فرآیندهای عملیات حرارتی نقش مهمی در شکل دادن به خواص مواد دارند. این فرآیندها به مهندسان و تولیدکنندگان این توانایی را می‌دهند تا عملکرد خود را برای کاربردهای خاص افزایش دهند. در میان روش‌های مختلف عملیات حرارتی، آستمپرینگ (به انگلیسی: Austempering) یکی از بهترین روش‌ها برای دستیابی به خواص مکانیکی برتر در مواد آهنی است. فرآیند آستمپرینگ ترکیبی منحصر به فرد از سرد کردن سریع (کوئنچ کردن) و کنترل دمای ثابت است که به ریزساختاری مستحکم و مقاوم در مقابل فرسایش منجر میشود. در این مقاله به اصول، کاربرد، مزایا و معایب آستمپرینگ پرداخته و جایگاه آن را در صنایع مختلف بررسی می‌کنیم.
فهرست مطالب
تاریخچه آستمپرینگ
ریشه‌های آستمپرینگ را می‌توان در اواخر قرن نوزدهم و در حدود سال 1930 میلادی جستجو کرد. همان زمانی که محققان و متالوژیست‌ها شروع به آزمایش روش‌های مختلف عملیات حرارتی برای بهبود خواص فولاد کردند. یکی از پیشگامان اصلی در این زمینه، ادگار سی بِین (Edgar C. Bain) بود که به عنوان یک متالورژیست آمریکایی تحقیقات گسترده‌ای در مورد ریزساختارهای فولادی انجام داده بود.
در جنگ جهانی دوم، فولاد austempered برای اولین بار در ظرفیت بیشتری مورد استفاده قرار گرفت. امروزه از فولاد austempered در بسیاری از زمینه‌ها استفاده میشود که مهمترین آن‌ها صنعت خودرو است. در آنجا، austempering برای اجزای ایمنی مانند براکت‌های صندلی ماشین اعمال میشود.
تولد آستمپرینگ
بِین در سال 1939 میلادی مقاله‌ای را با مضمون معرفی مفهوم بِینیت (bainite) منتشر کرد. بِینیت یک ریزساختار منحصر به فرد است که خواص برتری را در مقایسه با سایر سازه‌های فولادی ارائه میدهد. همچنین بِینیت را می‌توان ترکیبی از فریت و کاربید دانست که استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر سایش قابل توجهی دارد. این کشف، پایه و اساس آستمپرینگ را به عنوان یک فرآیند عملیات حرارتی ایجاد کرد.
در اواسط قرن بیستم میلادی، محققان و متالورژیست‌ها تمرکزشان را بر درک بیشتر و پالایش ریزساختار بِینیتی قرار دادند. آن‌ها پتانسیل بِینیت را در خواص استثنایی مانند استحکام بالا و شکل‌پذیری خوب تشخیص دادند. به همین دلیل، فولادهای بینیتی به دلیل کاربردهای خاصشان در صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفتند. به همین دلیل پیشرفت قابل توجهی در تعیین پارامترهای بهینه برای آستمپرینگ صورت گرفت. محققان برای دستیابی به ریزساختار بینیتی ایده آل، دماهای مختلف آستنیته، محیط‌های خاموش کننده و زمان‌های نگهداری هم‌دمای مختلف را آزمایش کردند.
بلوغ آستمپرینگ
در دهه 1970 میلادی، آستمپرینگ (به عنوان یک تکنیک عملی عملیات حرارتی) به رسمیت شناخته شد و کاربرد صنعتی آن به سرعت گسترش یافت. صنایعی مانند صنعت خودروسازی، ساخت‌وساز و ماشین‌آلات به دلیل ارائه موادی مستحکم و مقاوم در مقابل سایش از آن استقبال کردند. اجزای آستمپر شده عملکرد و طول عمر بالاتری را در مقایسه با مواد کوئنچ شده نشان دادند. ادامه تحقیقات در زمینه علم مواد و متالورژی منجر به درک عمیق‌تری از فرآیند آستمپرینگ و مکانیسم‌های اساسی حاکم بر تشکیل بینیت شد. همچنین پیشرفت در مدل‌سازی و تکنیک‌های شبیه‌سازی نقش مهمی در توسعه و بهینه‌سازی فرآیندهای آن ایفا کردند.
آستمپرینگ چیست؟
آستمپرینگ، که به عنوان کوئنچ کردن همدما نیز شناخته میشود، یک فرآیند عملیات حرارتی است که باعث تبدیلات مواد آهنی (به ویژه فولاد) برای افزایش خواص مکانیکی آن‌ها میشود. اصل اساسی آسمپرینگ در دستیابی به یک ریزساختار خاص به نام بینیت نهفته است. همانطور که گفتیم بینیت یک ساختار ریزدانه است که از فریت و بخش کوچکی از کاربید تشکیل شده است که باعث افزایش استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت به ضربه در مقایسه با ساختارهای دیگری مانند مارتنزیت میشود.
