واحد مشترک کمکی پژوهش و مهندسی «هوش یار-تواندار» (HT-CSURE)
Hooshyar-Tavandar Common Subsidiary Unit for Research & Engineering
واحد مشترک کمکی پژوهش و مهندسی «هوش یار-تواندار» (HT-CSURE)
Hooshyar-Tavandar Common Subsidiary Unit for Research & Engineeringعملیات حرارتی فلزات، سرامیک‌ها و آلیاژها
عملیات حرارتی
گرم کردن و سرد کردن زمانبندی شدۀ فلزات، سرامیک‌ها و آلیاژها را به منظور بدست آوردن خواص مکانیکی و فیزیکی مطلوب، عملیات حرارتی می‌نامند. عملیات حرارتی برای تغییر خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و به ویژه متالورژیکی مواد استفاده می‌شود. عملیات حرارتی برای مواد غیرفلزی مانند شیشه‌ها و شیشه-سرامیک‌ها نیز بکار می‌رود.
محتویات
تاریخچه
اولین پروسه هایی که میتوان به عنوان عملیات حرارتی یاد کرد در شهر تهران شهرستان اکبر آباد صورت گرفته‌است
دلایل عملیات حرارتی
- تنش‌زدایی، تنشهای ناشی از عملیات و فرایندهای تولید
- ریز کردن دانه‌بندی
- افزایش مقاومت به سایش با ایجاد لایه سخت بر سطح و در عین حال افزایش مقاومت به ضربه با به‌وجود آوردن مرکز نرم‌تر در داخل قطعه
- بهبود خواص فولاد به منظور اقتصادی کردن جایگزینی بعضی از انواع ارزان‌تر فولاد به جای انواع گران آن
- افزایش جذب انرژی ضربه فولاد
- بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار
- بهبود خواص الکتریکی
- تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی
عملیات حرارتی فولادها
فولاد از نظر خواص مناسبی که در عمل دارد، یکی از مهمترین مواد فلزی است. یکی از دلایل عمدهای که میتوان فولادهایی با خواص مختلف بدست آورد همان تبدیل ساختمان کریستالی آهن از آلفا به گاما با تغییر درجه حرارت می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند در حد زیادی تحت تأثیر کربن قرار گیرد. برای مثال سختی و استحکام در فولادهای سریع سرد شده (آب داده شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آن‌ها دارد.
در این روش به فولادهایی که درصد کربن آن از ۰٫۳ درصد کمتر است حداکثر تا عمق ۲ میلیمتر در سطح قطعات میتوان سختی داد. روش کار در حال حاضر به صورت متداول به دو طریق انجام می‌شود: ۱-روش کربورایزینگ گازی- بدین طریق که قطعات در داخل کوره‌های مخصوص قرار داده شده و به آن در دمای بین ۸۴۰ تا ۹۰۰ درجه گاز از طریق ژنراتورهای endo gas دمیده می‌شود و سطح قطعات بدین طریق کربوره می‌گردد. ۲- روش کربورایزینگ مایع - در این روش از کوره‌های حمام نمک با پایه نمک سیانور استفاده می‌شود و قطعات در مذاب نمک قرار داده شده و از این طریق با توجه به تجزیه سیانور به کربن ونیتروژن سطح قطعات کربوره می‌گردد.[۱]
- بازپخت کامل (آنیلینگ)
- آنیلینگ جهت کروی کردن سمنتیت
- نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
- کوئنچ کردن
- برگشت دادن (تمپر کردن)
- تنش زدایی
آستنیتی کردن فولاد
آستنیتی کردن فولاد اغلب اولین مرحله عملیات حرارتی است؛ که برای یکنواخت کردن غلظت کربن در کریستال‌های آستنیت ضروری می‌باشد؛ و به عنوان کلید کنترل سختی در سخت کردن (یا آب دادن) فولاد معروف است. عمل آستنیتی کردن تابع درجه حرارت و زمان می‌باشد. (عامل درجه حرارت مهمتر از زمان است) هنگامیکه فولاد به درجه حرارت لازم برای تبدیل شدن به آستنیت می‌رسد، آستنیت در طی مراحل جوانه زنی و رشد تشکیل می‌گردد. به منظور تبدیل کامل در فولادهای هیپوای تکتوئیدی و ای تکتوئیدی اغلب ۳۰ تا ۵۰ درجه سلسیوس بالای درجه حرارت خط A3 حرارت داده خواهد شد. درجه حرارت‌های دقیق را میتوان از نمودار آهن-کربن انتخاب نمود. عموماً درجه حرارت نباید بسیار بالا انتخاب شود. چرا که آستنیت دانه درشت به وجود می‌آید؛ که ممکن است باعث شکستگی یا ایجاد ترک در فولاد شود. (در هنگام سرد شدن سریع از این درجه حرارت)
اندازه دانه‌های آستنیت با بالا رفتن درجه حرارت، افزایش می‌یابد. این رشد در نتیجه تمایل به کم شدن انرژی آزاد سیستم در اثر کاهش سطح دانه‌است. وقتیکه فولادهای هیپوای تکتوئیدی تا درجه حرارت‌هایی در حد نسبتاً زیاد بالای خط A3 حرارت داده می‌شود، علاوه بر رشد دانه‌ای آستنیت کردن در سرد کردن بعدی ممکن است فریت اضافی هم رسوب کند؛ که به صورت صفحات یا میله‌های طولانی بوده و دانه‌های پرلیت را از این سو به آن سو قطع می‌کند. این نوع ساختار دانه‌ای را ساختار ویدمن اشتاتن می‌نامند. از طرفی اگر درجه حرارت بسیار پایین باشد، بعد از عمل سرد کردن سریع سختی کامل مورد نظر بدست نمی‌آید. تبدیل پرلیت به آستنیت از نوع نفوذ است.
عملیات حرارتی فولادهای ضد زنگ
فولادهای زنگ نزن استنیتی قابل عملیات حرارتی نمی‌باشد. زیرا باعث ایجاد رسوب کاربید کرم در مرز دانه‌ها می‌شود و آن را شدت می‌بخشد. فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی قابلیت عملیات حرارتی دارند و برای قطعاتی که هم نیاز به خواص ضدزنگی و هم مقاومت سایشی را دارند استفاده می‌گردد از قبیل فولاد ضد زنگ 420[۱]
عملیات حرارتی چدنها
نمودارهای T-T-T (زمان-دما-دگرگونی)
نمودارهای زمان(Time) دما(Temperature) دگرگونی(Transformation)
این نمودار شرایط تعادل عناصر تشکیل دهنده در دماهای مختلف را نشان می‌دهد در حالی که اکثر روش‌های عملیات حرارتی به صورت نا متعادل انجام می‌شوند. اثر زمان بر روی ساختار و خواص نهایی فلز توسط نمودار زمان -دما -دگرگونی که به نمودار TTT موسوم است مشخص می‌شود. در واقع به وسیلهٔ این نمودار میتوان پیشرفت دگرگونی در فلز را به سادگی بررسی نمود. (بیشترین کاربرد این نمودارها برای عملیات حرارتی فولادهاست)
عملیات حرارتی آلیاژهای غیرآهنی
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم
T1
سرد شده از یک فرایتد شکل دهی، با درجه حرارت بالا و پیر شده به صورت طبیعی
T2
سرد شده از یک فرایتد شکل دهی، با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T3
عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد شده و پیر شده به صورت طبیعی
T4
عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت طبیعی
T5
سرد شده از یک فرایتد شکل دهی با دمای بالا و پیر شده به صورت مصنوعی
T6
عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پیر شده به صورت مصنوعی
T7
عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده و پایدار شده
T8
عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، کار سرد و پیر شده به صورت مصنوعی
T9
عملیات حرارتی از نوع محلول سازی شده، پیر شده به صورت مصنوعی و سپس کار سرد شده
T10
سرد شده از یک فرایند شکل دهی با درجه حرارت بالا، کار سرد شده و پیر شده به صورت مصنوعی
.[۲]
تنش زدایی
اعمال نیرو یا تغییرات دمایی می‌توانند در قطعه تنشی ایجاد کنند که ممکن است بسیار زیان بار باشد. این تنشها که «تنشهای باقیمانده» نامیده می‌شوند، می‌توانند سبب تاب برداشتن، ترک برداشتن یا شکست زودهنگام در حین تولید یا در حین کار شوند. از عوامل تشکیل چنین تنش‌هایی میتوان به موارد زیر اشاره کرد: الف- وجود شیب حرارتی یا در واقع عدم سرد شدن یکنواخت قطعه. ب- ماشینکاری و کارسرد
هدف از عملیات تنش گیری آن نیست که تغییرات عمدهای در خواص مکانیکی قطعه اتفاق بیفتد. در این عملیات از سازوکار بازیابی استفاده می‌شود و و در واقع تبلور مجدد و تغییرات ریزساختاری در آن انجام نمی‌شود. به منظور تنش زدایی، قطعات را طی زمان مشخصی زیر دمای A1 گرما می‌دهند. زمان گرما دهی بستگی به دمای عملیات و ابعاد قطعه دارد. هر چقدر که دمای تنش گیری بالاتر انتخاب شود نیاز به زمان کمتری برای عملیات وجود دارد. در این عملیات نرخ گرم شدن و سرد شدن قطعه باید آهسته باشد تا تنشهای حرارتی جدیدی به قطعه اعمال نشود.
