معرفة

المعالجة الحرارية خطوة أساسية لضمان الخواص الميكانيكية لقطع الفولاذ المصبوب. من خلال التشكيل والصب والرج والتنظيف، يأخذ الصب شكله النهائي، ولكنه قد لا يكون قويًا أو مرنًا بما يكفي للاستخدام النهائي. بتسخين وتبريد المعدن بمعدلات مختلفة، يمكن للمسابك تغيير خصائصه الميكانيكية. ولكن كيف يُغير تطبيق الحرارة قوة المعدن أو مرونته؟ ​​​​​​​

التبلور وخصائص المعادن

عندما يبرد المعدن المنصهر، يتصلب متحولاً إلى بنية بلورية. تحت المجهر، تشبه هذه الهياكل أنماط الصقيع التي تتشكل على الزجاج في الشتاء. ينمو كل هيكل من نقطة مركزية حتى يلتقي ببنية بلورية أخرى. تُشكل هذه الهياكل "حبيبات" المعدن.

كما تُنتج ظروف الشتاء المختلفة أنماطًا متباينة من الصقيع، فإن اختلاف درجات الحرارة يُغير أيضًا البلورات المتكونة عند تصنيع المعادن. عادةً ما تكون الحبيبات الناتجة غير مرئية، لكنها تصبح ظاهرة عند نقش المعدن بالحامض.

يُحدد شكل حبيبات السبيكة وعلاقة هذه الحبيبات ببعضها البعض خصائصها الميكانيكية. عند ضرب المعدن، قد تنزلق الحبيبات المستديرة فوق بعضها، مسببةً انبعاجًا بدلًا من أن تبقى ثابتة أو تنكسر. أما الحبيبات المسطحة، فتتراص كالطوب في جدار، وتدعم بعضها البعض؛ فهي أقوى من الحبيبات المستديرة، لكنها تسمح ببعض الحركة. أما الحبيبات المسننة والمتشابكة، فقد لا تُعطي أي مرونة تُذكر. يمكن للمعالجة الحرارية للمعادن أن تُعيد تشكيل تبلورها، مما يُغير حبيباتها، وبالتالي خصائص المعدن.

المعادن المقواة بالعمل

صورة الحداد وهو يُطرق صفيحة معدنية متوهجة في فرنه، وإن لم تعد شائعة، إلا أنها تُعرف فورًا. مع ذلك، على مر التاريخ البشري، كان الحدادون يُشَكِّلون المعادن ميكانيكيًا لتقويتها. أما اليوم، فلم يعد الحدادون يُشكِّلون الفولاذ يدويًا، بل غالبًا ما يُدرَجونه لتصلبه ميكانيكيًا.

يوضح رسم توضيحي لبنية الحبيبات تأثير التصلب بالشغل. تتشوه الجسيمات المستديرة داخل المعدن، وتمنحه أشكالها الجديدة قوة. على سبيل المثال، في الدرفلة على البارد، تُضغط الحبيبات المستديرة وتُمد، فتصبح أشبه بالقضبان. تدعم هذه القضبان بعضها البعض، كحزمة من العصي. يستطيع الحداد أو عامل المعادن طرق، ولفّ، وتسخين، وتبريد، وتمديد جسم ما لتغيير شكل الحبيبات. إذا لم تجد الحبيبات مكانًا لها عند ضربها، فإنها تُشكل مصفوفة غير مرنة ثابتة، مما يزيد من صلابة المعدن.

ومع ذلك، قد يكون لهذه الصلابة ثمن: فالقوة قد تجعل المادة هشة. فالحبيبات غير المنتظمة الشكل لا تنزلق بسهولة، بل تلتصق ببعضها. وأي تأثير قوي - أكبر من قوة الروابط بين الحبيبات - سيفصلها.

المعادن المعالجة حرارياً

بدأت مصانع الصب في إنتاج الخواص الميكانيكية المطلوبة للصلب باختيار سبيكة معروفة بإنتاجها. ومع ذلك، مع تبريد المسبوكات، أصبح التحكم في تبلور هذا المعدن شبه مستحيل. ولأن التبلور يؤثر على الخواص الميكانيكية للمعدن، فقد لا تعمل السبيكة على النحو الأمثل إلا بعد معالجتها بشكل إضافي. ويمكن لمصانع الصب تحقيق ذلك بتسخين وتبريد المعدن بشكل منتظم ومنضبط.

