آنیل کردن فلز و فولاد چیست؟ فرایند آنیلینگ یا بازپخت چرا مهم است ؟ مزایا و معایب آنیلینگ فلز
آنیلینگ (Annealing) یا بازپخت چیست؟
عملیات آنیلینگ کردن (Annealing) یا فرآیند بازپخت یک فرایند حرارتی است که در صنعت فولاد و آهن باعث تغییر خواص فیزیکی و گاهاً شیمیایی یک ماده برای افزایش شکل‌پذیری و کاهش سختی جهت کارایی بیشتر آن میشود.
در این مقاله، به توضیح فرایند آنیل کردن آهن و فولاد و نحوه انجام آن، مزای و معایب آنیل کردن، تأثیر آن بر خواص مواد و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.
جهت فرآیند آنیل کردن نیاز است که ماده به دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد آن برای مدت زمان معینی قبل از سرد شدن قرار بگیرد. سرعت سرد شدن فلز بستگی به انواع فلزات در طی فرایند بازپخت دارد. به عنوان مثال، فلزات آهنی مانند فولاد معمولاً در هوای ساکن تا دمای اتاق خنک می شوند، در حالی که فلزاتی چون مس، نقره و برنج می توانند به آرامی خنک شوند یا به سرعت در آب خنک شوند.
فرآیند گرمایش باعث انتقال اتم ها در شبکه کریستالی ماده و کاهش تعداد نابجایی ها می شود که منجر به تغییر شکل پذیری و سختی می شود. موادی که عملیات حرارتی روی آنها انجام شده با سرد شدن دوباره کریستال می شوند. اندازه دانه های کریستالی و ترکیب فاز به سرعت عملیات گرمایش و سرمایش بستگی دارد که تعیین کننده خواص مواد نهایی است.
کار سرد یا گرم قطعات فلزی پس از بازپخت، ساختار مواد را بار دیگر تغییر می دهد، بنابراین ممکن است برای دستیابی به خواص مطلوب و موردنظرعملیات حرارتی بیشتری لازم باشد. به طور کلی عملیات حرارتی می‌تواند فلزات را نرم کرده و آنها را برای کارهای بعدی مانند شکل‌دهی، شکل پذیری و مهر زنی و همچنین جلوگیری از قابلیت شکنندگی آماده کند
مفهوم آنیل کردن
آنیل کردن یک فرایند حرارتی است که در آن نمونه‌های آهن و فولاد در دماهای بالا و به صورت کنترل شده گرم می‌شوند و سپس به آرامی خنک می‌شوند. بازپخت ریزساختار یک ماده را برای اصلاح ویژگی های مکانیکی یا الکتریکی آن تغییر می دهد. در واقع آنیل کردن افزایش دمای فولاد تا بالای دمای تبلور می باشد که این دما در فولاد نزدیک به 700 درجه سانتی گراد می باشد. این فرایند اغلب در فولادها برای کاهش سختی، افزایش شکل‌پذیری و کمک به حذف تنش‌های داخلی استفاده میشود.
این که بازپخت ویژگی های مکانیکی یک ماده مانند شکل پذیری و چکش خواری و استحکام را بهبود می بخشد، یکی از مزایای اصلی آنیلینگ است. اگر این فرایند به درستی انجام شود می‌تواند ظرفیت مواد را برای مقاومت در برابر تنش‌های ناشی از خمش یا پیچش بدون شکستگی افزایش دهد. به همین دلیل، برای کاربردهایی که مواد فلزی و آهنی باید مرتباً بدون خطر شکستگی یا تغییر شکل مورد استفاده قرار بگیرند بسیارعالی است.
چرا آنیلینگ فلزات لازم است؟
پس از مدت زمان معینی از فرایند سرد، مواد تمایل دارند شکل‌پذیری خود را از دست بدهند و در عین حال استحکام تسلیم خود را افزایش می‌دهند، که این عامل باعث میشود فرآیند بازپخت ضروری شود. از آنجایی که بازپخت به بازگرداندن خواص اولیه فلز کمک می کند، در صورت نیاز به کار سرد مداوم در طول فرآیند شکل دهی فلز از اقدامات ضروری است که باید انجام شود. بنابراین، هدف از آنیل کاهش سختی فلزات است.
