برای اصلاح خواص مواد می‌توانیم از گرمایش و سرمایش کنترل شده استفاده کنیم که به این عملیات، عملیات حرارتی گفته می‌شود. اگر این عملیات حرارتی را روی فولاد انجام دهیم به آن عملیات حرارتی فولاد می‌گویند. همان‌طور که در مقاله “صفر تا 100 عملیات حرارتی فولاد و مفاهیم و فرآیندهای آن” اشاره کردیم، عملیات حرارتی فولاد از فرایندها و انواع گوناگونی تشکیل شده که هاردنینگ و کوئنچینگ و تمپرینگ از انواع آن هستند. تمپرینگ یکی از فرایندهای مهم در عملیات حرارتی است که در ادامه به بررسی آن می‌پردازیم.
فهرست مطالب
عملیات تمپرینگ چیست؟
تمپرینگ یا ملایم‌سازی (به انگلیسی Tempering) یکی از فرآیندهای عملیات حرارتی است که برای افزایش چقرمگی آلیاژهای مبتنی بر آهن استفاده می‌شود. اگر این فرایند را روی فولاد اجرا کنیم نام آن به عملیات تمپرینگ فولاد تغییر پیدا می‌کند. معمولاً این عملیات را پس از کوئنچینگ یا هاردنینگ انجام می‌دهند که هدف آن کاهش مقدار سختی اضافی می‌باشد. روش کار آن این گونه است که فلز را برای مدت معینی تا نقطه بحرانی آن حرارت داده و سپس به فلز اجازه می‌دهیم تا در دمای اتاق خنک شود.
دلیل اصلی اینکه تمپرینگ را بعد از کوئنچ کردن هم انجام می‌دهیم این است که حین کوئنچینگ، یک ریزساختار بسیار سخت به نام مارتنزیت تشکیل می‌شود. تمپر کردن با روش‌های گوناگونی باعث کاهش سختی مارتنزیت می‌شود. به عبارت دیگر عملیات کوئنچینگ باعث سخت شدن شدید فلز شده و تمپرینگ برای تعدیل این سختی انجام می‌شود.
از سوی دیگر تمپرینگ یک روش عملیات حرارتی است که برای آلیاژهای آهنی مانند فولاد یا چدن به کار می‌رود تا با کاهش سختی آلیاژ، چقرمگی بیشتری حاصل شود. کاهش سختی معمولاً با افزایش شکل‌پذیری همراه بوده و این موضوع باعث کاهش شکنندگی فلز می‌شود. Tempering با حرارت دادن کنترل شده به قطعه کار کوئنچ شده تا دمایی کمتر از دمای بحرانی انجام می‌شود. چرا که در صورت حرارت دادن تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی احتمال از بین رفتن مارتنزیت یا همان ریزساختار بسیار سختی که در کوئنچینگ حاصل شده وجود دارد.
تاریخچه تمپرینگ
تاریخ باستان
تاریخچه تمپر کردن را می‌توان در هزاران سال قبل جستجو کرد. چرا که مفهوم عملیات حرارتی و تمپرینگ توسط تمدن‌های باستانی کشف و مورد استفاده قرار گرفت. یکی از اولین نمونه‌های ثبت شده از تمپرینگ را می‌توان در تمدن مصر باستان یافت. در آن زمان مصریان مهارت خاصی در متالورژی داشته و به فنون عملیات حرارتی مسلط بودند. هدف اصلی آن‌ها از تمپرینگ افزایش خواص برنز و آلیاژهای مس و قلع بود. در آن زمان، از تمپرینگ برای بهبود قدرت، استحکام و انعطاف‌پذیری شمشیرها و سایر سلاح‌ها استفاده می‌شد. در میان ملل مختلف این یونانیان و رومیان بودند که به استفاده از روش‌های تمپرینگ برای سلاح‌های خود معروف شدند. البته نام این عملیات در میان یونانیان به عنوان “عملیات پیچیده” شناخته می‌شد و این رومی‌ها بودند که برای اولین بار نام آن را “عملیات تمپر” قرار دادند.
