کوئنچینگ – تمپر کردن فولاد و آلومینیوم

کوئنچینگ فولاد – روشی قدیمی در صنعت فلزات

کوئنچینگ فولاد؛ روشی پرکاربرد تغییر شکل فولاد. یکی از اصلی ترین نکته ها در تشکیل اشکال مختلف فلزات، روش تغییر فاز آنهاست. برای اینکه بخواهیم به ورقه فلزی شکل بدهیم، باید به آن حرارت بدهیم. با اینکار شما فلزات را آماده تغییر شکل می کنید. اما آیا داستان همینجا خاتمه می یابد؟ برای حفظ بهتر شکل ایجاد شده بعد از نرم کردن فلزات با حرارت، نحوه سرد کردن آنهاست که اهمیت دارد. در ادامه این محتوا با ما همراه باشید تا یکی از قدیمی ترین روش های شکل دهی به فولاد، کوئنچینگ فولاد را به شما معرفی می کنیم. علاوه بر این به بررسی انواع و مراحل کوئنچینگ فولاد نیز می پردازیم.

منظور از کوئنچینگ چیست؟

کوئنچینگ (Quenching) به فرایندی گفته می شود که طی آن فلز سرد می شود و حرارت خود را از دست می دهد. در لغت نامه انگلیسی، کوئنچینگ به معنای خاموش کردن است. در کوئنچینگ فلزاتی نظیر فولاد، پس حرارت دادن به فلز و انجام عملیات شکل دهی، با غوطه ور کردن فلزات در سیالاتی نظیر روغن، آب و یا حمام نمک (آب شور) آنها را به مرحله ای پایدار می رساند که با رعایت اصول درست کوئنچینگ می توان فلزی با قدرت و چگالی بالا بدست آورد. در بحث کوئنچینگ فولاد یک سری از پارامترها تاثیرگذار هستند. از مهم ترین این موارد می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ضخامت و ابعاد فولاد بکار برده شده
• آلیاژ نهایی مدنظر
• سیال مورد استفاده نظیر روغن، آب و …
• زمان موردنیاز برای فرایند کوئنچینگ

درنظر گرفتن این موارد قبل از شروع حرارت دهی و سپس کوئنچینگ، به شما کمک می کند تا پس از انجام مراحل کوئنچینگ فولاد، آلیاژ فلزی با کمترین درصد خطا و بیشتری میزان مقاومت و چگالی داشته باشید. از بین موارد نام برده شده، ضخامت و ابعاد فولاد از اهمیت بیشتری برخوردار است. زیرا این پارامتر تعیین کننده مدت زمان و مقدار سیالی است که برای کوئنچینگ فولاد استفاده می شود.

کوئنچینگ آلومینیوم – عملیات حرارتی آلومینیوم

عملیات حرارتی کونچ کردن (Quenching) یا سرد کردن سریع آلومینیوم یک فرآیند حرارتی است که برای بهبود ویژگی‌های مکانیکی و سختی آلومینیوم استفاده می‌شود. این فرآیند معمولاً پس از یک فرآیند حرارتی دیگر مانند حرارت دهی (Annealing) یا حرارت‌دهی مجدد (Tempering) انجام می‌شود.

در این فرآیند، آلومینیوم یک زمان معین در دمای بالا (معمولاً در حدود ۴۰۰-۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد تا به حالتی که تمام ذرات آن همگن شود (solutionizing)، برسد. سپس به سرعت و در یک محیط خنک و در دمای پایین (معمولاً در زیر دمای اتاق، حدود ۲۰-۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. این سرعت خنک شدن بسیار سریع است که به آلومینیوم اجازه می‌دهد تا به حالتی سخت (Quenched) تبدیل شود. این فرآیند معمولاً در تولید قطعاتی با شکل‌ها و جزئیاتی خاص، به ویژه در صنایع خودروسازی، صنایع هواپیما سازی، صنایع دریایی و صنایع الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزایای کونچ کردن آلومینیوم

مزایای کونچ کردن آلومینیوم شامل موارد زیر می‌شود:

1. افزایش سختی: آلومینیوم پس از سرد کردن سریع ممکن است سختی بالاتری نسبت به قبل از فرآیند داشته باشد.
2. بهبود ویژگی‌های مکانیکی: این فرآیند می‌تواند مقاومت آلومینیوم در برابر فشار و کشش را افزایش دهد.
3. کنترل ابعاد و شکل: سرد کردن سریع می‌تواند بهبودی در دقت ابعادی و شکل قطعات آلومینیوم به وجود آورد.
4. کنترل ترک‌زنی: با اعمال سرعت خنک شدن سریع، احتمال تشکیل ترک و کرنش در آلومینیوم کاهش می‌یابد.