چه زمانی آنیلینگ لازم است و چرا مهم است؟
بازپخت برای معکوس کردن اثرات سخت کاری، که می تواند در طی فرآیندهایی مانند خمش، شکل دهی سرد یا کشش رخ دهد، استفاده می شود. اگر مواد بیش از حد سخت شود، می تواند کار را غیرممکن کند یا منجر به ترک خوردن شود.
با حرارت دادن مواد بالاتر از دمای تبلور مجدد، انعطاف پذیرتر می شود و بنابراین آماده یک بار دیگر کار می شود. بازپخت همچنین تنش‌هایی را که می‌تواند هنگام جامد شدن جوش‌ها ایجاد شود، حذف می‌کند. فولاد نورد گرم نیز با حرارت دادن آن بالاتر از دمای تبلور مجدد شکل می گیرد و تشکیل می شود. در حالی که بازپخت فولاد و فولاد آلیاژی رایج است، سایر فلزات نیز می توانند از این فرآیند سود ببرند، مانند آلومینیوم، برنج و مس.
سازندگان فلزات از بازپخت برای کمک به ایجاد قطعات پیچیده استفاده میکنند و با بازگرداندن مواد به حالت از پیش کار شده، مواد را قابل کار نگه میدارند. این فرآیند در حفظ شکل پذیری و کاهش سختی پس از کار سرد مهم است. علاوه بر این، برخی از فلزات برای افزایش رسانایی الکتریکی آنها بازپخت می شوند.
آیا می توان از آنیلینگ با فلزات آلیاژی استفاده کرد؟
بازپخت را می توان با آلیاژها فولادی انجام داد و آنیل جزئی یا کامل تنها روشی است که برای آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی استفاده می شود.فقط در مورد آلیاژهای سری 5000 اثتسنا وجود دارد که می توان آنها را دردماهای تثبیت پایین انجام داد.
آلیاژها در دمای بین 300 تا 410 درجه سانتیگراد بسته به آلیاژ آنیل می شوند و زمان حرارت دهی بین 0.5 تا 3 ساعت بسته به اندازه قطعه کار و نوع آلیاژ متغیر است. آلیاژها باید با حداکثر سرعت 20 درجه سانتیگراد در ساعت خنک شوند تا زمانی که دما به 290 درجه سانتیگراد کاهش یابد و پس از آن سرعت خنک شدن مهم نیست.
اهداف اصلی آنیل کردن عبارتند از:
کاهش سختی مواد: آنیل کردن باعث کاهش سختی آهن و فولاد میشود و موجب افزایش قابلیت پذیری و قابلیت فرم‌پذیری آنها می‌گردد.
تغییر ساختار داخلی: در آنیل کردن، ساختار داخلی مواد معمولاً از ساختار بلوری سنتزی به ساختار بلوری توده‌ای تبدیل میشود که اثرات متناسب با آن روی خواص مکانیکی دارد.
کاهش تنش‌ها: در طول فرآیند تولید و فرآیندهای مکانیکی، تنش‌های داخلی در مواد تشکیل می‌شوند. آنیل کردن باعث کاهش این تنش‌ها میشود و مواد را به حالت آرام تری می‌آورد.
انواع روشهای آنیل کردن فولاد
فولاد می تواند تحت انواع مختلفی ازفرایند های آنیلینگ قرار گیرد که به شرح زیر است:
1-بازپخت یا آنیلینگ کامل
بازپخت کامل برای نرم کردن فولاد، ایجاد دومین حالت انعطاف پذیر و ایجاد یک ریزساختار پایدار و یکنواخت استفاده می شود. در زیر سه مرحله در بازپخت کامل فولاد آمده است.
- فولاد را 30 تا 50 درجه سانتیگراد بالاتر از بالاترین دمای بحرانی برای فولاد هیپویوتکتوئیدی گرم میکنند.
- سپس فولاد را برای مدتی در دمای ذکر شده نگه میدارند (که به آن “خیساندن” گفته می شود) تا باعث تغییر در ترکیب شود. برای هر میلی متر از بخش بزرگ ضخامت قطعه، حدود 3 تا 4 دقیقه طول می کشد.
- فلز را به تدریج خنک میکنند. سرعت سرمایش بسته به ترکیب فولاد متفاوت است و از 30 تا 200 درجه سانتیگراد در ساعت متغیر است.
