لا يمكن تصنيع أي شيء دون المعالجة الحرارية. تعد المعالجة الحرارية للمعادن ضرورية لأنها ضرورية للمحاور والمحامل والتروس والمثبتات وأعمدة الكرنك.
تضيف خدمات المعالجة الحرارية حوالي 15 مليار دولار سنويًا إلى المنتجات المعدنية من خلال نقل خصائص محددة مطلوبة إذا أريد للأجزاء أن تعمل بنجاح.
ما هي المعالجة الحرارية؟
المعالجة الحرارية هي عملية تسخين وتبريد المعدن في الحالة الصلبة للحصول على الخصائص والمتانة المطلوبة، دون تغيير شكله.
يتم استخدام عملية المعالجة الحرارية لتصلب المعدن، أو تليين المعدن، أو جعل المعدن أكثر مقاومة للتآكل، أو جعل المنتجات الهشة أكثر صرامة.
المعادن المعالجة بالحرارة
تمثل المعادن الحديدية غالبية المعادن المعالجة حرارياً. 80% من المعادن الحديدية عبارة عن فولاذ مسخن بالحرارة ، بما في ذلك الحديد الزهر والفولاذ المقاوم للصدأ وفولاذ الأدوات.
يمكن أيضًا معالجة سبائك الألومنيوم والنحاس والمغنيسيوم والنيكل والتيتانيوم بالحرارة.
لماذا المعالجة الحرارية للمعادن؟
- لتحسين صلابة المعدن. سطح الأجزاء المعالجة بالحرارة يكون أصلب من القلب بنسبة 30-40% على الأقل.
- لتحسين الليونة والقدرة على التصنيع، جعل المعدن مناسبًا للدلفنة على البارد، وسحب الأسلاك، وما إلى ذلك.
- لتحسين مقاومة التآكل والتآكل. ضع سطحًا صلبًا على أجزاء ناعمة نسبيًا، مما يجعل عمر المنتج أطول.
- لتحسين الهشاشة.
- لتخفيف الضغوط الداخلية الناتجة في الصب واللحام والمعالجة الساخنة والباردة.
- لتحسين الخواص الكهربائية والمغناطيسية.
كيف تعمل المعالجة الحرارية؟
على الرغم من أن عمليات المعالجة الحرارية المختلفة تؤدي إلى نتائج مختلفة في المعدن، إلا أنها جميعًا تتضمن ثلاث مراحل: التسخين، والإمساك، والتبريد.
1. التدفئة
قم بتسخين المعدن ببطء إلى درجة الحرارة الحرجة العليا وذلك للحفاظ على درجة حرارة موحدة.
توجد المعادن المعالجة بالحرارة في جو وقائي. يتم استخدام الملح المنصهر أو الفراغ أو الطلاء أو طريقة التغليف للتدفئة. إذا تمت معالجة المعدن بالحرارة بشكل غير متساوٍ، فسوف يتمدد أحد الأقسام بشكل أسرع من الآخر، مما يؤدي إلى تشويه أو تشقق جزء من المعدن.
المعادن المختلفة لها درجات حرارة مختلفة للمعالجة الحرارية. يعتمد معدل التسخين على العوامل التالية:
- الموصلية الحرارية للمعادن. المعادن ذات الموصلية الحرارية العالية تسخن بشكل أسرع من تلك ذات الموصلية المنخفضة.
- حالة المعادن. الأدوات والأجزاء التي تم تقويتها أو الضغط عليها تسخن بشكل أبطأ من تلك التي لم يتم تقويتها.
- الحجم والمقطع العرضي للمعادن. الأجزاء الأكبر حجمًا أو الأجزاء ذات المقاطع العرضية غير المستوية تسخن بشكل أبطأ من الأجزاء الصغيرة.
2. القابضة
أمسك المعدن عند درجة الحرارة التي تم تحقيقها لبعض الوقت.
يعتمد الوقت على المتطلبات، والتي تتراوح من بضع ثوانٍ إلى 60 ساعة أو أكثر.
