عملیات حرارتی آنیل کردن Anealing
واژه آنیل دارا ی معنی، مفهوم و کاربرد وسیعی است بدین صورت که به هر نوع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری بجز مارتنزیت و یا سختی کم و انعطاف پذیری باشد اطلاق می شود.
تقسیم بندی عملیات حرارتی آنیل براساس دمای عملیات به روش سردکردن، ساختار و خواص نهایی.
آنیل کامل:
آنیل کامل عبارت است حرارت دادن فولاد در گسترده دمایی مرحله آستنیت و سپس سردکردن آهسته معمولاً در کوره است. و تحت این شرایط آهنگ سردشدن در محدوده 02/0 درجه سانتیگراد بر ثانیه است. گستره دمایی آستنیته کردن برای آنیل کامل تابع درصد کربن فولاد است. بطورکلی در عملیات آنیل کامل فولادهای هیپویوتکتوئید را در ناحیه تک فازی آستنیت و فولادهای هایپریوتکتوئید را در ناحیه آستنیت سمنتیت حرارت می دهند.
علت آستنیته کردن فولادهای هاپیرتوکتوئید در ناحیه دوفازی آستنیت- سمنتیت این است که سمنتیت پروتکتوئید در این فولاد به صورت کروی و مجتمع شده درآید.
در عملیات آنیل کامل، هدف از آستنیته کردن فولادهای هاپرتوکتوئید در ناحیه دوفازی آستنیت سمنتیت عبار ت از شکستن شبکه پیوست کاربید است و تبدیل آن به ذات ریز و کروی شکل مجزا از یکدیگر است.
نیروی محرکه در این عملیات عبارت از کاهش انرژی فصل مشترک ناشی از کروی شدن ذرات کاربید و در نتیجه کاهش مقدار فصل مشترک آستنیت – کاربید است.
د رعملیات آنیل کامل نه تنها دمای آستنیته کردن بلکه آهنگ سردشدن نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
سردکردن آهسته که معادل سردشدن در کوره است باعث می شود که ابتدا فریت و سپس پرلیت از آستنیت بوجود آید بعلت سردشدن آهسته، فریت تشکیل شده دارای دانه های درشت و هم محور بوده و پرلیت دارای فاصله بین لایه ای نسبتاً زیاد( پرلیت خشن یا درشت) است. از جمله مشخصه های مکانیکی این میکروساختار عبارت از کاهش سختی و استحکام و افزایش انعطاف پذیری است. اگر واژه آنیل بدون پسوند استفاده شود منظور همان آنیل کامل است.
آنیل همدما:
این عملیات شامل حرارت دان فولاد در دو دمای مختلف است. ابتدا عملیات آستنیته کردن که در همان گستره دمایی مربوط به آنیل کامل انجام می شود و سپس سردکردن سریع تا دمای دگرگونی و نگهداشتن برای مدت زیاد کافی جهت انجام دگرگونی. پس از پایان دگرگونی، فولاد را با هر آهنگ سردشدن دلخواهی می توان سرد کرد.
زمان لازم برای آنیل همدما در مقایسه با آنیل کامل به مراتب کمتر است در حالی که سختی نهایی کمی بیشتر خواهد بود.
همانند آنیل کامل میکروساختار حاصل از انیل همدما در فولاد های هیپویوتکتوئید و یوتکتوئید و هایپریوتکتوئید به ترتیب عبارت از: فریت- پرلیت، و پرلیت و پرلیت – سمانتیت است. ولی پرلیت حاصل نسبتاً ظریف تر و درصد فریت و سمنتیت و یوتکتوئید تا حدودی کمتر است.
از جمله موارد عمده کاربرد آنیل همدما در رابطه با فولادهای آلیاژی است که دارای سختی پذیری بالایی اند. در صورتی که برروی این فولادها عملیات حرارتی آنیل کامل انجام می شود، علت سختی پذیری زیاد ساختار نهایی حاصل بجای پرلیت خشن، ممکن است پرلیت ظریف و یا حتی مخلوطی از پرلیت ظریف و بینیت بالایی باشد.
آنیل همدما در ضمن مراحل ساخت قطعات فولادی نیز استفاده می شود. اگر یک شمش ریخته گری یا نوردشده ا ز جنس فولاد آلیاژی سخت شونده در هوا را در ناحیه آستنیت تا دمای اتاق در هوا سردکنند احتمال تشکیل ترکهای سطحی برروی آن زیاد است. این پدیده به هنگام مارتنزیت شدن مغز قطعه و در نتیجه اعمال تنش کششی( ناشی از انبساط) برروی سطح آن که قبلاً مارتنزیت و سخت شده است اتفاق می افتد. از اینرو بمنظور جلوگیری از ایجاد ترکهای سطحی، شمشمهای گرم را در کوره های آنیل همدما در دمای 700 درجه سانتیگراد نگهداشته تا دگرگونی آستنیت به پرلیت بطور کامل انجام شود. از این پس آهنگ سردشدن اثر چندانی در ساختار و خواص نهایی ندارد. با این حال پس از پایان دگرگونی، قطعات معمولاً در هوا سرد می شوند.
نرماله کردن:Normalizing
نرماله کردن یکی دیگر از انواع روشهای عملیات حرارتی است که میکروساختار حاصل همانند آنیل کامل شامل پرلیت، مخلوطی از پرلیت و فریت و یا مخلوط از پرلیت و سمنتیت( بستگی به ترکیب شیمیای فولادی است. لیکن تفاوتهای مهمی بین نرماله کردن و آنیل کردن وجود دارد.
در نرماله کردن دمای آستنیته کردن برای فولاد های هیپوتکتوئید کمی بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل کردن است در حالیکه برای فولادهای هایپریوتکتوئید از گستره دمایی حدود 50 درجه سانتیگراد است.
برخلاف آنیل کامل که فولاد در کوره سرد می شود در عملیات نرماله کردن قطعات پس از آستنیته شدن در هوا سرد می شوند. تحت چنین شرایطی آهنگ سردشدن در حدود 1/0 تا 1 د رجه سانتیگراد بر ثانیه است.
از آنجائیکه در نرماله کردن فولادهای هیپوتکتوئید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریزکردن دانه های درشتی که اغلب به هنگام کار گرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد بوجود آمده اند. هنگامی که قطعه کار گرم یا ریخته گری شده با دانه های درشت در دمای لازم قرار می گیرد دانه های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند. در صورتیکه دمای آستنیته کردن به گستره دمایی لازم برسد آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز بوجود می آید. حرارت دادن در دمای بالاتر از گستره دمایی یادشده ممکن است منجر به درشت شدن دانه ها شود.
بنابراین در عملیات نرماله کردن فولادهای هیپوتکتوئید، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه های ریز بوجود می آید و سپس در اثر سردشدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می شود. از نظر خواص مکانیکی میکروساختار حاصل از نرماله کردن می تواند در جنس مواد بعنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه های درشت هستند، نرماله کردن بعنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریزکردن دانه ها استفاده می شود.
برای نرماله کردن فولادهای هایپرتوکتوئید از گستره دمایی حدود 50 درجه سانتیگراد بالای آن استفاده می شود. انتخاب این گستره دمایی بمنظور ریزکردن دانه های آستنیت، انحلال کاربیدهایی را سبب شده و همچنین شکسته شدن شبکه پیوست کاربیدی که احتمالاً در ضمن عملیات قبلی در مرزدانه ها بوجود آمده اند است. از آنجائیکه در نرماله کردن قطعات از دمایی بالاتر از این در هوا سرد می شوند، احتمالاً تشکیل مجدد شبکه پیوست کاربیدی در مرزدانه های آستنیت وجود دارد.
در این صورت میکروساختار حاصل ممکن است تا حدودی فولاد را ترد و شکننده کند. لیکن اگر قرار باشد که این فولاد سخت شود، در ضمن آستنیته شدن مجدد( بمنظور سخت کردن) شبکه پیوسته کاربید شکسته شده و ذرات مجتمع و کروی کاربید به دست می آید.
از آنجائیکه در نرماله کردن قطعات در هوا سرد می شوند، میکروساختارهای بدست آمده اختلاف قابل توجهی با میکروساختار حاصل از آنیل دارند. با توجه به اینکه در نرماله کردن فریت و پرلیت در دمایی کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل کردن تشکیل می شوند، اندازه دانه های فریت و سمنتیت و فاصله بین لایه ای پرلیت هر دو کاهش می یابند. بنابراین در مقایسه با خواص حاصل از فرآیند آنیل، استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حدودی کاهش می یابد.
نکته ای که باید در رابطه با سردشدن قطعات در هوا در ضمن نرماله کردن بدان توجه داشت این است که، نقاط مختلف در داخل یک قطعه با آهنگ های متفاوت سرد می شوند. همچنین آهنگهای سردشدن یاشده، با تغییر ابعاد قطعه تغییر می کند. بدین صورت که هر چه قطعه حجیم تر باشد آهنگ سردشدن قطعه و همچنین آهنگهای سردشدن نقاط مختلف در داخل آن کمتر است. این موضوع، به مقدار حرارتی که باید از داخل قطعه، به خارج هدایت شود مربوط می شود. در حقیقت هرچه قطعه حجیم تر باشد بر ای اینکه دمای قسمت مرکزی آن افت کند به زمان بیشتری نیاز است. از اثر ابعاد قطعه برروی آهنگ سردشدن، دو نتیجه مهم استنتاج می شود. اول: در مقاطع خیلی بزرگ آهنگ سردشدن قطعه ممکن است بطور قابل ملاحظه ای بیشتر از ناحیه داخلی باشد و در نتیجه باعث ایجاد تنش در آن شود.
دوم: دوم اینکه در قطعات خیلی کوچک، بخصوص در مورد فولادهای آلیاژی، سردشدن در هوا ممکن است منجر به تشکیل بینیت و یا حتی مارتنزیت بجای مخلوط فریت و پرلیت شود. با توجه به این نکته توصیه می شود که عملیات نرماله کردن برروی فولادهای آلیاژی اعمال نشود از جمله پارامترهای مهم که برروی خواص مکانیکی فولادهای نرماله و آنیل شده اثر می گذارد درصد کربن فولاد است. هرچه درصد کربن بیشتر باشد( تا حدود یوتکتوئید) پرلیت بیشتر تشکیل شده و در نتیجه استحکام و سختی فولاد زیادتر و انعطاف پذیری آن کمتر می شود.