاری خشن و ماشین‌کاری نیمه دقیق ترتیب داده می‌شود تا تنش‌های داخلی ایجاد شده در طول پردازش را حذف کرده و دقت ماشین‌کاری قطعات را تثبیت کند. برخی از قطعات شفت پس از فرآیند صاف کردن نیاز به درمان زمانی دارند.

l Quenching and Tempering به عملیات حرارتی با دمای بالا پس از کوئنچ اشاره دارد که می تواند ساختار مارتنزیت یکنواخت و ریز به دست آورد و برای کاهش تغییر شکل در طی عملیات کوئنچ سطح و نیتریدینگ در آینده آماده شود. بنابراین، کوئنچ و تمپرینگ نیز می تواند به عنوان یک عملیات حرارتی مقدماتی استفاده شود. با توجه به خواص مکانیکی جامع خوب قطعات کوئنچ شده و تمپر شده، برخی از قطعات با نیاز کم به سختی و مقاومت در برابر سایش نیز می توانند به عنوان فرآیند عملیات حرارتی نهایی مورد استفاده قرار گیرند.

2.هدف از عملیات حرارتی نهایی بهبود خواص مکانیکی مانند سختی، مقاومت در برابر سایش و استحکام است.

l کوئنچ شامل کوئنچ سطحی و کوئنچ فله است. کوئنچ سطح به دلیل تغییر شکل کوچک، اکسیداسیون و کربن زدایی آن به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین دارای مزایای استحکام خارجی بالا و مقاومت در برابر سایش خوب است، در حالی که چقرمگی خوب و مقاومت در برابر ضربه قوی را در داخل حفظ می کند. برای بهبود خواص مکانیکی قطعات کوئنچ شده سطحی، اغلب لازم است عملیات حرارتی مانند کوئنچ و تمپر یا نرمال سازی به عنوان عملیات حرارتی اولیه انجام شود. مسیر کلی فرآیند عبارت است از: برش - آهنگری - نرمال کردن (بازپخت) - ماشینکاری خشن - کوئنچ و تمپر - ماشینکاری نیمه دقیق - کوئنچ سطحی - ماشینکاری دقیق.

کوئنچ کربوریزه برای فولاد کم کربن و فولاد کم آلیاژ مناسب است. ابتدا محتوای کربن لایه سطحی قطعه افزایش می‌یابد و پس از کوئنچ، لایه سطحی سختی بالایی به دست می‌آورد، در حالی که هسته همچنان استحکام، چقرمگی و پلاستیسیته خاصی را حفظ می‌کند. کربن‌سازی را می‌توان به کربن‌سازی کلی و کربن‌سازی موضعی تقسیم کرد. هنگام کربورسازی جزئی، باید اقدامات ضد نشت (آبکاری مس یا آبکاری مواد ضد نشت) برای قطعات غیر کربوریزه انجام شود. با توجه به تغییر شکل زیاد ناشی از کربورسازی و کوئنچ، و عمق کربورسازی به طور کلی از 0.5 تا 2 میلی‌متر، فرآیند کربن‌سازی معمولاً بین ماشین‌کاری نیمه دقیق و ماشین‌کاری دقیق مرتب می‌شود. مسیر کلی فرآیند این است: برش آهنگری نرمال سازی ماشینکاری خشن و نیمه دقیق ماشینکاری کربوریزه کردن ماشینکاری دقیق. هنگامی که بخش غیر کربوره شده قطعات کربوری شده موضعی، طرح فرآیند افزایش کمک هزینه و قطع لایه کربوره اضافی را اتخاذ می کند، فرآیند برش لایه کربوره اضافی باید پس از کربورسازی و قبل از کوئنچ ترتیب داده شود.

l تصفیه نیتروژن یک روش تصفیه است که به اتم های نیتروژن اجازه می دهد تا به سطح فلز نفوذ کنند و لایه ای از ترکیبات حاوی نیتروژن را بدست آورند. لایه نیتریدینگ می تواند سختی، مقاومت در برابر سایش، استحکام خستگی و مقاومت در برابر خوردگی سطح قطعات را بهبود بخشد. با توجه به دمای عملیات نیتریدینگ پایین، تغییر شکل کوچک و لایه نازک نیتریدینگ (به طور کلی از 0.6 تا 0.7 میلی متر تجاوز نمی کند)، فرآیند نیتروژن باید تا حد امکان دیر ترتیب داده شود. برای کاهش تغییر شکل در حین نیترید کردن، معمولاً پس از برش به تلطیف در دمای بالا برای کاهش تنش نیاز است.