المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي

مفاهيم و تجارب هامة 

نقدم في هذا المقال عرضاً لبعض التعاريف والمفاهيم حول المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي (الخلائطي)، بهدف الفهم الأوضح لعمليات المعالجة الحرارية المتنوعة. حيث نقدم فيه مفاهيم هامة بشكل مبسط، وملاحظات من التجربة العملية، ونقدم تمييزاً ومثالاً عملياً عن المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي (الخلائطي) بمقارنتها بالمعالجة الحرارية للصلب الكربوني، ليتوضح المقصود من العرض، و ليتبين القارئ المهتم درجة تعقيد عمليات المعالجة الحرارية للصلب الكربوني، من حيث فرادة كل حالة بالنسبة لنوع الصلب و نسبة الكربون فيه وشكل بلوراته، ومن حيث نوع العملية المطلوبة للوصول للخواص الميكانيكية المستهدفة. وتميز المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي من حيث هذه الخواص الأفضل من حيث القساوة والمتانة ومقاومة التآكل.

مقدمة:

ما الفرق بين الصلب الكربوني، والفولاذ السبائكي؟

ترتبط المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي كما للصلب الكربوني بعدة عوامل تجعل كلاً منهما متمايزاً عن الآخر.

إن نسبة الكربون في الحديد (الصلب) تحدد تسميته حديد زهر (فونط)، أو فولاذ، أو حديد مطاوع؛ فالفولاذ هو صلب كربوني، لكن بنسبة كربون معينة.

وعندما تضاف معادن أخرى إلى تركيبه، يصبح فولاذاً خلائطياً (Alloy Steel)، لكن التسمية الغالبة في أكثر المراجع العربية له، هي (الفولاذ السبائكي)، لكن ما يهمنا أن هذه الإضافات تحسن من خواصه الميكانيكية، وتعطي مع المعالجة الحرارية الناجحة مواصفات عالية لا تتاح للصلب بدون هذه الخلائط.     

مفاهيم هامة في المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي:

يمكنك الاطلاع أيضاً على مقال المعالجات الحرارية للصلب الكربوني لمعرفة أكثر إلماماً بمواضيع المعالجات الحرارية.

– الاحتراق:

الاحتراق عبارة عن تشوه قطعة الصلب المراد معالجتها تشوهاً نهائياً بسبب التسخين الخاطئ إلى درجة حرارة مرتفعة.

– زيادة التسخين:

هي التسخين الخاطئ للقطعة المراد معالجتها إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة المعالجة الحرارية، وينجم عنها تخشين الحبيبات، ولكن يمكن إعادتها إلى حالتها ثانية بإعادة تشغيلها أو معالجتها حرارياً.

– بداية التسخين:

هي التسخين البطيء للقطعة إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة المعالجة الحرارية، وذلك بهدف تجنيب القطعة إجهادات التشقق.

– زيادة الوقت:

هو التوقف الطويل عند درجة حرارة المعالجة الحرارية، مما يسبب تلف المعدن وذلك عند ابتداء تخشين الحبيبات.

– الانصهار المجمد للصلب:

 هو نوع من الانصهار يطلق عليه في علم المعادن الانصهار المجمد، ويسمى كذلك لأن المعدن يكون في حالة انصهار، ولكنه في حالة تماسك وتجمد محافظاً على شكله.

ولهذا المفهوم أهميته ودلالاته في عمليات المعالجات الحرارية، حيث يتم خلال هذا الانصهار التكوين الجديد للصلب وإعادة ترتيب جزيئاته سواء من ناحية حجم البلورات أو بنائها بالشكل العادي أو الشجري أو من ناحية تركيبها ونسب العناصر.

ملاحظات هامة في المعالجة الحرارية للصلب الكربوني:

1.سرعة التبريد:

 كلما زادت سرعة التبريد، كانت قساوة الصلب الناتج أعلى، والعكس بالعكس.

2.وسيط التبريد:

يجب أن يكون وسيط التبريد بارداً، لأن وسيط التبريد الساخن يخفض من سرعة التبريد وبالتالي يقلل من درجة القساوة وعدم الوصول بالتقسية إلى الدرجة المطلوبة.

3.طريقة التسخين:

التسخين في جميع المعاملات الحرارية يكون إما في أكوار الحدادة أو في أفران خاصة متعددة الأشكال والتصاميم حسب نوع المعالجة اللازم، منها ما يعمل بالتيار الكهربائي ومنها ما يستخدم فيها المازوت أو الفحم كوقود.

4.درجة الحرارة الحرجة السفلى = 740 درجة مئوية تقريباً.