این عملیات حرارتی به منظور کاهش یا برطرف کردن تمامی تنشهای ایجاد شده در اثر عملیات تغییر شکل سرد یا در عملیات جوشکاری انجام می‌گیرد. درجه حرارت معمولاً در زیر درجه حرارت A1 و در حدود ۴۰۰ درجه سلسیوس می‌باشد.
تنشهای داخلی و روش‌های کاهش آن‌ها در عملیات حرارتی
در عملیات حرارتی معمولاً با تنشهای حاصل از انبساط و انقباض به نام تنشهای حرارتی (به انگلیسی Thermal Stresses) و همچنین با تنشهای حاصل از تغییر یا تبدیل فاز، به ویژه در تبدیل‌های غیر تعادلی استنیت در فولادها، به نام تنشهای تبدیلی مواجه خواهیم بود. عموماً این تنشها تنشهای داخلی نامیده می‌شوند.
تنشهای داخلی
اندازه این تنشهای داخلی به مقدار افت یا کاهش سریع دما در قطعه، شکل هندسی و ابعاد ان، سرعت سرد شدن و ضریب هدایتی حرارتی بستگی دارد.
تنشهای داخلی می‌توانند به حدی برسند که حتی موجب تغییر شکل پلاستیکی و تاب برداشتن و ترک برداشتن و تخریب در حین عملیات حرارتی یا بعد از ان در حین کار شوند. در مواردی که تغییر دمایی بالا است و سریع از دماهای استنیتی به دماهای مارتنزیتی سرد شود توزیع این تنشها، به ویژه در قطعات با ابعاد نسبتاً زیاد، در نقاط مختلف حجم قطعه غیر یکنواخت خواهد بود. این غیر یکنواختی با اختلاف شیب حرارتی در لایه خارجی و قسمت داخلی قطعه، نوع فازهای تشکیل شده و فاصله زمانی تبدیل فازها بین لایه خارجی و قسمت داخلی ارتباط دارد؛ بنابراین حالتهای مختلفی از لحاظ نوع تنشهای داخلی می‌تواند وجود داشته باشد.
در مواردی که تنشهای داخلی ایجاد شده در لایه خارجی از نوع کششی و تنشهای داخلی از نوع فشاری باشد بعد از سرد شدن سریع ترک‌هایی در سطح بوجود می ایند یا یک نوع تغییر دیگر ممکن است که در حین تنشهای کششی لایه خارجی به تنشهای کششی اعمالی افزوده شده و استحکام کششی و حد تحمل کاهش یابد.
به منظور کاهش یا حذف تنشهای داخلی و اثرات مضر ان به خاطر تشکیل‌های ترک‌های سطحی در قطعاتی که تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند باید سرعت گرم و سرد کردن و زمان مورد نیاز برای سرد یا گرم کردن با توجه به نوع جنس، شکل هندسی و ابعاد قطعه و خواص مکانیکی مورد نظر کنترل شده و به نکات زیر توجه شود: ۱-ابتدا قطعه پیش گرم شود و بعد با سرعت خیلی کم گرم کردن قطعه ادامه یابد. ۲-در تبدیل مارتنزیتی که باید در مدت زمان کم افت دمای بالایی انجام داد میتوان از دو روش زیر استفاده کرد:
روش اول: مارت‌پخت
در روش مارت‌پخت (Martempering) ابتدا قطعه فولادی را کاملاً استنیتی کرده و بعد ان را سریع در ظرفی که حاوی روغن داغ یا نمک مذاب حدود۱۵۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد یا با دمایی کمی بالاتر از دمای شروع مارتنزیت است سرد می‌کنیم. بعد قطعه مورد نظر به مدت زمان معینی در یکی از این دو محیط با دمای ثابت نگه داشته می‌شود.
زمان نگهداری به ابعاد قطعه بستگی دارد و باید در حدی باشد که دمای تمامی قطعه به آن دما برسد.
سپس قبل از اینکه تبدیل استنیت به باینیت شروع شود قطعه با سرعت متوسطی تا دمای اتاق سرد می‌شود، به گونه‌ای که از ایجاد اختلاف زیاد دما در آن جلوگیری شود.
سرانجام این قطعه فولادی تحت عملیات حرارتی بازپخت قرار می‌گیرد. بدین ترتیب یک ساختار مارتنزیتی باز پخت شده به دست می‌آید. این فرایند عملیات حرارتی مارتمپرینگ یا سریع سرد کردن ناپیوسته نامیده می‌شود.[۳][۴]
بازپخت در این روش به منظور افزایش چغرمگی صورت می‌گیرد.
تفاوت بین فولادهایی که مارتنزیتی شده و سپس عملیات حرارتی باز پخت معمول روی آن‌ها انجام گرفته سختی برابر فولادهایی است که تحت عملیات حرارتی مارت‌پخت قرار گرفته‌اند، اما مقاومت به ضربه فولادهای که مارت‌پخت شده‌اند حدوداً سه برابر بیشتر از فولادهای عادی است.
روش دوم: آسپخت
آسپخت یا آستمپرینگ (Austempering) یک نوع عملیات حرارتی از نوع تبدیل هم دما یا ایزوترمال است که برای رسیدن به ساختار باینیتی در تعدادی از فولادهای کربنی ساده انجام می‌شود.[۵]
در این فرایند ابتدا فولاد استنیتی شده و سپس در حمام نمک مذاب با دمایی درست بالای دمای شروع تبدیل مارتنزیت سریع سرد شده و برای مدت زمان معینی در این دمای ثابت نگه داشته می‌شود. در بعضی موارد نیاز به دوباره گرم کردن می‌باشد چون ممکن است به حالت باینیت یا اسفریت تبدیل شده باشد و ساختار داخلی ان تفاوتهایی با هدف مورد نظر داشته باشد.[۶]
زمان مورد نیاز برای نگه داشتن در دمای ثابت که در بالا اشاره شد به نوع فولاد و ابعادان بستگی دارد و باید در حدی باشد که تبدیل استنیت به باینیت به‌طور کامل انجام شود و سرانجام قطعه فولادی تا دمای اتاق سرد می‌شود.