با گذشت زمان و در قرون وسطی، آهنگران ماهر، تکنیک‌هایی را برای افزایش کیفیت سلاح و زره طراحی کردند. این تکنیک‌ها به این صورت بودند که فلز را تا دمای خاصی گرم کرده و سپس آن را به سرعت در آب یا روغن خنک می‌کردند. پس از آن فلز را دوباره گرم کرده و سپس به آرامی خنک می‌کردند. این فرآیند که امروزه به عنوان “کوئنچ و تمپر” شناخته می‌شود، به روشی رایج برای بهبود خواص فولاد تبدیل شده است.
دوران مدرن
در طول انقلاب صنعتی، پیشرفت در متالورژی و درک تکنیک‌های عملیات حرارتی، شتاب گرفت. دانشمندان و مهندسان به مطالعه تأثیرات دما، زمان و سرعت خنک‌سازی بر روی خواص فولاد روی آوردند. با پیشرفت دانش و فناوری علمی، تمپرینگ هم به یک عملیات حرارتی استاندارد و پرکاربرد تبدیل شد. تولیدات فولاد صنعتی و تقاضا برای مواد با کیفیت از سوی صنایع مختلف، دلیل بهبود تکنیک‌های تمپر شد.
امروزه با پیشرفت تکنولوژی و ساخت دستگاه‌های مجهز، تمپرینگ به یک فرآیند کاملاً تثبیت شده و حیاتی در متالورژی تبدیل شده و در زمینه‌های مختلفی مانند خودروسازی، هوافضا، ساخت‌وساز و ابزار مورد استفاده قرار می‌گیرد. تحقیقات مستمر و پیشرفت‌های فناوری همچنان به گسترش درک ما از علم مربوط به معتدل‌سازی ادامه می‌دهد و امکان بهینه‌سازی بیشتر خواص مواد و توسعه روش‌ها و تجهیزات پیشرفته‌تر را فراهم می‌کند.
مراحل Tempering فولاد
عملیات معتدل‌سازی یا تمپرینگ در مراحل مختلفی انجام می‌شود که به شرح زیر است:
گرمایش
در این مرحله فولاد را تا دمایی بین دمای اتاق و کمتر از دمای بحرانی حرارت می‌دهیم. این حرارت دادن باید با سرعت کنترل شده‌ای صورت گیرد تا از آسیب دیدن فولاد جلوگیری شود. دمای مناسب نیز به نوع فولاد و تغییر خواص مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال فولاد ابزار در حدود 200 الی 300 درجه سانتی‌گراد، فولاد فنری در دمای 300 الی 400 درجه و فولادهای ساختاری در دمای 450-650 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شوند. این حرارت دادن معمولاً در کوره‌های تمپرینگ و با گاز بی اثر اتفاق می‌افتد. چرا که استفاده از این گاز از اکسیداسیون فلز جلوگیری می‌کند.
ثابت نگه داشتن دما
هنگامی که فلز به دمای مطلوب رسید، برای مدت زمان مشخصی در آن دما نگهداری می‌شود. مدت زمان این نگهداری به نوع فولاد، سطح مقطع اجزاء و خواص مکانیکی مورد نیاز بستگی دارد. در صورتی که این زمان به درستی اعمال نشود ممکن است باعث آسیب دیدن فولاد شده و عملاً تمام زحمات قبلی را از بین ببرد. پس این مرحله کاملاً حیاتی بوده و بسیار مهم است که با دقت انجام شود.
خنک کردن
پس از گرمایش و ثابت ماندن آن در دمای مشخص، نوبت به خنک کردن آهسته فولاد گرم شده می‌رسد. در این مرحله فولاد گرم شده را به طور آهسته و به آرامی خنک می‌کنیم تا به دمای محیط برسد. اینکه فولاد با چه دمایی خنک شود به عواملی مثل خواص مکانیکی مورد نیاز، ابعاد قطعه، ترکیبات شیمیایی و نوع و میزان عناصر آلیاژی موجود در آن بستگی دارد.
