عملیات حرارتی
بسیاری مواقع در صنعت پیش می آید که ما به فلزاتی با خصوصیات خاص و از جمله سختی بالا نیاز پیدا می کنیم، ساده ترین راهی که در این گونه مواقع به نظر می رسد استفاده از فولادهای آلیاژی می باشد، که البته این گونه فولاد ها بسیار گران قیمت بوده و بیشتر اوقات مطلوب صاحبان صنایع نبوده و مقرون به صرفه نمی باشد مگر در مواقع خاص. یک راه ساده برای رفع این مشکل استفاده از عملیات حرارتی می باشد، که نسبت به فولاد آلیاژی بسیار کم هزینه تر است ودر اکثر مواقع هم قادر به رفع نیاز ما می باشد.

عملیات حرارتی عبارت است از تغییر در ساختاریا فاز مواد (فلزات) برای به دست آوردن خواص مورد نظر در حد امکان ، عمدتاً به وسیله نوسانات دما.
البته عملیات حرارتی بر روی فلزات زیادی انجام می شود ولی به دلیل استفاده زیاد فولاد در صنعت، ما به بحث عملیات حرارتی فولادها می پردازیم.

۱: نمودار تعادلی آهن کربن:

نمودار تعادلی آهن- کربن (Fe-C) راهنمایی است که به کمک آن می توان روش های مختلف عملیات حرارتی را بررسی و مطالعه کرد (شکل ۱) . فولادها آلیاژهای، آهن- کربن و عناصر دیگر بوده که دارای کمتر از ۲درصد کربن (معمولاً یک ویا کمتر از آن ) اند.

آهن عنصری چند شکلی است، به این معنی که در فشار یک اتمسفر با افزایش دما، شبکه بلوری آن تغییر می کند، در زیر به بررسی انواع شبکه های بلوری آهن خالص می پردازیم.
۱,۲: آهن آلفا:
آهن آلفا یا آهن فریتی یکی از ساختارهای آهن خالص می باشد ،که تا دمای ۹۱۲ درجه سانتیگراد پایدار است و تا دمای ۷۷۰ درجه سانتیگراد دارای خاصیت آهن ربایی است و از این دما تا ۹۱۲ درجه سانتیگراد خاصیت آهن ربایی خود را از دست می دهد.شکل (۱)
۲,۲: آهن گاما:
آهن گاما یا آهن آستنیتی یکی دیگر از ساختارهای آهن خالص می باشد، که در دمای ۹۱۲ تا ۱۳۹۴ درجه سانتیگراد پایدار است، چگالی این آهن از آهن فریتی بیشتر بوده و خاصیت آهن ربایی ندارد.شکل(۱)

۳,۲: آهن دلتا:
آخرین ساختاری که ممکن است در آهن خالص وجود داشته باشد، آهن دلتا می باشد، این ساختار در دمای ۱۳۹۴ تا نقطه ذوب آهن یعنی۱۵۳۸ درجه سانتیگراد پایدار است.این ساختار دارای خاصیت آهن ربایی نمی باشد.
شکل(۱)

شکل شماره ۱
۳: اثر کربن:
اضافه کردن کربن به آهن اثرات بسیار مهمی بر روی فازهای ذکر شده و همچنین دماهای تعادلی آن ها دارد.این تاًثیرات در شکل(۱) مشخص است. در زیر به فازهایی که دراثراضافه کردن کربن به آهن به وجود می آید می پردازیم.

۱,۳: آستنیت:
کربن با وارد شدن در شبکه بلوری آهن آستنیتی، ناحیه تشکیل و پایداری آستنیت را در فولاد گسترش می دهد، حداکثر حلالیت کربن در آستنیت در دمای ۱۱۴۸ درجه سانتیگراد است که به ۱۱/۲ درصد می رسد، آستنیت یکی از مهمترین ساختارها در عملیات حرارتی است زیرا برای به دست آوردن فازهای سخت ابتدا باید فولاد در دمای آستنیت قرار گیرد تا شبکه ان آستنیتی شود .

۲,۳: فریت:
فریت یک ساختار نرم است، زیرا حلالیت کربن در آن بسیار کم است و حداکثر آن به ۰۲/۰ درصد در دمای ۷۲۷ درجه سانتیگراد است که با کاهش دما به طور پیوسته کاهش می یابد.
۳,۳: کاربید آهن (سمنتیت):
سمنتیت یک ساختار سخت می باشد و زمانی به وجود می آید که درصد کربن از حد حلالیت آن در آستنیت و یا فریت بیشتر باشد .و دارای یک اتم کربن و سه اتم آهن است Fe3C.

