فرآیند سخت کاری یا هاردنینگ به روشی اطلاق می‌شود که برای افزایش سختی و استحکام آهن و فولاد استفاده می‌شود. این روش شامل قرار دادن فلزات در چرخه‌های گرمایش و سرمایش کنترل شده، تغییر ساختار و خواص آنها است. این فرآیند را می‌توان از طریق تکنیک‌های مختلفی مانند کوئنچ یا تمپرینگ به دست آورد که در این مقاله درباره آنها صحبت می‌کنیم.
فهرست مطالب
سخت کاری چیست؟
سخت کاری یا هاردنینگ یک فرآیند عملیات حرارتی است که شامل قرار دادن آهن و فولاد در معرض گرمایش کنترل شده و متعاقب آن سرد شدن سریع است. هدف اصلی آن بهبود استحکام، سختی، دوام و خواص مکانیکی کلی این فلزات است. در طول فرآیند سخت کاری، ریزساختار فلزات دستخوش دگرگونی‌هایی مانند تشکیل مارتنزیت یا افزایش محتوای کربن می‌شود که منجر به افزایش خواص مواد می‌شود.
اهمیت سخت کاری در صنعت تولید به چند ترتیب است. آهن و فولاد سخت شده سختی بیشتری را نشان می‌دهند که مقاومت آنها را در برابر سایش، تغییر شکل و فرورفتگی بهبود می‌بخشد. این ویژگی باعث می‌شود آنها برای کاربردهای سخت که شامل بارهای زیاد، محیط‌های ساینده یا ضربه‌های تکراری هستند مناسب باشند.
سخت کاری باعث افزایش استحکام و دوام آهن و فولاد می‌شود. هاردنینگ با دستکاری ریزساختار ماده، استحکام کششی، چقرمگی و مقاومت آن در برابر شکست را افزایش می‌دهد. در نتیجه، قطعات آهن و فولاد سخت شده می‌توانند سطوح تنش بالاتری را بدون تجربه تغییر شکل یا شکست تحمل کنند و طول عمر و قابلیت اطمینان قطعات و سازه‌های مهم را تضمین کنند.
سخت کاری به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا عملکرد آهن و فولاد را با تطبیق خواص آنها برای کاربردهای خاص بهینه کنند. تولیدکنندگان می‌توانند از طریق استفاده از تکنیک‌های مختلف سخت کاری مانند کوئنچ یا تمپرینگ به طور انتخابی سختی و چقرمگی مواد را برای برآورده کردن نیازهای صنایع مختلف تغییر دهند.
تبدیل فاز در سخت کاری آهن و فولاد
فرآیند سخت کاری آهن و فولاد شامل دگرگونی‌های فازی جذابی است که در تعیین خواص نهایی مواد بسیار مهم است. دگرگونی‌های فازی به تغییراتی اطلاق می‌شود که در ریزساختار این فلزات در نتیجه گرمایش و سرمایش ایجاد می‌شود.
آهن و فولاد فازهای مختلفی دارند که مهمترین آنها فریت، آستنیت و مارتنزیت است. فریت اساساً آهن خالص است و ساختاری نسبتاً نرم و انعطاف پذیر دارد. آستنیت محلول جامدی از آهن و کربن است و ساختار کریستالی مکعبی (FCC) دارد. این ماده در دمای اتاق ناپایدار است و معمولاً با حرارت دادن فولاد بالاتر از دمای بحرانی آن تشکیل می‌شود.
سرعت سرد شدن و ترکیب آلیاژ بر تغییر فاز در آهن و فولاد در طول سخت کاری تأثیر عمیقی می‌گذارد. وقتی فولاد به سرعت سرد می‌شود، تبدیل آستنیت به مارتنزیت رخ می‌دهد. سرعت خنک کنندگی بالا به حفظ ساختار سخت و مارتنزیتی کمک می‌کند و در نتیجه باعث افزایش سختی و بهبود استحکام می‌شود. سرعت سرد شدن کندتر می‌تواند منجر به تشکیل فازهای دیگری مانند بینیت یا پرلیت شود که خواص ساختاری و مکانیکی متفاوتی دارند.
ترکیب آلیاژ نیز نقش مهمی در تبدیل فاز دارد. افزودن عناصری مانند کربن، منگنز و کروم به آهن، رفتار مواد را در طول سخت کاری تغییر می‌دهد. وجود عناصر آلیاژی بر دماهای بحرانی که در آن دگرگونی‌های فازی رخ می‌دهد تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال محتوای کربن تشکیل فازهای مختلف، با سطوح کربن بالاتر به نفع تشکیل مارتنزیت سخت تر را تسهیل می‌کند.
روشهای عملیات سخت کاری
روشهای مختلف عملیات سخت کاری برای دستیابی به سختی و استحکام مطلوب در آهن و فولاد استفاده می‌شود. دو روش اصلی عبارتند از کوئنچ و تمپرینگ که هر کدام هدف منحصر به فردی را دنبال می‌کنند.
کوئنچ یک فرآیند خنک کننده سریع است که شامل غوطه ور کردن آهن یا فولاد گرم شده در یک محیط، معمولاً آب یا روغن است. هدف این روش تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت و در نتیجه افزایش سختی و شکنندگی است. سرعت سرد شدن ناگهانی از انتشار اتم‌های کربن جلوگیری می‌کند و در نتیجه یک محلول جامد فوق اشباع ایجاد می‌شود. کوئنچ معمولاً در صنایعی مانند خودروسازی و تولید ابزار که سختی بالا و مقاومت در برابر سایش برای قطعاتی مانند چرخ دنده‌ها، میل لنگ و ابزارهای برش بسیار مهم است استفاده می‌شود.