به طور کلی فرآیند آسمپر کردن شامل چهار مرحله است: گرم کردن، خاموش کردن (کوئنچ)، نگهداری همدما و سرد کردن. این‌گونه که در ابتدا، ماده را تا دمایی بالاتر از دمای تبدیل خود که معمولاً در حدود 760 الی 900 درجه سانتی‌گراد است گرم می‌کنیم. این کار باعث میشود تا از تشکیل آستنیت اطمینان حاصل شود. سپس مواد گرم شده در محیطی با دمای 200 الی 400 درجه سانتی‌گراد به سرعت کوئنچ میشود. این فرآیند کوئنچ کردن، تشکیل مارتنزیت شکننده را کاهش داده و امکان تشکیل بینیت را فراهم میکند.
فرآیند آستمپر کردن شامل چهار مرحله، گرم کردن، خاموش کردن (کوئنچ)، نگهداری همدما و سرد کردن می‌باشد.
پس از خنک کردن، ماده به مدت زمان مشخصی که معمولاً ۱۵ دقیقه الی چند ساعت است در دمای خاصی در محدوده بینیت نگهداری میشود. این نگهداری همدما امکان تبدیل آستنیت باقی‌مانده به بینیت را فراهم میکند که این اتفاق به ریزساختار مورد نظر منتهی میشود. در نهایت، دمای مواد تا دمای محیط خنک میشود. البته در این مورد نرخ سرمایش در مقایسه با سایر فرآیندهای عملیات حرارتی کمتر مهم است، چرا که عمده‌ی تغییر شکل در مرحله نگهداری ایزوترمال (همدما) انجام میشود.
کاربردهای آستمپرینگ
ترکیب منحصر به فرد، استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر سایش باعث شده تا استمپرینگ برای طیف گسترده‌ای از کاربردها در صنایع مختلف مناسب باشد. در اینجا برخی برخی از مهمترین کاربردهای استمپرینگ را بررسی می‌کنیم:
1. صنعت خودرو
مواد آستمپر شده به طور گسترده در صنایع خودروسازی استفاده میشود. بیشترین استفاده‌ی آن در این صنعت به قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، شفت‌ها و سیستم‌های تعلیق برمی‌گردد. استحکام و چقرمگی استثنایی فولاد آستمپر شده، عملکرد قابل اعتماد، بهبود بازده سوخت و کاهش وزن در وسایل نقلیه را تضمین میکند. افزایش مقاومت در برابر سایش نیز طول عمر قطعات حیاتی را افزایش داده و هزینه‌های نگهداری را کاهش میدهد.
2. ساخت و ساز و زیرساخت
در بخش ساخت و زیرساخت، مواد استمپر شده در قطعات بحرانی مانند پشتیبان‌های سازه‌ای، اتصال‌ها و پیچ و مهره‌ها به کار می‌روند. این مواد، استحکام بالا، توانایی خمشی و مقاومت در برابر خوردگی و سایش را فراهم می‌کنند که آن‌ها را برای محیط‌های دشوار مناسب کرده و اصالت سازه و عمر مفید آن را تضمین میکند.
3. ابزار و ماشین آلات
آستمپرینگ فولاد به طور گسترده در تولید ابزارها و قطعات ماشین‌آلات به کار می‌رود. ابزارهای برش، قالب‌ها، ماتریس‌ها و اجزاء مختلف ماشین‌آلات از استحکام، مقاومت در برابر سایش و توانایی خمشی مواد استمپر شده بهره می‌برند. این امر عمر ابزار را افزایش داده و کارایی کلی را بهبود می‌بخشد.
4. صنایع هوافضا و دفاع
در صنایع دفاعی و هوافضا، مواد استمپر شده در اجزای حیاتی که تحت فشار زیاد، خستگی و بارهای ضربه‌ای قرار می‌گیرند کاربرد پیدا می‌کنند. خواص مکانیکی فولاد استمپر شده باعث افزایش نسبت استحکام به وزن شده و عملکردی ایمن و قابل اعتماد را در محیط‌های سخت تضمین میکند. کاربردهای فولاد استمپر شده در این صنعت شامل سیستم‌های فرود، اجزاء توربین و ترکیبات زره می‌باشد.
5. راه آهن
مواد استمپر شده در بخش راه‌آهن برای قطعاتی مانند محورها، پیوندها و سیستم‌های تعلیق استفاده می‌شوند. این مواد مقاومت خوبی در برابر خستگی و سایش داشته و توانایی خمشی در برابر ضربه را فراهم می‌کنند. این موضوعات برای عملکرد ایمن و کارآمد قطارها بسیار مهم هستند. قدرت تحمل فولاد استمپر شده در برابر بارگذاری مداوم و تنش‌های بالا موجب عمر مفید بیشتر و نیاز به تعمیر و نگهداری کمتر میشود.