از مزایای این فرایند در مقابل روش سریع سرد کردن و بازپخت، افزایش مقاومت ضربه‌ای تا دو برابر بیشتر از روش عادی و کاهش تنشهای داخلی و احتمال ترک برداشتن و تاب برداری است.[۷]
این فرایند روش دومی را برای جایگزینی فرایند سریع سرد کردن و بازپخت ارائه می‌دهد. از مزایای این روش بهبود مقاومت ضربه‌ای و انعطاف‌پذیری بعضی از فولادها در مقایسه با فرایند سریع سرد کردن و بازپخت و دیگری کاهش تنشهای داخلی و نتیجتاً تاب و ترک‌برداری است. از معایب این روش نیاز داشتن به حمام نمک مذاب و دیگری محدودیت این روش یرای تعدادی از فولادهای خاص است.
جستارهای مرتبط
منابع
- Bain, Edgar C. , "Functions of the Alloying Elements in Steel" American Society for Metals, Cleveland, Ohio, 1939 Jump up ^
- ویکی‌پدیای انگلیسی
- مهندس حسین تویسرکانی، اصول علم مواد (خواص و مهندسی مواد)، مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان، ۱۳۷۶، شابک ۹۶۴-۶۰۲۹-۱۴-۰
آستنیت یا آهن گاما یک دگرشکلی فلزی و غیر مغناطیسی از آهن یا یک محلول جامد از آهن و یک ماده آلیاژی دیگر است.[۱] در فولادهای کربنی آستنیت در بالای نقطه یوتکتوئید که دارای دمای ۷۲۷ درجه سانتیگراد است، یافت می‌شود.
سایر آلیاژهای فولادی دماهای یوتکتوئید متفاوتی دارند. آلوتروپ آستنیت در دمای اتاق در فولاد ضدزنگ یافت می‌شود. این دگرشکلی به‌افتخار سر ویلیام کندلر آستن، آستنیت نام‌گذاری شده‌است.[۲]
محتویات
آلوتروپ آهن
از ۹۱۲ درجه سانتیگراد تا ۱۳۹۴ آهن آلفا دچار یک استحاله فازی از ساختار BCC به ساختار کریستالی FCC (آهن گاما) می‌شود که نام دیگرش آستنیت است. این آهن نیز به‌طور مشابه، نرم و شکل‌پذیر است اما قابلیت حل کردن کربن به‌مراتب بیشتری در خود را داراست. (در حد ۲٫۰۳ درصد جرمی در دمای ۱۱۴۶ درجه سانتیگراد)
آهن گاما به‌طور گسترده در فولادهای ضدزنگ مورد استفاده صنایع غذایی و بیمارستانی کاربرد دارد.
آستنیتی کردن
آستنیتی کردن به معنای حرارت دادن آهن یا آلیاژهای پایه آهن تا رسیدن به دمای تغییر ساختار کریستالی از فریت به آستنیت می‌باشد.[۳]
در این دما ساختار کریستالی بازتر آستنیت قابلیت جذب کربن از کربیدآهن در فولاد را دارد.
یک فرایند ناقص آستنیتی کردن باعث می‌شود مقداری کربید حل‌نشده در ساختار رسوب کند.
برای بعضی از آهن‌ها، آلیاژهای پایه آهن و فولادها، کربید ممکن است در مرحله آستنیتی کردن ظاهر شود که به آن آستنیتی کردن دوفازی می‌گویند.[۴]
آسپخت
ریزساختار فریت و آستنیتآسپخت یا austempering یک فرایند سخت سازی است که برای بهبود خواص مکانیکی فلزهای پایه آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بدین‌صورت که فلز حرارت داده می‌شود تا به ناحیه سمانتیت در دیاگرام فازی برسد و سپس در یک محفظه نمک یا سایر مواد خنک‌کننده قرار می‌گیرد تا دمایش به ۳۰۰ تا ۳۷۵ برسد.
فلز در این محدوده دمایی باز پخت(annealing) می‌شود تا درنهایت آستنیت تبدیل به بینایت یا آسفریت (فریت بی نایتی+ آستنیت پرکربن) شود.
با تغییر دمای آستنیتی کردن، فرایند آسپخت می‌تواند ریزساختارهای متفاوت و دلخواه را فراهم کند.
اگر فرایند آستنیتی کردن در دمای بالا انجام شود، محصول فرایند یک آستنیت پرکربن خواهد بود. به‌طور مشابه با انجام فرایند در دماهای پایین‌تر شاهد توزیع یکنواختتری از ساختار آسپخت شده خواهیم بود.[۵]
همچنین میتوان درصد کربن در آستنیت را به‌صورت تابعی از زمان فرایند آسپخت به دست آورد.
رفتار در فولاد کربنی ساده
هنگامیکه آستنیت سرد می‌شود، کربن از آستنیت به بیرون نفوذ می‌کند و آهن-کربید پرکربن را تشکیل می‌دهد و فریت کم‌کربن برجا می‌ماند.
بسته به ترکیبات آلیاژ، لایه‌های فریت و سمانتیت که پرلیت نامیده می‌شود تشکیل می‌شود.
اگر نرخ سرد کردن بسیار سریع باشد، کربن زمان کافی برای نفوذ نخواهد داشت و آلیاژ دچار یک استحاله شدید در ساختار کریستالی می‌شود که به آن استحاله مارتنزیتی نیز گفته می‌شود که در آن آستنیت تبدیل به مارتنزیت می‌شود که دارای ساختار کریستالی body centered tetragonal (BCT) است.
این فرایند از اهمیت بالایی برخوردار است. ازآنجاکه به دلیل سرعت زیاد سرد کردن، کربن زمان کافی برای نفوذ را ندارد، درنتیجه کربن محصورشده و در دام می‌افتد و مارتنزیت که بسیار سخت است تشکیل می‌شود.
سرعت سرد کردن درصد فریت، مارتنزیت و سمانتیت را معین می‌کند و نتیجتاً خواص مکانیکی فولاد ازجمله سختی و استحکام کششی نیز به‌سرعت سرد کردن بستگی دارند.
سریع سرد کردن قسمت‌های باریک باعث ایجاد یک افت حرارتی ناگهانی در ماده می‌شود.
لایه‌های بیرونی‌تر قسمت عملیات حرارتی شده سریع‌تر سرد شده و بیشتر منقبض می‌گردند، که باعث ایجاد تنش کششی و کرنش حرارتی می‌شود.
در سرد کردن‌های سریع، فولاد دچار استحاله از آستنیت به مارتنزیت می‌شود که بسیار سخت‌تر است و با کرنش‌های به‌مراتب کمتری شاهد جوانه زایی ترک خواهیم بود. تغییر حجم (مارتنزیت چگالی کمتری از آستنیت دارد) نیز که می‌تواند باعث ایجاد تنش شود به همین شکل است.
تفاوت نرخ کرنش در لایه‌های درونی و بیرونی می‌تواند باعث ایجاد ترک در قسمت بیرونی شود، که میتوان با آهسته سرد کردن مذاب از این پدیده اجتناب کرد.
با افزودن تنگستن به آلیاژ، سرعت نفوذ کربن کند شده و استحاله به BCT در دماهای پایین‌تری رخ می‌دهد و همین‌طور ترک نیز تشکیل نمی‌شود.
اصطلاحاً گفته می‌شود که سختی‌پذیری چنین ماده‌ای افزایش‌یافته‌است.
برگشت دادن (یا تمپر کردن) پس از کوئنچ کردن باعث تبدیل مارتنزیت ترد به مارتنزیت تمپر شده می‌شود.
اگر یک فولاد با سختی‌پذیری کم کوئنچ شود، مقدار قابل‌توجهی آستنیت در ریزساختار حفظ می‌شود که باعث ایجاد تنش درونی و درنتیجه شکست ناگهانی قطعه می‌شود.
رفتار در چدن
حرارت دادن چدن سفید تا بیش از ۷۲۷ درجه سانتیگراد باعث تشکیل آستنیت در کریستال‌های سمانتیت اولیه می‌شود.
آستنیتی شدن آهن سفید در مرز فازهای سمانتیت اولیه و فریت اتفاق می‌افتد.
