عملیات حرارتی (Heat Treatment) به یک یا چند مرحله فرآیند گرم کردن و سردکردن کنترل شده فلزات و آلیاژها گفته می شود که با هدف تغییر ریزساختار و دستیابی به خواص مشخص انجام می گیرد. در این فرایند، شکل اصلی قطعه معمولاً تغییر نمی کند، اما سختی، استحکام، چقرمگی، مقاومت سایشی، قابلیت ماشین کاری و پایداری ابعادی آن می تواند به طور چشمگیری تغییر کند.
هر یک از روش های عملیات حرارتی از سه بخش اصلی تشکیل می شود: گرم کردن تا دمای مشخص، نگهداری در آن دما و سردکردن با سرعت مناسب. نتیجه نهایی فقط تابع دما نیست؛ ترکیب شیمیایی فولاد، ابعاد قطعه، زمان نگهداری، محیط کوره و روش سردکردن نیز تعیین کننده اند. بر مبنای تقسیم بندی مراجع عملیات حرارتی از جمله جلد چهارم کتاب ASM، روش های عملیات حرارتی را می توان در دو گروه اصلی بررسی کرد: عملیات حرارتی حجمی و عملیات حرارتی سطحی] 1،2. [
عملیات حرارتی حجمی (Bulk Heat Treatment)
در روش عملیات حرارتی حجمی، هدف تغییر خواص تمام حجم یا بخش عمده مقطع قطعه است. البته یکسان بودن خواص سطح و مغز به سختی پذیری فولاد، ابعاد قطعه و شدت سردکردن وابسته است.
آنیل (Annealing)
آنیل معمولاً برای کاهش سختی، افزایش شکل پذیری، بهبود قابلیت ماشین کاری، اصلاح ریزساختار یا کاهش تنش های پسماند انجام می شود. در این روش، قطعه تا دمای مشخص گرم و پس از نگهداری، معمولاً به آرامی سرد می شود.
آنیل کامل و آنیل کروی یا اسفرودایزینگ از انواع این عملیات هستند. آنیل کروی به ویژه در فولادهای پرکربن و فولادهای ابزار برای بهبود ماشین کاری اهمیت دارد. ریزساختار این فولادها معمولا فریت- پرلیت درشت دانه است.
نرماله کردن (Normalizing)
در نرماله کردن، فولاد تا محدوده آستنیتی گرم و سپس در هوای ساکن سرد می شود. سرعت سردشدن آن از آنیل کامل بیشتر است؛ بنابراین معمولاً ساختاری ریزتر و سختی و استحکام بیشتری ایجاد می کند. این فرایند برای اصلاح ساختار قطعات ریختگی و آهنگری شده و آماده سازی فولاد برای عملیات بعدی کاربرد دارد. ریزساختار این فولاد معمولا فریت- پرلیت ریزدانه است.
سختکاری و تمپر (Hardening and Tempering)
در سختکاری، فولاد تا دمای آستنیته شدن گرم و سپس با سرعت کافی سرد می شود تا ساختار سخت مارتنزیتی تشکیل شود. آب، روغن، پلیمر، هوا، گاز پرفشار و حمام نمک از محیط های متداول سردکردن هستند.
انجام فرآیند سختکاری بر روی قطعه، سختی و مقاومت سایشی را افزایش می دهد، اما تنش داخلی و حساسیت به شکست را نیز بالا می برد. به همین علت، فولاد سخت شده تقریباً همیشه باید تمپر شود. در تمپر، قطعه تا دمایی پایین تر از محدوده بحرانی گرم می شود تا با تبدیل فاز ناپایدار مارتنزیت به مارتنزیت تمپر شده، تنش ها کاهش یابد و تعادل مناسبی میان سختی و چقرمگی ایجاد شود. برخی فولادهای ابزار برای تبدیل آستنیت باقیمانده و افزایش پایداری ابعادی به دو یا سه مرحله تمپر و فرآیند ساب زیرو یا کریوژنیک نیاز دارند [1].
تنش گیری (Stress Relieving)
تنش گیری برای کاهش تنش های ناشی از جوشکاری، ماشین کاری، شکل دهی، ریخته گری یا سردکردن نامتقارن انجام می شود. دمای عملیات معمولاً پایین تر از محدوده تغییر فاز انتخاب می شود تا بدون تغییر شدید سختی، احتمال تابیدگی یا ترک در مراحل بعد کاهش یابد.