يعتمد الوقت أيضًا على نوع المادة وحجم الجزء. الأجزاء الكبيرة تحتاج إلى مزيد من الوقت. بالنسبة للمقاطع العرضية غير المستوية، يمكنك استخدام القسم الأكبر لتحديد الوقت.
3. التبريد
تبريد المعدن إلى درجة حرارة الغرفة. يعتمد معدل التبريد على المعدن نفسه ووسائط التبريد.
تشتمل وسائط التبريد على المحلول الملحي، والماء، والزيت، والهواء، والتي تكون بالترتيب التنازلي لمعدل التبريد. يمتص الماء المالح الحرارة بشكل أسرع، بينما الهواء هو الأبطأ. بشكل عام، نستخدم الماء لتقوية الفولاذ الكربوني، والزيت لتصلب سبائك الفولاذ، والماء لإخماد المعادن غير الحديدية.
ومن الممكن أيضًا استخدام أفران المعالجة الحرارية للتبريد . تسمح البيئة الخاضعة للرقابة بالدقة العالية عندما يكون التبريد البطيء ضروريًا.
أنواع المعالجة الحرارية
1. المعالجة الحرارية الصلب
يتم استخدام المعالجة الحرارية للتليين لتليين المعادن للعمل على البارد والتشكيل، مما يمنحها ليونة وصلابة عالية. إنه أقل إجهادًا داخليًا وتشوهًا وتكسيرًا ولكن على حساب الصلابة.
تتمثل العملية في تسخين معدن التلدين إلى ما هو أبعد من درجة الحرارة الحرجة العليا، والحفاظ عليه عند درجة الحرارة هذه لفترة من الوقت ثم تبريده ببطء شديد في الفرن أو الهواء.
تشمل أنواع التلدين بشكل أساسي التلدين الكامل، والتليين بالانتشار، والتليين الكروي، والتليين بالعملية.
عملية التلدين ، والتي تسمى أيضًا التلدين دون الحرج، تقوم بتسخين المعدن إلى درجة حرارة أقل بقليل من درجة الحرارة الحرجة المنخفضة للصلب. يتم استخدامه بشكل أساسي للفولاذ منخفض الكربون لاستعادة الليونة. نطاق درجة الحرارة هو 260 درجة مئوية (500 درجة فهرنهايت) إلى 760 درجة مئوية (1400 درجة فهرنهايت).
التطبيق: تشمل المعادن الملدنة النحاس والألومنيوم والفضة والصلب والنحاس. تلدين النحاس يجعلها تدحرج أو تنحني. يمكن قطع الفولاذ الملدن مثل الفولاذ شبه الصلب والفولاذ الصلب وسبائك الفولاذ بسهولة.
2. تطبيع المعالجة الحرارية
لا يوجد فرق بين المعالجة الحرارية للتليين والتطبيع ، إلا أن التطبيع يخضع لتبريد الهواء. تطبيع الضغوط الداخلية الناجمة عن اللحام أو الصب أو التبريد، لجعل قطع المعدن أسهل.
التطبيع هو تسخين المعدن إلى درجة حرارة تزيد عن 40 درجة مئوية فوق درجة حرارته الحرجة العليا، ويتم الاحتفاظ به لفترة من الوقت، ثم يتم تبريده في الهواء بسرعة عالية قليلاً.
التطبيق: يتم استخدام التطبيع بعد العمل البارد مثل الدرفلة والختم والطرق. الفولاذ الطبيعي أصعب من الفولاذ الملدن. إن تطبيع الفولاذ يجعل الفولاذ أكثر صرامة من أي حالة أخرى.
3. التبريد المعالجة الحرارية
التبريد يعد الهيكل للتلطيف. يمكن أن يزيد من الصلابة العالية، ومقاومة التآكل، ولكن بتكلفة ليونة منخفضة.