هنگامیکه دانه‌های آستنیت در سمانتیت ایجاد می‌شود، به‌صورت خوشه‌های لاملار در لایه سطحی کریستال‌های سمانتیت پخش می‌شود.[۶]
هنگامیکه اتم‌های کربن از فاز سمانتیت به فریت نفوذ می‌کنند، آستنیت تشکیل می‌شود.
پایدارسازی
افزودن عناصر آلیاژی خاصی ازجمله منگنز و نیکل باعث پایدار شدن ساختار آستنیت و آسانسازی عملیات حرارتی بر روی فولادهای آلیاژی می‌شود.
در یک فولاد به‌شدت آستنیتی، مقدار بسیار بیشتری عناصر آلیاژی لازم است تا آستنیت در دمای اتاق پایدار شود. از طرف دیگر، افزودن عناصری مانند سیلیکون، مولیبدن و کروم باعث ناپایدار شدن آستنیت و افزایش دمای یوتکتوئید می‌شود.
آستنیت تنها در دماهای بالاتر از ۹۱۰°C پایدار می‌شود.
بااین‌حال، فلزات دارای گذار FCC می‌توانند بر روی ساختار FCC یا ساختار مکعبی الماسی رشد کنند. رشد برآرایی گونهٔ بر روی صفحه (۱۰۰) ساختار مکعبی الماسی به دلیل ساختار کریستالی نزدیک آن به FCC و تقارن صفحه (۱۰۰) ساختار الماسی با FCC است امکان‌پذیر است.
به دلیل بیشتر بودن ضخامت بحرانی یک آهن چندلایه از آهن تک لایه، احتمال رشد بیش از یک تک لایه از آهن گاما وجود دارد.
ضخامت بحرانی به‌دست‌آمده از آزمایش با پیش‌بینی‌های نظری همخوانی کامل دارد.
استحاله آستنیت و نقطه کوری
نقطه کوری، دمایی است که در بالاتر از آن، ماده خاصیت مغناطیسی‌اش را از دست می‌دهد.
در بسیاری از آلیاژهای مغناطیسی آهن، نقطه کوری، به دمای استحاله آستنیت نزدیک است.
این ویژگی مربوط به خاصیت پارامغناطیسی آستنیت است؛ درحالی‌که مارتنزیت و فریت به‌شدت دارای خاصیت فرو مغناطیسی هستند.
انتشار گرما و نور
در طول عملیات حرارتی، آهنگران با ایجاد استحاله‌های فازی در سیستم آهن-کربن در پی کنترل کردن خواص مکانیکی مواد هستند. آنان به‌کرات از فرآیندهای آنیل کردن، کوئنچ کردن و تمپر کردن استفاده می‌کنند.
در این زمینه، رنگ نور یا تابش جسم سیاه که از جسم منتشر می‌شود معیار تقریبی‌ای از دما است.
در بسیاری از موارد، دما به‌وسیلهٔ دمای رنگ قطعه سنجیده می‌شود. با تبدیل رنگ قرمز گیلاسی پررنگ به نارنجی(۸۱۵ به ۸۷۱ درجه) که متناظر با دمای تشکیل آستنیت در فولادهای دارای کربن متوسط و زیاد است. در طیف نوری مرئی، با افزایش دما این درخشش بیشتر می‌شود، و هنگامیکه قطعه به رنگ قرمز گیلاسی است، این درخشش به‌شدت کاهش می‌یابد به‌گونه‌ای که ممکن است در نور محیط قابل‌مشاهده نباشد؛ بنابراین آهنگران معمولاً فرایند آستنیتی کردن فولاد را در محیطی با نور کم انجام می‌دهند تا بتوانند به‌دقت رنگ قطعه را مشاهده کنند.
منابع
- Abbaschian R. (Physical Metallurgy Principles (3rd ed. PWS-Kent Publishing، 1991. شابک ۰-۵۳۴-۹۲۱۷۳-۶.
- Gove PB. Webster's Seventh New Collegiate Dictionary. G & C Merriam Company، 1963. 58.
- «Quenching and tempering of welded carbon steel tubulars» (en). بازبینی‌شده در 2018-01-05.
- «ASM International the Materials Information Society - ASM International». www.asminternational.org. بازبینی‌شده در 2018-01-19.
- «Batra U, Ray S, Prabhakar SR (2003). "Effect of austenitization on austempering of copper alloyed ductile iron"». J Mater Eng Perf. 12 (5): 597–601.. doi:10.1361/105994903100277120.
عملیات حرارتی افتراقی
از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
عملیات حرارتی افتراقی یا عملیات حرارتی انتخابی یا عملیات حرارتی موضعی (به انگلیسی: Differential heat treatment) روشی است که در حین عملیات حرارتی به کار گرفته می‌شود برای سخت کردن یا نرم کردن ناحیه مشخصی از یک شیء فولادی و باعث به وجود آمدن یک اختلاف در سختی این نواحی می‌شود. روش‌های زیادی وجود دارد برای ایجاد اختلاف در خواص، اما اغلب آن‌ها به عنوان سخت کاری افتراقی یا بازپخت افتراقی قابل تعریف هستند.
روش‌های سخت کاری افتراقی شامل حرارت دهی به فلز به صورت یکنواخت تا دمای تفتیدگی، تغییر فولاد به آستنیت و سپس سرد کردن آن در نواحی مختلف می‌باشد که قسمتی از شیء را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند، در حالی که مابقی آن آرام تر شرد شده و به پرلیت نرم تر تبدیل می‌شود. این روش ممکن است تنها شامل حرارت دهی یک بخش از شیء به صورت بسیار سریع تا دمای تفتیدگی و سپس سرد کردن سریع (کوئنچ) آن باشد که فقط بخشی از شیء را به مارتنزیت سخت تبدیل می‌کند و بقیه شیء بدون تغییر باقی می‌ماند.
اما روش‌های بازپخت افتراقی شامل گرم کردن شیء به صورت یکنواخت تا دمای تفتیدگی و سپس کوئنچ کامل کل شیء هستند که تمام آن شیء را به مارتنزیت تبدیل می‌کنند. سپس شیء تا دمای بسیار کمتری حرارت داده می‌شود تا نرم شود (تمپرینگ)، اما این حرارت دهی تنها به صورت موضعی خواهد بود که تنها بخشی از آن را نرم می‌سازد.
روش‌های سخت کاری افتراقی ابتدائاً در چین برای ساخت شمشیر توسعه یافت و در خاور دور از نپال تا کره و ژاپن گسترش یافت. بعدها، روش‌های سخت کاری سطحی از طریق حرارت دهی سریع در نواحی انتخابی و سپس کوئنچ کردن آن مثل سخت کاری شعله‌ای و سخت کاری القایی توسعه یافت. به هر ترتیب، روش‌های بازپخت افتراقی ابتدائاً با آهنگران اروپایی برای ساخت ابزارهای برش شروع شد، اما برای ساخت چاقوها و قداره‌های نوع اروپایی نیز شروع شد. در این فرایند بعدها در بسیاری از زمینه‌های ساخت اشیایی که در آن‌ها ترکیبی از استحکام و چقرمگی (مقاومت به ضربه) مورد نیاز بود مورد استفاده قرار گرفت، از جمله ساخت ورق‌های زرهی در کشتی‌های جنگی اولیه.
محتویات
مقدمه
عملیات حرارتی افتراقی روشی است برای تغییر دادن خواص قسمت‌های مختلفی از یک شیء فولادی به صورت متفاوت و ایجاد مناطقی که سخت تر یا نرم تر از قسمت‌های دیگر باشد. این امر نرمی بیشتری در قسمت‌هایی از شیء که لازم است مثل زبانه یا پشت تیغه یک شمشیر ایجاد می‌کند، اما سختی بیشتری در لبه یا دیگر نواحی به وجود می‌آورد که مقاومت به ضربه، مقاومت به سایش و استحکام بیشتری نیاز است. این روش غالباً می‌تواند نواحی مشخصی را سخت تر از حدی کند که برای عملیات حرارتی یکنواخت یا در «عملیات حرارتی سراسری» فولاد امکان پذیر است. روش‌های مختلفی وجود دارد که برای عملیات حرارتی افتراقی فولاد استفاده می‌شود، اما میتوان این روش‌ها را به دو دسته روش سخت کاری افتراقی و روش بازپخت افتراقی تقسیم نمود.
