عملیات حرارتی روشی محبوب برای تغییر خواص مکانیکی برخی فلزات است. یکی از بهترین راه‌ها برای انطباق یک فلز با نیازهای یک محیط یا کاربرد معین این است که بتوانیم استحکام، چقرمگی و سختی آن را بدون تغییر قابل توجهی در ترکیب شیمیایی آن تغییر دهیم. فلز را می توان به روش های مختلفی عملیات حرارتی کرد، اما کوئنچ یکی از پرکاربردترین تکنیک هاست.
Quenching چیست؟
کوئنچ مرحله ای در بسیاری از فرآیندهای عملیات حرارتی است که شامل گرم کردن قطعه تا دمای مورد نیاز و غوطه ور کردن آن در یک محیط کوئنچ برای خنک شدن سریع آن است. سایر فرآیندهای عملیات حرارتی اغلب به دنبال خاموش کردن، مانند پیری، تلطیف یا بازپخت برای دستیابی به نتایج مطلوب می‌آیند. با خنک کردن سریع فلز، می توانید از تشکیل ریزساختارهای مختلف در فولاد جلوگیری یا تشویق کنید تا به خواص مورد نیاز برای کاربرد مورد نظر دست یابید.
انواع مختلف ریزساختارهای کریستالی عبارتند از:
· آستنیت: هنگامی که آهن در حین فلزکاری گرم می شود آستنیت تشکیل می شود. این یک ریزساختار سخت و در عین حال شکل پذیر است که برای جوشکاری عالی است. فولاد آستنیتی کاربردهای مختلفی دارد، اما اغلب برای ایجاد فولاد مارتنزیتی بیشتر کار می شود.
· مارتنزیت: تبدیل مارتنزیتی زمانی اتفاق می افتد که فلز گرم شده را به سرعت سرد کنید. در حالی که فولاد مارتنزیتی سخت است، بسیار شکننده است. کارکردن فلز پس از کوئنچ به بازگرداندن مقداری شکل‌پذیری به آن و کاهش تنش‌های داخلی کمک می‌کند.
· فریتفریت یک ریزساختار نرم و پایدار از نظر ترمودینامیکی است که قبل از تبدیل شدن به آستنیت تشکیل می شود. بیشتر در فولاد کم کربن رخ می دهد.
· سیمانیت: سمنتیت یک ریزساختار ناپایدار ترمودینامیکی است که حاوی آهن و کربن است. ریزساختار سفت و سخت آن منجر به یک فلز بسیار سخت و در عین حال شکننده می شود.
· پرلیت: خنک شدن آهسته منجر به ایجاد ریزساختار پرلیت می شود که از لایه های متناوب فریت و سمنتیت تشکیل شده است. این ساختار قوی و سبک وزن با مقاومت در برابر سایش بالا است.
· بینیتبینیت یک ریزساختار سخت و شکننده است که وقتی یک جزء فولادی سریعتر از سرعت سرد شدن پرلیت اما کندتر از مارتنزیت سرد شود تشکیل می شود.
نوع رسانه خاموش کننده
فرآیند کوئنچ را می توان با استفاده از طیف وسیعی از رسانه های خاموش کننده انجام داد. هر رسانه ای ویژگی های خاموش کننده مخصوص به خود را دارد. سرعت خاموش کردن، رفع مشکلات محیطی، جایگزینی رسانه خاموش کردن، و هزینه رسانه خاموش کردن عواملی هستند که باید هنگام تعیین نوع استفاده از رسانه در نظر گرفته شوند. در اینجا انواع اصلی رسانه های خاموش کننده آورده شده است:
هوا
هوا یک رسانه خاموش کننده محبوب است که برای خنک کردن فلزات برای خاموش کردن استفاده می شود. مقرون به صرفه بودن یکی از مزایای اصلی هوا است. مقرون به صرفه بودن آن نتیجه فراوانی آن بر روی زمین است. در واقع، هر ماده‌ای که حرارت داده می‌شود و سپس اجازه داده می‌شود تا به دمای اتاق خنک شود، تنها با رها کردن آن در هوا خاموش شده است. کوئنچ با هوا نیز زمانی که فشرده شده و در اطراف فلز در حال کوئنچ فشار داده می شود، عمداتر انجام می شود. این قطعه را سریعتر از هوای ساکن خنک می کند، اگرچه حتی هوای فشرده ممکن است هنوز خیلی از فلزات را به آرامی خنک کند تا خواص مکانیکی را تغییر ندهد.
اب
آب همچنین قادر است فلزات گرم شده را به سرعت خاموش کند. فولاد ممکن است با خاموش کردن آن در آب به سرعت خنک شود، که برای رسیدن به بالاترین سختی ممکن در برخی کاربردها عالی است. با این حال، به دلیل ایجاد کشش داخلی، سرعت خنک کننده آن نیز می تواند باعث اعوجاج و ترک شود. در نتیجه، فرآیندهای متالورژیکی اضافی برای تکمیل قطعه مورد نیاز است.
آب مانند بسیاری از گازها به راحتی به دست می آید و هیچ تاثیری بر محیط زیست ندارد و آن را به یک محیط خاموش کننده پایدار تبدیل می کند. جیب های بخار می توانند روند خاموش شدن با آب را مختل کنند. اگر این اتفاق بیفتد، اسمیت باید جزء را در محیط بچرخاند تا از تشکیل و وارد کردن آلاینده‌های هوای مرطوب جلوگیری کند.
روغن
روغن قادر است فلزات گرم شده را خیلی سریعتر از هوای فشرده خاموش کند. عنصری که گرم شده است در یک مخزن پر از روغن ریخته می شود تا خاموش شود. این قطعه را می توان با روغن نیز شستشو داد. از آنجایی که انواع مختلف روغن دارای سرعت خنک کنندگی و نقطه اشتعال متفاوتی هستند، اغلب در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند.
آبنمک
آب نمک یا آب نمک، یک محیط خاموش کننده عالی برای خنک کردن سریع است. سریعتر از هوا، آب و روغن خنک می شود. این به این دلیل است که وقتی مخلوط نمک و آب با یک فلز داغ تماس پیدا می کند، از ایجاد گلبول های هوا جلوگیری می کند. در نتیجه، مایع قسمت بزرگتری از سطح فلز را نسبت به حباب های هوا می پوشاند.
کوئنچ سخت شدن فولاد
هنگامی که در مورد فرآیند کوئنچینگ صحبت می شود، فولاد شایسته ذکر ویژه است زیرا خواص مکانیکی آن نسبت به کوئنچ بسیار حساس است. از طریق یک فرآیند کوئنچ که به عنوان سخت شدن کوئنچ شناخته می شود، فولاد تا دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد خود بالا می رود و از طریق فرآیند کوئنچ به سرعت سرد می شود. خاموش شدن سریع ساختار کریستالی فولاد را در مقایسه با سرد شدن آهسته تغییر می دهد. بسته به محتوای کربن و عناصر آلیاژی فولاد، می‌تواند با ریزساختار سخت‌تر و شکننده‌تر، مانند مارتنزیت یا بینیت، زمانی که تحت فرآیند سخت شدن کوئنچ قرار می‌گیرد، باقی بماند. این ریزساختارها باعث افزایش استحکام و سختی فولاد می شود. با این حال، آنها فولاد را در برابر ترک خوردگی و با کاهش زیادی در شکل پذیری آسیب پذیر می کنند. به همین دلیل، برخی از فولادها به دنبال فرآیند سخت شدن کوئنچ آنیل یا نرمال می شوند.