مراحل کوئنچ کردن فولاد

در ابتدا به فولاد بالاتر از دمای تبلور و پایین تر از دمای ذوب حرارت داده می شود. به صورت متوسط مقداری حدود 800 تا 900 درجه سلسیوس به فولاد برای رسیدن به دمای موردنیاز، گرما داده می شود. پس از ایجاد تغییرات موردنظر بر روی فولاد، مرحله کوئنچینگ فولاد آغاز می شود. طی مرحله کوئنچینگ خنک سازی فولاد به خوبی انجام می شود. درنظر داشته باشید که این خنک سازی در صورتی باعث افزایش قدرت و استحکام می شود که به صورت یک دست و کامل فولاد موردنظر در سیال فرو رود. در ادامه به صورت جز به جز به بررسی مراحل و نکات موردنظر در هر مرحله از کوئنچینگ فولاد می پردازیم.

حرارت دهی کامل قطعه فلزی

در ابتدا باید قطعه فولادی را به صورت یکدست حرارت دهید. درنظر داشته باشید که این حرارت دادن زمانی می تواند به صورت خوبی تاثیر بگذارد که حرارت یکسان به صورت مساوی بر بخش های مختلف فولاد پخش شود. رعایت نکته باعث می شود تا بعد از مرحله کوئنچ کردن قطعه فولادی، ساختار شیمیایی آن به صورت یکدست حفظ شود. میزان حرارت متوسطی که باید به فولاد داده شود تا فرایند موردنیاز آغاز شود، حدود 850 درجه سلسیوس می باشد.

انتخاب سیال مناسب برای کوئنچینگ

از شایع ترین سیالاتی که در این فرایند استفاده می شود، می توان به روغن یا آب اشاره کرد. جالب است بدانید که سرد کردن فلزات توسط هرکدام از این سیالاتی مزیت ها و معایب خود را دارد. مثلا اگر فولاد داغ با آب سرد شود، سختی بهتری نسبت به حالتی که با روغن سرد شود، پیدا می کند. اما استفاده از آب باعث می شود تا در نهایت در قسمت های فولاد سرد شده، شاهد ترک های ریزی باشیم.

این درحالی است که اگرچه استفاده از روغن از ایجاد ترک جلوگیری می کند اما باعث ایجاد لایه رسوبی بر روی تنه فولاد می شود. این لایه رسوبی از سرد شدن سریع فلزات جلوگیری می کند و همین موضوع کیفیت فلز نهایی را کاهش می دهد. در بین سیالاتی که در صنعت استفاده می شود، آب نسبت به روغن، علی رغم نکات توضیح داده شده، ارجحیت داده می شود.

فرو بردن قطعه فولاد در سیال؛ شروع کوئنچینگ

در شروع مرحله کوئنچینگ باید تا مرحله یوتکتوئید فولاد حرارت دیده را در سیال قرار داد. منظور از نقطه یا مرحله یوتکتویید زمانی است که فاز جامد حرارت داده (فولاد) را سرد کنید وارد دو فاز جامد جدید می شود. در مرحله کوئنچینگ سرد کردن، با غوطه ورکردن فولاد در سیال انجام می شود. هنگامی که سرد کردن فولاد به سرعت انجام می شود، فلز وارد فاز مارتنزیتی می شود. فاز مارتنزیتی به فاز کریستالی گفته می شود که در اثر سرد کردن سریع فولاد حرارت دیده ایجاد می شود. در این فاز، میزان درصد کربن در ترکیب فولاد افزایش می یابد و همین موضوع باعث افزایش مقاوت ساختاری کریستالی فولاد می شود.

مرحله پایانی؛ تمپرینگ

هنگامی که فولاد به سرعت تحت فرایند کوئنچینگ سرد می شود، بسیار شکننده می شود. فولاد در این حالت به حدی ترد و ناپایدار می شود که با کوچک ترین ضربه چکش نیز می شکند. برای بهبود این شرایط، مرحله تمپرینگ بعد از کوئنچینگ آغاز می شود. فلز موردنظر را در فضایی با درجه حرارت نه چندان بالا قرار می دهند و فلز برای مدتی در آن شرایط باقی می ماند. مهم ترین معایب این مرحله، کاهش سختی فولاد است. علی رغم کاهش سختی، میزان مقاومت فلز افزایش می یابد و ساختار شیمیایی آن پایدارتر می شود.

مهم ترین نکته در هنگام کوئنچینگ فولاد

اولین نکته این است که کل فولاد را به صورت یکدست در سیال قرار دهید. کوئنچینگ فولاد در هر حالتی تاثیرگذار است؛ اما اگر سطح فولاد کامل و یکدست سرد نشود، در نهایت کیفیت فولاد در تمام سطح آن یکسان نخواهد بود و درصد خطا چندین برابر بیشتر می شود. عدم سرد کردن یکدست فولاد باعث ایجاد اختلال در ساختار شیمیایی آن می شود و طول عمر فولاد موردنظر را تا حد زیادی کاهش می دهد.