تفاوت تمپرینگ با آنیلینگ، هاردنینگ و کوئنچینگ
فرایندهای عملیات حرارتی شباهت‌های زیادی با یکدیگر دارند اما این تفاوت‌های آن‌هاست که باعث خاص شدن آن‌ها شده است. چهار فرایند آنلینیگ، هاردنینگ، کوئنچینگ و تمپرینگ از نقطه نظرهای زیادی به هم شبیه هستند. اما با بررسی آن‌ها تفاوت‌هایی آشکار می‌شود. در آنیلینگ، فولاد تا دمای مشخصی حرارت داده شده و به آهستگی خنک می‌شود که این اتفاق باعث نرم‌تر شدن فلز می‌شود. این در حالی است که در هاردنینگ، فولاد را تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی حرارت داده و سریعاً آن را خنک می‌کنیم که به سخت‌تر و قوی‌تر شدن فولاد کمک می‌کند.
در کوئنچینگ نیز فولاد را تا دمایی بیشتر از شرایط عادی حرارت داده و به سرعت آن را سرد می‌کنیم تا خواص مکانیکی آن تنظیم شود. اما در تمپرینگ فولاد را تا دمایی کمتر از دمای نقطه بحرانی حرارت داده و به آهستگی خنک می‌کنیم تا از سختی و شکنندگی فولاد بکاهیم. در جدول زیر تفاوت میان این چهار فرایند به اختصار آورده شده است:
| آنیلینگ | هاردنینگ | کوئنچینگ | تمپرینگ | |
| دمای مورد نیاز | بالاتر از دمای منطقه بحرانی | بالاتر از دمای منطقه بحرانی | بالاتر از دمای منطقه بحرانی | کمتر از دمای منطقه بحرانی |
| سرعت سرد کردن | آهسته و در دمای اتاق | بسیار سریع و از طریق آب، روغن یا هوا | بسیار سریع و از طریق آب، روغن یا هوا | آهسته و در دمای اتاق |
| هدف انجام عملیات | فلزی نرم شده | فلز سخت و قوی | تنظیم خواص مکانیکی | کاهش شکنندگی و سختی |
تغییر رنگ فولاد در عملیات تعدیل سازی
زمانی که به فولاد یا محصولات فلزی حرارت می‌دهیم آن‌ها تحت اکسیداسیون قرار می‌گیرند. این اتفاق باعث می‌شود تا رنگ‌های مختلفی بر روی سطح فلز پدیدار شود. رنگ به دست آمده از حرارت، نشان‌دهنده‌ی دمای حدودی تمپرینگ است. این موضوع به اپراتور کمک می‌کند تا وقتی که فلز به رنگ مورد نظر نرسیده، به حرارت دادن ادامه دهد. این رنگ‌ها از زرد روشن تا سایه‌های مختلفی از آبی متغیر هستند که هر کدام نشان‌دهنده محدوده دمایی معینی می‌باشند. به عنوان مثال زمانی که بر اثر حرارت، رنگ قهوه‌ای حاصل شود این موضوع روشن می‌شود که به دمای 250 درجه سانتی‌گراد رسیده‌ایم. بررسی از طریق رنگ اگرچه معیار دقیقی نیست اما اطلاعات آن برای اجرای عملیات تمپرینگ، امری ضروری است. اجرای این عملیات فقط توسط شخصی با تجربه و در نوری مناسب انجام می‌شود. لیست کامل رنگ‌های بدست آمده در محدوده دمایی‌های مختلف به شرح زیر است:
| زرد کم رنگ | کاهی روشن | کاهی تیره | قهوه‌ای | بنفش | آبی تیره | آبی روشن | خاکستری-آبی | |
| دما | 175 الی 205 درجه سانتی‌گراد | 205 الی 225 درجه سانتی‌گراد | 225 الی 250 درجه سانتی‌گراد | 250 الی 265 درجه سانتی‌گراد | 265 الی 285 درجه سانتی‌گراد | 285 الی 305 درجه سانتی‌گراد | 305 الی 335 درجه سانتی‌گراد | 335 الی 375 درجه سانتی‌گراد |
