نقاش:معالجة حرارية

المعالجة الحرارية للحديد وخلائطة

ما يزال الحديد يعدّ المعدن الإنشائي الأول، وخلائطه تعد الأساس في تسليح المباني وإقامة مختلف المنشآت الهندسية والإنشاءات المعدنية، وفي صناعة قطع وعناصر الآلات والآليات على اختلاف أنواعها وحجومها وظروف عملها. لذلك فإن الأهمية الأكبر تعطى للمعالجات الحرارية التي تجرى على خلائط الحديد وخصوصاً الفولاذية منها، سواء كانت من الفولاذ الفحمي أم الفولاذ السبائكي، والمعالجات التي تجرى على هذه الخلائط كثيرة متنوعة أهمها:
1. معالجات تحسين الخواص من دون تغيير نوعية البنية:

• إزالة الإجهادات:تجرى عادة على القطع المشكلة بطريقة السكب، وخصوصاً إذا كانت مختلفة السماكة حيث تبرد الأجزاء ذات السماكات الصغيرة بسرعة أكبر من الأجزاء الأكثر سماكة؛ ما يجعل أماكن التقاء هذه الأجزاء مناطق مجهدة نتيجة التقلص الحراري غير المتزامن. كما تجرى عملية إزالة الإجهادات على القطع التي تعرضت كلياً أو جزئياً لنسبة محدودة من التشكيل على البارد، إذ تتشوه الأجزاء التي تعرضت للتشكيل وتصبح مجهدة. وتتم إزالة الإجهادات بتسخين القطعة إلى درجة حرارة أدنى من درجة حرارة بدء التحولات الطورية وإبقائها فترة من الزمن ثم تبريدها ببطء حتى درجة الحرارة العادية.
  
• إعادة التبلور: التشكيل اللدن - وخصوصاً إذا كان على البارد- يشوه البنية البلّورية، إذ تستطيل البلّورات في المستوي العمودي على اتجاه قوى التشكيل ويتصدع بعضها، فتفقد القطعة لدونتها، وتصبح هشة غير قابلة لأي تشكيل لاحق أو للتحميل بقوى خارجية. لإصلاح خواص القطعة تعالج بما يسمى بالإحماء التبلوري أو إعادة التبلور، فتسخن إلى درجة حرارة تختلف باختلاف مقدار التشكيل، وتستعيد البنية تبلورها حول أنوية تبلور تنشأ على أطراف البلورات المشوهة والمتصدعة، وتستعيد البنية تجانسها وتستعيد القطعة خواصها الميكانيكية.
  

(a → b)اعادة تبلور المواد المعدنية (b → c → d)نمو الحبوب الكرستالية.

• المجانسة normalizing: عند تبلور الفولاذ المصبوب في قوالب ليتجمد على شكل جلاميد أو قضبان تكون البنية البلورية على السطح ناعمة ومتجانسة في حين تكون في داخل القطعة خشنة ومتطاولة، كما أن العناصر السبائكية المضافة إلى الفولاذ السبائكي تكون نسبها في البلورات الأولية عند السطح أقل منها في الأجزاء التي تأخر تبلورها (داخل القطعة). لإعادة التجانس البلوري في هذه المصبوبات أو لتوزيع العناصر السبائكية بشكل متوازن في جميع أجزاء القطعة يعاد تسخينها بحيث تتحول البنية إلى أوستنيت، وتترك في هذه الدرجة الفترة الكافية للحصول على التجانس المطلوب ثم تبرّد ببطء إلى درجة الحرارة العادية، يبين الشكل 3 درجات الحرارة لبعض المعالجات الحرارية والعمليات التقنية للفولاذ.
  
