المعالجات الحرارية للصلب الكربوني
تستخدم المعالجات الحرارية للصلب الكربوني لتطوير التحكم بخواص المعادن، وحسب الاستخدام المطلوب، بالمنتجات التي لا حصر لها، والعدة والقوالب المتنوعة، وقطع الغيار والأجزاء المعدنية للمصنوعات لكل المجالات.
تعريف المعالجات الحرارية للصلب الكربوني:
المعالجات الحرارية هي بشكل عام : تسخين المعدن إلى درجة حرارة معينة، ثم الاحتفاظ بها عند تلك الدرجة لفترة من الزمن، ثم التبريد بمعدل محدد.
تأثير المعالجات الحرارية للصلب الكربوني على خواصه الميكانيكية:
ونقوم بعمليات المعالجة الحرارية للمعادن عموماً للتحكم بخواصها، مثل:
1.زيادة القساوة.
2.زيادة المطيلية.
3.زيادة المتانة.
3.زيادة قابلية المعدن لعمليات التشكيل والتشغيل.
4.إزالة الإجهادات الداخلية الناتجة عن عمليات التشغيل.
5.إزالة تأثيرات عمليات التشكيل على البارد.
والمعالجة الحرارية للمعادن هي عملية يتم فيها تسخين وتبريد القطع المعدنية بطريقة معينة للحصول على الخواص المطلوبة، ولا تستخدم فقط للفلزات والسبائك الحديدية ولكن أيضاً للفلزات والسبائك غير الحديدية.
أنواع المعالجات الحرارية للصلب الكربوني: (تعاريف)
وبالرغم من أن هناك تنوعاً في أساليب المعالجة الحرارية لسبائك الصلب الكربوني إلا أننا سوف نوصّف هذه الأساليب في البداية باختصار على طريقة التعاريف :
أ-التقسية: Hardening
عملية تسخين الصلب إلى ما فوق درجة الحرارة الحرجة بقليل، ثم تبريده فجأة، في أي وسط مناسب (زيت، ماء، هواء) وذلك لزيادة قساوة الصلب.
ب-التخميرAnnealing:
تسخين الصلب المقسى إلى ما فوق درجة الحرارة الحرجة، ثم تبريده ببطء، لإزالة قصافته الناتجة عن عمليات التشغيل أو التشكيل على البارد.
جـ-المراجعة: Tempering
تسخين الصلب المقسى إلى درجات مختلفة تحت درجة الحرارة الحرجة ثم تبريده بهدف تقليل قساوته العالية وقصافته. كلما ارتفعت درجة الحرارة التي يراجع عليها كلما قلت قساوته وزادت ليونته.
د-التطبيع: Normalizing
تسخين القطعة إلى ما فوق درجة الحرارة الحرجة للمعدن، ثم تركها تبرد بدون تعريضها لأي تيار هوائي، الأمر الذي يؤدي إلى تغيير الشكل البلوري الداخلي للمعدن.
هـ -التقسية السطحية : Case Hardening
الهدف من تقسية السطح الخارجي للقطع المعدنية، هو الحصول على طبقة خارجية قاسية تقاوم الاحتكاك والتآكل، مع ترك القلب الداخلي لدناً، وتتم هذه العملية بإدخال الكربون على السطح الخارجي، وتسمى هذه العملية من عمليات المعالجة الحرارية بعملية الكربنة أو النتردة.
شرح عمليات المعالجة الحرارية للصلب الكربوني:
و للتعرف أكثر على المعاملات الحرارية للحديد والصلب نقدم وصفاً إضافياً لكل منها :
1-عملية التقسية:
وهي زيادة قساوة الصلب من السطح الى القلب وتسمى بالتقسية الكاملة، وتتم هذه العملية بتسخين القطعة بأي وسيلة إلى درجة الحرارة المحددة للتقسية، ثم تبريدها فجأة في وسيط التبريد (الماء أو الماء المالح أو الزيت أو الهواء).
2 -عملية التقسية السطحية (التغليف) Case Hardening:
هي زيادة قساوة الصلب عند السطح الخارجي فقط، بينما يبقى قلب المعدن ليناً كما هو، وذلك عن طريق إضافة كربون جديد خارجي داخل بلورات المعدن الموجودة عند السطح:
أ-عملية الكربنة(تقسية سطحية ):
وهي امتصاص سطح الصلب الساخن للكربون، اللازم له، من المواد المكربنة المحيطة به أثناء التسخين، وهذه المواد المكربنة إما أن تكون مواد صلبة أو سائلة أو غازية. وتحتاج عملية الكربنة إلى مدة تسخين تتراوح بين ساعة و12 ساعة أو أكثر، تبعاً لعمق الغلاف المراد تقسيته. ويتم تبريد المشغولات تبريداً سريعاً بعد إخراجها من مكان التسخين بعيداً عن المواد المكربنة، وغالباً ما يستخدم تيار هواء في التبريد.
ب– عملية النتردة (تقسية سطحية ):
هي إكساب السطوح الخارجية للصلب درجة عالية من القساوة (أكبر من الكربنة)، وتتم بوضع الصلب مع مواد تحتوي على النيتروجين وتسخينه لمدة قد تكون بضع دقائق وقد تكون 100 ساعة، تبعاً للمشغولات وعمق الغلاف المطلوب. ويحصل على النيتروجين اللازم لذلك، إما بإمرار غاز النشادر على الصلب وهو ساخن، أو بغمر الصلب في أملاح السيانيد المنصهرة.
