عملیات حرارتی پیچ و مهره ها

عملیات حرارتی که جهت بهبود خواص مکانیکی پیچ و مهره ها انجام می شود در واقع یک عملیات پیچیده است که کلیه متغیر ها همواره باید مورد کنترل قرار گیرند. عملیات حرارتی در صورتیکه بصورت کنترل شده و مهندسی انجام گیرد به عنوان یکی از تاثیر گذارترین روش ها در بهبود سختی و تنسایل پیچ و مهره ها همواره مطرح بوده است.

عملیات حرارتی چیست؟

زمانیکه بحث از عملیات حرارتی پیچ و مهره ها به میان می آید تنها یک پارامتر نسبت به دیگر خواص مکانیکی پیچ بزرگ نمایی می شود و آن سختی پیچ و مهره است که به روش های راکول، برنیل و ویکرز اندازه گیری می شود. شاید بد نباشد که این مفهوم را اندکی گسترده کنیم و در نظر داشته باشیم که عملیات حرارتی نه تنها به منظور سخت کردن بلکه به منظور افزایش چقرمگی پیچ و مهره هایی که در مراحل قبل تولید سخت و نرمالایز شده اند نیز می باشد. آنچه طی عملیات حرارتی برای فلزات و پیچ و مهره ها اتفاق می افتد و مطلوب است عبارت است از:

تنش زدایی تنش های مختلفی که در مراحل مختلف تولید پیچ و مهره بوجود آمده است.

ریز شدن دانه بندی های ساختاری

ایجاد یک لایه بسیار مقاوم سطحی

افزایش مقاومت سایشی سطحی

جهت گیری یکنواخت الکترونهای داخلی و بهبود خواص مغناطیسی و الکتریکی فلز

افزایش خاصیت جذب ضربه با یکنواخت شدن ساختار فولاد

کاهش نقاط تمرکز تنش در ساختار فلز

مراحل عملیات حرارتی عبارتند از:

1. نرمالایزینگ

2. آنیلینگ

3. تنش زدایی

4. سخت کاری سطحی

5. خنک کاری

6. گرمایش مجدد

از آنجا که استاندارد های مختلف پیچ و مهره مشخصات فیزیکی و ترکیبات شیمیایی مختلفی دارند مراحل انجام عملیات حرارتی چه از نظر دمای اعمالی و مدت زمان اعمال دما برای آنها متفاوت می باشد. در برخی استاندارد ها بنا به تعریف استاندارد و کاربری پیچ و مهره های آن استاندارد مقاومت در برابر ضربه در دماهای بسیار پایین اهمیت ویژه ای دارد ASTM A320 L7 حال آنکه در برخی دیگر از استاندارد ها بالا بودن تنسایل از ارجحیت برخوردار استASTM A490

فرایند نرمالایزینگ

این فرایند برای فولاد هایی که کمتر از 4 درصد کربن دارند و به منظور کاهش تردی آنها از طریق ریز کردن دانه بندی ساختار فلز انجام می شود. در این فرایند پیچ و مهره تا دمای آستنیته شدن که حدود 20-50 درجه کلوین بالاتر از دمای بحرانی است گرم شده و سپس در دمای محیط و با هوادهی سرد می شود. عملیات نرمالایزینگ برای فلزات بطور کلی آنها را برای عملیات ماشین کاری آماده کرده و در صورتیکه عملیات حرارتی دیگری نیز روی فلز و یا پیچ و مهره مورد نیاز باشد این فرایند فلز را به حالت استیبل می رساند.