در حین عملیات حرارتی، وقتی فولاد تفتیده (معمولاً بین oF 1500 (oC 820) و oF 1600 (oC 870)) به سرعت سرد یا کوئنچ می‌شود، بسیار سخت می‌گردد، اما عمدتاً سختی زیاد باعث تردی زیاد مثل شیشه می‌شود.
فولاد کوئنچ شده عموماً به آرامی و به صورت یکنواخت (معمولاً بین oF 400 (oC 204) و oF 650 (oC 343)) در فرایندی به نام تمپرینگ حرارت دهی مجدد می‌شود تا فلز نرم گردد و در نتیجه چقرمگی افزایش یابد. به هر ترتیب، این گونه نرم کردن فلز گرچه شمشیر را کمتر در معرض شکستن قرار می‌دهد، اما لبه آن را مستعد آسیب‌هایی مثل کند شدن، کوبیده شدن یا انحنا پیدا کردن می‌کند.
سخت کاری افتراقی روشی است که در عملیات حرارتی شمشیرها و چاقوها برای افزایش سختی لبه بدون ترد ساختن کل تیغه استفاده می‌شود. بدین منظور، لبه بسیار سریع تر از پشت تیغه (از طریق افزودن یک عایق حرارتی به پشت تیغه قبل از کوئنچ) سرد می‌شود. خاک رس یا ماده دیگری برای عایق استفاده می‌شود. این امر همچنین از طریق پاشیدن دقیق آب (که به تازگی گرم شده) بر لبه تیغه نیز حاصل می‌شود، چنان که در مورد ساخت کوکری (kukri چاقوی بلند نپالی) به کار می‌رود. سخت کاری افتراقی از چین نشأت گرفته و سپس به کره و ژاپن بسط یافته‌است. این روش عمدتاً در جیان (Jian) چین و کاتانا (katana) شمشیر سنتی ژاپنی و کوکری (چاقوی سنتی نپالی) استفاده شده‌است. اغلب تیغه‌های ساخته شده به این روش خطوط بازپخت افتراقی نامیده می‌شود، اما این عبارت به صورت دقیق تر به روش دیگری اطلاق می‌شود که از قداره‌های اروپایی نشأت می‌گیرد.
مدل‌های جدید سخت کاری افتراقی وقتی توسعه یافت که منابع حرارت دهی سریع فلز ابداع شد؛ مثل حرارت دهی القایی یا تورچ اکسی استیلن. با استفاده از روش‌های سخت کاری شعله‌ای و سخت کاری القایی، فولاد به سرعت حرارت دهی و در نواحی مشخص تفتیده شده و سپس کوئنچ می‌گردد. این امر فقط بخشی از شیء را سخت می‌کند و مابقی بدون تغییر می‌ماند.
بازپخت افتراقی به صورت متداول برای ساخت ابزارهای برش استفاده می‌شود، گرچه گاهی برای چاقو و شمشیر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. بازپخت افتراقی از طریق کوئنچ یکنواخت شمشیر و سپس بازپخت قسمتی از آن مثل پشت تیغه یا بخش مرکزی تیغه‌های دو لبه، به وسیله یک تورچ یا دیگر منابع مستقیم حرارت حاصل می‌شود. بخش حرارت یافته فلز با این روش نرم شده و لبه در سختی بالاتر باقی می‌ماند.
سخت کاری افتراقی
سخت کاری افتراقی (که با نام‌های کوئنچ افتراقی، کوئنچ انتخابی، سخت کاری انتخابی یا سخت کاری موضعی نیز خوانده می‌شود) معمولاً در آهنگری برای افزایش چقرمگی تیغه و در عین حال حفظ سختی و استحکام خیلی بالا در لبه استفاده می‌شود. این امر به تیغه کمک می‌کند که در برابر شکست بسیار مقاوم باشد، چرا که پشت تیغه بسیار نرم و قابل خمش است، اما لبه امکان دارد که بسیار سخت تر باشد نسبت به حالتی که تیغه به صورت یکنواخت کوئنچ و بازپخت شود. این امر کمک می‌کند که تیغه نرمی ایجاد شود که لبه بسیار تیز و مقاوم در برار سایش خود را حتی در حین استفاده‌های خشن مثل مبارزه و جنگیدن حفظ کند. یک تیغه سخت کاری شده به روش افتراقی همواره با یک لایه عایق مثل خاک رس پوشیده می‌شود، اما لبه بدون پوشش می‌ماند. وقتی تیغه تا مرحله تفتیدگی حرارت می‌یابد و کوئنچ می‌شود، لبه به سرعت سرد شده و سختی زیادی پیدا می‌کند، اما بقیه آن به آرامی سرد می‌شود و نرم تر می‌شود.
سخت کاری افتراقی اغلب شامل پوشش پشت تیغه با یک لایه عایق است. این لایه معمولاً مخلوطی است از خاک‌های رس، خاکسترها، پودر سنگ براق و نمک‌های طبیعی که پشت تیغه را از سرد شدن بسیار سریع در حین کوئنچ محافظت می‌کند. خاک رس معمولاً به صورت رنگ پاشی اعمال می‌شود که اطراف مرکز و پشت تیغه را به طور ضخیمی پوشانده و لبه را باقی می‌گذارد. این امر به لبه امکان می‌دهد که بسیار سریع سرد گردد و به ریزساختار بسیار سختی به نام مارتنزیت تبدیل شود و بقیه تیغه به آرامی سرد شود و به ریزساختار نرمی به نام پرلیت مبدل شود. این روش لبه‌ای به وجود می‌آورد که به صورتی استثنایی سخت و ترد است، اما توسط فلزی نرم تر و چقرمه تر پشتیبانی می‌شود. البته این لبه معمولاً زیادی سخت است، بنابراین پس از کوئنچ کردن، معمولاً تمام تیغه در دمای حدود oF 400 (oC 204) به مدت کوتاهی بازپخت می‌گردد تا سختی لبه را تا حدود ۶۰ HRC در مقیاس سختی راکول پایین بیاورد.
ترکیب دقیق مخلوط خاک رس، ضخامت پوشش و حتی دمای آب معمولاً به عنوان اسرار مدارس آهنگری مختلف به دقت محفوظ داشته می‌شد. در رابطه با مخلوط خاک رس هدف اصلی پیدا کردن مخلوطی بود که دمای بالایی را تاب بیاورد و به تیغه بچسبد بدون این که منقبض شود، ترک بخورد یا در اثر خشک شدن پوسته شود. گاهی اوقات پشت تیغه با خاک رس پوشانده می‌شد و لبه باقی می‌ماند. گاهی نیز کل تیغه پوشانده می‌شد و سپس خاک رس از لبه زدوده می‌شد. روش دیگر اعمال خاک رس با ضخامت زیاد روی پشت تیغه و با ضخامت کم روی لبه برای تامین عایق کمتر بود. با کنترل ضخامت پوشش لبه به همراه دمای آب، سرعت خنک سازی هر قسمت از تیغه برای ایجاد سختی مناسب در کوئنچ بدون نیاز به بازپخت قابل حصول است.
با خشک شدن پوشش، تیغه به آرامی به صورت یکنواخت گرم می‌شود تا از ترک خوردن یا افتادن پوشش جلوگیری شود. پس از این که تیغه تا دمای مناسب گرم شد، که با رنگ قرمز براق آلبالویی تیغه (تابش جسم سیاه) شناخته می‌شود، تیغه در یک خمره آب یا روغن غوطه ور می‌شود تا حرارت به سرعت از لبه خارج گردد. در عوض خاک رس پشت تیغه را عایق می‌کند که باعث می‌شود بسیار آهسته تر از لبه سرد شود.
