فولادها از مهم‌ترین و پرکاربردترین آلیاژهای مهندسی در صنایع مختلف محسوب می‌شوند. با این حال، خواص مکانیکی فولاد خام حاصل از ریخته‌گری یا نورد اغلب برای کاربردهای صنعتی کافی نیست. عملیات حرارتی (Heat Treatment) یکی از مهم‌ترین روش‌های مهندسی برای بهبود خواص مکانیکی، فیزیکی و ساختاری فولاد است.
در این مقاله، ابتدا به دلایل انجام عملیات حرارتی پرداخته و سپس انواع عملیات حرارتی فولادها، فرآیند، ساختار متالورژیکی، هدف و کاربرد صنعتی هر یک را به طور کامل بررسی می‌کنیم.
۱- دلایل انجام عملیات حرارتی بر روی فولاد
عملیات حرارتی مجموعه‌ای از فرآیندهاست که شامل گرم کردن، نگهداری در دمای مشخص و سرد کردن کنترل‌شده است. این عملیات به منظور تغییر در ریزساختار و در نتیجه خواص فولاد انجام می‌شود.
مهم‌ترین اهداف انجام عملیات حرارتی عبارت‌اند از:
۱. افزایش سختی و استحکام مکانیکی برای مقاومت در برابر سایش و خمش.
۲. افزایش چقرمگی برای جلوگیری از شکست ترد در شرایط ضربه یا بار ناگهانی.
۳. بهبود قابلیت ماشین‌کاری یا شکل‌دهی.
۴. کاهش تنش‌های پسماند ناشی از نورد، جوشکاری یا ماشین‌کاری.
۵. بهبود پایداری ابعادی در قطعات دقیق.
۶. اصلاح ساختار متالورژیکی (مثلاً حذف درشت‌دانه‌ها یا همگن‌سازی).
۲- انواع عملیات حرارتی فولادها
عملیات‌های حرارتی را می‌توان به دو گروه کلی تقسیم کرد:
- عملیات حرارتی پایه : مانند آنیل، نرماله، کوئنچ و تمپر.
- عملیات حرارتی سطحی : مانند کربوراسیون، نیتراسیون، کربونیتراسیون، و سخت‌کاری القایی.در ادامه هر نوع عملیات حرارتی به‌صورت جداگانه تشریح می‌شود.
۲-۱-آنیل کردن (Annealing)
هدف: افزایش نرمی، بهبود ماشین‌کاری، کاهش تنش‌های داخلی و بهبود یکنواختی ساختار.
فرآیند: در عملیات آنیل، فولاد تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی (حدود ۳۰ تا ۵۰ درجه بالاتر از A₃ یا A₁) گرم شده، مدتی در آن دما نگهداری می‌شود تا دانه‌ها به حالت تعادلی برسند، سپس به‌آرامی در کوره سرد می‌شود.
انواع آنیل:
-
- Full Annealing (آنیل کامل): برای فولادهای هیپویوتکتوئید به منظور دستیابی به ساختار فریتی-پرلیتی یکنواخت.
- Process Annealing (آنیل فرایندی): برای کاهش سختی موقت پس از نورد سرد.
- Stress Relief Annealing (تنش‌زدایی): برای حذف تنش‌های داخلی بدون تغییر فاز.
- Spheroidizing Annealing (آنیل کروی‌سازی): برای فولادهای پرکربن به منظور افزایش قابلیت ماشین‌کاری.
کاربرد صنعتی:
-
- در ساخت ورق‌ها و لوله‌های فولادی قبل از شکل‌دهی.
- در قطعاتی مانند میل‌لنگ، دنده‌ها و ابزارها برای آماده‌سازی پیش از عملیات نهایی.
۲-۲- نرماله کردن (Normalizing)
هدف: بهبود استحکام، یکنواخت‌سازی ساختار و اصلاح اندازه دانه‌ها.
فرآیند: فولاد تا حدود ۴۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد بالاتر از دمای بحرانی گرم شده و سپس در هوای ساکن سرد می‌شود.
نتیجه ساختاری: تشکیل ساختار پرلیت ریزدانه و فریت که نسبت به آنیل سخت‌تر ولی مستحکم‌تر است.
کاربرد صنعتی:
-
- در فولادهای ریختگی برای حذف ساختار دندریتی.
- در فولادهای ساختمانی برای افزایش استحکام و یکنواختی خواص.
- قبل از عملیات سخت‌کاری یا ماشین‌کاری نهایی.
۲-۳-کوئنچ و تمپر (Quenching and Tempering)
هدف: افزایش سختی و استحکام بالا و سپس بهبود چقرمگی از طریق تمپر.
فرآیند:
-
- کوئنچ: فولاد تا بالای دمای بحرانی گرم و سپس به سرعت در محیطی مانند آب، روغن یا هوا سرد می‌شود. این باعث تشکیل مارتنزیت (ساختار بسیار سخت و ترد) می‌شود.
