تغییر خواص مکانیکی فلزات یکی از عملیات مهم و بسیار پرکاربرد در صنایع مختلف است که اغلب از طریق عملیات حرارتی انجام میشود. عملیات حرارتی، یک روش کارآمد و مورد علاقه در تنظیم و بهینهسازی خواص مکانیکی فلزات است. این روش، امکاناتی فراهم میکند که به ما این امکان را میدهد که سختی، مقاومت، و استحکام فلز را به دقت تنظیم کنیم، در حالی که ترکیب شیمیایی فلز حفظ میشود. بدین ترتیب، این امکان فراهم میشود که فلزات را با نیازهای مختلف محیطی و شغلی متناسب کنیم.
مزیت اصلی این روش در این است که میتوان با اعمال عملیات حرارتی، خواص مکانیکی فلزات را به طور قابل ملاحظهای تغییر داد و در نتیجه، عملکرد و کارایی مواد را بهبود بخشید. همچنین، با این کار امکان ایجاد فلزاتی با خواص خاص برای کاربردهای خاص نیز وجود دارد.
عملیات حرارتی روی فلزات به شکلهای مختلفی قابل انجام است، از جمله کوئنچ کردن یا تمپر کردن فولاد که یکی از روشهای مهم و معروف است. این فرآیند، فولاد را از روی دماهای بالا گرم میکند و سپس به سرعت خنک شده تا خواص مکانیکی خاصی مانند سختی و مقاومت به دست آید. این روش به عنوان یکی از مهمترین روشهای بهبود خواص مکانیکی فلزات شناخته میشود.
در این مقاله، به بررسی جامع و دقیقتر این موضوع پرداخته خواهد شد. امیدواریم که با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید تا اطلاعات بیشتری در این زمینه کسب کنید.
تمپر کردن چیست؟
تمپر کردن، یکی از فرآیندهای حرارتی پرکاربرد در صنایع مختلف است که از طریق خنکسازی سریع فلز، خواص مکانیکی آن را تنظیم و بهینه میکند. این فرآیند اغلب با استفاده از موادی مانند آب، آبنمک، هوای آرام، محلولهای پلیمری یا روغن سرد انجام میشود و در دمای بالاتر از دمای تبلور مجدد فلز، اما زیر دمای ذوب، فلز را سریعاً خنک میکند.
در این فرآیند، فلز ممکن است در دمای مورد نظر برای مدتی نگه داشته شود و سپس در یک محیط خاموش به دمای اتاق بازگردانده شود. همچنین، ممکن است فلز برای مدت طولانیتری خاموش شود تا حرارت حاصل از خنکسازی در سراسر ضخامت مواد توزیع شود.
تمپر کردن یکی از فرآیندهای باستانی و قدیمی است که نمونههایی از آن به دوران ۱۱۰۰ تا ۱۲۰۰ قبل از میلاد در جلیل (سرزمینی در شمال اسرائیل) برمیگردد. این روش در سراسر جهان، از آسیا تا آفریقا، استفاده میشده است و هنوز هم یکی از روشهای مناسب برای انجام عملیات حرارتی فولاد و فلزات دیگر است.
عملیات حرارتی در انواع مختلفی انجام میشود که شامل آنیل کردن (بازپخت)، نرمال کردن، کوئنچ کردن، آستمپر کردن، مارتمپر کردن، تنشزدایی، کروی کردن، کربندهی سطحی و نیتروژندهی میشود. این روشها، هر کدام با ویژگیهای خاص خود، در بهبود و تنظیم خواص مکانیکی و شیمیایی فلزات مؤثر هستند و در صنایع مختلف، از جمله صنایع خودروسازی، ساخت و ساز، و صنایع فلزی به کار میروند.