وقتی لبه سریع سرد می‌شود، یک انتقال بدون دیفوزیون اتفاق می‌افتد که لبه را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند. از آن جا که تیغه به آهستگی سرد می‌شود، کربن در فولاد زمان دارد تا رسوب کند و به پرلیت نرم تبدیل شود. انتقال بدون دیفوزیون لبه را به صورت ناگهانی در یک حالت منبسط شده در اثر حرارت، فریز می‌کند، اما به پشت تیغه امکان انقباض می‌دهد، چرا که این قسمت خیلی آهسته تر سرد می‌شود. این امر نوعاً منجر به خم شدن یا انحنای تیغه در حین کوئنچ می‌شود، چرا که پشت تیغه بیشتر از لبه منقبض می‌شود. این عمل شکل منحنی خاصی را به شمشیرهایی مثل کاتانا و واکیزاشی (wakizashi) می‌دهد.
تیغه معمولاً در حین گرم شدن صاف است اما در حین سرد شدن قوس پیدا می‌کند. این مسئله برش را در شمشیرهای نوع اسلش (slashing-type: ضربه سریع) تسهیل می‌کند، اما احتمال ترک خوردن در حین عمل را نیز افزایش می‌دهد. شمشیر ممکن است نیاز به شکل دهی بیشتری پس از کوئنچ و بازپخت داشته باشد تا انحنای مطلوب را به دست آورد. شمشیرهای صاف مثل نینجاتو (ninjato) معمولاً قبل از حرارت به صورت خاصی انحنا می‌یابند تا با کوئنچ صاف گردند.
سخت کاری افتراقی دو نوع منطقه مختلف سختی ایجاد می‌کند که واکنش‌های متفاوتی نسبت به ساییدن، شکل دهی و صیقل کاری نشان می‌دهند. پشت و مرکز تیغه بسیار سریع تر از لبه ساییده می‌شود، بنابراین صیقلکار نیاز به کنترل دقیق زاویه لبه خواهد داشت، که بر هندسه تیغه تاثیرگذار خواهد بود. یک صیقلکار بی تجربه ممکن است به سرعت تیغه را به خاطر فشار بیش از حد به مناطق نرم تر از بین ببرد و به سرعت شکل تیغه را بدون تغییر زیاد در ناحیه سخت شده عوض کند.
گرچه پرلیت و مارتنزیت هر دو را میتوان به صورت آینه‌ای صیقلی کرد، اما معمولاً این دو فاز سطح پرداخت ماتی دارند که اختلافی را در مقدار سختی آن‌ها ایجاد می‌کند. این امر منجر به ریزساختارهای مختلفی می‌شود که وقتی از زاویه‌های مختلف دیده می‌شوند، نور را به میزان‌های مختلفی منعکس می‌کنند.
پرلیت در زمان‌های طولانی تری تشکیل شده، خراش‌های عمیق تری دارد و بسته به زاویه دید صیقلی و روشن یا گاهی تاریک دیده می‌شود. مارتنزیت در مقابل خراش سخت تر است و در نتیجه ساییدگی‌های میکروسکوپی آن کوچک تر هستند. مارتنزیت همواره روشن تر و در عین حال تخت تر از پرلیت دیده می‌شود و این امر کمتر بستگی به زاویه دید دارد. وقتی تیغه صیقلی شده یا با اسید اچ می‌شود تا این جنبه‌های آن نشان داده شود، یک مرز دانه مشخص بین بخش مارتنزیتی و پرلیت آن دیده می‌شود. این مرز معمولاً خط بازپخت خوانده می‌شود و گاهی نیز به اسم عبارت ژاپنی آن یعنی هامون (hamon) نامیده می‌شود. بین لبه سخت شده و هامون یک ناحیه میانی نیز وجود دارد که به ژاپنی نیوی (nioi) نامیده می‌شود و تنها در زاویه طولی قابل مشاهده است. نیوی خطی است به پهنای حدود یک یا دو میلیمتر در کنار هامون که از دانه‌های مارتنزیتی منفرد (نایه niye) تشکیل شده که در زمینه‌ای پرلیتی احاطه شده‌است.
در ژاپن از زمان افسانه‌ای آهنگر معروف آماکانی (Amakuni)، هامون‌ها در اصل صاف و موازی با لبه تیغه بودند، اما از قرن دوازدهم قبل از میلاد آهنگرانی مثل شینتوگو کانیمیتسو (Shintogo Kunimitsu) شروع به تولید هامون‌هایی با اشکال غیر منظم نمودند. از قرن ششم قبل از میلاد، آهنگران ژاپنی عموماً شمشیرهایشان را قبل از کوئنچ به آرامی گرمای بیشتری می‌دادند تا نایه‌های بزرگتر و زیباتری تشکیل شوند، گرچه اندازه دانه بزرگتر شمشیر را کمی ضعیف تر می‌کرد. در این زمان، توجه زیادی در ژاپن به ساخت هامون‌های زینتی معطوف شد که از طریق شکل دهی دقیق خاک رس میسر بود. در این دوره بسیار متداول شد که شمشیرهایی با هامون‌های موجی، رسم گل یا میخک در خط بازپخت، پای موش، درخت یا دیگر اشکال ساخته شوند. در قرن هیجدهم، هامون‌های تزیینی اغلب با روش‌های تزیینی تا شدن ترکیب شد تا چشم انداز کاملی ایجاد شود مثل جزیره‌های خاص، موج‌های شکسته، تپه، کوه، رودخانه و گاهی نقاط کوتاهی از خاک رس جدا می‌شد تا نایه دور از هامون تشکیل شود و آثاری مثل پرنده در آسمان ایجاد گردد.
گرچه سخت کاری افتراقی لبه بسیار سختی ایجاد می‌کند اما مابقی شمشیر نرم باقی می‌ماند که می‌تواند در برابر بارهای سنگین مثل دفع حمله سنگین حریف، تمایل به انحنا پیدا کند. همچنین لبه می‌تواند به ترک یا تراشه شدن مستعدتر شود. جنگجویان سامورایی ژاپن یاد می‌گرفتند که با کناره‌های شمشیرشان دفاع و مبارزه کنند تا لبه برنده شمشیر را حفظ کنند. این نوع شمشیرها قابلیت تیز شدن مجدد را تنها قبل از رسیدن به فلز نرم تر زیر لبه به تعداد کمی دارا بودند. اما اگر به خوبی محافظت و نگهداری می‌شدند می‌توانستند به مدت زمان زیادی لبه‌شان را نگاه دارند، حتی پس از عبور از بین استخوان و گوشت یا آدمک‌های نمادین تمرینی.
سخت کاری شعله‌ای
سخت کاری شعله‌ای معمولاً برای سخت کردن تنها بخشی از یک شی از طریق حرارت دادن سریع با یک شعله بسیار داغ در یک ناحیه مشخص و سپس کوئنچ فولاد استفاده می‌شود. این عمل بخش حرارت دیده را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند و مابقی آن را بدون تغییر باقی می‌گذارد. معمولاً تورچ گاز اکسیژن برای تامین این دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. سخت کاری شعله‌ای یک روش سخت کاری سطحی بسیار معروف است که معمولاً برای تهیه یک سطح بسیار مقاوم به سایش به کار می‌رود. یک کاربرد متداول آن برای سخت کاری سطح چرخ دنده‌ها است که دندانه‌ها را بسیار مقاوم به فرسایش می‌کند. چرخ دنده معمولاً اول برای رسیدن به یک سختی مشخص کوئنچ و بازپخت می‌شود که بیشتر چرخ دنده را نرم می‌کند و سپس دندانه‌ها سریع گرم شده و بلافاصله کوئنچ می‌شود تا فقط سطح آن سخت شود. پس از آن، ممکن است مجدداً بازپخت شود یا نشود سختی افتراقی نهایی حاصل شود.