6. معدن و ماشین آلات سنگین
در بخش معدن و ماشین‌آلات سنگین، مواد استمپر شده در قطعاتی که در شرایط سایش شدید و ضربه‌های شدید قرار می‌گیرند استفاده می‌شوند. زنجیره‌های تسمه نقاله، تجهیزات خرد کردن سنگ و سایر ماشین‌آلات معدنی از توانایی خمشی و مقاومت در برابر سایش مواد استمپر شده بهره‌برداری می‌کنند. این موضوع باعث افزایش دوام، کاهش زمان توقف و افزایش بهره‌وری میشود.
7. ماشین آلات کشاورزی
مواد استمپر شده در بخش کشاورزی برای قطعاتی مانند ابزارهای تهیه خاک، تجهیزات برداشت و قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شوند. قابلیت‌های این مواد، عملکرد و دوام بهینه را در محیط‌های کشاورزی تضمین می‌کنند.
8. مهندسی عمومی
مواد استمپر شده کاربردهای گسترده‌ای در مهندسی عمومی دارند. از جمله‌ی این کاربردها می‌توان به استفاده در قطعات پمپ، شیر، بلبرینگ و ماشین‌آلات صنعتی اشاره کرد. ویژگی‌های مکانیکی مواد استمپر شده آن‌ها را برای کاربردهای مختلف مهندسی مناسب می‌سازد.
مزایا و معایب استمپرینگ
آستمپرینگ در کنار مزایای متعددی که نسبت به روش های دیگر عملیات حرارتی ارائه میدهد محدودیت‌هایی هم دارد. پس از بررسی مزایای استمپرینگ به معایب آن هم خواهیم پرداخت. این مزایا شامل موارد زیر می‌شوند:
- ویژگی‌های مکانیکی برتر
- کاهش اعوجاج
- صرفه‌جویی در هزینه‌ها از طریق کاهش ضایعات مواد، بهبود عملکرد قطعات و عمر مفید طولانیتر
علی‌رغم مزایای مهمی که دارد، محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. این محدودیت‌ها به شرح زیر هستند:
- برای برخی مواد غیرآهنی قابل استفاده نیست.
- برای فولادهای پرکربن قابل استفاده نیست.
- زمان پردازش طولانیتر در مقایسه با برخی دیگر از فرآیندهای عملیات حرارتی
جمع‌بندی
همانطور که می‌دانید عملیات حرارتی Austempering روشی منحصر به فرد و موثر برای افزایش خواص مکانیکی مواد آهنی، به ویژه فولاد است. با استفاده از سرد کردن سریع و نگهداری هم‌دمای کنترل شده، آسمپرینگ به یک ریزساختار بینیتی دست می‌یابد که استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر سایش فوق‌العاده‌ای را ارائه میدهد. کاربردهای اصلی مواد استمپر شده در صنایعی مانند خودروسازی، ساخت‌وساز، ابزارآلات و ماشین‌آلات، هوافضا، راه‌آهن و معدن است. به طور کلی می‌توان گفت مقاطعی مثل قوطی آهن و پروفیل سبک که از فولاد آستمپر شده به وجود آمده باشند کیفیت بهتری را از خود نشان می‌دهند.
از مزایای آستمپرینگ، می‌توان به بهبود خواص مکانیکی، کاهش اعوجاج و کاهش هزینه‌ها اشاره کرد که آن را به یک روش عملیات حرارتی مطلوب برای سازندگان و مهندسان تبدیل میکند. با این حال توجه به محدودیت‌های آن، مانند کاربرد نداشتن آن برای مواد غیرآهنی و زمان‌های پردازش طولانیتر مهم است. اما همانطور که علم و مهندسی مواد به پیشرفت خود ادامه می‌دهند، ممکن است کاربردهای آستمپرینگ اصلاح و توسعه کرده و امکان ایجاد مواد قوی‌تر، سخت‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش را فراهم کند.
پرسش و پاسخ
به طور خلاصه، اصلیترین تفاوت آستمپرینگ و مارتمپرینگ در ریزساختارهای حاصل نهفته است. آستمپرینگ یک ریزساختار بینیتی ایجاد میکند که تعادلی از استحکام و چقرمگی را ارائه میدهد، در حالی که مارتمپرینگ یک ریزساختار مارتنزیتی ایجاد میکند که سختی بالایی را حاصل میشود. انتخاب بین آسمپرینگ و مارتمپرینگ به الزامات کاربردی و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد.
تفاوت اصلی بین تمپر کردن و آستمپرینگ در این است که تمپرینگ برای از بین بردن سختی بیش از حد فولاد مفید است، در حالی که آستمپرینگ در کاهش اعوجاج آلیاژهای آهن مهم است. آستمپرینگ و مارتمپرینگ چه تفاوتهایی دارند؟
تفاوت بین آستمپرینگ و تمپرینگ چیست؟
فرآیند, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 13 آذر 1402