2- فرآیند آنیلینگ
در این فرآیند، فلز زیر دمای بحرانی فلز یا بسیار نزدیک به آن گرم می شود، مدتی در این دما نگه داشته می شود و سپس به آرامی سرد می شود. فرآیند آنیلینگ برای فولاد در دمای بین 260 تا 760 درجه سانتی گراد انجام می شود. در روش بازپخت، کریستال تبدیل فاز وجود ندارد. این روش اغلب در بخش های ورق و سیم و همچنین در فولادهای سرد کار استفاده می شود. آنیل زیر بحرانی یا میانی نام های دیگری برای آنیلینگ فرآیندی است. فولاد کم کربن کاندیدای خوبی برای این روش است.
3- آنیل تنش زدایی
در بازپخت تنش زدایی، فلز تا دمای پایین تری یعنی حدود 650 درجه حرارت داده می شود و برای مدتی در این دما در کوره نگهداری می شود تا تنش داخلی فلز از بین برود. پس از این، فلز به آرامی سرد می شود. ریخته‌گری‌های بزرگ یا سازه‌های جوش داده شده اغلب دارای تنش‌های داخلی هستند که عمدتاً در نتیجه فرآیندهای خنک‌سازی و تولید ناهموار است. بازپخت کاهش استرس شامل هیچ تغییر فازی نمی شود.
4- آنیلینگ کروی
آنیلینگ کروی فرآیندی است که برای افزایش ماشینکاری فولادهای با کربن بالا و آلیاژی استفاده می شود. در طول بازپخت کروی، فولاد تا دمای کمتر از A1 (درجه حرارتی که در آن واکنش یوتکتوئیدی رخ می دهد) گرم می شود، مدتی در آنجا نگهداری می شود و سپس به آرامی سرد می شود. مدت زمان نگهداری بین 15 تا 25 ساعت است. فولاد یوتکتوئید و هایپریوتکتیک شامل فولاد ابزار کربنی، فولاد ابزار آلیاژی، فولاد بلبرینگ و غیره کاربردهای اولیه آن است. ساختار داخلی فولاد با این روش بهبود می یابد. این کار با دو روش قابل انجام است:
- این ماده کمی بالاتر از دمای بحرانی پایین‌تر خود یعنی حدود 700 درجه گرم میشود، جایی که ساعت‌ها قبل از خنک شدن نگه داشته میشود.
- به طور متناوب ماده را بین محدوده های بالاتر و پایین تر از دمای بحرانی پایین تر گرم و سرد کنید.
گرمایش کروی در درجه اول برای افزایش ماشینکاری فولاد استفاده می شود. این روش ضمن کاهش سختی و ساختار یکنواخت، ماده را برای کوئنچ آماده می کند.
5- بازپخت فولاد به روش همدما
فولاد در طول فرآیند بازپخت همدما بالاتر از حداکثر دمای بحرانی گرم می شود. فولاد هنگامی که بالاتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود، به سرعت به ساختار آستنیت تبدیل می شود. سپس فولاد تا دمای بین 600 تا 700 درجه سانتیگراد کمتر از دمای بحرانی پایین تر سرد می شود. برای خنک کردن چیزها از تکنیک های سرمایش اجباری استفاده می شود. به منظور ایجاد یک ساختار همگن در ماده، این دما برای مدت زمان از پیش تعیین شده حفظ می شود. فولادهای کم کربن و آلیاژی معمولاً تحت روش بازپخت همدما قرار می گیرند تا قابلیت ماشین کاری آنها افزایش یابد.
6- بازپخت انتشار
آنیل دیفیوژن نام این روش است زیرا در طی این فرآیند آهن و کاربید با یکدیگر پخش می شوند. فولاد بالاتر از دمای بحرانی بالا گرم می شود زیرا انتشار به دمای بیشتری نیاز دارد. تقریباً بین 1000 تا 1200 درجه سانتیگراد است. در این روش گرما تقریباً 10 تا 15 ساعت حفظ می شود. پس از بازپخت انتشاری، بافت با بازپخت کامل و نرمال سازی پالایش می شود.
این روش برای جداسازی قطعات ریخته گری و شمش فولاد آلیاژی قابل توجه از فولاد با کیفیت بالا استفاده می شود.
7- آنیلینگ ناقص
در این فرآیند بازپخت ناقص، فولاد تا دمای بحرانی بالاتر گرم می شود. فرآیند عملیات حرارتی با خنک سازی آهسته پس از عایق کاری حرارتی به دست می آید. این فرآیند عمدتاً برای به دست آوردن بافت‌های پرلیت کروی برای فولاد هایپریوتکتوئید برای از بین بردن تنش داخلی، کاهش سختی و بهبود ماشینکاری استفاده میشود.