فرایند آنیلینگ

فرایند آنیلینگ به منظور افزایش خاصیت چکش خواری فلز و عدم شکست آن طی عملیات سرد کاری در مراحل بعد انجام می شود. در عملیات آنیلینگ پیچ و مهره تا دمای 260 الی 760 درجه سانتی گراد بسته به نوع استاندارد و ترکیب شیمیایی اولیه گرم شده و برای مدتی در این دما نگه داشته می شود و سپس طبق سرعت استاندارد متناسب با نوع استاندارد خنک کاری می شود. فرایند آنیلینگ در دمایی حدود 90 درجه سانتی گراد پایینتر از دمای نرمالایزینگ انجام می شود و حاصل آن فلز پیچ و مهره با ساختار داخلی یکنواخت با دانه های ریز و چکش خواری مناسب و مقاوم در برابر شکست حاصل از عملیات سرد کاری است

عملیات تنش زدایی

پیچ و مهره ها طی عملیات تولید در مراحل مختلفی چون برش مفتول، پخ زنی، ظربه ایجاد یقه گل، پرس گل، فورج و … دچار تنش هایی میشوند که در داخل قطعه کار نا همگونی هایی را بوجود می آورد. عملیات تنش زدایی که با گرم کردن پیچ و مهره تا دمای 600 درجه سانتی گراد و خنک کردن تدریجی تا دمای محیط – تمام سطح پیچ و مهره باید بصورت یکنواخت سرد شده و این سرد شدن تا رسیدن مغز پیچ و مهره تا دمای محیط ادامه پیدا می کند – ادامه پیدا میکند. این فرایند تنش های داخلی را آزاد کرده و ساختار پیچ و مهره به حالت پایدار می رسد.

عملیات سخت کاری سطحی

این عملیات که با نام کربوراسیون نیز خوانده میشود در واقع شامل حرارت دادن فلز تا دمای 850-950 درجه سانتی گراد و قراردادن فلز پیچ و مهره در معرض کربن به شکل منوکسید کربن و یا ذغال به منظور جذب سطحی کربن و بالا رفتن سختی سطحی پیچ و مهره انجام می شود. میزان کربن جذب شده و عمق نفوذ کربن با بالا رفتن دما و افزایش زمان اعمالی بالا می رود که برای استاندارد های مختلف پیچ و مهره متفاوت می باشد. پس از اعمال حرارت پیچ و مهره در دمای محیط سرد می شوند طی این عمل لایه سطحی پیچ و مهره با درصد کربن بالاتر در طی انتقال از آستنیت به مرتنزیت بسیار سخت شده و این در حالی است که لایه های کم کربن داخلی دانه بندی ریز و نرم خود که عامل مقاومت در برابر ضربه است را حفظ می کنند.

عملیات آب زنی و خنک کاری

عملیات خنک کاری سریع به منظور افزایش سختی پیچ و مهره و با حرارت دادن فلز تا دمای 800-900 درجه بسته به نوع استاندارد و خنک کاری سریع آن در آب، روغن، آب نمک و یا محلول های پلیمری انجام می گیرد. بعد از انجام عملیات خنک کاری تنسایت پیچ و مهره به 1500 مگاپاسکال می رسدو این مقاومتی است که بدون انجام عملیات سرمایش سریع بسادگی بدست نمی آید. طی عملیات سردکاری سریع اتم های کربن فرصت پیدا نمی کنند تا با جابجایی به شکل سمنتیت در آیند و در بین لایه های فولادی حبس می شوند. این امر از حرکت نابجایی ها در زمان اعمال تنش جلوگیری کرده و فولاد بسیار سخت می شود.

عملیات حرارت مجدد

این عملیات با حرارت دادن پیچ و مهره تا دمای 200 الی 600 درجه سانتی گراد با توجه به نوع استاندارد و حفظ دما تا یک ساعت و سرمایش تدریجی از طریق هوادهی انجام می شود. در طی این فرایند سختی و نا همگونی نا متعارف در ساختار فلز از بین می رود و تنش های داخلی در ساختار پیچ و مهره حاصل از فرایند سرمایش سریع نیز آزاد می شوند.

پیچ و مهره های خارج شده از مراحل عملیات حرارتی سختی سطحی بسیار بالا و مقاومت سایشی زیاد داشته از طرفی با یکنواخت شدن و ریز شدن دانه های ساختار داخلی در برابر ضربه و شکست مقاومت قابل قبولی دارند.

پیچ و مهره