المعالجة الحرارية طريقة غير مُدمرة لتغيير خصائص المواد. قد تكون أحيانًا عملية ثانوية للمعادن المُصلدة، لكنها الطريقة المُفضلة للمسابك لأن المسبوكات تكون مُصممة بشكل صحيح ولا يُمكن تشغيلها آليًا.

يبدأ التبلور غالبًا من السطح الخارجي ويتجه نحو الداخل، وخصوصًا في المسبوكات الكبيرة، يكون هناك فرق كبير في درجة الحرارة بين الغلاف الخارجي ومركز المسبوكة. تنمو البلورات بشكل غير منتظم، وعادةً ما تكون أكثر حدة وأقل ليونة قرب السطح. كما تكون أكثر استدارة، وبالتالي تصبح أكثر ليونة كلما تعمقت في الداخل. يمكن أن يؤثر شكل المسبوكة والعيوب أو الشوائب في المعدن على معدل التبريد، مما يؤدي إلى اختلاف في الخصائص الميكانيكية في مناطق مختلفة من المعدن. يمكن أن تسبب هذه الاختلافات إجهادًا داخليًا للمعدن، مما يؤدي إلى إجهاد المعدن أو تلفه. تسمح المعالجة الحرارية للمسابك بالعودة إلى المعدن وإعادة ترتيب البلورات التي يتكون منها.

النقع هو عملية رفع المسبوكات إلى ما فوق نقطة إعادة التبلور. تسمح "درجة الحرارة" المحددة للنقع في المعالجة الحرارية للبلورات في المعدن بالذوبان وإعادة تنظيمها. يمكن لمراجعة دورة طور الحديد-الكربون أن تساعد المسابك على فهم المدة اللازمة للحفاظ على المسبوكات عند درجة حرارة معينة للسماح بانتشار الكربون بشكل محدد.

في معظم (وليس كل) مراحل دورة الحديد-الكربون، يُقلل نقع المعادن المصبوبة أو المُعالجة من صلابتها وهشاشتها. ومع نمو جسيمات المعدن بانتظام، تصبح أكثر استدارة، ويمكنها إعادة ترتيب نفسها عند الاصطدام بالانزلاق فوق بعضها البعض. بالإضافة إلى ذلك، ولأن المادة تصل دائمًا إلى نفس درجة الحرارة، تكون البلورات عادةً أكثر تجانسًا من تلك الموجودة في القطع المصبوبة حديثًا.

الصلب

تبدأ عملية التلدين بالنقع، ثم تستمر بتبريد الفولاذ ببطء شديد في الفرن. يُطفئ المسبك الفرن ويسمح بانخفاض درجة الحرارة تدريجيًا وبطريقة مُتحكم بها. أثناء التسخين والتبريد، يتمتع الجسم بأكمله بتماسك حراري، مما يعني انخفاضًا طفيفًا في الإجهاد الداخلي: فلا توجد "مناطق" معدنية ذات خصائص بلورية مختلفة. تتميز المعادن المُلدَّنة عادةً بليونة عالية جدًا، مع زيادة في ليونتها وقوة شدها واستطالتها. ونظرًا لمنحنى التبريد البطيء جدًا، يكون حجم حبيبات المعادن المُلدَّنة كبيرًا جدًا.

تطبيع

تتضمن عملية تطبيع المعدن تسخينه إلى درجة حرارة إعادة التبلور، ثم إخراجه من الفرن وتبريده في الغلاف الجوي. تتوافر العديد من خصائص المعدن المُلدَّن أيضًا في المعدن المُطَبَّع، ولكن نظرًا لعدم تجانس التبريد، غالبًا ما تكون حبيباته أقل انتظامًا. ومع ذلك، يكون فرق درجة الحرارة أصغر بكثير منه في المعدن المُبرَّد، مما يعني أن المنتجات المُوحَّدة أقل هشاشة.

إن معدل التبريد الموجود في التطبيع ينتج حبيبات أصغر في المعدن مقارنة بالتلدين، مما يعني أنه عادة ما يكون أقوى أو أصلب من المعدن الملدن.

التبريد

ماذا لو تطلب الأمر صلابة عالية جدًا؟ في تصنيع الأدوات وقطع الآلات، قد يُؤدي تليين المعدن إلى إحباط الغرض.