3 – عملية التقسية باللهب:
وتسمى Flame Hardening تستخدم فقط في الصلب الكربوني العالي (تقريباً من 0.4% كربون الى 0.8% كربون) ويتم بتسخين الجزء المراد تقسية سطحه، إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة العليا ثم تبريد المعدن سريعاً، ويستخدم غالباً لهب الأكسي – أستلين في هذه العملية.
4 – عملية التقسية بالتحريض:
تتم بإحاطة الجزء المراد تقسية سطحه بملف من مواسير النحاس الأحمر، يمر داخله ماء لتبريده أثناء العمل. ثم يمرر في الملف تيار كهربائي متغير خاص تتراوح ذبذبته من 50000 الى 500000 ذبذبة في الثانية، حيث يتولد في الجزء المراد تصليده تيار كهربائي عالي الذبذبات أيضاً-مستنتج من التيار الأول – فيرفع هذا التيار درجة حرارة السطح، إلى أعلى من درجة الحرارة الحرجة العليا بقليل، ثم تبرد الشغلة فجأة في الماء، بعد أن تكون قد تكونت بلورات الأوستينيت.
5 – عملية التقسية بالغمس:
هي عملية تقسية الطبقة الخارجية للقطعة، بعد تسخين سطحها، بواسطة غمسها لفترة قصيرة في حمام معدني أو ملحي ساخن جداً.
6 – عملية التقسية بتدريج التبريد:
هي تقسية في وسيطي تبريد مختلفين واحداً بعد الآخر دون توقف في وسيط التبريد الأول حتى تتعادل درجة الحرارة.
سنقدم بعض المفاهيم اللازمة للشرح المبسط كتعريف بها بعد عرض كل نوع من المعالجات الحرارية للصلب الكربوني:
* درجة حرارة التقسية :
هي درجة الحرارة التي تسخن إليها القطعة المراد تقسيتها، وتكون في الصلب الكربوني العادي (تقريباً من 0.3% إلى 0,9%) كربون، أعلى بقليل من درجة الحرارة الحرجة العليا، وفى الصلب الكربوني الذي يزيد على 0.9% كربون، أعلى بقليل من درجة الحرارة الحرجة السفلى.
7– المراجعة:
هي مراجعة القساوة التي اكتسبها الصلب بعد التقسية (تحول جزء من بلورات المرتنسيت إلى بلورات بيرليت) كي يلائم الاستعمال المطلوب للقطعة، وتتم المراجعة بتسخين الصلب إلى درجة 721 درجة مئوية (أقل من درجة الحرارة الحرجة السفلى)، ثم يوقف التسخين عند هذه الدرجة ثم تبرد في الماء أو الهواء.
– فترة المراجعة:
هي فترة الزمن من وصول درجة حرارة المراجعة إلى قلب القطعة حتى بداية التبريد ولا يدخل ضمن هذا الزمن فترة التسخين.
– درجة حرارة المراجعة:
هي درجة الحرارة التي تكون عندها القطعة في بداية التبريد.
لزيادة الاطلاع على التقسية و المراجعة، اقرأ أيضاً مقال المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي – مفاهيم وتجارب هامة
8– الترخيم الحراري (التخميد):
هي جعل الصلب السابق تقسيته (الكاملة أو السطحية) ليناً يسهل تشغيله، أو إزالة الإجهادات الداخلية، التي قد تنشأ في القطع نتيجة لكثرة الاستعمال.
وتتم عملية التخميد بتسخين القطعة ببطء إلى درجة الحرارة المعينة للتخميد، وهي تزيد عن درجة الحرارة الحرجة العليا للصلب منخفض الكربون، وعند درجة الحرارة الحرجة السفلى للصلب عالي الكربون؛ ثم تترك القطعة مدة كافية من الزمن عند هذه الدرجة، حتى يتم تحول المعدن إلى الحالة اللينة (حالة الذوبان المجمد)، ثم تترك داخل الفرن لتبرد ببطء؛ فتتحول بلورات المرتنسيت الصلبة الى بلورات البرليت اللينة.
– فترة التخميد الحراري:
هي فترة الزمن من وصول درجة حرارة التخميد الى قلب القطعة، حتى بداية التبريد، ولا يدخل ضمن هذا الزمن فترة التسخين.
– درجة حرارة التخميد الحراري:
هي درجة الحرارة التي تسخن إليها القطعة لتخميدها.
9– التخلص من الإجهادات:
تتم بتسخين القطعة إلى درجة حرارة (عادة أقل من 650 درجة مئوية)، ثم تترك لتبرد ببطء، لتتعادل الإجهادات الداخلية للقطعة، دون أن تتغير خواصها الأساسية الموجودة.
10– التطبيع (تحسين الخواص):
هي عملية من عمليات المعالجات الحرارية وتجرى للحصول على متانة عالية. وتتم بتسخين القطعة إلى ما بعد درجة الحرارة الحرجة العليا، ثم تبرد فجأة، وترفع من سائل التبريد وهي ساخنة، وتبرد نهائياً عند درجة حرارة المراجعة.
11– التسوية:
تتم بتسخين القطعة إلى درجة حرارة أعلى قليلاً من بداية درجة الذوبان المجمد، ثم تترك لتبرد ببطء في جو هادئ.
خاتمة:
تعتبر عمليات المعالجات الحرارية عمليات معقدة، بسبب العوامل الكثيرة والمتداخلة التي يجب أخذها بعين الاعتبار عند إجرائها، وتعتبر بعض المفاهيم و الملاحظات الناجمة عن التجربة أشياءاً أساسية من ضمن المعارف الضرورية للمهتم بالمعالجات الحرارية.
اقرأ أيضاً مقال عن مفاهيم وملاحظات هامة في المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي
المصادر: للتوسع بالمعلومات يمكن العودة عبر الرابط التالي:
