تطبيع الفولاذ - العملية، درجة الحرارة، البنية المجهرية والتطبيق

فولاذ التطبيع تُعد إحدى العمليات الأساسية المعالجة الحرارية للصلبيهدف هذا الإجراء بشكل أساسي إلى تحقيق بنية مجهرية أكثر تجانسًا ودقة، والحد من آثار العمليات التكنولوجية السابقة، وإعداد المادة لمزيد من المعالجة الحرارية أو الميكانيكية. قد تؤثر عملية التطبيع على قوة وصلابة ومقاومة الصدمات وليونة وقابلية تشغيل الفولاذ، ولكن مدى هذه التغييرات يعتمد بشكل أساسي على محتوى الكربون وعناصر السبائك والبنية الأولية للمادة.
تتضمن هذه العملية تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة تضمن الوصول إلى درجة الأوستنة المطلوبة، ثم تسخين المادة عند تلك الدرجة، ثم تبريدها في هواء ساكن. تُعدّ طريقة التبريد أحد الفروق الأساسية بين التطبيع والتلدين الكامل. التبريد بالهواء أسرع من التبريد في الفرن، مما يؤثر على حجم الحبيبات والبنية المجهرية الناتجة.
تُستخدم عملية التطبيع بشكل أساسي للفولاذ غير المخلوط والفولاذ منخفض السبائك. ويمكن إجراؤها كمعالجة حرارية نهائية للمكون أو كعملية وسيطة تسبق عمليات أخرى مثل التصليد أو المعالجة الحرارية أو التشغيل الآلي.

ما هو تطبيع الفولاذ؟

أثناء عملية التطبيع، يُسخّن الفولاذ إلى نطاق الأوستنيت المناسب لتركيبه الكيميائي. وخلال عملية التسخين، تحدث تحولات تؤدي إلى تكوين الأوستنيت وتجانس البنية. ثم يُخرج العنصر من الفرن ويُبرّد في الهواء.
أثناء التبريد، يخضع الأوستنيت لتحولات تؤدي - تبعًا لتركيب الفولاذ ومعدل التبريد - بشكل أساسي إلى تكوين بنى فيريتية-بيرليتية أو بيرليتية. في سبائك الفولاذ، قد تكون عملية التحول أكثر تعقيدًا، حيث تؤثر عناصر السبائك على قابلية التصليد وحركية تحولات الطور.
تعتبر عملية التطبيع مفيدة بشكل خاص بعد العمليات التي قد تؤدي إلى بنية غير متجانسة أو خشنة الحبيبات، مثل التشكيل أو الدرفلة الساخنة أو الصب.

الغرض من تطبيع الفولاذ

يمكن أن تخدم عملية التطبيع أغراضاً تقنية متعددة. ويعتمد الغرض الدقيق من هذه العملية على نوع الفولاذ وحالة المادة والاستخدام المقصود منها.
تشمل أهم أهداف التقييس ما يلي:

• تكرير الحبوب - يسمح إجراء عملية الأوستنة بشكل صحيح والتبريد اللاحق بالحصول على بنية ذات حبيبات أدق،
• تجانس البنية المجهرية - خاصة بعد عمليات التشكيل والدرفلة والصب وغيرها من العمليات التي تتطلب درجات حرارة عالية،
• تحسين الخواص الميكانيكية - يمكن أن تؤدي عملية التطبيع إلى زيادة القوة والصلابة مقارنة بالحالة الملدنة بالكامل، مع الحفاظ على الليونة المفيدة وقوة الصدم.
• الحد من الآثار الضارة للعلاج السابق – بما في ذلك عدم التجانس الهيكلي والنمو المفرط للحبوب،
• تحضير الفولاذ لمزيد من المعالجة الحرارية – على سبيل المثال، التصلب أو التحسين الحراري،
• تحضير المواد للتصنيع – في بعض أنواع الفولاذ، يمكن للبنية المناسبة بعد عملية التطبيع أن تحسن ظروف المعالجة اللاحقة.
• الحصول على خصائص أكثر تجانسًا في المقطع العرضي للعنصر – وهذا الأمر مهم بشكل خاص في حالة المشغولات المطروقة والمصبوبة والمنتجات نصف المصنعة بعد المعالجة الساخنة.