مراحل فرایند آنیل کردن
فرایند آنیل کردن در چند مرحله انجام میشود که عبارتند از:
- گرم کردن: مواد به دمای مورد نظر برای آنیل کردن گرم می‌شوند. این دما معمولاً بالاتر از دمای نقطه انطباق (Recrystallization) مواد است و برای هر نوع فلز و آلیاژ ممکن است متفاوت باشد.
- نگه داشت (Soaking): مواد در دمای آنیل کردن حفظ می‌شوند تا تغییرات ساختاری و تغییرات خواص مکانیکی به صورت کامل رخ دهد.
- خنک کردن: پس از اتمام مرحله نگه داشت، مواد به آرامی خنک می‌شوند. این عمل باعث کاهش تنش‌های داخلی مواد میشود و مواد را به حالت آرام تری می‌آورد.
تاثیر آنیل کردن بر خواص مواد
آنیل کردن تأثیرات متعددی بر خواص مواد دارد که عبارتند از:
*کاهش سختی: آنیل کردن باعث کاهش سختی مواد میشود و مواد را نرم و قابل انعطاف می‌کند.
*افزایش قابلیت پذیری: با کاهش سختی، مواد قابلیت پذیری بیشتری را نسبت به تغییر شکل و فرم‌پذیری نشان می‌دهند.
*تغییر ساختار داخلی: آنیل کردن باعث تغییر ساختار داخلی مواد میشود و ساختار بلوری را از ساختار بلوری سنتزی به ساختار بلوری توده‌ای تغییر می‌دهد. این تغییرات ساختاری می‌تواند بهبود قابلیت پذیری و مقاومت به خستگی مواد را ایجاد کند.
*کاهش تنش‌ها: آنیل کردن باعث کاهش تنش‌های داخلی مواد میشود و مواد را به حالت آرام‌تری می‌آورد.
*بهبود خواص مکانیکی: آنیل کردن می‌تواند خواص مکانیکی مواد را بهبود بخشیده و استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت به خستگی را افزایش دهد. این امر به علت تغییر ساختار داخلی و از بین بردن تنش‌ها در مواد اتفاق می‌افتد.
*حذف ترک‌ها و دیسلوژی‌ها: آنیل کردن می‌تواند ترک‌ها و دیسلوژی‌ها (عیوب مواد) را حذف کند یا بهبود بخشد. این امر به دلیل تغییرات ساختاری در مواد و بازسازی بلورها و در نتیجه کاهش تراوشی‌های داخلی مواد اتفاق می‌افتد.
*افزایش مقاومت به اکسیداسیون: آنیل کردن می‌تواند مواد را در برابر اکسیداسیون (اکسید شدن) مقاوم‌تر کند. این اثر به دلیل کاهش تنش‌ها و حذف ترک‌ها و تراوشی‌ها در ساختار مواد رخ می‌دهد.
*بهبود تراکم و هموژنیته: آنیل کردن مواد بهبود تراکم و هموژنیته آنها را به همراه دارد. این امر می‌تواند خواص مکانیکی و مقاومت مواد را بهبود دهد.
*کنترل ابعاد و شکل‌دهی: آنیل کردن می‌تواند به کنترل ابعاد و شکل‌دهی قطعات و قطعات فولادی کمک کند. با کاهش تنش‌ها و افزایش قابلیت فرم‌پذیری مواد، قطعات به راحتی قابل شکل‌دهی خواهند بود.
ویژگی های آنیل کردن
در فرایند کار با دمای پایین و سرد امکان سختی فلز افزایش می یابد که این امر سبب می شود که فلز یا قطعه فولادی دچار ترک یا شکست خوردگی شود برای جلوگیری از این حالت از عملیات آنیلینگ در فلز یا محصول فولادی استفاده می شود. علاوه بر موارد فوق از دیگر ویژگی های آنیلینگ کردن می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سبب بهبود قابلیت ماشینکاری می شود.
- سختی فلز کاهش می یابد.
- انعطاف پذیری و کارپذیری قطعه افزایش می یابد.
- سبب کاهش تنش و ایجاد ساختاری یکنواخت می شود.