• يحتوي الفولاذ في بنيته على البرليت الذي تختلف نسبته باختلاف نسبة الفحم في الفولاذ. والبرليت يتكون عادة من صفائح متداخلة من الفريت (الحديد) والسمنتيت (كربيد الحديد)، وصفائح السمنتيت غالباً ما تكون رقيقة حادة الأطراف تعمل على تركيز الإجهادات عند تعريض الفولاذ للتشكيل؛ ما يجعل الفولاذ الحاوي على نسبة كبيرة من البرليت قليل القابلية للتشكيل وعرضة للتصدع. لتحسين هذه القابلية يسخن الفولاذ إلى درجة حرارة قريبة من درجة بدء التحولات الطورية وتركه فترة من الزمن بحيث تتاح الفرصة أمام صفائح السمنتيت أن تتجزأ وتتكور أطرافها فتخفف من ظاهرة تركيز الإجهادات. وعندما يراد أن تكون البنية فائقة القابلية للتشكيل خصوصاً عندما تكون نسبة الفحم في الفولاذ كبيرة وتحتوي البنية على السمنتيت الثانوي، يعمد إلى التطرية التكويريةspheroidizing ، حيث يُلجأ إلى تقسية الفولاذ لتحويل البنية إلى مارتنسيت ثم يعاد تسخينها إلى درجة حرارة قريبة من درجة بدء التحول (A1) وتركها المدة الكافية ليتفكك المارتنسيت ويتحول إلى برليت حبيبي (أرضية من الفريت وحبيبات كروية من السمنتيت).
  

2. المعالجات التي تغير نوعية البنية:
وأهمها عملية التقسية بشقيها الشاملة والسطحية وما يعقبها من إرجاع.
3. المعالجات الكيميا حرارية:
وهي معالجات لسطوح بعض القطع الفولاذية بشكل مشابه للكربنة أو النتردة، ولكن ليس بهدف تقسية سطح القطعة وإنما لإكسابه بعض الخواص الفيزيائية أو الكيميائية، مثل المقاومة للحرارة بمعالجته بالألمنيوم أو المقاومة الكيميائية بمعالجته بالكروم أو السيليسيوم وغير ذلك من المعالجات التي تكسب سطح القطعة نسبة من معدن ما تجعل السطح يتصف بخواص الفولاذ السبائكي مع المحافظة على الخواص الميكانيكية للب القطعة. وتتم أغلب هذه العمليات بوضع القطعة في صندوق فولاذي حيث تغمر بمسحوق المعدن المراد إضافته أو مسحوق إحدى خلائطه، وقد تضاف أحياناً بعض المواد المساعدة، ثم يغلق الصندوق ويوضع في فرن درجة حرارته تتعلق بنوع الفولاذ ونوع المعدن المراد إضافته، ويترك فترة تتعلق بسماكة الطبقة المراد إشابتها ثم يرفع الصندوق من الفرن ويترك ليبرد.

المعالجة الحرارية لخلائط الحديد الصب

• خلائط الحديد الصب الرمادي:التي يتبلور فيها الفحم في جميع مراحل التبريد والتحولات الثانوية على شكل غرافيت - بما فيها ذات الغرافيت الكروي - لا تستجيب لأي معالجة حرارية فيما عدا إزالة الإجهادات. أما إذا اقتصر انفصال الغرافيت على مراحل التبلور والتبريد الأولى ثم تابع انفصاله على شكل سمنتيت فإن البنية ستكون محتوية على البرليت وبالتالي يمكن نظرياً أن تجرى عليها جميع المعالجات الحرارية التي تجرى على الفولاذ مثل التطرية وإعادة التبلور والتقسية وغيرها، لكن عملياً نادراً ما تخضع لأكثر من إزالة الإجهادات أو التطرية لسوء ناقلية هذه الخلائط للحرارة .
  
• خلائط الحديد الصب الأبيض: وهي الخلائط التي يتبلور فيها الفحم في مراحل التبريد كلها على شكل سمنتيت، وهي عالية القساوة وغير قابلة للتشكيل، وتصنع إما للاستفادة من قساوتها العالية في صناعة بعض القطع التي تتطلب ذلك - فلا تعالج حرارياً إلا بإزالة الإجهادات - وإما من أجل تحويلها إلى ما يسمى بالحديد الصب الطروق malleable cast iron، حيث تسخن إلى درجة حرارة عالية لإتاحة الفرصة أمام السمنتيت كي يتفكك ويتحول الفحم الناتج من تفككه إلى حبيبات ناعمة من الغرافيت الكروي موزعة في جميع أجزاء البنية، ويسمى بالحديد ذي اللب الأسود. ويمكن إجراء هذه المعالجة في جو مؤكسد حيث يترافق تفكك السمنتيت مع احتراق ذرات الفحم المنفصلة عند سطح القطعة لتبدأ ذرات الفحم المنفصلة في الداخل بالانتشار باتجاه السطح والاحتراق، وبهذا يتم التخلص من الفحم قبل أن يتم تشكل حبيبات الغرافيت ليتم الحصول على ما يسمى بالحديد الصب الطروق ذي اللب الأبيض.