5.درجة الحرارة الحرجة العليا غير ثابتة، حيث ترتبط بنسبة الكربون في المعدن.

ملاحظات هامة في المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي (الخلائطي):

1.ملاحظة هامة جداً /1/: في التبريد

تتعلق بالقطع المميزة والأجزاء العاملة اللازمة للعدد والقوالب وسبطانات البنادق والأسلحة عموماً، وهي أنه من مزايا الفولاذ السبائكي (الخلائطي) بما يتعلق بالتبريد، أنه عندما يبرد فى الهواء أو في أفران درجة حرارتها مناسبة، لا يعطي إجهادات على القطعة المعالجة ويصبح احتمال ظهور التشققات منعدم تماماً، لأن الخلائط تحسن من خواص الصلب وتعطي منحنى تبريد أفضل، فعندما تبرد القطعة من الصلب غير الخلائطي ، ستكون غير صالحة للتشغيل، وهذا يحصل في الصلب الكربوني لعدم وجود عناصر المعادن التي تحسن خواصه الميكانيكية.

2.ملاحظات هامة جداً /2/: (في عدد التشغيل)

يلزم أخذ هذه الملاحظات بالاعتبار عند تقسية القطع المحضرة لتكون عدد تشغيل وخاصة عدد القطع:

أ‌- الأبعاد الأولية للقطعة:

 من الضروري مراعاة اختيار أبعاد أكبر من الأبعاد النهائية المطلوبة للقطعة، إذا كان لدينا قطعة فولاذ سرعات عالية ( HSS)، ونريد تصنيعها كقطعة عدة، وذلك على كل محاور القطعة   (x-y-z) بحوالي 4- 6 مم (إذا كانت أبعاد قطعة الفولاذ  بحدود 100 سم)

وعلى كل الأحوال فإن الشركات المصنعة للفولاذ تعطي البيانات الخاصة بذلك، وتوجد جداول تعطي العلاقة بين الأبعاد الكلية للقطعة، على اختلاف احتمالاتها، والزيادات اللازم تركها على جميع محاور القطعة، لأن هذه الزيادات (على كل السطوح الخارجية للقطعة) غير صالحة للمعالجة الحرارية. والفولاذ وخلائطه “المحروقين” غير صالحين للتقسية، وسنجد أن القلم أو السكينة “ستحترق” و تتآكل حدودها القاطعة، وستحتاج إلى عملية شحذ (سن) بشكل دائم، ويدل على عدم كفاءة القلم أو السكينة، وهذا ناتج من سحب الفولاذ على الساخن وحرق السطوح الخارجية أثناء السحب، وبالتالي يتوجب إزالة هذه السطوح “المحترقة”، لذلك نضيف سماكة الطبقة (أوالقشرة) لأبعاد القطعة الأولية.

ب‌-الخطة الزمنية لعمليات المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي:

 أيضاً يجب مراعاة الملاحظات التالية عند إجراء المعالجة الحرارية، حيث توجد علاقة بين الزمن والحرارة عند معالجة الأقلام وسكاكين الفريزة وذكور ولقم القلاووظات، فعند التسخين الأولي تبقى القطعة بحدود ساعتين فى درجة الحرارة 550 م لإزالة الإجهادات المتبقية من عمليات التشغيل السابقة على الآلات قبل المعالجة الحرارية.

ثم نخرج القطعة من الفرن وتوضع فى فرن ثان على درجة 800 م، لمدة نصف ساعة بعد أن نتأكد أن الملح المنصهر فى الفرن مناسب حتى لا يحترق الكربون وعناصر الخلائط على سطح القطعة، فنخسر خواصها، وذلك بأن نضع سريدة رقيقة من الفولاذ سماكتها (1 مم مثلاً) وأن تكون نسبة الكربون فيها معادلة لمعدن القطعة المراد تقسيتها، وتترك فى الفرن لمدة نصف ساعة، ثم نقوم بتجريب ثنيها بهدف كسرها، فإذا انكسرت يكون الفرن سليماً، أما إذا لم تنكسر وانثنت (بقيت قابلة للتشكيل)، عندها يكون فرن التقسية غير صالح بعد.

نفعل نفس التجربة في فرن ثالث وهي المرحلة الأخيرة، فنختبر الحرارة فيه، ثم نقوم بحساب الزمن على أساس سماكة الحد القاطع فقط، لقطعة العدة التي نريد معالجتها، دون المقطع الكامل للقطعة، فنحصل على القساوة السطحية المطلوبة مع المحافظة على المتانة في قلب قطعة العدة، بما يؤدي لعدم انكسارها أثناء الاستثمار.