این فرایند معمولاً برای ساخت چاقو استفاده می‌شود و در طی آن تنها لبه تیغه‌ای که قبل از آن کوئنچ و بازپخت شده حرارت داده می‌شود. وقتی لبه به دمای رنگی (color temperature) مناسب می‌رسد کوئنچ شده و تنها لبه را سخت می‌کند و مابقی تیغه در سختی پایین تری باقی می‌ماند. سپس چاقو مجدداً بازپخت می‌شود که سختی افتراقی نهایی را به وجود می‌آورد. اما بر خلاف تیغه که به طور یکنواخت حرارت داده شده و به صورت افتراقی کوئنچ شده، سخت کاری شعله‌ای یک منطقه متاثر از حرارت به وجود می‌آورد. بر خلاف نیوی، مرز بین فلز گرم و سرد که با این ناحیه متاثر از حرارت تشکیل می‌شود، منجر به سرد شدن بسیار سریع در هنگام کوئنچ می‌گردد. این امر همراه با با تنشهای شکل گرفته، ناحیه‌ای بسیار ترد بین فلز سخت و نرم به وجود می‌آورد که معمولاً این روش را برای شمشیرها یا ابزارهایی که در معرض تنشهای برشی و فشاری هستند غیر قابل استفاده می‌کند.
سخت کاری القایی
سخت کاری القایی یک روش سخت کاری سطحی است که از کویل‌های القایی برای تامین وسیله‌ای بسیار سریع برای حرارت دادن به فلز استفاده می‌کند. با حرارت دهی القایی، فولاد می‌تواند بسیار سریع گرم شده و به سطح تفتیده برسد پیش از ان که حرارت بتواند عمق زیادی از فلز را تحت تاثیر قرار دهد. سپس این سطح کوئنچ شده و سخت می‌گردد و معمولاً بدون بازپخت بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عمل سطح را در برابر سایش بسیار مقاوم می‌کند، اما بلافاصله در زیر سطح فلز نرم تری به وجود می‌آورد و قسمت اعظم شیء را بدون تغییر باقی می‌گذارد. یکی از کاربردهای متداول سخت کاری القایی برای سخت کاری سطوح یاتاقان‌ها یا تکیه گاه‌های اصلی میل لنگ اتوموبیل یا میله‌های سیلندرهای هیدرولیک می‌باشد.
بازپخت افتراقی
بازپخت افتراقی (که با نام‌های بازپخت مدرج، بازپخت انتخابی یا بازپخت موضعی نیز خوانده می‌شود) معکوس سخت کاری افتراقی است که نهایتاً نتایج مشابهی ایجاد می‌کند. بازپخت افتراقی ابتدا با فولادی که به صورت یکنواخت کوئنچ و سخت شده آغاز می‌شود و سپس این فولاد در نواحی مشخص حرارت داده می‌شود تا سختی را کاهش دهد. این فرایند غالباً برای ابزارهای برش، نرم کردن پشت، شافت یا بدنه و همزمان بازپخت لبه تا یک سختی بسیار بالا استفاده می‌شود. این فرایند در اروپا قدیم برای ابزارسازی بسیار متداول بود اما به سرعت برای چاقو و شمشیر نیز به کار گرفته شد.
کاربرد متداول بازپخت افتراقی برای عملیات حرارتی ابزارهای برش مثل تبرها و قلم‌ها بود که در آن‌ها لبه بسیار سخت مورد نظر بود اما مقداری چکش خواری و ارتجاع در مابقی ابزار مورد نیاز بود. قلمی با لبه بسیار سخت می‌تواند باعث مواد سخت تری را ببرد، اما اگر تمام قلم سختی بالایی داشته باشد ممکن است تحت ضربات چکش بشکند. بازپخت افتراقی عمدتاً برای تهیه یک لبه بسیار سخت و در عین حال نرم کردن قسمت‌هایی از ابزار که در معرض ضربه و بار ناگهانی است مورد استفاده قرار می‌گیرد.
قبل از آن که یک ابزار به روش افتراقی مورد بازپخت قرار گیرد، ابتدا تا حد تفتیدگی گرم شده و سپس کوئنچ می‌شود تا کل ابزار سخت شود. این امر باعث می‌شود ابزار برای استفاده‌های معمولی بسیار سخت گردد. بنابراین ابزار بازپخت می‌شود تا سختی آن تا حد مناسب تری کاهش یابد. اما برخلاف بازپخت معمولی، کل ابزار حرارت نمی‌بیند. به جای آن، حرارت تنها به قسمتی از ابزار اعمال می‌شود که این امکان را می‌دهد که حرارت به سمت لبه برنده سردتر هدایت شود. فولاد کوئنچ شده ابتدا ماسه کوبی یا صیقلکاری می‌شود تا هر گونه لایه اکسیدی باقیمانده آن حذف شده و فلز بدون روکش زیرین معلوم شود. سپس مناطق مشخصی از فولاد مثل لبه چکشی در یک قلم یا دسته یک تبر حرارت می‌بیند. سپس آهنگر به دقت با مشاهده رنگ بازپختی فولاد، دما را می‌سنجد. با حرارت یافتن فولاد این رنگ‌ها تشکیل می‌شوند که از زرد تا قهوه‌ای، ارغوانی و آبی و رنگ‌هایی بین آن‌ها تغییر می‌کنند و نشان دهنده دمای فولاد هستند. با اعمال حرارت، این رنگ‌ها در نزدیکی منبع حرارت تشکیل شده و سپس به آرامی در طول ابزار شروع به حرکت می‌کنند و حرارت را دنبال می‌کنند تا به لبه برسند.
قبل از این رنگ زرد یا رنگ «حصیری روشن» به لبه برسد، آهنگر حرارت را قطع می‌کند. پس از آن به مدت کوتاهی حرارت به انتقال خود ادامه می‌دهد و رنگ‌ها را به سمت لبه انتقال می‌دهد. وقتی رنگ حصیری روشن به لبه رسید، معمولاً آهنگر فولاد را در آب غوطه ور می‌کند تا فرایند را متوقف کند. این عمل عموماً یک لبه بسیار سخت ایجاد می‌کند که در حدود ۵۸-۶۰ HRC در مقیاس راکول سختی دارد، اما لبه مقابل آن را بسیار نرم تر باقی می‌ماند. سختی دقیق لبه نرم به عوامل زیادی بستگی دارد، اما عامل عمده سرعت حرارت یافتن فولاد یا مقدار فاصله‌ای است که رنگ‌ها در آن گسترده شده‌اند. رنگ حصیری روشن فولاد بسیار سخت و ترد است اما آبی روشن فولاد نرم تر و ارتجاعی است. بعد از رنگ آبی، وقتی فولاد خاکستری می‌شود احتمال زیادی دارد که بسیار چکش خوار گردد که معمولاً در کمورد یک قلم مطلوب نیست. اگر فولاد زیادی نرم شود ممکن است تحت نیرو یک چکش تغییر شکل پلاستیک دهد و انحنا پیدا کند یا قارچی شکل شود.
برخلاف سخت کاری افتراقی مرز مشخصی بین فلز سخت تر و نرم تر وجود ندارد، اما تغییر از سخت به نرم بسیار تدریجی است که تشکیل یک طیف پیوسته از یا یک شیب از سختی می‌دهد. به هر ترتیب، دماهای بالاتر حرارت دهی باعث می‌شود رنگ‌ها کمتر گسترش یابند و شیب تندتری را به وجود می‌آورد، در حالی که دماهای پایین تر می‌تواند با استفاده از بخش کمتری از کل طیف، این تغییر را شیب دار تر کند. رنگ‌های بازپختی تنها نشان دهنده بخشی از کل طیف هستند، چرا که فلز در دمای بالاتر از oF 650 (oC 343) خاکستری رنگ شده و قضاوت در مورد دما سخت می‌شود، اما سختی همچنان با افزایش دما کاهش پیدا می‌کند.