| کاربرد | قیچی، تیغ، کاتر | مته‌های سنگی، اره‌های برش فلز | خط کش، تیغه‌های رنده | قالب، مته، چکش، ابزار پرس | ابزار جراحی، پانچ، ابزار حکاکی روی سنگ | پیچ گوشتی، آچار | فنرها، اره‌های چوب بری | فولاد ساختاری |
همان‌طور که گفتیم رنگ‌ها همیشه دمای دقیق تمپرینگ را نشان نمی‌دهند و بسیاری از عوامل از جمله عناصر آلیاژی، پرداخت سطحی و مدت زمان تمپر بر روی رنگ نهایی تاثیر دارند. بنابراین، استفاده از این نمودار برای تعیین دقیق دماهای تمپر توصیه نمی‌شود. این رنگ‌ها فقط باید به عنوان نشانه‌ای برای ارزیابی دمای سطح فلز در حین معتدل‌سازی در نظر گرفته شوند.
مزایا و فواید تمپرینگ
تمپرینگ که یکی از انواع عملیات حرارتی می‌باشد از مزایای بسیاری برخوردار است. برخی از این مزایا عبارتند از:
- افزایش شکل‌پذیری و انعطاف‌پذیری
- کاهش شکنندگی
- کاهش و تعدیل سختی
- بهبود ریزساختار و در نتیجه افزایش استحکام
- کاهش تنش‌های داخلی ناشی از عملیات قبلی
- افزایش مقاومت در برابر سایش
- افزایش قابلیت ماشینکاری
- افزایش چقرمگی
- سرعت بیشتر فرآیند نسبت به آنیلینگ
معایب و محدودیت‌های تمپرینگ
1. سختی کاهش یافته
تمپر کردن برای کاهش سختی مواد انجام می‌شود که این موضوع می‌تواند در کاربردهایی که سختی بالا مورد نیاز است، مانند ابزارهای برش خاص یا اجزای مقاوم در برابر سایش، یک نقطه ضعف باشد.
2. نیاز به کنترل دقیق دما
دستیابی به خواص مکانیکی مورد نظر در تمپرینگ مستلزم کنترل دقیق دما است. کنترل نادرست دما می‌تواند منجر به تعدیل شدن ناکافی یا نرم شدن بیش از حد فلز شود که این موضوع باعث به خطر افتادن عملکرد مواد می‌شود.
3. زمان‌بر بودن
بسته به مواد و خواص مورد نظر، تمپر کردن می‌تواند فرآیندی زمان‌بر باشد. برای دستیابی به نتایج مورد نظر، مواد باید در دمای معتدل برای مدت زمان مشخصی نگهداری شوند. این موضوع می‌تواند باعث افزایش زمان و هزینه کلی تولید شود. بنابراین اگرچه سرعت این فرایند نسبت به آنیلینگ بهتر است اما به طور کلی سرعت پایینی داشته و زمان‌بر می‌باشد.
4. حساسیت به تغییرات دما
حتی تغییرات جزئی دما در طول فرآیند تمپرینگ می‌تواند بر خواص مواد تأثیرگذار باشد. بنابراین، برای اطمینان از حصول نتایج ثابت، حفظ یک محیط دمایی سازگار و کنترل شده بسیار مهم است.
5. امکان ایجاد اعوجاج
در برخی موارد، تعدیل سازی می‌تواند باعث اعوجاج یا تاب برداشتن مواد شود، به‌ویژه اگر تنش‌های داخلی وجود داشته باشد. ملاحظات طراحی مناسب و تکنیک‌های عملیات حرارتی می‌تواند در به حداقل رساندن اعوجاج کمک کند، اما همچنان این احتمال وجود دارد که در تمپرینگ با این اشکال مواجه شویم.
