المعالجة الحرارية للمعادن وانواعها المختلفة وتطبيقها
المعالجة الحرارية هي التسخين والتبريد المتحكم فيه للمعادن لتغيير خصائصها الفيزيائية والميكانيكية دون تغيير شكل المنتج . تتم المعالجة الحرارية في بعض الأحيان عن غير قصد بسبب عمليات التصنيع التي تسخن أو تبرد المعدن مثل اللحام أو التشكيل.
غالبًا ما ترتبط المعالجة الحرارية بزيادة قوة المواد ، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لتغيير بعض أهداف التصنيع مثل تحسين المعالجة وتحسين القابلية للتشكيل واستعادة الليونة بعد عملية التشغيل البارد . وبالتالي فهي عملية تصنيع تمكينية للغاية ، ولكن يمكنها أيضًا تحسين أداء المنتج عن طريق زيادة القوة أو الخصائص الأخرى المرغوبة.
الفولاذ من المواد المناسبة بشكل خاص للمعالجة الحرارية ، لأنه يستجيب بشكل جيد للمعالجة الحرارية والاستخدام التجاري للفولاذ يتجاوز استخدام أي مادة أخرى . تتم معالجة الفولاذ بالحرارة لأحد الأسباب التالية:
1.النعومة.
- الصلابة.
- تعديل جزيئات المادة.
تعتبر هذه التغيرات الثلاثة من أحد أهم الخصائص التى يتم تعديلها في المواد لجعلها أكثر مقاومة للصدأ وأكثر صلابة:
1-التليين او النعومة: يتم التليين لتقليل القوة أو الصلابة ، وإزالة الضغوط المتبقية ، وتحسين الصلابة ، واستعادة الليونة ، وتحسين حجم الحبوب أو تغيير الخصائص الكهرومغناطيسية.
تعد استعادة الليونة أو إزالة الضغوط المتبقية عملية ضرورية عندما يتم تنفيذ كمية كبيرة من العمل البارد ، كما هو الحال في عملية الدرفلة على البارد أو سحب الأسلاك .
2-الصلابة: يتم تقسية المعادن لزيادة القوة وخصائص التآكل . من المتطلبات الأساسية للتصلب ما يكفي من محتوى الكربون والسبائك. إذا كان هناك محتوى كربوني كافٍ ، فيمكن تقسية المعادن مباشرة. وإلا فإن سطح الجزء يجب أن يتم تخصيبه بالكربون باستخدام بعض تقنيات تصلب معالجة الانتشار.
3-تعديل المواد: تستخدم المعالجة الحرارية لتعديل خصائص المواد بالإضافة إلى الصلابة واللين. تعدل هذه العمليات سلوك المعادن بطريقة مفيدة لزيادة عمر المنتجات وتحسين خدمتها ، على سبيل المثال ، تخفيف الضغط ، أو خصائص القوة ، على سبيل المثال ، العلاج المبرد ، أو بعض الخصائص الأخرى المرغوبة.
كانت المعادن دائماً وأبداً هي نعمة الهندسة. وتعلم المهندسون بدورهم كيفية تحسين العديد من المعادن وتكييف خواصها وفقًا للمهمات المطلوبة . فيما يلي بعض عمليات المعالجة الحرارية التي يعتمد عليها عمال المعادن للتأكد من أن المعادن التي يتحولون إليها لها الخصائص التي يحتاجها العملاء.
التلدين:تسخين وتبريد المعدن ببطء لإزالة الإجهاد ، أو جعل المعدن أكثر نعومة ، أو تحسين الهيكل ، أو تغيير ليونته.
الكربنة:إضافة الكربون إلى سطح السبائك الحديدية عن طريق تسخين المعدن إلى ما دون نقطة انصهاره (عادة 1560 و 1740 درجة فهرنهايت) ووضعه على اتصال مع المواد الصلبة السائلة أو الغازية أو الغازات الغنية بالكربون . هذا يزيد من قوة المعدن ويجعل السطح أكثر صلابة وأكثر مقاومة للتآكل ، ولكنه يقلل أيضًا من قوته. عادة ما يتم الكربنة على الأجزاء التي تم تشكيلها بالفعل.
الصلابة:يؤدي هذا إلى تقسية سطح سبائك الحديد عن طريق كربته أولاً ثم تبريده لإصلاح العملية ، بحيث يكون المركز ناعمًا نسبيًا. وبالتالي ، يتكون الجزء من حالة صلبة حول قلب ناعم.
تصلب السيانيد:هذا متغير في حالة تصلب الغلاف الذي يجعل السطح المعدني على اتصال بملح السيانيد المنصهر . ثم يتم إخماد الجزء.
نزع الكربنة:وهذا ينطوي على إزالة الكربون من سطح الفولاذ ، إما عن طريق تطبيق الحرارة أو من خلال عملية الشيخوخة الطبيعية للأكسدة.