چگونه عملیات تمپر کردن انجام میشود؟
در عملیات تمپر کردن، مواد مختلفی برای خنکسازی سریع فلز استفاده میشوند. این مواد اصلی عبارتند از:
1. هوا
2. روغن
3. آب
4. آبنمک
پیشنهاد سایت : چگونه فلزات آهنی از فلزات غیرآهنی متفاوتند؟
هوا
یکی از مزایای اساسی استفاده از هوا به عنوان منبع خنککننده، این است که این منبع بسیار مقرون به صرفه است و برای استفاده از آن نیازی به پرداخت هزینهای نیست؛ همچنین به راحتی در دسترس قرار دارد. در واقع، هر مادهای که گرم شود، با قرار گرفتن در محیط اتاق، به طور طبیعی خنک میشود.
گرچه حتی هوای فشرده نیز میتواند برای خنک کردن بسیاری از فلزات مورد استفاده قرار گیرد، اما این عملیات ممکن است به طور آهسته انجام شود تا تغییرات مورد نظر در خواص مکانیکی فلز به دست آید. اما نکته حائز اهمیت اینجاست که اگر فولاد دارای ترکیبات آلیاژی فراوان باشد، عمدتاً آن را در هوا سرد میکنند، در حالی که اگر ترکیبات آلیاژی آن کمتر باشد یا اصلاً آلیاژ نداشته باشد، از آب برای خنک کردن استفاده میشود. به همین دلیل است که استفاده از هوا به عنوان محیط خنککننده در برخی موارد ممکن است مقرون به صرفهتر و موثرتر باشد، زیرا همچنین هوا میتواند به عنوان یک روش خنک کردن محیطی برای اجسامی که در آنها ترکیبات آلیاژی کمتری وجود دارد، مورد استفاده قرار گیرد و از آب جلوگیری شود.
استفاده از روغن
روغن توانایی خاموش کردن فلزات گرم را به صورت بسیار سریعتر از هوای فشرده دارد. برای این کار، بخشی از فلز گرم را در یک مخزنی که با نوعی از روغن پر شده است، قرار میدهند. انواع مختلف روغن معمولاً بسته به نوع کاربرد آنها مورد استفاده قرار میگیرد، زیرا ویژگیهای مختلفی از جمله میزان خنک کنندگی، نقاط اشتعال، و خواص حرارتی آنها متفاوت است. به عنوان مثال، برخی از روغنها مخصوصاً برای فلزاتی با دماهای بالا و نقاط ذوب بالا طراحی شدهاند، در حالی که روغنهای دیگر قابلیت استفاده در دماهای پایینتر را دارند. این انتخاب مواد خنککننده بر اساس نیازهای خاص هر فرآیند و خواص فلزات مورد استفاده در آن فرآیند صورت میگیرد.
آب
آب نیز توانایی سریع فرونشاندن فلزات گرم شده را دارد، بلکه ممکن است آب، به سرعت بیشتری از روغن، یک فلز را خنک کند. به شیوهای مشابه با خاموش شدن با روغن، یک مخزن از آب پر میشود و فلز گرم شده در آن غوطهور میشود. اما تفاوتهایی نیز بین استفاده از آب و روغن وجود دارد. به عنوان مثال، آب به دلیل داشتن ضریب حرارتی بالاتر و چگالی بیشتر، معمولاً به طور سریعتری از روغن، حرارت را از فلزات جذب کرده و آنها را خنک میکند. همچنین، بسته به نوع فلز و شرایط فرآیند، استفاده از آب ممکن است مزایایی مانند جلوگیری از اکسیداسیون فلزات و یا ایجاد سطحی صافتر داشته باشد. این انتخاب بین استفاده از روغن یا آب بسته به نوع فلز، دمای مورد نیاز برای خنک کردن، و نیازهای خاص فرآیند صورت میگیرد.
آبنمک
آبنمک به عنوان یک مخلوط از آب و نمک شناخته میشود، که این مخلوط به سرعت بیشتر از هوا، آب، و حتی روغن، قادر است فلز را خنک کند. علت این اثر نیز به سریعی و قوت این تاثیر بر میگردد، زیرا هنگامی که مخلوط نمک و آب با فلز گرم تماس میگیرد، ایجاد حبابها روی سطح فلز را مانع میشود. این حبابها باعث افزایش مساحت تماس بین آب و فلز میشوند، که این امر به دلیل داشتن حرارتی بیشتر و گرمای اضافی تولید شده توسط تبدیل انرژی کینتیکی حبابها به گرما، منجر به خنک کردن سریعتر فلز میشود. این ویژگیهای خاص آبنمک، آن را به یکی از گزینههای موثرتر برای خنک کردن فلزات، به خصوص در فرآیندهایی که نیاز به سرعت بالا و یا کنترل دقیق دما دارند، تبدیل کرده است.