المعالجة الحرارية للتبريد هي أن المعدن يتم تسخينه إلى درجة حرارة الأوستنيت المناسبة، ويتم الاحتفاظ به لبعض الوقت. ثم يتم تبريد المعدن بسرعة في الماء أو الزيت أو الماء المالح.
التطبيق: يتم تسخين الفولاذ إلى 800 إلى 850 درجة مئوية لتحقيق الأوستنيت. ثم يتم تبريده بسرعة ليشكل مارتنسيت. إن فولاذ تبريد الزيت هذا قوي جدًا ولكنه أكثر هشاشة.
4. هدأ المعالجة الحرارية
يتم تنفيذ المعالجة الحرارية بعد التقسية. يجعل المعدن يزيد من المرونة والمتانة ومقاومة التآكل.
التقسية هي إعادة تسخين المعدن المروي إلى درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة الأدنى، يليها تبريد شديد في الهواء أو الماء أو الزيت.
تتراوح درجات الحرارة من 300 درجة إلى 1100 درجة فهرنهايت، والتي عادة ما تكون أقل بكثير من درجات الحرارة المتصلبة. كلما ارتفعت درجة الحرارة، أصبح ليونة.
التطبيق: يتم تطبيق التقسية على أدوات القطع، والأدوات، والتروس، التي يتم تصلبها بعملية المعالجة الحرارية المتصلبة. يمكن أن يقلل الفولاذ المقسى (الفولاذ الكربوني المتصلب) من الهشاشة ويحافظ على المتانة.
يصبح معدل التبريد للتليين والتطبيع والتبريد أسرع بدوره. كلما كان معدل التبريد أسرع، كلما كان المعدن أصعب.
5. التقشف والتلاعب
(1) التقشف
يتم استخدام Austempering في قطع العمل من حديد الدكتايل أو الفولاذ. بالمقارنة مع التقسية، فإنه يخلق تشققات وتشويه أقل، مما يجعل المنتجات أكثر ليونة وصلابة ومقاومة للصدمات. ومع ذلك، لا يمكن أن يزيد سمك المعادن المقشورة عن 1/2 بوصة.
يهدف Austempering إلى الحصول على هيكل بينيت في قطعة العمل للمواد الصلبة والمرنة. درجة حرارة التسخين أعلى من درجة حرارة التسخين، وعادة ما تتراوح بين 840 و950 درجة مئوية. يتم التبريد بسرعة كبيرة، ولا تتطلب العملية برمتها تلطيفًا نهائيًا.
(2) مارتمبيرنج
يتيح Martempering للمعدن تحكمًا أكبر في إزالة الكربنة والكربنة. ومع ذلك، لا يمكن استخدامه على قطعة عمل كبيرة أو جميع أنواع الفولاذ.
Martempering هو تسخين المعدن إلى درجة حرارة أعلى من النقطة الحرجة العليا. ثم يتم ترويتها لخفض درجة الحرارة إلى ما بين 150 و300 درجة مئوية. تقع هذه النقطة فوق نقطة بداية المارتنسيت. يتم الاحتفاظ به عند هذه النقطة حتى تصل قطعة العمل بأكملها إلى درجة حرارة موحدة. يسمح للأوستينيت بالتحول إلى مارتنسيت. وأخيرا، يتم تبريده في الهواء.
6. المعالجة الحرارية للمحلول
التلدين بالمحلول، ويسمى أيضًا معالجة المحلول، مطلوب قبل التصلب بالعمر.
التلدين بالمحلول هو إذابة الرواسب الموجودة في السبائك المعدنية ثم إخماد السبائك بسرعة حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة لتجنب حدوث أي ترسيب أثناء التبريد. سوف تكون السبائك في حالة ناعمة بعد العلاج.
التطبيق: يستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي وسبائك الألومنيوم وسبائك النيكل العالية وسبائك التيتانيوم وسبائك النحاس المحلول كمعالجة مسبقة للتصلب بالعمر. إنه يوفر مقاومة للحرارة ومقاومة للتآكل لتطبيق الجزء.