تصلب: يتم إعادة تسخين المعدن بعد التصلب ، ثم يتم الاحتفاظ به عند درجة حرارة معينة ، ثم يطفأ أخيرًا. هذه العملية تقلل من الصلابة وتزيد من الصلادة.
عملية النيترة:هذه عملية تصلب يتم من خلالها إضافة النيتروجين إلى سطح المعدن من خلال ملامسة غاز الأمونيا. وتنتج تصلب دون تبريد.
تصلب الترسيب:هذه عملية تصلب (تُعرف أيضًا باسم تصلب السن) حيث يتم الاحتفاظ ببعض المعادن في درجات حرارة مرتفعة دون تبريد. تزيد العملية من قوة الخضوع للمواد القابلة للطرق ، بما في ذلك معظم السبائك الهيكلية من الألومنيوم والمغنيسيوم والنيكل والتيتانيوم وبعض الفولاذ المقاوم للصدأ. في السبائك الفائقة ، يمكن أن تحسن قوة درجة الحرارة العالية.
التبريد:يتم تبريد المعدن بسرعة عن طريق غمرها في الزيت أو الماء ، وإصلاح هيكله في حالة صلبة.
كربدة كروية: يصف هذا أي عملية تسخين وتبريد للصلب بغرض زيادة كمية الكربيد المستدير أو الكروي في المعدن. يلين الفولاذ ويحسن ليونته.
العمل البارد:على الرغم من أنها ليست عملية معالجة حرارية ، إلا أنها تُستخدم لتغيير خصائص المعدن . يتم تحقيق ذلك عن طريق تشويه المعادن في درجة حرارة الغرفة دون كسره. هذا يغير شكله ، مما يمنح المعدن قوة شد أفضل وآلية أفضل.
ما هو الغرض من المعالجة الحرارية وأهميتها؟
المعالجة الحرارية هي عملية أو أكثر من عمليات التسخين (التلدين) والتبريد المطبقة لإعطاء خصائص معينة للمعادن والسبائك الصلبة وفقًا لتركيبها الكيميائي. أغراض المعالجات الحرارية المطبقة على الفولاذ هي كما يلي:
- تغيير حالة توازن الكربون الحديدي .
- إزالة التوترات الداخلية الناتجة عن عدم انتظام هيكلها .
- جعل عملية إزالة الرقائق أسهل .
- إزالة العيوب الهيكلية والتوترات الناتجة عن التشكيل البارد والساخن .
- زيادة صلابته وقوته .
- تليين المواد الصلبة .
- زيادة المقاومة للمواد الكيميائية والعوامل الخارجية الأخرى.
- زيادة المقاومة ضد الصدمات والاهتزازات المفاجئة .
- التوصيل الكهربائي وتغيير الخصائص المغناطيسية .
- تغيير التركيب الكيميائي .
- إزالة الغازات غير المرغوب فيها .
- زيادة المقاومة للحرارة والتآكل .
- تغيير هيكل الشبكة البلورية.
يتم تطبيق معالجات حرارية مختلفة لكل غرض مذكور أعلاه. يتم تطبيق عوامل مثل البيئة المناسبة و اعدادات درجة الحرارة وضبط الوقت ونوع التبريد ومدته بشكل مختلف لكل غرض.
كيف يتم تقسية الفولاذ؟
يجب أن يكون للفولاذ المتصلب أعلى صلابة ممكنة ومقاومة للتآكل. وفي الوقت نفسه ، تضيع قدراتها على التشوه البارد وتنخفض ليونة كثيرًا. من أجل حدوث ذلك ، إذا تم تلدين الفولاذ إلى درجات حرارة محددة مسبقًا ثم تبريده ، فإن هياكله الداخلية سيكون لها هيكل يجعل من الصعب على التحولات البلورية. تجلب مقاومة الهياكل البلورية ضد القص معها بنية تسمى الصلابة. بطريقة تصلب. يتم ذلك عن طريق تلدين الفولاذ إلى درجات حرارة تصلب محددة مسبقًا ، ثم تبريدها وأخيراً جعل الهيكل الصلب مطيًا عند المستوى المطلوب. لذلك تتكون عملية التصلب من ثلاث مراحل:
- التلدين
- تبريد
- تخفيف التوترات
من أجل إجراء هذه العمليات الثلاث بنجاح ، يجب استيفاء بعض الشروط. هذه هي على النحو التالي ؛
– إذا تم تطبيق عملية التصلب على الفولاذ ذي الهيكل غير المنتظم والتوتر الداخلي ، تحدث تشققات وتشققات في المواد. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل عملية تصلب جيدة ، يجب أن يكون للمادة بنية دقيقة الحبيبات. لأن خصائص هشاشة المواد الحبيبية الخشنة تزداد كثيرًا بعد عملية التصلب. لذلك ، قبل عملية التصلب ، يجب فحص النسيج الهيكلي للفولاذ وإزالة المخالفات وأحجام الحبوب.