با تمام این‌ها مضرات تمپرینگ بیشتر مختص عملکرد است و در بسیاری از مواقع می‌توان آن را کاهش داده یا به طور کامل از بین برد. کنترل فرآیند، انتخاب مواد مناسب و درک الزامات خاص از مواردی هستند که می‌توان از آن‌ها برای به حداکثر رساندن مزایا و به حداقل رساندن معایب تمپرینگ استفاده کرد.
کاربردهای تمپرینگ
افزایش خواص مکانیکی و تعدیل کردن سختی فولاد از عوامی هستند که باعث شده‌اند تا تمپرینگ کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف داشته باشد. برخی از این کاربردها را با هم بررسی می‌کنیم:
صنعت خودرو سازی
برای اجزایی مثل قطعات موتور، چرخ دنده‌ها، شفت‌ها و اجزای تعلیق، عواملی مثل مقاومت در برابر سایش و ضربه و تعادل بین قدرت و چقرمگی از اهمیت بالایی برخوردار است. همه‌ی این ویژگی‌ها با تمپرینگ در دسترس بوده و قابل اجرا شدن هستند. به همین دلیل است که تمپرینگ در صنعت خودروسازی کاربرد زیادی داشته و یکی از فرایندهای اصلی این صنعت محسوب می‌شود.
ساخت ابزار و قالب
تمپرینگ برای فولادهای ابزار که در عملیات‌هایی مثل برش و شکل‌دهی استفاده می‌شوند ضروری است. چرا که این فرایند باعث تعدیل سختی و چقرمگی فولاد مورد استفاده در ساخت ابزار شده و نبود آن می‌تواند ابزاری بی‌کیفیت و شکننده را روانه بازار کند. ابزاری مثل مته، فرز، پانچ و قالب در صورت تعدیل نشدن می توانند خطرآفرین هم باشند.
ساخت و ساز و زیرساخت
فولادهای سازه‌ای که در ساختمان‌ها، پل‌ها و پروژه‌های زیربنایی مورد استفاده قرار می‌گیرند نیاز به استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت در برابر ضربه و لرزش دارند. به همین دلیل، برای رسیدن به این ویژگی‌ها فولادهای مورد استفاده در این صنعت را تحت تمپرینگ قرار می‌دهیم.
هوافضا و دفاع
برای اجزایی که در هواپیماها، موشک‌ها و سیستم‌های دفاعی مورد استفاده قرار می‌گیرند تعدیل کردن و تمپرینگ امری حیاتی است. چرا که این فرایند چقرمگی و مقاومت مورد نیاز برای قطعات حیاتی‌ای مانند ارابه‌های فرود، پره‌های توربین و اجزای موشک را تضمین می‌کند.
ماشین آلات و تجهیزات
اجزای مختلفی مثل چرخ دنده‌ها، یاتاقان و فنرها که در ماشین‌آلات مورد استفاده قرار می‌گیرند باید خواص مکانیکی و دوام خوبی داشته باشند. به همین منظور برای این قطعات از عملیات تمپرینگ استفاده می‌شود تا علاوه بر تعدیل سختی و شکنندگی آن‌ها، خواص مکانیکی و دوامشان بهبود یابد.
تجهیزات پزشکی
ابزارهای جراحی، ایمپلنت‌های ارتوپدی و دستگاه‌های پزشکی نیاز به تعدیل سختی، استحکام و مقاومت در برابر خوردگی دارند که برای دستیابی به این ویژگی‌ها از تمپرینگ استفاده می‌کنند. بنابراین تمپرینگ در حوزه پزشکی نقش بسزایی داشته و اجرای آن از اهمیت بالایی برخوردار است.