حرارت دهی تنها در یک بخش مثل لبه تخت یک سنبه مرکزی باعث می‌شود طیف کاملاً در زیر طول ابزار گسترش یابد. از آن جا که طیف پیوسته در طول کل ابزار همواره مطلوب نیست، روش‌های متمرکز سازی این تغییرات توصیه شده‌اند. ابزاری مثل یک قلم می‌تواند به سرعت حرارت داده شود تا بازپخت آن کاملاً در طول کل شافت تا رنگ ارغوانی یا آبی انجام شود، اما بقیه حرارت به سرعت تا فاصله کوتاهی از لبه جریان می‌یابد. روش دیگر نگه داشتن لبه در آب است که آن را سرد نگه می‌دارد تا بقیه ابزار بازپخت گردد. وقتی رنگ مناسبی به دست می‌آید، لبه از آب خارج شده و امکان بازپخت با بقیه حرارت را پیدا می‌کند و وقتی لبه رنگ مناسب خود را به دست می‌آورد، تمام ابزار در آب غوطه ور می‌گردد. به هر ترتیب، این گونه حرارت دادن در مناطق مشخص با چنین دمای پایینی ممکن است برای اشیای بزرگتری مثل یک تبر یا یک پتک دشوار باشد، چرا که فولاد ممکن است قبل از این که بتواند حرارت را به لبه برساند، حرارت زیادی را از دست بدهد. گاهی اوقات فولاد به صورت کامل تا دمایی کمتر از دمای مورد نظر و نزدیک آن حرارت می‌بیند و سپس به صورت افتراقی بازپخت می‌گردد. در این حالت کنترل تغییر دما راحت تر است. روش دیگر فروکردن قسمتی از فولاد در یک عایق مثل ماسه یا آهک است که از اتلاف زیاد حرارت در حین بازپخت جلوگیری می‌کند.
نهایتاً این که این روش برای شمشیر و چاقو مورد استفاده قرار می‌گیرد تا تاثیرات مکانیکی مشابه سخت کاری افتراقی به وجود آورد، اما تفاوت‌های مهمی هم وجود دارد. یک تیغه بازپخت شده به روش افتراقی، ابتدا کل تیغه به صورت کامل کوئنچ و سخت می‌شود و سپس در مناطق مشخص حرارت می‌بیند که در این حالت حرارت به سمت لبه جریان می‌یابد. در تیغه‌های تک لبه‌ای، ممکن است ممکن است برای حرارت از آتش یا تورچ استفاده شود. تیغه تنها در امتداد پشت تیغه و زبانه آن حرارت می‌بیند که امکان جریان یافتن حرارت به سمت لبه وجود دارد. اما در تیغه‌های دولبه‌ای منبع حرارت همواره نیاز به حرکت دادن دقیقی دارد، چرا که حرارت باید کاملاً در طول مرکز تیغه اعمال شود تا به سمت هر دو لبه جریان پیدا کند. غالباً یک میله تفتیده سرخ شده یا زرد شده برای تامین حرارت استفاده می‌شود و در امتداد مرکز تیغه قرار می‌گیرد.
برای ممانعت از اتلاف بیش از حد حرارت در تیغه، ممکن از پیش گرم، عایق کاری جزئی یا قرار گرفتن بین دو میله تفتیده به صورت ساندویچی استفاده شود. وقتی رنگ مناسب در لبه به دست آمد، تیغه در آب غوطه ور می‌شود تا فرایند خاتمه یابد.
بازپخت افتراقی ممکن است با تغییر شکل تیغه خیلی مشکل شود. موقع بازپخت یک شمشیر دولبه با تیزی در امتداد طول آن، نوک تیغه ممکن است قبل از ساقه آن به دمای مناسب برسد. آهنگر ممکن است بتواند دما را از طریق روش‌هایی مثل ریختن آب در امتداد بخش‌های مشخصی از لبه یا سرد کردن آن با یخ کنترل کند که در اثر آن دمای مناسب در تمامی لبه به صورت همزمان حاصل می‌شود. بدین ترتیب، گرچه زمان کمتری نسبت به سخت کاری افتراقی با خاک رس مصرف می‌شود، اما وقتی فرایند آغاز می‌شود، آهنگر باید به دقت مراقب هدایت حرارت باشد. مجال کمی برای اشتباه وجود دارد و خطا در شکل دهی منطقه سخت شده به راحتی قابل تصحیح نیست. اگر چاقو یا شمشیر انحنا یا یک شکل غیرمعمول یا نوکی بسیار تیز داشته باشد، کار مشکل تر نیز خواهد شد. شمشیرهای بازپخت شده بدین روش، مخصوصا شمشیرهای دولبه عموماً باید پهن تر باشند، مثل قداره، تا فضای بیشتری برای شیب لازم داشته باشند. به هر ترتیب، بازپخت افتراقی شکل تیغه را تغییر نمی‌دهد.
وقتی یک شمشیر، چاقو یا ابزار به صورت کامل کوئنچ می‌شود، کل شیء تبدیل به مارتنزیت می‌شود که بسیار سخت است و هیچ گونه پرلیت نرمی تشکیل نمی‌شود. بازپخت سختی فولاد را با تغییر تدریجی مارتنزیت به ریزساختاری از کاربیدهای مختلف مثل سمنتیت و فریت نرم تر (آهن) کاهش می‌دهد و ریزساختاری را شکل می‌دهد به نام «مارتنزیت بازپخت شده». موقع بازپخت فولاد پرکربن به روش آهنگری، رنگ یک علامت کلی است از سختی نهایی، گرچه مقداری سعی و خطا نیز همیشه لازم است تا رنگ درست با نوع فولاد مطابقت پیدا کند و سختی دقیق به دست آید، چرا که مقدار کربن، سرعت حرارت دهی و حتی نوع منبع حرارتی نتیجه را تحت تاثیر قرار می‌دهد. بدون تشکیل پرلیت، فولاد به صورت افزایش پله‌ای بازپخت می‌شود تا سختی مناسب در هر ناحیه به دست آید و از این که هیچ منطقه‌ای زیادی نرم نیست اطمینان حاصل شود. برای مثال در مورد قداره از آن جا که تیغه نوعاً پهن تر، نازک تر و سنگین تر است، تیغه در حین مبارزه مستعد انحنا یافتن است. اگر مرکز تیغه بیش از حد نرم باشد، این انحنا ممکن است دائمی باشد، اما اگر شمشیر تا یک سختی ارتجاعی بازپخت گردد، احتمال بیشتری دارد که به حالت اولیه خود بازگردد.
شمشیر بازپخت شده بدین روش معمولاً نمی‌تواند لبه‌ای به سختی شمشیر سخت کاری شده به روش افتراقی مثل کاتانا داشته باشد، زیرا فلز نرم تری بلافاصله زیر لبه برای پشتیبانی از فلز سخت تر وجود ندارد. این امر لبه را مستعد به تراشه شدن در قطعات بزرگتر می‌کند. اما در مبارزه با شمشیرهای نوع تیشه‌ای مثل قداره‌ها، چنین لبه سختی همواره مطلوب نیست، چرا که دفاع و سد کردن با لبه، نرم تر انجام می‌شود. در مورد این شمشیرها عموماً مطلوب است که لبه مقاوم تری به ضربه داشته باشیم، حتی به قیمت امکان نگه داشتن آن لبه. این لبه لازم است تا رنگ حصیری تیره یا بیشتر بازپخت شود تا این امر محقق گردد و مرکز تا رنگ آبی یا ارغوانی بازپخت شود. این امر تفاوت بسیار کمی بین لبه و مرکز ایجاد می‌کند و مزایای این روش نسبت به بازپخت کل شمشیر (بازپخت کامل) ممکن است خیلی قابل توجه نباشد. اما یک شمشیر بازپخت شده به این روش، می‌تواند چندین بار مجدداً تیز شود و گرچه سختی در هر بار تیز شدن مجدد کاهش می‌یابد، اما کاهش سختی معمولاً تا وقتی که مقدار زیادی از فولاد زدوده نشده، قابل توجه نیست.
مرتبط:
