فولاد عملیات حرارتی

عملیات حرارتی فرآیندی است که شامل گرم کردن و سرد کردن کنترل شده فلز، به طور معمول فولاد، با سرعت های معین برای تغییر ساختار میکروسکوپی آن و در نتیجه ارتقای خواص مکانیکی آن است. این فرآیند شامل گرم کردن فولاد تا دمای مشخصی، حفظ آن در آن دما برای مدت زمان معین و سپس خنک کردن آن با سرعت کنترل شده می باشد.
اگر بخواهیم برخی از عناصری که در ساخت آنها مورد استفاده قرار گرفته است را بیان کنیم، باید اینگونه گفت که هر یک از این فولاد ها کاربرد مختص به خود را دارند و در زمینه های مختلف کاربرد های متنوعی دارند از این رو عناصری که در فرایند تولید آنها مورد استفاده قرار گرفته است، متفاوت می باشد، از جمله عناصر میتوان به منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن اشاره کرد.
به عبارتی دیگر میتوان این‌گونه گفت که فولاد قابلیت عمرانی حرارتی یعنی توانایی یک فولاد در مقاومت در برابر تغییرات حرارتی و استفاده از آن در شرایط بالای حرارت.
این نوع فولادها با استفاده از عملیات حرارتی مختلف مانند حرارت دهی، کربن کاری، نیترید کاری و آلیاژدهی به صورتی تغییر می‌کنند که مقاومت بالایی در برابر حرارت و خستگی حرارتی داشته باشند.
فولادهای قابل عملیات حرارتی دارای انواع مختلفی می باشند، که در ادامه نام هریک ذکر شده است.

۱-فولاد A516

۲-فولاد  mo40

۳-فولاد CK45

۴-فولاد بلبرینگ

۵-فولاد VCN 200

۶-فولاد VCN 150

۷-فولاد گرمکار ۱٫۲۳۴۴

۸-فولاد استنلس استیل  ۳۰۴

۹-فولاد سمانتاسیون

۱۰-فولاد خشکه هوایی

همواره از هر یک از این  فولاد ها استفاده فراوانی می‌شود، به دلیل آنکه از مزایای بسیاری برخودار می باشند، مزایای استفاده از فولاد قابلیت عمرانی حرارتی عبارتند از مواردی که در ادامه این مقاله قصد بررسی و توضیح دادن به آنها را داریم.

۱-مقاومت در برابر حرارت بالا

فولادهای قابلیت عمرانی حرارتی معمولاً قادرند در دماهای بالاتر از فولادهای معمولی کار کنند که از جمله ویژگی های بارز و اصلی آنها به شمار می رود.
این ویژگی آنها را برای استفاده در صنایعی مانند صنایع نفت و گاز، صنایع فولاد، صنایع حرارتی و صنایع هوافضا بسیار مناسب می‌کند.

۲-مقاومت در برابر خستگی حرارتی

فولادهای قابلیت عمرانی حرارتی عموماً دارای مقاومت بالا در برابر خستگی حرارتی هستند.
این به معنای تحمل طولانی مدت از تغییرات حرارتی مکرر است که می‌تواند در صنایعی مانند صنعت خودرو، صنعت هواپیما و صنایع حرارتی بسیار مفید باشد.

۳-ثبات ابعادی

فولادهای قابلیت عمرانی حرارتی عموماً دارای ثبات ابعادی بالا هستند، به این معنی که در دماهای بالا تغییرات کمی در ابعاد و شکل آنها رخ نمی‌دهد.
این ویژگی آنها را برای استفاده در قطعات دقیق و ابزارهایی که نیاز به دقت بالا در ابعاد دارند، مناسب می‌کند.
مهمترین نوع فولاد قابلیت عمرانی حرارتی، فولادهای ضد زنگ است که علاوه بر مقاومت در برابر حرارت بالا، مقاومت بالایی در برابر خوردگی نیز دارند.
همچنین، فولادهای آلیاژی مانند فولادهای کروم-مولیبدن، فولادهای کروم-وانادیوم و فولادهای نیکل-کروم نیز از جمله فولادهای قابلیت عمرانی حرارتی معروف هستند.

عملیات حرارتی چیست ؟

اگر بخواهیم به تعریف فرایند عملیات حرارتی بپردازیم باید اینگونه بگوییم که، فعالیتی این که در خصوص فلزات صورت می گیرد، و به شیوه انجام عملیات به این صورت می‌باشد که فلزات دچار هیچ گونه تغییر شکلی نمی شوند، و حالت ثبات آنها حفظ می‌شود در واقع برای اینکه خواص مختلفی در آنها به وجود آید، افراد مجبور میشوند عملیات های حرارتی را انجام دهند، که در این نوع عملیات شکل جامد فلز حفظ خواهد شد‌.
شاید این سوال ذهنتان را به خود درگیر کند که کدام دسته از فلزات قابلیت این را دارند که مورد استفاده جهت این عملیات قرار گیرند، در پاسخ به این سوال باید اینگونه گفت که، به طور معمول از اکثر فلزات میتوان در این عملیات استفاده کرد که طبیعتاً واکنش هر یک از آنها با توجه به خواص و ترکیبات به کار رفته در آنها متفاوت خواهد بود.
از جمله اصلی ترین کاربرد های به کارگیری این عملیات و انجام آن میتوان به این مورد اشاره کرد که به کمک آن می‌توان میزان استحکام و مقاومت بسیاری از آلیاژ های غیر تختی را افزایش داد، که به این ترتیب بتوان از آنها استفاده های کرد.
برای انجام عملیات حرارتی میبایست به یک نکته بسیار مهم که حائز اهمیت بسیاری است توجه کرد و آن هم دمای بهینه جهت انجام این فرایند است، دمای بهینه که در آن فولادها را در عملیات حرارتی قرار می دهند بیشتر از ۷۲۳ درجه است، که برای این دما فولاد هایی مانند فولاد St37 متناسب و گزینه ای مناسب به شمار می روند.
میتوان اینگونه نیز از عملیات حرارتی تعریف کرد که آنها واکنش‌هایی هستند که در آن‌ها انرژی حرارتی به عنوان ورودی استفاده می‌شود تا تغییراتی در ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مواد ایجاد شود.
این عملیات ممکن است شامل گرمایش، سرد شدن، ذوب، جوشاندن، بخارشدن، تبدیل فازها، انتقال حرارت و سایر تغییرات مربوط به حرارت باشد.
عملیات حرارتی در بسیاری از صنایع و فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به عنوان مثال، در صنایع فولادسازی، مواد خام مانند سنگ آهن با استفاده از حرارت بالا وارد کوره می‌شوند تا ذوب شوند و به فولاد تبدیل شوند.
در صنعت شیمیایی، عملیات حرارتی در تولید مواد شیمیایی، تصفیه و پالایش مواد، تولید انرژی و سایر فرآیندهای مربوطه استفاده می‌شود.
در کل، عملیات حرارتی می‌توانند برای ایجاد تغییراتی در مواد، بهبود خواص مکانیکی یا شیمیایی آن‌ها، تصفیه و پالایش، تولید انرژی و مصارف دیگر مورد استفاده قرار بگیرند.

انواع عملیات حرارتی فولاد ها

در صنعت فولادسازی، عملیات حرارتی متنوعی بر روی فولاد‌ها انجام می‌شود تا ویژگی‌های آن‌ها را بهبود بخشید و به نتیجه‌ای مطلوب برسند.
برای انجام عملیات حرارتی روش های مختلفی همچون، کربن دهی سطحی، آنیل کامل، نرمالیزاسیون و کوییچ تمپر کردن به کار گرفته می‌شود،  برخی از انواع عملیات حرارتی فولاد‌ها عبارتند از:

۱-تغییر شکل حرارتی Heat Treatment

این عملیات شامل گرمایش و سرد شدن فولاد با سرعت‌ها و دماهای مختلف است.
از جمله روش‌های تغییر شکل حرارتی می‌توان به آنیلینگ Annealing، کوئنچینگ Quenching و تمپر Tempering اشاره کرد.
این روش‌ها برای بهبود سختی، مقاومت، تغییرات میکروساختاری و خواص مکانیکی فولاد‌ها استفاده می‌شوند.

۲-تصلیب Hardening

در این روش، فولاد با اعمال حرارت بالا و سپس سرد شدن سریع که ملقب به کوئنچینگ می باشد، به شدت سخت می‌شود.
این عملیات بهبود قابلیت سایش، مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی فولاد را فراهم می‌کند.

۳-آستنیت‌سازی Austenitizing

در این فرآیند، فولاد به دمای بالا گرم می‌شود تا به فاز آستنیت Austenite برسد.
این فرآیند از قبل از تصلیب و یا همان هاردنینگ استفاده‌ می‌شود تا فازهای مختلف فولاد تشکیل شده و خواص مکانیکی بهبود یابند.

۴-تلفیق Combination

این عملیات حرارتی شامل ترکیب تغییر شکل حرارتی با تصلیب یا تمپر است.
با ترکیب این روش‌ها، خواص مکانیکی و مقاومت فولاد‌ها بهبود می‌یابد.

۵-انتقال حرارت Heat Transfer

در برخی موارد، انتقال حرارت به فولاد‌ها با استفاده از فرآیندهای مانند ذوب، جوشکاری، نورد و تصفیه حرارتی صورت می‌گیرد.
این روش‌ها برای تولید فولاد‌های خاص با خواص مکانیکی و شیمیایی مشخص استفاده می‌شوند.

۶-کربن دهی سطحی

روش کربن دهی سطی ازجمله ارزان ترین و معروف ترین روش هایی به شمار می‌رود که سبب می‌شود تا فلز یه یک سختی نسبی و سطحی برسد، انجام این فرایند جهت افزایش یافتن میزان مقاومت فلز به سایش و سختی سطح خارجی فولاد می باشد که توسط کربن صورت می گیرد.
که این فرایند به سه روش انجام می شود.

۱-کربن دهی جامد

۲-کربن دهی مایع

۳-کربن دهی گاز

۷-عملیات تنش زدایی فولاد

در عملیات تنش زدایی فولاد، همانطور که از نامشان پیداست، عوامل مختلف سبب می‌شوند تا تنش در قسمت های مختلف فلز به وجود بباید که این تنش های به وجود آمده سبب شوند تا در عملکرد و کارکرد فولاد اختلال به وجود بیاید عوامل مختلفی هستند که می‌توانند سبب ایجاد تنش در فولاد شوند، که از جمله این عوامل و موارد می‌توان به سرد شدن غیریکنواخت نقاط مختلف قطعه، ماشین‌کاری، کار سرد و جوشکاری اشاره کرد.
حال برای از بین بردن این تنش و از بین بردن اختلال پیش آمده عملیات تنش زدایی فولاد صورت می‌گیرد، برای انجام این فرایند قطعه فولاد را تا زیر دمای Ac1 حرارت می‌دهند.
در واقع در حین انجام این فرایند هرچه دمای مورد استفاده در تنش گیری بیشتر انتخاب شود، زمان کل عملیات کاهش پیدا می‌کند و زودتر انجام میشود، و البته این نکته لازم به ذکر است که، برای جلوگیری از وقوع تنش‌های جدید در قطعه، حرارت دادن و سرد کردن باید به صورت کاملا آهسته صورت گیرد.
مواردی که در پیش تر به آن پرداختیم فقط برخی از عملیات حرارتی است که در صنعت فولادسازی استفاده می‌شوند.
ترکیبات مختلفی از این عملیات می‌توانند برای بهبود ویژگی‌های مختلف فولاد‌ها استفاده شوند، بسته به نوع فولاد و نیازهای موردی می باشد.

مشخصه انواع فولاد عملیات حرارتی

فولاد ck35 : فولاد CK35 یک نوع فولاد کربنی با محتوای کربن متوسط است که برای عملیات حرارتی مناسب است.
این نوع فولاد معمولاً برای تولید قطعات ماشین‌آلات، قطعات پایدار و ابزارهای دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

فولاد ck45 : این فولاد قابلیت عملیات حرارتی متنوعی را داراست که شامل تمپر، آنیلینگ و هاردنینگ می‌شود.

فولاد ck60 : فولاد CK60 قابلیت عملیات حرارتی را داراست و با انجام عملیات حرارتی مناسب می‌توان به خواص مکانیکی آن افزود.

فولاد c45 : فولاد C45 یکی از فولاد‌های مهم و پرکاربرد در صنایع مختلف است که به دلیل ویژگی‌های فنی و مکانیکی مناسب خود، جایگاه ویژه‌ای در بازار فلزات دارد.

فولاد C55 : این فولاد قابلیت عملیات حرارتی مناسبی دارد، به‌طوری‌که می‌توان آن را به صورت معمولی حرارت‌دهی و سپس سرد کرد تا به خصوصیات مکانیکی بهتری برسد.

فولاد ۳۶crNiMo 4 : یکی از فولاد‌های مقاوم به حرارت و سختی بالا است که از خانواده فولاد‌های آلیاژی با ترکیب شیمیایی دقیقی تشکیل شده است.

فولاد ۳۰crNiMo 8 : فولاد ۳۰CrNiMo8 یکی از فولاد‌های مهندسی پیشرفته است که از جنس آلیاژی و در رده‌ی فولادهای عملیات حرارتی ساخته شده است.
این نوع فولاد به دلیل ترکیب مناسبی از عناصر مختلف، ویژگی‌های مناسبی از جمله مقاومت در برابر خستگی، مقاومت در برابر سایش، و مقاومت در برابر حرارت را ارائه می‌دهد.