آستمپرینگ و مارتمپرینگ (Austempering and Martempering)
در آستمپرینگ، قطعه پس از رسیدن به دمای مناسب آستنیت و نگهداری به اندازه کافی، به جای کوئنچ تا دمای محیط، به سرعت به دمای شروع تشکیل بینیت که بالای دمای تشکیل مارتنزیت هست رسیده و در همین دما نگهداری می شود تا استحاله آستنیت به بینیت کامل شود. برای این کار معمولا از کوره های حمام نمک استفاده می شود. ریزساختار حاصل از این فرایند می تواند ترکیب مناسبی از استحکام، چقرمگی و پایداری ابعادی ایجاد کند.
فرآیند مارتمپرینگ، مشابه آستمپرینگ است با این تفاوت که در فرآیند سرد کردن قطعه ابتدا تا دمایی نزدیک شروع تشکیل مارتنزیت سرد و برای یکنواخت شدن دمای سطح و مغز نگهداری می شود. سپس سردکردن ادامه یافته و قطعه تمپر می شود. ریز ساختار حاصل از این فرآیند مارتنزیت است و هدف اصلی انجام آن، کاهش اختلاف دمای سطح و مغز و در نتیجه کاهش تنش، اعوجاج و خطر ترک است.
عملیات محلولی (Solution Treatment) و پیرسختی (Age Hardening)
برخی فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده، به جای سختکاری متعارف از طریق کوئنچ و تشکیل مستقیم مارتنزیت پرکربن، با ترکیبی از عملیات محلولی و پیرسازی به استحکام نهایی می رسند. این فرایند در گروه عملیات حرارتی حجمی قرار می گیرد، زیرا تغییرات ریزساختاری در تمام مقطع قطعه ایجاد می شود.
در عملیات محلولی، فولاد تا دمای مشخصی گرم می شود تا عناصر آلیاژی و ترکیبات قابل رسوب در زمینه حل شوند. سپس با سردکردن سریع، یک ساختار فوق اشباع ایجاد می شود. در بعضی فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده، سردشدن پس از عملیات محلولی هم زمان، موجب تشکیل زمینه مارتنزیتی نیز می شود.
در مرحله پیرسازی، قطعه در دمایی پایین تر برای مدت معین نگهداری می شود تا ذرات ریز و پراکنده بین فلزی یا ترکیبات سخت کننده در زمینه رسوب کنند. این رسوبات حرکت نابجایی ها را محدود کرده و باعث افزایش سختی و استحکام می شوند. دما و زمان پیرسازی باید با دقت کنترل شود؛ زیرا پیرسازی بیش از حد می تواند باعث درشت شدن رسوبات و کاهش سختی و استحکام شود. سختکاری فولادهای زنگ نزن رسوب سخت شونده مانند 17-4PH از شناخته شده ترین کاربردهای این روش هستند [1].
عملیات حرارتی سطحی (Surface Heat Treatment)
در عملیات سطحی، هدف ایجاد سطحی سخت و مقاوم در برابر سایش، خستگی، چسبندگی یا خوردگی، در کنار مغزی چقرمه تر است. مرجع ASM روش های سختکاری و اصلاح سطح را در سه رویکرد اصلی دسته بندی می کند: تغییر ترکیب شیمیایی، اعمال انرژی و ایجاد یا اصلاح یک لایه سطحی [2].
۱. روش های مبتنی بر تغییر ترکیب شیمیایی (Chemical Modification)
در این روش ها، یک یا چند عنصر در سطح قطعه نفوذ می کند و ترکیب شیمیایی و ریزساختار ناحیه سطحی را تغییر می دهد، اصلی ترین روشهای سختکاری سطحی به این روش عبارتند از:
- سمانتاسیون (Carburizing): افزودن کربن به سطح فولادهای کم کربن و سپس سختکاری.
- نیتراسیون (Nitriding): نفوذ نیتروژن و تشکیل نیتریدهای سخت، معمولاً بدون کوئنچ نهایی.
- کربنیتراسیون (Carbonitriding): نفوذ هم زمان کربن و نیتروژن در محدوده آستنیتی.
- نیتروکربوراسیون (Nitrocarburizing): نفوذ عمدتاً نیتروژن همراه با مقدار کمتری کربن در دمای پایین تر.
- بوردهی (Boriding): نفوذ بور و تشکیل لایه های بسیار سخت بوریدی.
سمانتاسیون و نیتراسیون می توانند به روش های گازی، مایع، خلأ یا پلاسمایی انجام شوند. برای مثال، نیتراسیون پلاسمایی (Plasma Nitriding) یا نیتراسیون یونی یک فرایند نفوذی ترموشیمیایی است، نه یک روش پوشش دهی و همین باعث می شود ابعاد قطعه بعد از نیتراسیون تغییری نکند. همین موضوع درباره کربن دهی پلاسمایی و نیتروکربوراسیون پلاسمایی نیز صدق می کند.