صنعت برق
برای افزایش مقاومت در برابر دمای بالا، خستگی و تنش اجزایی مثل پره‌های توربین، شفت‌ها و قطعات دیگ بخار که در نیروگاه‌های تولید برق استفاده می‌شوند از عملیات تمپرینگ استفاده می‌شود. این فرایند به تعادل سختی و استحکام این قطعات کمک کرده و آن‌ها را در برابر حرارت مقاوم‌تر می‌کند.
کارد و چنگال و ظروف آشپزخانه
برخی از ابزار آشپزخانه مثل چاقوها، تیغه‌ها، چنگال‌ها و … نیاز به دوام، تیزی و سختی متعادلی دارند. برای اینکه این ویژگی‌ها را در این قطعات تعدیل کنیم از فرایند تمپرینگ استفاده می‌کنیم.
به طور کلی، تمپر کردن نقش حیاتی در بهبود خواص مکانیکی فولاد دارد و آن را برای طیف وسیعی از کاربردها در صنایع مختلف مناسب می‌کند. با تطبیق فرآیند تمپرینگ بر اساس نیازهای خاص، تولیدکنندگان می‌توانند به تعادل مطلوبی از سختی، چقرمگی و استحکام در محصولات خود دست یابند.
جمع‌بندی
فرآیند Tempering که به ملایم سازی یا تعدیل سازی نیز شناخته می‌شود با هدف تعدیل سختی، استحکام و انعطاف فلزات انجام می‌شود. این فرایند از هزاران سال قبل و توسط تمدن مصر باستان پا به دنیای صنعت گذاشت و روز به روز پیشرفت کرد. تا جایی که امروزه با دستگاه‌ها و تجهیزاتی مختلف و در صنایع گوناگونی مثل خودروسازی، ابزار و تجهیزات، ساخت و ساز، هوافضا، صنایع دفاعی و… انجام می‌شود. این فرایند در سه مرحله گرمایش، ثابت نگه داشتن دما و خنک کردن انجام شده و باعث تعدیل شدن سختی و خواص مواد می‌شود.
شباهت‌هایی میان این فرایند و دیگر فرایندهای عملیات حرارتی از قبیل آنیلینگ، سخت شدن و کوئنچینگ وجود دارد اما تفاوت‌هایی که میان آن‌ها است، اساسی‌تر است. طوری که اگر در تمپرینگ تنظیم دما با دستورالعمل‌های خاص آن انجام نشود خواص و ویژگی‌های مورد انتظار را حاصل نشده و ممکن است باعث آسیب دیدن فلز هم بشود. تعدیل سازی به مزایای خود نیز معروف است و برای به دست آوردن همین مزایا انجام می‌شود. مزایایی از قبیل افزایش چقرمگی، شکل‌پذیری و ماشینکاری فلز که باعث کاربرد داشتن آن در صنایع مختلف می‌شود. هرچند معایبی هم برای آن وجود دارد اما اکثر آن‌ها قابل رفع بوده و به نوعی مزایای آن به معایبش می‌صرفد. پس به طور کلی تمپرینگ فرایندی سودمند بوده و برای بسیاری از کاربردها ضروری است.
پرسش و پاسخ
کم یا زیاد بودن دما در عملیات تمپرینگ چه تاثیری بر ماده دارد؟
در طول فرآیند تمپرینگ برای دستیابی به تعادل مطلوب خواص فیزیکی، زمان و دما باید به صورت دقیق کنترل شوند. دماهای کم حرارت ممکن است تنش‌های داخلی یا شکنندگی را کاهش داده و در عین حال سختی ماده را حفظ کند. اما دماهای بالاتر ممکن است باعث کاهش سختی شده و برای افزایش خاصیت ارتجاعی و انعطاف‌پذیری ماده استحکام آن را قربانی کند.
اما با این حال ممکن است در دماهای پایین، برخی از فولادهای کم آلیاژ که حاوی عناصر دیگری مانند کروم و مولیبدن هستند افزایش سختی پیدا کنند، در حالی که در دماهای بالاتر دچار کاهش سختی شوند.
مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 21 خرداد 1402