کاربردهای آنیل کردن
صنعت فولادسازی: در صنعت فولادسازی، آنیل کردن برای کاهش سختی و تغییر ساختار داخلی فولادها استفاده میشود. این فرایند در تولید قطعات فولادی پیچیده و قطعاتی که نیاز به شکل‌دهی دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
صنعت خودروسازی: در صنعت خودروسازی، آنیل کردن برای کاهش سختی قطعات فلزی، بهبود خواص مکانیکی و افزایش قابلیت پذیری آنها استفاده میشود. این فرایند در تولید قطعات موتور، قطعات فلزی بدنه خودرو و سیستم‌های تعلیق مورد استفاده قرار بگیرد.
صنعت فضایی: در صنعت فضایی، آنیل کردن برای تقویت و بهینه‌سازی قطعات فلزی استفاده میشود. این فرایند می‌تواند خواص مکانیکی قطعات را بهبود دهد و آنها را در مقابل شرایط سخت فضا مقاومت‌پذیرتر کند.
صنایع الکترونیک: در تولید قطعات الکترونیکی، آنیل کردن برای بهبود خواص مواد و بهبود عملکرد قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرایند می‌تواند مقاومت الکتریکی و حرارتی قطعات را افزایش داده و کیفیت و عمر مفید آنها را بهبود بخشد.
صنعت آلومینیوم: در تولید قطعات آلومینیومی، آنیل کردن استفاده میشود تا خواص مکانیکی و مقاومت قطعات را بهبود بخشد. این فرایند می‌تواند آلومینیوم را به سختی و قابلیت شکل‌دهی مناسب تری برساند و خسارت‌های ناشی از روشن شدن قطعات را کاهش دهد.
صنعت مواد پلیمری: در تولید قطعات و محصولات پلیمری، آنیل کردن برای بهبود خواص مکانیکی و حرارتی مواد استفاده میشود. این فرایند می‌تواند قوت و استحکام قطعات پلیمری را افزایش داده و از تغییر شکل غیر مطلوب در شرایط دمایی مختلف جلوگیری کند.
صنعت شیشه‌سازی: در برخی موارد، آنیل کردن در صنعت شیشه‌سازی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرایند می‌تواند تنش‌ها و دیسلوژی‌های موجود در شیشه را حذف کند و مقاومت آن را در برابر تغییرات حرارتی و مکانیکی بهبود دهد.
مزایای آنیلینگ فولاد و فلزات
- آنیل کردن فلز را نرم تر می کند.
- تنش های حرارتی ناشی از اختلاف دما را کاهش می دهد.
- ماشینکاری فولاد را افزایش و تقویت می کند.
- در نتیجه فلز انعطاف پذیرتر می شود.
- بازپخت استحکام کششی فلز را افزایش می دهد.
- یکنواختی فلز را افزایش می دهد.
- فولاد دارای اندازه ذرات ریزتر است.
- بازپخت فولاد را برای عملیات حرارتی اضافی آماده می کند.
- باعث ایجاد یک زیرساخت خاص می شود.
معایب آنیلینگ
- اشکال اصلی آنیل این است که برای حفظ یکنواختی در سراسر قسمت قطعه فلزی، به کنترل دقیق دما در طول چرخه های گرمایش و سرمایش نیاز دارد. واین به این معناست که برای جلوگیری از شوک حرارتی باید با احتیاط انجام شود، که اگر اشتباه انجام شود می تواند منجر به شکستگی شود.
- برخی از مواد ممکن است برای حصول بهترین نتایج و محصول به چرخه های متعدد نیاز داشته باشند که این موجب افزایش زمان و هزینه انجام این عملیات می شود.
- آنیل ممکن است روی همه مواد موثر نباشد.
- بازپخت می تواند باعث نقص شود.
- بازپخت ممکن است خواص یک ماده را تغییر دهد.
جمع بندی
در کل، آنیل کردن یک فرایند حرارتی مهم است که در صنایع مختلف نقش مهمی در بهبود خواص مواد و قطعات ایفا می‌کند. با تغییر ساختار داخلی مواد، آنیل کردن قابلیت‌ها و کارایی آنها را بهبود می‌بخشد و به تولید قطعات با کیفیت و عمر مفید بیشتر کمک می‌کند. در صورت نیاز به آگاهی از قیمت انواع ورق های فولادی می توانید با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید. شرکت بازرگانی پلیت استیل یک از تامین کنندگان انواع ورق های فولادی آماده پاسخگویی به شما عزیزان می باشد.