۲. روش های مبتنی بر اعمال انرژی (Applied-Energy Methods)
در این روش ها، ترکیب شیمیایی فولاد تغییر نمی کند. انرژی به صورت موضعی به سطح اعمال می شود، دمای سطح به سرعت بالا رفته و به دمای آستنیته شدن می رسد و سپس سطح با آب با مایع مناسب دیگر سریع سرد می شود، اصلی ترین روشهای سختکاری به این روش عبارتند از:
- سختکاری شعله ای (Flame Hardening)
- سختکاری القایی (Induction Hardening)
- سختکاری لیزری (Laser Hardening)
- سختکاری با پرتوی الکترونی (Electron-Beam Hardening)
این روش ها برای ایجاد ناحیه سخت در بخش های مشخص قطعه مناسب اند. چون کربنی به سطح افزوده نمی شود، فولاد پایه باید کربن و سختی پذیری کافی داشته باشد.
۳. لایه نشانی و اصلاح سطح (Coating and Surface Modification)
در این گروه، لایه ای جدید روی زیرلایه ایجاد می شود یا ترکیب ناحیه ای بسیار کم عمق از سطح تغییر می کند. روش های مهم عبارت اند از:
- PVD یا رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار: ماده پوشش در خلأ تبخیر شده و با کندوپاش روی قطعه رسوب داده می شود. دمای آن معمولاً از CVD پایین تر است و برای ابزارهای دقیق مناسب تر است. ضخامت این پوشش حدود 3 تا 5 میکرون است و سختی بسیار بالایی متناسب با نوع پوشش دارد.
- CVD یا رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار: پوشش بر اثر واکنش شیمیایی بین گازهای حاوب بخار پوشش و سطح گرم قطعه تشکیل می شود. چسبندگی پوشش به سطح بالاتر است.
- PACVD یا رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما: بخشی از انرژی واکنش به وسیله پلاسما تأمین می شود؛ بنابراین امکان رسوب دهی در دمای پایین تری نسبت به CVD متعارف فراهم می شود. [3]
- TD یا TRD: در فرایند رسوب دهی واکنشی ـ نفوذی، عناصر کاربیدزا یا نیتریدزا با کربن یا نیتروژن موجود در زیرلایه واکنش داده و لایه ای متالورژیکی و چسبنده تشکیل می دهند. پوشش های VC، کروم کاربید و کروم نیترید از نمونه های آن هستند. این فرایند می تواند در حمام نمک، بستر سیال یا محیط پودری انجام شود [1].
- آبکاری کروم سخت، آبکاری نیکل و پاشش حرارتی نیز در این گروه قرار می گیرند.
فرایند TD از نظر سازوکار، واکنش و نفوذ را هم زمان دربرمی گیرد. راهنمای انتخاب فرایند ASM آن را در میان روش های نفوذی آورده است، اما در ویرایش های جدیدتر به دلیل تشکیل یک لایه فشرده کاربیدی یا نیتریدی، آن را از نظر کاربرد به پوشش های سخت PVD و CVD نزدیک تر می داند. بنابراین TD را می توان یک فرایند مرزی میان نفوذ ترموشیمیایی و پوشش دهی دانست.
جمع بندی
هیچ روش عملیات حرارتی یا پوشش سطحی بهطور مطلق بهترین نیست. انتخاب روش مناسب در خدمات عملیات حرارتی باید بر اساس جنس فولاد، ابعاد قطعه، سختی و چقرمگی موردنیاز، عمق لایه، دمای کار، نوع سایش، احتمال اعوجاج و هزینه انجام شود. عملیات حرارتی موفق تنها به معنای رسیدن به یک عدد سختی مشخص نیست؛ بلکه باید ترکیب مناسبی از ریزساختار، خواص مکانیکی، پایداری ابعادی و قابلیت اطمینان قطعه را ایجاد کند.
منابع
[1] J. L. Dossett and G. E. Totten, Eds., ASM Handbook, Volume 4A: Steel Heat Treating—Fundamentals and Processes, ASM International, 2013.
[2] ASM International, Surface Hardening of Steels: Understanding the Basics—Process Selection Guide, 2002.
[3] S. Y. Zhang and W. G. Zhu, “TiN Coating of Tool Steels: A Review,” Journal of Materials Processing Technology, Vol. 39, 1993.
[4] Properties of Tool Steels and Their Importance When Used in a Coated System, Coatings, Vol. 10, 2020.