۴: ساختارهای تعادلی:
منظور از ساختارهای تعادلی این است که بعد از حرارت دادن فولاد اجازه دهیم تا فولاد به آهستگی سرد شود. از مهمترین ساختار های تعادلی پرلیت است که در زیر به آن می پردازیم.
۱,۴: پرلیت
بعد از حرارت دادن فولاد با ۷۷/۰ در صد کربن تا دمای آستنیتی ۷۲۷ در جه سانتیگراد، و اجازه دادن به آن تا تمام ساختار فولاد به آستنیت تبدیل شود، اجازه می دهیم تا به آهستگی سرد شود این عملیات منجر به به وجود آمدن یک ساختار لایه ای (مثل اثر انگشت) متشکل از لایه های متناوب فریت و سمنتیت می شود. پرلیت یک ساختار پر کاربد و سخت می باشد.

۵: مارتنزیت:
مارتنزیت یک ساختار بسیار سخت می باشد و بیشتر مواقع که ما نیاز به یک فولاد سخت داریم از این ساختار استفاده می کنیم . روش کار به این شکل است که ابتدا فولاد را تا دمای آستنیته شدن حرارت می دهیم و به آن فرصت می دهیم تا تمام ساختارش به آستنیت تبدیل شود، سپس آن را به سرعت سرد می کنیم معمولاً برای سرد کردن از آب یا روغن استفاده می شود. این روش تولید باعث ایجاد تنش هایی در فولاد می شود که در قسمت های بعدی راه های رفع آن آورده می شود.

۶: بینیت:
بینیت ساختار سختی است که در دمایی پایین تر از پرلیت و بالاتر از مارتنزیت تشکیل می شود، بدین صورت که بعد از آستنیته شدن کامل فولاد آن را نه به آرامی پرلیت و نه به سرعت مارتنزیت سرد می کنیم.
۷: عملیات حرارتی برای تشکیل ساختارهای تعادلی:
در اینجا روش هایی که باعث ایجاد ساختارهای تعادلی که تماماً شامل فریت سمنتیت با توزیع های متفاوت است بررسی می شود

.
۱,۷: همگن کردن(یکنواخت کردن): مشکلاتی که بر روی ساختار فولاد های ریخته گری شده در حین تولید به وجود می آید (مثل ساختار شاخه ای ) که عمدتاً به دلیل سرد شدن غیر تعادلی می باشد باعث افت خواص مکانیکی فولاد از جمله قابلیت کار گرم وسرد و همچنین عملیات حرارتی می شود از این رو این ساختار باید به کمک عملیات حرارتی مناسب یکنواخت شود، برای این منظور قطعات را در دمای بالا ( ۱۰۲۵تا ۱۲۰۰) درجه سانتیگراد برای مدت طولانی بسته به ابعاد و ترکیب شیمیایی حرارت داده و سپس به آهستگی تا دمای اتاق سرد می کنند.

۲,۷: آنیل کردن:
به هر نوع عملیاتی که منجر به ساختاری جز مارتنزیت و با سختی کم و انعطاف پذیری زیاد شود آنیل اطلاق می شود،. فرآیند آنیل به دو صورت انجام می شود که در زیر مختصراً آمده است.
۱,۲,۷: آنیل کامل: آنیل کامل عبارت است از حرارت دادن فولاد در گستره دمایی نشان داده شده در (شکل ۲) و سپس سرد کردن آهسته، معمولاً در کوره سرد می شود.همانطور که ملاحظه می شود دمای گرم کردن، تابع درصد کربن است.

۲,۲,۷: آنیل همدما: این عملیات شامل حرارت دادن فولاد در ناحیه آستنیت و سپس سرد کردن سریع تا دمای زیر ۷۲۷ درجه سانتیگراد نگه داشتن در همین دما و بعد از تشکیل ساختار مناسب با هر روشی سرد می شود، مزیت این روش در کم بودن زمان لازم می باشد ولی نسبت به آنیل کامل ساختار کمی سخت تر است ، از این روش بیشتر برای فولادهای آلیاژی که سختی پذیری بالایی دارند استفاده می شود.

۳,۷: نرماله کردن:
یکی از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریز کردن دانه های درشتی که اغلب به هنگام کار گرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده اند، تفاوت مهم بین نرماله کردن و آنیل در دمای اولیه آن ها(شکل۲)، و همچنین بر خلاف آنیل که فولاد در کوره سرد می شوددر نرماله کردن قطعات در هوا سرد می شوند.

انعطاف پذیرترین و نرمترین شرایط در هر فولاد مربوط به میکرو ساختارهای شامل سمنتیت کروی توزیع شده به طور یکنواخت در زمینه فریتی می شود و هدف از کروی کردن به دست آوردن چنین ساختاری است .کروی کردن در دمای (۶۸۰ تا ۷۸۰) در جه سانتیگراد انجام می شود،و بسته به شرایط به سه شکل انجام می شود که در نهایت در هوا سرد می شود.