انواع کوئنچینگ فولاد

تفاوت انواع کوئنچینگ، بسته به سیالی است که در آن استفاده می شود. هر سیالی که در این مرحله استفاده ویژگی های منحصربفرد خود را دارد. مواردی که در تعیین نوع سیال تاثیرگذار است، شامل هزینه تعمین، نگرانی های زیست محیطی، سرعت انجام فرایند و مزایا و معایب استفاده از هرکدام از سیال ها می باشد. در ادامه به بررسی انواع سیالاتی که در فرایند کوئنچینگ فولاد استفاده می شود، می پردازیم:

هوا

یکی از سیالات محبوب در زمینه کوئنچینگ، هوا است. به دلیل مزایایی نظیر دسترسی راحت و مقرون بصرفه بودن، هوا یکی از محبوب ترین گزیه هاست. در این حالت فلزات حرارت دیده را در محیط اتاقی با دمایی پایین قرار می دهند تا تنها با استفاده از هوا، حرارت آن در بازه زمانی کاهش یابد. در این حالت در اتاق میزان فشار هوا افزایش می یابد، تا ارتباط و برخورد فلزات با ذرات سرد هوا برخورد بیشتر و سریع تری داشته باشد.

مهم ترین عیب استفاده از این روش برای کاهش حرارت فولاد، افزایش بازه زمانی برای سرد کردن فلزات است. همین موضوع می تواند باعث تغییر خواص مکانیکی و کاهش کیفیت فولاد سرده شده در مقایسه با دیگران سیالات، می شود.

روغن

استفاده از روغن در مقایسه با هوا، مدت زمان بسیار کمتری را برای کوئنچینگ فولاد نیاز خواهد داشت. برای اینکار مخزنی از روغن موردنظر را تهیه می کنند و فلز حرارت دیده را جهت سرد شدن در آن قرار می دهند. البته نوع روغن بکاررفته جهت کوئنچینگ متفاوت خواهد بود؛ زیرا میزان اشتعال و نرخ خنک کنندگی هر کدام از روغن ها متفاوت خواهد بود.

آب

استفاده از آب، نسبت به دو روش قبلی، سرعت سرد شدن فولاد را چندین برابر می کند. علاوه بر این، دغدغه انتخاب نوع موردنظر، مانند نوع روغن را ندارد. علاوه بر این، امنیت استفاده از آب از نظر غیرقابل اشتعال بودن، برخلاف روغن، در حین سرد سازی فولاد حرارت دیده خیال افراد را راحت کرده است. تنها گزینه ای که امروزه باعث نگرانی افراد شده است، کاهش منابع آبی کره زمین است.

حمام نمک

منظور از حمام آب و نمک، مخزنی از ترکیب آب و نمک است. حمام نمک به عنوان سریع ترین روش در سرد کردن فولاد شناخته می شود. دلیل اصلی این موضوع این است که این سیال از برخورد حباب های هوا با فلزات جلوگیری می کند؛ همین موضوع سرعت خنک سازی فولاد را چندین برابر بیشتر می کند. در این حالت سطح بیشتری از فلزات با مایعات پوشانده می شوند بجای هوا.

کوئنچینگ قالب فولادی اکستروژن آلومینیوم

کوئنچ کردن قالب های فولادی یک روش معمول در صنعت تولید است، به ویژه در فرآیندهایی مانند قالب گیری تزریقی، اکستروژن(اکستروژن آلومینیوم) یا ریخته گری. کوئنچ یک فرآیند عملیات حرارتی است که در آن یک ماده، در این مورد، قالب‌های فولادی، به سرعت از دمای بالا سرد می‌شود تا ویژگی مورد نظر و خاصی که مد نظر است، به دست آید.

کلام آخر

در این محتوا ما سعی کردیم تا کوئنچینگ فولاد را به صورت کامل به شما توضیح دهیم و اطلاعات مورنیاز برای آشنایی با فرایند خنک سازی و آماده کردن فولاد برای استفاده در صنعت را در اختیارتان قرار دهیم. روش کوئنچینگ فلزاتی مانند فولاد به حدی قابل اطمینان است و دست افراد در صنعت را باز گذاشته است که بیش از 2500 سال است که در جهان مورد استفاده قرار می گیرد.

علی رغم تمام مزایا و معایب سیالات بکاررفته در این روش، آب و نمک به عنوان اصلی ترین جز کوئنچینگ شناخته می شود. بیش از 95 درصد فلزاتی که امروزه در صنعت جهان مورد استفاده قرار می گیرند را می توان با استفاده از این روش، خنک سازی کرد.