مراحل تمپر کردن
تمپر کردن یک فرآیند پیچیده و چند مرحلهای است که شامل مراحل زیر میشود:
1. گرم کردن تا دمای مناسب: در این مرحله، قطعه فولادی مورد نظر در کورههای گازی، کورههای مقاومت الکتریکی یا کورههای القایی، به دمایی کمتر از 700 درجه سانتیگراد گرم میشود. این گرم کردن معمولاً با استفاده از گاز بیاثر صورت میگیرد تا اکسیداسیون روی فولاد ایجاد نشود و از احتمال آلودگی و تغییرات غیرمطلوب در خواص فلز جلوگیری شود.
2. نگهداشتن فولاد در آن دما برای مدت مشخص: در این مرحله، قطعه فولاد گرم شده را برای مدت زمان مشخصی در دمای مورد نظر نگه میدارند. این مدت زمان معمولاً بر اساس نیازهای خاص فرآیند و خواص مورد انتظار برای قطعه فولادی تعیین میشود.
3. خنک کردن آهسته فولاد گرم شده: بعد از اتمام مدت زمان نگهداشتن، قطعه فولادی بهآرامی سرد میشود تا به دمای محیط برسد. این مرحله بسیار حساس است زیرا خنک کردن فولاد به شکل آهسته و متداول، برای دستیابی به خواص مکانیکی و ساختاری موردنیاز بسیار حیاتی است. در این مرحله، عوامل مختلفی مانند خواص مکانیکی مورد نیاز برای قطعه نهایی، ابعاد قطعه، ترکیبات شیمیایی و نوع و میزان عناصر آلیاژی موجود در آن در نظر گرفته میشود. به عنوان مثال، برای به دست آوردن یک فلز با سختی و استحکام مطلوب، انتخاب نرخ خنک کردن به دقت باید مورد توجه قرار گیرد تا از تشکیل ساختارهای نامطلوب مانند خستگیها و ترکها در فلز جلوگیری شود.
فرآیند تمپر کردن فولاد (برگشت دادن)
در این فرآیند، فولاد به دمای بالاتر از دمای تبلور مجدد خود رسیده و با استفاده از یک فرآیند خنکسازی، به سرعت خنک میشود. این خنکشدن سریع، ساختار بلوری فولاد را تغییر میدهد و با توجه به محتوای کربن و عناصر آلیاژی، میتواند به وجود ریزساختارهایی مانند مارتنزیت یا بینیت بیانجامد. این ریزساختارها باعث افزایش مقاومت و سختی فولاد میشوند، اما همزمان میتوانند باعث کاهش زیاد شکلپذیری و مقاومت فولاد در برابر ترک خوردگی شوند.
برای همین، برخی از فولادها به دنبال فرآیندهای دیگری مانند سخت شدن خنکشدن، پخت یا نرمشدن هستند. سرعت انجام عملیات کوئنچ کردن بستگی به نوع و میزان عناصر آلیاژی دارد و میتواند با انتخاب مناسب ماده خنککننده (مانند آب، نمک، روغن و غیره) کنترل شود. یک نکته مهم دیگر این است که عملیات تمپر کردن روی فولادهای کمکربن انجام نمیشود، زیرا این میتواند باعث از بین رفتن بخشی از کربن فولاد شود.
با توجه به این نکات، میتوان نتیجه گرفت که کوئنچ یا تمپر کردن فولاد به منظور افزایش کیفیت سطح قطعه فولادی صورت میگیرد. همانطور که اشاره شد، موادی مانند هوا، روغن، آب و حتی آبنمک در این عملیات به کار میروند و نقش مهمی در تنظیم و بهینهسازی فرآیند دارند.
پیشنهاد سایت : طول هر شاخهی تیرآهن