فولاد ۳۴crNiMo 6 : فولاد ۳۴CrNiMo6 یکی از فولاد‌های پرکاربرد و مهم در صنایع مختلف است که به دلیل ویژگی‌های خاص خود، از جمله خواص حرارتی برجسته، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این فولاد از خانواده فولادهای آلیاژی محسوب می‌شود که با افزودن عناصری مانند کروم، نیکل، و مولیبدن تقویت شده است.

فولاد ۴۱Cr4 : یک نوع فولاد آلیاژی است که از جنس فولاد کربنی با افزودنی‌های آلیاژی است.
این نوع فولاد از اندازه‌گیری کربن حدود ۰.۴۰ درصد و حدود ۱.۰۰ درصد کروم تشکیل شده است، که نقش مهمی در ویژگی‌های آن ایفا می‌کند.

فولاد ۲۵CrMo4 : یکی از فولاد‌های آلیاژی با خصوصیات منحصر به فرد است.

فولاد ۳۴CrMo4 : یک فولاد آلیاژی با ترکیب شیمیایی متشکل از مقادیر مختلفی از کربن، کروم، مولیبدن و مس است.
این فولاد از جمله فولاد‌های مهم در صنایع مختلف از جمله خودروسازی، صنایع مکانیکی و ساختمانی استفاده می‌شود.

فولاد ۴۲CrMo4 : یک فولاد آلیاژی با خواص مکانیکی بالا است که برای کاربردهایی مانند تولید ابزارهای ماشین کاری، قطعات موتور، و قطعات ماشین‌آلات صنعتی استفاده می‌شود.

انواع گرید های فولاد عملیات حرارتی

در دنیای صنعت، فولادهای آلیاژی مختلفی با کاربردهای متنوع وجود دارند.
در این میان، برخی از این فولادها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردشان، از محبوبیت بیشتری برخوردارند.

در ادامه به معرفی مختصری از چند نمونه از این فولادها می‌ پردازیم:

۱. فولاد MO40:

• این فولاد جزو فولادهای آلیاژی عملیات حرارتی بوده و از چقرمگی، استحکام، مقاومت در برابر ضربه و خستگی بالایی برخوردار است.

• کاربردهای MO40 شامل: انواع قالب‌های پلاستیکی، قالب‌های فورج گرم و قالب‌های داغ مهر زنی، شاتون، میلنگ، شفت دنده، وسایل نقلیه (خودرو و هواپیما)، سازه‌ها و صنعت هوافضا.

۴. فولاد ۱.۶۵۸۰:

• این فولاد جزو فولادهای عملیات حرارتی کم آلیاژ بوده و از چقرمگی مطلوبی برخوردار است.

• قابلیت افزایش استحکام با عملیات حرارتی بدون افت استحکام خستگی را دارد.

• کاربردهای ۱.۶۵۸۰ شامل: اجزای تحت تنش بالا در خودرو و ماشین، شفت‌ها، محورها، میلنگ موتور، پیچ‌ ها و اجزای تحت حرارت در نیروگاه‌های صنعتی.

۵. فولاد ۱.۶۵۸۲:

• این فولاد کم آلیاژ و قابل عملیات حرارتی، به استحکام و سختی بالا معروف است.

• قابلیت افزایش استحکام با عملیات حرارتی بدون افت استحکام خستگی را دارد.

• کاربردهای ۱.۶۵۸۲ شامل: قطعات هواپیما، چرخ دنده‌ها و شفت، قطعات مهندسی عمومی، چرخ دنده‌های سخت شده، میله‌ها و پیچ‌های اتصال، لوله‌های تفنگ.

۶. فولاد ۱.۱۱۹۱:

• این فولاد جزو فولادهای کربن متوسط بوده و از قابلیت‌های جوشکاری، ماشینکاری، استحکام و مقاومت در برابر ضربه مطلوب در کنار سختی کم برخوردار است.

• کاربردهای ۱.۱۱۹۱ شامل: محورها، بولت‌ها، اتصالات، گیره‌‌های هیدرولیک، پین‌ها، رولها، میخ‌ها، شفت‌ها، دوک‌ها، سوکت‌ها، چرخ دنده‌های سبک.

۷. فولاد ۱.۱۲۰۳:

• این فولاد جزو فولادهای ساده کربنی بوده و خواص آن با عملیات حرارتی بهبود یافته و از ماشینکاری مناسبی برخوردار است.

• کاربردهای ۱.۱۲۰۳ شامل: فنرها، محصولات سخت شده سطحی (مانند شفت، بوش، میل لنگ)، اجزای سازه‌ای از فولاد با درجه خلوص بالا تحت بارگذاری در ماشین‌ها، خودرو و موتورها.

توجه: این لیست مختصری از فولادهای آلیاژی پرکاربرد بوده و فولادهای متنوع دیگری با کاربردهای خاص نیز در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.