- تمپر: سپس فولاد کوئنچ‌شده دوباره تا دمایی پایین‌تر (۱۵۰–۶۵۰°C) گرم می‌شود تا تردی کاهش یافته و چقرمگی افزایش یابد.
کاربرد صنعتی: قطعاتی که نیاز به استحکام بالا دارند: شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها، فنرها، ابزار برش، پیچ و مهره‌های مقاوم.
فولادهای کم‌کربن آلیاژی پس از نیتراسیون نیز معمولاً تمپر می‌شوند.
۲-۴- نیتراسیون (Nitriding)
هدف: افزایش سختی سطحی و مقاومت به سایش و خوردگی بدون نیاز به کوئنچ.
فرآیند: در دمای حدود ۵۰۰–۵۵۰°C در محیط آمونیاک (NH₃)، اتم‌های نیتروژن به سطح فولاد نفوذ کرده و نیتریدهای سخت تشکیل می‌دهند.
ویژگی‌ها:
-
- بدون تغییر ابعادی قابل‌توجه.
- ایجاد سختی سطحی تا ۱۰۰۰–۱۲۰۰ HV.
- مقاومت بالا در برابر سایش و خوردگی.
کاربرد صنعتی: میل‌لنگ‌ها، چرخ‌دنده‌ها، قالپاق‌های سوپاپ، قالب‌های تزریق پلاستیک، قطعات موتور هواپیما.
۲-۵- کربوراسیون (Carburizing)
هدف: افزایش سختی سطحی با حفظ چقرمگی مغز فولاد.
فرآیند: فولاد کم‌کربن در دمای حدود ۹۰۰–۹۵۰ درجه سانتیگراد در محیط غنی از کربن (مانند گاز CO یا جامدات کربن‌دار) قرار می‌گیرد. اتم‌های کربن به سطح نفوذ کرده و پس از کوئنچ، لایه سطحی مارتنزیتی سخت تشکیل می‌شود.
کاربرد صنعتی: چرخ‌دنده‌ها، پین‌ها، شفت‌ها، میل‌سوپاپ‌ها، قطعات خودرو و ابزارهای مکانیکی.
۲-۶- کربونیتراسیون (Carbonitriding)
هدف: ترکیب مزایای کربوراسیون و نیتراسیون.
فرآیند: در دمای پایین‌تر از کربوراسیون (حدود ۸۵۰ درجه سانتیگراد) در محیطی شامل گازهای حاوی کربن و نیتروژن انجام می‌شود. نفوذ هر دو عنصر به سطح باعث افزایش سختی و مقاومت به سایش می‌شود.
کاربرد صنعتی: قطعات کوچک خودرو، پین‌ها، یاتاقان‌ها، ابزارهای سبک.
۲-۷- سخت‌کاری القایی (Induction Hardening)
هدف: سخت‌کاری موضعی سطحی بدون تأثیر بر مغز قطعه.
فرآیند: با استفاده از جریان الکتریکی با فرکانس بالا، سطح قطعه در مدت کوتاهی گرم و بلافاصله کوئنچ می‌شود.
فقط ناحیه سطحی مارتنزیتی شده و مغز چقرمه باقی می‌ماند.
کاربرد صنعتی: چرخ‌دنده‌ها، محورهای انتقال قدرت، ریل‌ها، غلطک‌ها و لبه ابزارها.
۳-مقایسه و جمع‌بندی نهایی
| کاربرد اصلی | ساختار حاصل | هدف اصلی | نوع عملیات حرارتی |
| قبل از ماشین‌کاری | فریت + پرلیت درشت | نرم کردن و تنش‌زدایی | آنیل |
| فولادهای ریختگی | پرلیت ریزدانه | یکنواختی و اصلاح دانه | نرماله |
| ابزارها، شفت‌ها | مارتنزیت تمپرشده | سختی و چقرمگی بالا | کوئنچ و تمپر |
| قطعات موتور | نیتریدهای آهن | سختی سطحی بدون کوئنچ | نیتراسیون |
| چرخ‌دنده‌ها | مارتنزیت سطحی | سختی سطح، چقرمگی مغز | کربوراسیون |
| قطعات کوچک | مارتنزیت نیتروکربنی | ترکیبی از هر دو | کربونیتراسیون |
| محور و چرخ‌دنده | مارتنزیت سطحی | سخت‌کاری موضعی سریع | سخت‌کاری القایی |
نتیجه‌گیری
عملیات حرارتی نقش تعیین‌کننده‌ای در تنظیم خواص مکانیکی فولادها دارد. انتخاب نوع عملیات وابسته به ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه، شرایط کاری و خواص مورد انتظار است.
با شناخت دقیق فرآیندها و کنترل پارامترهای حرارتی، می‌توان بهینه‌ترین ترکیب از سختی، استحکام، چقرمگی و پایداری را در قطعه فولادی به دست آورد.