يمكن للمعالجة الحرارية أن تتيح الحصول على صلابة محددة ومتسقة. لجعل الفولاذ صلبًا، تغمر المسابك الفولاذ حتى يصبح الأوستينيت الجزيء السائد، ثم تُخمد في الزيت البارد أو الهواء القسري. عندما يتعرض الأوستينيت لصدمة باردة، فإنه يتشكل منه بنية بلورية غير منتظمة تُسمى المارتنسيت. ونتيجة لتشوه الكربون في كل جزيء مارتنسيت، تصبح هذه المادة أكثر صلابة.

بما أن عملية التبريد تحدث من الخارج إلى الداخل، فإن الأجسام الكبيرة تتعرض لضغط التبلور السريع، مما قد يُسبب إجهادًا داخليًا في المعدن. إذا كان التبريد شديدًا جدًا، فقد تُسبب هذه القوى أحيانًا تشققات. لهذا السبب، لا يُعد التبريد بالماء شائعًا للأجسام الفولاذية الكبيرة، إذ يُسبب انخفاضًا سريعًا في درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تكوّن الشقوق. أما الزيت والهواء فيبردان بشكل أقل حدة.

ومع ذلك، فإن التبريد بالماء لا يقتصر على تصلب الفولاذ فحسب، بل يُستخدم التبريد بالماء في المسابك. قد لا تتحمل المعادن غير الفولاذية نفس الضغط الداخلي نظرًا لاختلاف أطوارها وبنيتها الجزيئية. يمكن تبريد المنغنيز بالماء عند درجة حرارة أعلى بكثير من الفولاذ دون تشقق. ومع ذلك، فإن فرق درجة الحرارة كبير جدًا لدرجة أن أي تبريد سيتحمل كمية كبيرة من الطاقة التي قد تؤدي إلى حدوث خلل! يظهر أدناه انفجار أثناء عملية تبريد صب فولاذ منغنيز ناتج عن نواة رملية متبقية.

تهوية

يمكن أيضًا تحقيق التوازن الأمثل بين الصلابة والليونة من خلال عملية تُسمى التلدين. تُجرى عملية التلدين عادةً على الفولاذ المُخمّد لتقليل هشاشته مع الحفاظ على بعض صلابته. في عملية التلدين، يُعاد تسخين المعدن، ولكن بدرجة حرارة أقل من تلك المستخدمة في التلدين أو التطبيع أو التبريد.

المارتنسيت ليس بنية جزيئية مستقرة في درجات الحرارة العالية-يتشكل تحت الصدمة-لذا، فإن تقسية الفولاذ تعني جعل المارتنسيت غير مستقر، مما يؤدي إلى تحوله إلى سمنتيت وفرايت. يؤثر نطاق درجة الحرارة ومدتها في فرن التقسية على مدى تحول المارتنسيت، وبالتالي على ليونة المعدن. على سبيل المثال، يمكن تقسية النوابض المعدنية عند درجة حرارة أعلى لزيادة مرونتها، مقارنةً بالأدوات التي تُقسية عند درجة حرارة أقل للحفاظ على صلابتها.

يُستخدم التلطيف عادةً لتخفيف الضغوط الداخلية في المواد المُخمَّدة. يمكن تلطيف المعدن الذي خضع لضغوط حرارية أخرى، مثل اللحام أو التشكيل، للسماح لجزيئاته الداخلية بالاسترخاء قليلاً.

اختلافات المعالجة الحرارية

في المسابك، عادةً ما تخضع المسبوكات لمعالجة حرارية منتظمة. ومع ذلك، قد تخضع القطع أحيانًا لمعالجة حرارية غير منتظمة. عادةً ما تخضع سيوف الفولاذ المُقسّى لدرجات متفاوتة من المعالجة الحرارية لجعل النصل صلبًا مع الحفاظ على مرونة القلب. كما تخضع النوابض أحيانًا لمعالجات حرارية مختلفة لتناسب وظائفها.

قوةلديه أكثر من 18 عامًا من الخبرة في المعالجة الحرارية للمسبوكات والمطروقات وأجزاء المعادن الأخرى.إذا كان لديك أي سؤال أو طلب لتطوير المنتجات أو تحسين سلسلة التوريد الخاصة بك، فلا تتردد في الاتصال بنا علىinfo@castings-forging.com