تمپرینگ یک فرآیند گرمایش کنترل شده است که پس از کوئنچ انجام می‌شود. هدف از تمپرینگ کاهش شکنندگی مارتنزیت و افزایش چقرمگی و شکل پذیری است. در طی تمپر کردن، ماده تا دمای خاصی گرم می‌شود که اغلب کمتر از دمای بحرانی است و قبل از سرد شدن برای مدت معینی نگه داشته می‌شود. این فرآیند امکان تبدیل مقداری مارتنزیت به مارتنزیت تمپر شده یا سایر ریزساختارها مانند بینیت یا پرلیت را فراهم می‌کند. تمپرینگ در ساخت اجزای ساختاری مانند چرخ دنده، فنر و قطعات ماشین آلات که در آنها تعادل بین سختی و چقرمگی مورد نیاز است استفاده می‌شود.
فرآیند کوئنچ در سخت کاری
فرآیند کوئنچ با تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت نقش حیاتی در سخت کاری آهن و فولاد دارد. این روش شامل یک سری مراحل است که با گرم کردن مواد تا دمای خاص شروع می‌شود که اغلب به عنوان “دمای بحرانی” نامیده می‌شود. این دما بسیار مهم است زیرا به ریزساختار ماده اجازه می‌دهد تا از آستنیت، یک ساختار مکعبی محور، به یک محلول جامد فوق اشباع تبدیل شود.
آهن یا فولاد گرم شده پس از رسیدن به دمای بحرانی به سرعت در یک محیط خاموش کننده مانند آب، روغن یا هوا خنک می‌شود. انتخاب محیط کوئنچ مهم است و به خواص مواد مورد نظر بستگی دارد. آب یک رسانای عالی گرما بوده و سریع ترین سرعت خنک کننده را فراهم کرده و بالاترین سختی را ایجاد می‌کند. با این حال، سرد شدن سریع می‌تواند منجر به تنش‌های حرارتی شود که ممکن است باعث اعوجاج یا ترک خوردن در مواد شود. روغن یک محیط متداول کوئنچ است که سرعت خنک کنندگی کندتر و کنترل شده تری را ارائه می‌دهد و احتمال اعوجاج را کاهش می‌دهد.
سرعت سرد شدن سریع در طول فرآیند کوئنچ از انتشار اتم‌های کربن جلوگیری می‌کند و در نتیجه محلول جامد فوق اشباع به نام مارتنزیت ایجاد می‌شود. مارتنزیت با سختی و شکنندگی بالا مشخص می‌شود و برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش و لبه‌های برش تیز دارند مناسب است. با این حال، توجه به این نکته مهم است که مارتنزیت ذاتا شکننده و مستعد ترک خوردن است.
فرآیند تمپرینگ در سخت کاری
فرآیند تمپرینگ یک مرحله ضروری در سخت کاری آهن و فولاد به دنبال فرآیند کوئنچ است. این روش شامل گرم کردن مجدد مواد سخت شده تا دمای خاص و سپس سرد کردن آهسته آن است. برخلاف سرد کردن سریع کوئنچ، هدف تمپرینگ کاهش شکنندگی است که می‌تواند در نتیجه تشکیل مارتنزیت در طول فرآیند سخت شدن ایجاد شود. تمپرینگ بسیار مهم است زیرا به بهبود چقرمگی مواد کمک می‌کند و در عین حال سطح سختی مطلوبی را حفظ می‌کند.
هدف اصلی تمپرینگ کاهش شکنندگی ذاتی مواد سخت شده و افزایش چقرمگی آن است. در طول کوئنچ، تبدیل آستنیت به مارتنزیت سختی بالایی ایجاد می‌کند اما مواد را مستعد ترک خوردن یا شکستگی نیز می‌کند. تمپرینگ با گرم کردن مجدد کنترل شده که تشکیل ریزساختارهای جدید را در مواد ممکن می‌کند به کاهش این مشکلات کمک می‌کند. این گرم کردن مجدد کنترل شده و خنک سازی بعدی باعث کاهش تنش‌های داخلی و ایجاد تغییرات ریزساختاری مطلوب مانند رسوب کاربیدهای ریز می‌شود.
جمع‌بندی
در این مقاله به بررسی فرآیند سخت شدن آهن و فولاد پرداختیم و اهمیت و تکنیک‌های مختلف آن را بررسی کردیم. نکات کلیدی مورد بحث شامل حرارت دادن اولیه مواد به فاز آستنیتی و به دنبال آن کوئنچ برای خنک شدن سریع و تبدیل آستنیت به مارتنزیت است. این روش منجر به افزایش سختی و استحکام می‌شود اما می‌تواند منجر به شکنندگی شود. برای رفع این مشکل، از فرآیند تمپرینگ استفاده می‌شود که شامل گرم کردن و خنک‌سازی مجدد کنترل‌شده برای بهبود چقرمگی و کاهش شکنندگی و حفظ سطح مناسب سختی است.
فرآیند, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 1 آذر 1402