۵,۷: بازیابی و تبلور مجدد:
انجام کارد سردبر روی فولاد ها باعث افزایش شکل ۲ دمای فرآیندهای آنیل و نرماله کردن
سختی و کاهش انعطاف پذیری می شود این پدیده به کار سختی موسوم است. در عملیات بازیابی خواص فیزیکی به طور کامل بازیابی شده و خواص مکانیکی در عملیات تبلور مجدد بازیابی می شود،در حقیقت تبلور مجدد ادامه عملیات بازیابی است. دمای انجام این عملیات (۵۵۰تا ۶۵۰) درجه سانتیگراد است.

۶,۷: تنش گیری:
به این روش می توان به راحتی اثرات زیان آور تنش های کششی سطحی ناشی ازکار سرد را کاملاً از بین برد، در حالی که استحکام و سختی قطعه بدون تغییر باقی بماند. دمای این فرآیند(۴۸۰ تا ۵۵۰) درجه سانتیگراد است.
۸: سخت کاری سطحی:در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به قطعاتی است که دارای سطحی سخت و در عین حال از مقاومت به ضربه خوبی بر خوردار باشند، مثل میل لنگ، چرخدنده و غیره. روش های مختلفی برای این کار وجود دارد که عمدتاً به دو دسته تقسیم می شوند.

۱,۸: عملیاتی که موجب تغییر ترکیب شیمیایی سطح می شوند:
۱,۱,۸:کربن دهی:در این روش با قرار دادن قطعه در مجاورت کربن در دمای بالا نظیر ۹۲۵ درجه سانتیگراد باعث جذب کربن در سطح قطعه شده و کربن در سطح قطعه افزایش می یابد ، حال اگر این قطعه سخت شوددر سطح آن مارتنزیت پرکربن به دست می آیدو از سختی زیادی بر خوردار است در حالی که مغز آن تغییر چندانی نمی کند. کربن دهی می تواند به سه صورت انجام شود، کربن دهی جامد، مایع،و گازی. کربن دهی گازی اقتصادی ترین و سریعترین روش می باشد.

۲,۱,۸: نیتروژن دهی: اساس این روش وارد کردن نیتروژن اتمی در لایه سطحی فولاد است، نیتروژن دهی در دمای (۵۵۰تا۶۵۰) درجه سانتیگراد انجام می شود و بعد از نیتروژن دهی نیاز به سریع سرد کردن قطعه نیست.این روش در فولاد های آلیاژی که شامل عناصری نظیر آلومینیم،کرم،مولیبدن،وانادیم باشند نتایج بسیار خوبی می دهد. در این روش می توان قسمت هایی را که نیاز به سخت کاری ندارد را با مخلوط سیلیکاک سدیم و پودر گچ پوشاند.
۳,۱،۸: در بعضی مواقع عملیات کربن دهی و نیتروژن دهی توأمان انجام می شود.

۲,۸: عملیاتی که باعث تغییر شیمیایی سطح نمی شوند:
۱,۲,۸: سخت کردن شعله ای: در این روش سطح قطعه به کمک یک شعله گازی تا دمای آستنیته(بالای ۷۳۰درجه سانتیگراد) گرم شده و بلافاصله سرد می شود.از معایب این روش اکسایش سطح یا کاهش در صد کربن سطح به دلیل تماس قطعه با هوا است. به این روش می توان سطح رابه عمق ۳تا۱۲ میلیمتر سخت کرد. (شکل۳)
۲,۲,۸: سخت کردن القایی: اساس این روش مانند سخت کردن شعله ای است ،اما در این روش حرارت دادن سطح به کمک یک سیم پیچ هادی که از آن جریان متناوب با فرکانس زیاد (حدود ۲تا۵۰کیلوهرتز) عبور می کند انجام می شود.در این روش می توان به راحتی سختی ۶۰ راکول سی را در برخی از فولادها تا عمق ۳ میلیمتر تولیدکرد، به دلیل اینکه مدت زمان کمتری قطعه در دمای بالای بحرانی قرار دارد، اکسایش و در نتیجه کاهش درصد کربن ناچیز است.

شکل شماره ۳ سخت کردن شعله ای
(شکل ۴).
۳,۸: روش های نوین:
البته روش های نوینی برای سخت کاری سطحی وجود دارندکه از آن جمله می توان به روشهای لیزر، پرتوی الکترونی،و عملیات حرارتی سطحی به روش کاشت یون اشاره کرد