– يجب تسخين الفولاذ بشكل متجانس. خلاف ذلك ، لن تتصلب جميع أجزاء المادة بنفس القيمة. من المفيد استخدام فرن مؤقت للتدفئة المتجانسة.
– قبل البدء في عملية التصلب ، يجب تنظيف المواد الغريبة مثل الزيت والأوساخ والأكسيد التي قد تكون على المادة. لأنه أثناء التصلب ، تظل الأجزاء التي تحتوي على هذه المواد أكثر ليونة من الأجزاء الأخرى من المادة ، مما يؤدي إلى تصلب غير منتظم.
– من المناسب تغطية الثقوب والقنوات والخيوط اللولبية والأركان الحادة على الجزء الفولاذي بالطين أو غبار الفحم المصنوع من أرض النار لمنع تشوهها بالحرارة.
بعد تحضير الجزء الفولاذي وفقًا لهذه الشروط ، فإنه يخضع لعملية تصلب عند درجات حرارة في المنطقة تسمى G-S-K ، والتي نراها أدناه ، وفقًا لكمية الكربون التي يحتوي عليها.
وفقًا لنسبة الكربون في مادة الفولاذ ، تتم عملية التصلب عن طريق تسخين منحنى GSK في منطقة درجة الحرارة فوق 20-50 درجة مئوية. يتم تبريد هيكل الأوستينيت بسرعة بحيث لا يكون لديه وقت للتلف ، و يتم تقسية الفولاذ.
نظرًا لأن التبريد سيكون أسرع في سبائك الفولاذ ، فإن السطح الخارجي للمادة والجزء الداخلي من المادة يجدون الفرصة للتصلب بنفس المعدل. من ناحية أخرى ، في الفولاذ الكربوني العادي ، يكتسب السطح الخارجي للمادة صلابة أكثر من الأجزاء الداخلية ، حيث يحدث التبريد بشكل أسرع.
تعتبر طريقة التبريد المستخدمة في عملية تصلب الفولاذ من أهم العوامل التي تؤثر على قيمة الصلابة. يمكننا شرح هذه الطرق على النحو التالي :
تصلب الفولاذ بالماء:
الماء هو المادة الأكثر استخدامًا في عمليات التصلب ، حيث إنه السائل الأرخص والأوفر المتاح الذي يبرد الفولاذ بشكل أسرع. خزان مياه يتكون من ماء الصنبور كافٍ لهذه الوظيفة. من المعروف أن درجة حرارة الماء عادة 20 درجة مئوية. ومع ذلك ، أثناء تبريد القطع الكبيرة ، من المفيد تقليل درجة حرارة الماء بحوالي 10 درجات مئوية بمساعدة عوامات الجليد أو نظام تدوير المياه.
يتم إدخال القطعة الفولاذية ، التي يتم تسخينها إلى منطقة درجة الحرارة المسماة الأوستينيت (فوق منحنى GSK) ، على الفور في خزان المياه بحيث يتم غمرها بالكامل. من أجل الاستفادة بشكل أكبر من الأجزاء الباردة من الماء ، يتم نقل القطعة الفولاذية في خزان المياه عن طريق رسم ثمانية خطوط ويتم إجراء عملية التصلب.
أثناء عملية الغمر في الماء ، من الضروري الانتباه إلى ما يلي:
- يجب غمر المحور الطويل للمادة بشكل عمودي على السائل.
- إذا كان هناك ثقب أعمى على المادة ، فيجب غمر الفتحة في السائل بحيث تكون الفتحة متجهة للخارج حتى لا تبقى فقاعات هواء بالداخل.
- يجب غمس الجانب السميك أولاً.
- يجب غمر الأجزاء ذات الأسطح الكبيرة في الماء من جوانبها الضيقة.
- يجب سحب بعض الأجزاء ثمانية أجزاء ويجب غمر بعض الأجزاء في الماء عن طريق تحريكها لأعلى ولأسفل.
- لا ينبغي أبدًا ترك جزء من قطعة العمل.
لمشاهدة مقال سابق عن لماذا تعتبر سلامة التصنيع مهمة جدا انقر الرابط التالي :
http://https://youtu.be/tZZEXwwJS6w
ولمعرفة المزيد عن شركة كيوبي يمكنك متابعة هذا الفيديو لمعرفة مدى جودة منتجاتنا ودقتها في الصناعة وأيضاً نقوم بعمل معالجات حرارية للمعادن يمكنكم ايضاً الاستزادة عن طريق الويب سايت