7. تصلب القضية
يؤدي تصلب السطح إلى تغيير التركيب الكيميائي للطبقة السطحية عن طريق امتصاص الكربون أو النيتروجين أو خليط منهما. فهو يعمل فقط على تقوية الطبقة الخارجية لقطعة العمل، بينما يظل الجزء الداخلي ناعمًا.
تشمل عمليات تصلب الحالة شائعة الاستخدام معالجة الكربنة والنيترة.
(1) الكربنة: ويتم بعد التبريد والتلطيف بدرجة حرارة منخفضة إضافة الكربون إلى سطح الفولاذ منخفض الكربون لتسهيل عملية التصلب، إلا أن مركزه يظل محتفظاً بالصلابة واللدونة.
(2) النتردة : هي إضافة النتروجين إلى سطح الفولاذ . يتميز سطح الفولاذ المنترد بصلابة أعلى، ومقاومة التآكل، وقوة التعب ومقاومة التآكل. في الوقت الحاضر، يتم استخدام نيترة الغاز في الغالب في الإنتاج. يتم تطبيقه للمعالجة الحرارية للعتاد والمعالجة الحرارية للحديد الزهر.
8. تصلب الحث
إذا كان التشويه يمثل مشكلة بالنسبة لجزء ما، فإن التصلب بالحث هو الطريقة المفضلة. يمكن أن يكون هذا عاملاً مهمًا للأجزاء الدائرية مثل التروس. نظرًا لأن وقت التسخين قصير، فإن التصلب بالحث يمكن أن يزيد الإنتاج ويقلل تكاليف العمالة.
يستخدم التصلب بالحث تيارًا كهربائيًا، يتم نقله من ملف نحاسي موضوع حول الجزء. يقوم التيار الموجه بتسخين مناطق مختارة من الجزء الفولاذي إلى درجة الحرارة والعمق المطلوبين. ثم يتم إخماد الجزء لتحقيق الصلابة المطلوبة.
9. تصلب اللهب
تصلب اللهب يسخن منطقة واحدة فقط من الجزء. تعمل هذه العملية بشكل جيد مع المهام ذات الحجم المنخفض أو أعماق الحالة العميقة جدًا.
تصلب اللهب هو أن الجزء المعدني يتم تسخينه بواسطة اللهب، ثم يتم إخماده. يمكن القيام بذلك غالبًا باستخدام القليل جدًا من الأدوات المتخصصة.
10. المعالجة الحرارية لتخفيف التوتر
تم تصميم المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد لإعادة المعدن إلى أقرب ما يمكن إلى حالة الإنتاج المسبق والشد النهائي والليونة. تخفيف الضغط المعدني أثناء اللحام يمكن أن يقلل من خطر التشقق في لحامات الأوعية.
تتمثل هذه العملية في تسخين المعدن إلى درجة حرارة أقل بقليل من الحد الأدنى الحرج ثم يليه التبريد ببطء.
التطبيق: يستخدم بشكل شائع لأجزاء الغلايات، وزجاجات الهواء، والمراكم، وما إلى ذلك.
11. المعالجة الحرارية بالفراغ
يمكن للمعالجة الحرارية الفراغية أن تنتج أفضل تشطيب للسطوح والمعادن من بين جميع طرق المعالجة الحرارية ، والتي لا تتطلب المزيد من التنظيف.
يتم وضع الفولاذ في أفران المعالجة الحرارية الفراغية التي تحتوي على غاز الأرجون فقط. يتم تسخين الغرفة إلى ما يصل إلى 2400 درجة فهرنهايت بمعدل متحكم فيه، ثم يتم خفض درجة الحرارة. تستغرق دورة المعالجة الحرارية بالفراغ من 3 إلى 24 ساعة. يتم التحكم في العملية بواسطة الكمبيوتر لضمان التوحيد والتكرار.
التطبيق: يتم تطبيق تصلب الفراغ على السحابات، وهو جوهر التعدين والصناعة الطبية والفضاء والبناء وما إلى ذلك.
مراجع