العوامل المؤثرة على فعالية تطبيع الفولاذ

تعتمد الخصائص النهائية للفولاذ بعد عملية التطبيع على دورة المعالجة الحرارية بأكملها. حتى عند نفس درجة الحرارة، يمكن أن تتطور درجتان من الفولاذ بُنى مجهرية وخصائص مختلفة عند التبريد بالهواء.

درجة حرارة تطبيع الفولاذ

لا تُعتبر درجة حرارة التطبيع ثابتة لجميع أنواع الفولاذ، بل يتم اختيارها بناءً على التركيب الكيميائي للمادة ودرجات الحرارة الحرجة المرتبطة بتحولات الطور.
بالنسبة للفولاذ ناقص اليوتكتويد، أي الفولاذ الذي يحتوي على نسبة كربون أقل من التركيب اليوتكتويدي، يتم إجراء عملية التطبيع بشكل عام فوق درجة الحرارة الحرجة. Ac3من الناحية العملية، تكون درجة حرارة العملية عادةً أعلى بما يكفي من Ac3 لضمان الأوستنة المناسبة للمادة.
في حالة الفولاذ فوق اليوتكتويدي، تتطلب قواعد اختيار درجة الحرارة مراعاة الخط ACM والبنية المجهرية المتوقعة. لذلك، فإن تحديد نطاق واحد، على سبيل المثال، 800-950 درجة مئوية، لجميع أنواع الفولاذ هو مجرد تبسيط مفرط.
ينبغي تحديد درجة حرارة التطبيع الفعلية لنوع معين من الفولاذ بناءً على خصائص مادته، والمعيار ذي الصلة، والوثائق التكنولوجية، أو توصيات الشركة المصنعة.

تطبيع الفولاذ - مخطط العملية

يمكن تقسيم عملية التطبيع إلى ثلاث مراحل أساسية: التسخين والتلدين والتبريد.

1. التسخين

يُسخّن المكون إلى درجة حرارة التطبيع المناسبة لنوع الفولاذ المُستخدم. يجب أن يُراعي معدل التسخين حجم المكون، وشكله الهندسي، وسُمك مقطعه العرضي، وموصليته الحرارية. بالنسبة للأجزاء الكبيرة أو المعقدة، قد يؤدي التسخين السريع جدًا إلى تدرجات حرارية كبيرة وما يصاحبها من إجهادات حرارية.

2. التسخين

بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة، تُسخّن المادة لفترة زمنية كافية لضمان تساوي درجة الحرارة في جميع أنحاء المقطع العرضي، وللسماح بالتحولات الهيكلية اللازمة. يعتمد وقت التسخين على أبعاد المكون وكتلته ونوع الفولاذ وطريقة التسخين ونوع الفرن.
لا ينبغي اعتبار العلاقة البسيطة بين الزمن وسماكة المكونات (بالملليمترات) قاعدة عامة لجميع المكونات. في التكنولوجيا الصناعية، يجب تحديد معايير خاصة بكل مادة وجزء.

3. التبريد بالهواء

بعد عملية التلدين، يتم تبريد المكون بالهواء. ويكون التبريد أسرع من التبريد أثناء عملية التلدين الكاملة التقليدية، حيث يبرد المعدن ببطء داخل الفرن. ويؤثر هذا الاختلاف في معدل التبريد على تحول الأوستنيت والبنية المجهرية النهائية للمادة.
تلعب ظروف التبريد دورًا أيضًا. فحجم المكونات، ودرجة الحرارة المحيطة، وحركة الهواء، واتجاه المكونات، كلها عوامل تؤثر على معدل تبديد الحرارة الفعلي.

البنية المجهرية للفولاذ بعد التطبيع

من أهم آثار عملية التطبيع تعديل البنية المجهرية للفولاذ. ففي أنواع الفولاذ ناقصة اليوتكتويد النموذجية، تُنتج عملية التطبيع المُطبقة بشكل صحيح بنيةً تحتوي على الفريت والبيرلايت. ومع ازدياد نسبة الكربون، تزداد نسبة البيرلايت.
بالمقارنة مع التبريد البطيء أثناء التلدين الكامل، فإن البنية الناتجة أثناء التطبيع تكون عادةً أدق. ويمكن أن تؤدي بنية البيرلايت الدقيقة وحجم الحبيبات المناسب إلى زيادة قوة وصلابة المادة.
ومع ذلك، فإن البنية المجهرية النهائية لا تعتمد فقط على درجة حرارة التطبيع، ولكن أيضًا على:

• محتوى الكربون،
• نوع ومحتوى عناصر السبائك،
• حجم حبيبات الأوستنيت،
• مدة التسخين،
• أبعاد العنصر،
• معدلات التبريد،
• البنية المجهرية للمادة قبل التطبيع.

تأثير التطبيع على الخواص الميكانيكية للفولاذ

يمكن أن تؤثر عملية التطبيع بشكل كبير على الخواص الميكانيكية للفولاذ، لكن مقدار هذه التغييرات يعتمد على تركيبه وحالته الأولية. لذا، لا ينبغي اعتبار هذه العملية طريقةً عامةً تُنتج نتائج متطابقة في جميع أنواع الفولاذ.

قوة الشد

تؤدي البنية المجهرية الدقيقة التي يتم الحصول عليها بعد عملية التطبيع إلى زيادة في مقاومة الشد مقارنةً بالفولاذ المُلدّن بالكامل. ويعتمد هذا التأثير، من بين عوامل أخرى، على محتوى الكربون وعناصر السبائك.

Granica plastyczności

يمكن أن تؤثر التغيرات في البنية المجهرية وتحسين الحبيبات أيضًا على مقاومة الخضوع. وتُعد هذه الخاصية ذات أهمية خاصة بالنسبة للفولاذ الإنشائي المُستخدم في المكونات الحاملة للأحمال.

صلابة

يتميز الفولاذ المُعالَج حرارياً بالتطبيع بصلابة أعلى من الفولاذ المُعالَج حرارياً بالكامل، وذلك لأن التبريد الأسرع يُعزز تكوين بنية أدق. مع ذلك، لا يُحقق التطبيع الصلابة المميزة للفولاذ المارتنسيتي المُصلَّد بشكل صحيح.

قوة الصدم والليونة

يمكن لتحسين بنية الحبيبات وتجانسها أن يؤثر إيجاباً على مقاومة الصدمات وسلوك المادة تحت تأثير الأحمال. ومع ذلك، لا يمكن تحديد التأثير المحدد دون مراعاة نوع الفولاذ ومعايير التصنيع.

قابلية التصنيع

لا يكون تأثير التطبيع على قابلية التشغيل متماثلاً لجميع أنواع الفولاذ. ففي الفولاذ منخفض الكربون، قد تُحسّن زيادة طفيفة في الصلابة من تكوين الرايش وتقلل من ليونة المادة المفرطة. وفي حالات أخرى، قد يكون التلدين اللين أو التلدين الكروي قبل التشغيل أكثر فائدة.

التطبيع مقابل التلدين

التطبيع والتلدين عمليتان تتضمنان تسخين وتبريد الفولاذ بشكل متحكم فيه، لكنهما يختلفان بشكل أساسي في ظروف التبريد والبنية المجهرية الناتجة.
بعد عملية التطبيع، يُبرّد الفولاذ عادةً في الهواء، بينما خلال عملية التلدين الكامل، يكون التبريد أبطأ بكثير ويحدث عادةً بالتزامن مع الفرن. ونتيجةً لذلك، يتميز الفولاذ المُطَبَّع عادةً ببنية أدق وصلابة وقوة أعلى من الفولاذ المُلدَّن بالكامل.
إذا كان الهدف الرئيسي هو تقليل الإجهادات المتبقية دون تغيير بنية المادة بشكل جذري، التلدين لتخفيف الإجهاد.

التطبيع والتصلب

تصلب الفولاذ يختلف هذا الأسلوب عن التطبيع بشكل أساسي في معدل التبريد والتأثير البنيوي المطلوب. أثناء التصليد، يكون الهدف هو تبريد الأوستنيت للحصول على بنية عالية الصلابة، وغالبًا ما تحتوي على نسبة كبيرة من المارتنسيت.
تعتمد عملية التطبيع على التبريد الهوائي البطيء، ولا تُستخدم لتكوين بنية مارتنسيتية في أنواع الفولاذ الكربوني التقليدية. مع ذلك، يمكن أن تكون خطوةً في تحضير المادة لعمليات التصليد أو المعالجة الحرارية اللاحقة.

التطبيع مقابل التخلي

ترك هي عملية تُجرى عادةً بعد التصليد. والغرض منها هو تعديل بنية الفولاذ المتصلد وتحقيق المزيج المطلوب من الصلابة والقوة والمتانة.
أما عملية التطبيع، من ناحية أخرى، فيمكن أن تكون معالجة حرارية مستقلة أو خطوة لتحضير المادة لعمليات لاحقة. ولذلك، فإن لكلتا العمليتين أهدافًا تقنية مختلفة.

التلدين لتطبيع وتخفيف الإجهاد

تؤدي عملية التطبيع إلى تحويل الفولاذ إلى حالة الأوستنة، ثم إلى تكوين بنية مجهرية جديدة عند التبريد. أما عملية التلدين لتخفيف الإجهاد، فتُجرى عند درجة حرارة منخفضة، وتهدف أساسًا إلى تقليل الإجهادات المتبقية مع تقليل تأثيرها على البنية المجهرية الأساسية وخواص المادة.

التطبيع وطرق أخرى للمعالجة الحرارية للصلب

تختلف عمليات التطبيع والتلدين والتصليد والتطبيع في درجة حرارة المعالجة وطريقة التبريد والتأثير المطلوب. يلخص الجدول أدناه الاختلافات الرئيسية بين هذه العمليات.

تطبيع درجات الصلب المختلفة

الفولاذ الإنشائي غير المخلوط

تُستخدم عملية التطبيع على نطاق واسع في صناعة الفولاذ الإنشائي غير المخلوط. ويمكن تطبيق هذه العملية بعد الدرفلة أو التشكيل أو الصب لتحسين وتجانس البنية وتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة.

Stale węglowe

في الفولاذ الكربوني، يرتبط تأثير التطبيع ارتباطًا وثيقًا بمحتوى الكربون. فمع ازدياد محتوى الكربون، يزداد محتوى البيرلايت، وتتغير صلابة المادة وقوتها وليونتها. وتشمل مجموعة الفولاذ ذات المحتوى الكربوني المرتفع فولاذ الزنبرك C55S وC67S وC75S وC85S وC100S.

الفولاذ منخفض السبائك

في حالة الفولاذ منخفض السبائك، يجب مراعاة تأثير الكروم والموليبدينوم والنيكل والمنغنيز وعناصر أخرى على التحولات التي تحدث أثناء التبريد. وتعني قابلية التصلب المتزايدة لبعض الأنواع أن سلوك الفولاذ أثناء التبريد بالهواء قد يختلف اختلافًا كبيرًا عن سلوك الفولاذ الكربوني العادي.

الفولاذ عالي السبائك

لا ينبغي تطبيق مفهوم التطبيع تلقائيًا على جميع أنواع الفولاذ عالي السبائك. بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ المقاوم للحرارة، وفولاذ الأدوات، وأنواع الفولاذ الخاصة الأخرى، تُطبق معالجات حرارية مناسبة للمجموعة والدرجة المحددة. ويجب أن تستند المعايير دائمًا إلى البنية المجهرية وخصائص المادة المطلوبة.

تطبيع المشغولات المطروقة

تُعدّ عملية التطبيع ذات أهمية خاصة في إنتاج الأجزاء المطروقة. فخلال عملية التشكيل، يتعرض الفولاذ لدرجات حرارة عالية وتشوه لدني كبير، وقد يكون التركيب الناتج غير منتظم.
تُحسّن عملية التطبيع المُختارة بعناية بنية الحبيبات وتُوحّد البنية المجهرية للمُشكّل. وبحسب نوع المادة، قد تكون هذه المرحلة هي المرحلة النهائية للمعالجة الحرارية أو مرحلة تحضيرية للتصليد والتطبيع.

تطبيع مصبوبات الصلب

في مصبوبات الصلب، يمكن استخدام التطبيع لتعديل البنية المتكونة أثناء التصلب والتبريد. وقد تُظهر المصبوبات، وخاصة تلك ذات المقاطع العرضية الكبيرة، تباينًا كبيرًا في البنية المجهرية وحجم الحبيبات.
تتيح عملية التطبيع الحصول على بنية أكثر تجانسًا في الدرجات المناسبة، كما أنها تهيئ المسبوكات لمزيد من العمليات التكنولوجية.

التطبيع بعد التشكيل والدرفلة

تؤثر الظروف خلال مرحلة التشكيل أو الدرفلة النهائية تأثيراً كبيراً على البنية المجهرية للمنتج نصف المصنّع. فإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة أو تم تبريد المادة بشكل غير منضبط، فقد يحدث نمو مفرط للحبوب أو عدم تجانس بنيوي.
يمكن أن يكون التطبيع في مثل هذه الحالات بمثابة معالجة تحضيرية، مما يؤدي إلى بنية أكثر قابلية للتنبؤ قبل إجراء المزيد من المعالجة الحرارية أو الميكانيكية.

تطبيق تطبيع الفولاذ

تُستخدم عملية التطبيع بشكل أساسي عندما يكون من الضروري تجانس البنية المجهرية، أو تحسين الحبيبات، أو إعداد المادة لمراحل الإنتاج اللاحقة.
تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• المشغولات المطروقة والعناصر المطروقة،
• مصبوبات فولاذية،
• الأعمدة والمحاور،
• عناصر الآلات والأجهزة،
• الأجزاء الهيكلية،
• المنتجات نصف المصنعة بعد الدرفلة على الساخن،
• العناصر المُجهزة للتصليد والتطبيع،
• الأجزاء التي تخضع لمزيد من عمليات التشغيل الآلي.

مزايا تطبيع الفولاذ

• إمكانية سحق الحبوب،
• تجانس البنية المجهرية،
• تحسين بعض الخصائص الميكانيكية المختارة،
• القدرة على تحضير المادة لعمليات المعالجة الحرارية اللاحقة،
• طريقة بسيطة نسبياً لتبريد الهواء،
• يمكن استخدامه بعد عمليات التشكيل والدرفلة والصب.
• الحصول على صلابة وقوة أعلى مما هو عليه بعد التلدين الكامل النموذجي في العديد من أنواع الفولاذ الكربوني.

عيوب ومحدوديات التطبيع

• هذه العملية غير مناسبة لكل أنواع الفولاذ،
• قد يتسبب التبريد بالهواء في اختلافات في معدلات التبريد في العناصر ذات المقاطع العرضية الكبيرة أو المتغيرة،
• من الممكن تشويه العناصر ذات الهندسة المعقدة،
• لا توفر عملية التطبيع الصلابة المميزة لعملية التصليد.
• ليست عملية تهدف في المقام الأول إلى إزالة الإجهادات المتبقية إلى أقصى حد،
• في الفولاذ ذي قابلية التصلب المتزايدة، قد يؤدي التبريد في الهواء إلى هياكل مختلفة عن تلك الموجودة في الفولاذ الكربوني النموذجي.
• يمكن أن تؤدي درجة الحرارة غير الصحيحة إلى نمو مفرط للحبوب وتدهور خصائص المادة.

على ماذا يعتمد تأثير التطبيع الصحيح؟

تعتمد فعالية عملية التطبيع على الاختيار الصحيح للدورة التكنولوجية بأكملها، وليس فقط على درجة الحرارة القصوى. يجب مراعاة نوع الفولاذ، وتركيبه الكيميائي، وبنيته الأولية، وأبعاد وشكل المكونات، ومعدل التسخين، ودرجة حرارة ووقت الأوستنة، وظروف التبريد الفعلية.
من المهم بشكل خاص تجنب درجات الحرارة المرتفعة للغاية أو فترات النقع الطويلة جدًا، لأن ذلك قد يؤدي إلى نمو حبيبات الأوستنيت. في المقابل، قد تمنع درجات الحرارة غير الكافية أو فترات النقع القصيرة جدًا تحقيق التجانس الهيكلي المطلوب.
فولاذ التطبيع هي عملية معالجة حرارية تتضمن تسخين المادة إلى نطاق درجة حرارة الأوستنة المناسب، ثم التلدين، ثم التبريد بالهواء. تُستخدم هذه العملية بشكل أساسي لتحسين بنية الحبيبات، وتجانس البنية المجهرية، والحصول على خصائص مناسبة لمزيد من المعالجة أو الاستخدام.
بالمقارنة مع التلدين الكامل، تعتمد عملية التطبيع على التبريد الأسرع، مما يؤدي إلى بنية أدق وصلابة وقوة أكبر في العديد من أنواع الفولاذ الكربوني. مع ذلك، فهي ليست بديلاً عن التصليد أو التطبيع أو التلدين لتخفيف الإجهاد، إذ تسعى كل من هذه العمليات إلى تحقيق هدف تقني مختلف.

طرق المعالجة الحرارية والكيميائية الحرارية للصلب

التليين هو مجرد مجموعة واحدة من العمليات المستخدمة لتعديل البنية المجهرية وخواص الفولاذ. وبحسب التأثير المطلوب، تُستخدم أيضًا عمليات التطبيع، وتخفيف الإجهاد، والتصليد، والتطبيع الحراري، والعمليات الكيميائية الحرارية مثل الكربنة والنتردة.

طرق المعالجة الحرارية للصلب

• فولاذ التطبيع – تحسين الحبيبات وتوحيد البنية المجهرية.
• تخفيف التوتر عن طريق التلدين – تقليل الإجهادات المتبقية.
• تليين الفولاذ – تقليل الصلابة وتحسين قابلية المعالجة اللاحقة.
• التلدين الكامل – الأوستنة والتبريد البطيء.
• التلدين متساوي الحرارة – عملية تحويل تتم مع الحفاظ على درجة حرارة مختارة بشكل صحيح.
• التلدين الكروي – التكوير – تغيير في شكل السمنتيت أو الكربيدات الأخرى.
• إعادة التبلور بالتلدين – إزالة آثار السحق واستعادة اللدونة.
• التلدين المتجانس – تقليل الفصل بين المواد وتجانس تركيبها.
• التصليد والمعالجة الحرارية – تشكيل البنية المجهرية والخواص عن طريق التصليد والتطبيع.
• فولاذ التصليد – تعديل خصائص الفولاذ بشكل متحكم به بعد التصليد.
• التصلب بالحث - التسخين بالحث السطحي والتبريد السريع.
• التصلب بالنار – تصلب السطح بعد التسخين الموضعي باللهب.
• التشبع الزائد – الحصول على محلول صلب فوق مشبع عن طريق دورة حرارية مناسبة.
• شيخوخة – فصل طوري مُتحكم به يؤدي إلى تقوية المادة.

طرق المعالجة الحرارية الكيميائية للصلب

• نترجة الفولاذ – الإثراء الانتشارى للطبقة السطحية بالنيتروجين.
• فولاذ الكربنة – الإثراء الانتشارى للأسطح بالكربون.
• الكربنة النيتروجينية – إثراء الطبقة السطحية بالكربون والنيتروجين في آن واحد.
• عملية النيتروكربنة / النيتروكربنة – إثراء الطبقة بشكل أساسي بالنيتروجين والكربون.
• حفر – تشبع السطح بالبورون عن طريق الانتشار.
• طلاء الكروم بالانتشار – إثراء الطبقة بالكروم عن طريق الانتشار.
• التألومنيوم بالانتشار – إثراء الطبقة بالانتشار في الألومنيوم.