ج .ملاحظة هامة أيضاً:

إن ما تكلمنا عنه وفعلناه بما يخص قطع العدة المتنوعة المتضمنة عدد القطع، وكذلك الخامات الخاصة بالفولاذ الخلائطي اللازم وجود نسبة من الكربون فيها، لتكتسب التقسية والمتانة المطلوبة، ينطبق على كل قطع المنتجات التي تصنع من هذا الفولاذ الخلائطي.

مثال عملي (المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي):

وللتنفيذ لنأخذ مثالاً عملياً للمعالجة الحرارية لفولاذ السرعات العاليةHSS ، و مثالنا العملي حول التقسية والمراجعة لهذا النوع من الفولاذ، والقطعة محضرة لتكون سكين فريزة:

1. التسخين الأولي: 550 م

هدف هذه المرحلة بالتسخين الأولي هام جداً لسببين رئيسيين هما: إزالة الرطوبة من الفولاذ كيلا يصاب من يعمل على الفرن نتيجة وجودها. والسبب الثاني هو : تسخين أولي هدفه أن يعطى الفولاذ قابلية انتقال الحرارة.

2. تسخين مرحلة ثانية: 800 م

هدف هذه المرحلة من إعطاء المزيد من الحرارة أن تصل درجة حرارة الفولاذ لعمق أكبر من السطح باتجاه قلب القطعة لحماية الحد القاطع من الإجهادات التي ستضعفه، وتحدد المدة الزمنية لهذه المرحلة بما لايقل عن 30 دقيقة.

3. تسخين مرحلة ثالثة: 1000 م

 هدف هذه المرحلة زيادة تجانس معدن القطعة في السطح والقلب ،بحيث نقوم بتسخين القطعة لهذه الدرجة.مما يضفي على القطعة وبالتحديد حدها القاطع الجودة اللازمة للتشغيل ويزداد عمر القطعة، ويحدد الزمن اللازم فيها حوالي 20 دقيقة بحيث يكون أقل من المرحلة التي سبقتها.

4. التسخين النهائي للقطعة : 1250 م

في هذه المرحلة وعند هذه الحرارة تتحول الكربيدات في القطعة المعالجة بالكامل، فتذوب مع باقي العناصر، بحيث نبقيها لأقل زمن ممكن، وبما يتناسب مع حجم وسماكة الحد القاطع الفعال للقطعة فقط، ثم تنقل بسرعة لفرن مهمته التبريد و ليس التسخين،للحصول على المعالجة المطلوبة.

5.مرحلة التبريد للفولاذ الخلائطي : 550 م

نقوم بتبريد القطعة من درجة حرارة التقسية ضمن هذا الفرن، حتى نضمن أن درجة حرارة القطعة قد نزلت جتى حرارة الفرن، حيث أن هذه الدرجة فوق درجة التحول من الأستونيت إلى المرتنسيت بالإضافة إلى الكربيدات الناشفة، ونبقي القطعة في الفرن لفترة تتناسب وحجم القطعة، ثم نقوم بإخراجها من الفرن ونتركها تبرد في وسط من الهواء الساكن، فيحدث التغير إلى المرتنسيت بنسبة 98 %  وتبقى نسبة 2 % بدون تغير.

6.مرحلتا مراجعة أولى وثانية: 560 م

نجري مرحلة مراجعة أولى لقطعة الفولاذ الجاري معالجتها عند هذه الدرجة، حيث أن هذا الفولاذ قابل لتحمل الحرارة العالية بدون فقدان القساوة، ويجري في هذه المرحلة تغير النسبة المتبقية (2 %) من الأستونيت إلى مرتنسيت، فتتحسن قساوة القطعة، وفي المرحلة الثانية من المراجعة نحصل على زيادة المتانة وضبط درجة القساوة.

خاتمة:

إن المعالجة الحرارية للصلب الكربوني تحتاج للكثير من الدقة و الكفاءة في اختيار مسارها و الخطة الزمنية للتنفيذ، ومن نفس المنطلق تأتي الدقة والكفاءة اللازمتان للمعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي.

إن الفولاذ السبائكي مادة محسنة عن الصلب الكربوني، لذلك فإن الخواص الميكانيكية الناتجة بعد المعالجة الحرارية للأول أعلى من كل النواحي، بسبب المعادن المضافة إلى تركيبه، والتي تكسبه هذه المواصفات. 

لمزيد من المعلومات، يمكنك الاطلاع على مقال المعالجات الحرارية للصلب الكربوني 

من المصادر يمكن مراجعة كتب هامة منها:مثال معالجة لأحد أنواع الفولاذ السبائكي