نظرة شاملة على معالجة الحرارة: المعارف الأساسية والتطبيقات

تعتبر معالجة الحرارة عملية تصنيع أساسية في صناعة المعالجة المعدنية، حيث تحسّن من أداء المواد لتلبية متطلبات هندسية متنوعة. يلخّص هذا المقال المعارف الأساسية لمعالجة الحرارة، ويشمل النظريات الأساسية، ومعايير العمليات، والعلاقات بين البنية الدقيقة والأداء، والتطبيقات النموذجية، والتحكم في العيوب، والتكنولوجيا المتقدمة، وحماية السلامة والبيئة، استنادًا إلى الخبرة الخاصة بالصناعة.

1. النظريات الأساسية: المفاهيم والتصنيفات الأساسية

في جوهرها، تُعد معالجة الحرارة تغييرًا في البنية المجهرية الداخلية للمواد المعدنية من خلال دورات التسخين والاحتفاظ والتبريد، مما يسمح بتعديل خصائص مثل الصلابة والقوة والمرونة.

تندرج معالجة حرارة الفولاذ بشكل أساسي تحت ثلاثة أنواع:

المعالجة الحرارية الشاملة: تشمل عمليات التلدين والتطبيع والتبريد والتسخين - وهي أربع عمليات أساسية تُعدّل البنية المجهرية لقطعة العمل بالكامل.

المعالجة الحرارية السطحية: تركز على خصائص السطح دون تغيير التركيب الكيميائي الداخلي (مثلاً، التبريد السطحي) أو تغيير التركيب الكيميائي للسطح (مثلاً، المعالجة الحرارية الكيميائية مثل التسمنتة والنتريد والتسمنتة النيتروجينية).

العمليات الخاصة: مثل المعالجة الحرارية الميكانيكية والمعالجة الحرارية تحت الفراغ، المصممة لتلبية احتياجات الأداء المحددة.

تتمثل الميزة الرئيسية بين التلدين (Annealing) والتبريد الطبيعي (Normalizing) في أن التلدين يستخدم تبريدًا بطيئًا (تبريد في الفرن أو الرماد) لتقليل الصلابة وإزالة الإجهادات الداخلية، في حين يستخدم التبريد الطبيعي التبريد بالهواء للحصول على بنى مجهرية أدق وأكثر انتظامًا وزيادة طفيفة في القوة. من المهم أن يتم إجراء التبريد (Quenching) -الذي تُستخدم للحصول على بنى مارتنسيتية صلبة- تليه عملية التمدد (Tempering) لتقليل الهشاشة والتوازن بين الصلابة والمطيلولة عن طريق إزالة الإجهادات المتبقية (150–650°م).

2. معايير العملية: العوامل الحاسمة للجودة

يعتمد نجاح المعالجة الحرارية على التحكم الدقيق في ثلاثة معايير أساسية:

2.1 درجات الحرارة الحرجة (Ac₁، Ac₃، Acm)

توفر هذه الدرجات الحرارية إرشادات لدورات التسخين:

Ac₁: درجة الحرارة التي تبدأ عندها عملية تحول البيرلايت إلى أوستنيت.

Ac₃: درجة الحرارة التي يتحول فيها الفريت بالكامل إلى أوستنيت في الفولاذ تحت الإيتيكتويدي.

Acm: درجة الحرارة التي تذوب فيها السيمانتيت الثانوية تمامًا في الفولاذ فوق الإيتيكتويدي.

2.2 درجة حرارة التسخين ومدة الحفظ

درجة حرارة التسخين: يتم تسخين الفولاذ تحت الإيتيكتودي إلى 30–50°م فوق Ac₃ (تام Austenitization)، بينما يتم تسخين الفولاذ فوق الإيتيكتودي إلى 30–50°م فوق Ac₁ (مع الحفاظ على بعض الكاربايدات لمقاومة البلى). تحتاج السبائك إلى درجات حرارة أعلى أو أوقات احتفاظ أطول بسبب انتشار عناصر السبيكة الأبطأ.

وقت الاحتفاظ: ويُحسب بضرب سمك القطعة (ملم) × معامل التسخين (K) - حيث K=1–1.5 للفولاذ الكربوني و1.5–2.5 للفولاذ السبيكي.

2.3 سرعة التبريد ووسط التبريد

تحدد سرعة التبريد التركيب المجهرى:

التبريد السريع (> المعدل الحرجة): يشكل مارتينسايت.

التبريد المتوسط: ينتج بيينيت.

التبريد البطيء: يؤدي إلى بيرلايت أو خليط من الفريت-الأسمنتايت.

يجب أن يوازن وسط التبريد المثالي بين "التبريد السريع لتجنب التليين" و"التبريد البطيء لمنع التشقق". يناسب الماء/الماء المالح الاحتياجات العالية للصلابة (لكن يزيد خطر التشقق)، بينما يُفضل الزيت/محاليل البوليمر للأجزاء ذات الأشكال المعقدة (لتقليل التشوه).

3. العلاقة بين التركيب المجهرى والأداء: العلاقة الجوهرية

يتم تحديد خصائص المواد بشكل مباشر من خلال البنية المجهرية، مع وجود علاقات رئيسية تشمل:

3.1 المارتينزيت

صلب ولكن هش، مع بنية تشبه الإبرة أو الشريط. كلما زاد محتوى الكربون زادت الهشاشة، بينما تقلل الأوستنيت المحتفظة من الصلابة لكنها تحسن المطيلية.

3.2 البنية المجهرية المعالجة حرارياً

درجة حرارة التمليس تحدد الأداء:

درجة حرارة منخفضة (150–250°م): مارتينزيت معالج (58–62 HRC) تستخدم للأدوات/القوالب.

درجة حرارة متوسطة (350–500°م): تروستيت معالج (حد مرونة عالي) تستخدم لزنبركات.

درجة حرارة عالية (500–650°م): سوربيت معالج (خصائص ميكانيكية شاملة ممتازة) تستخدم للمحاور/الترسينات.

3.3 الظواهر الخاصة

الصلادة الثانوية: تعيد بعض السبائك (مثلاً، الصلب السريع) اكتساب الصلابة خلال تمليس عند درجات حرارة 500–600°م بسبب ترسب كربيدات دقيقة (VC، Mo₂C).

هشاشة التمدد: النوع I (250–400°م، غير قابلة للعكس) تُجنب بالتبريد السريع؛ النوع II (450–650°م، قابلة للعكس) تُقمع بإضافة W/Mo.

4. التطبيقات النموذجية: عمليات مخصصة للمكونات الرئيسية

تُخصص عمليات المعالجة الحرارية لتتوافق مع متطلبات الأداء للمكونات والمواد المحددة:

لعتبات السيارات المصنوعة من سبائك مثل 20CrMnTi، تكون العملية القياسية هي التسمنة (920–950°م) تليها التبريد بالزيت والتسخين عند درجة حرارة منخفضة (180°م)، مما يحقق صلابة سطحية تبلغ 58–62 HRC مع الحفاظ على قلب قوي.

لصلب القوالب مثل H13، يشمل سير العمل التلدين، والتبريد (1020–1050°م، تبريد بالزيت)، والتسخين المزدوج (560–680°م). يخفف هذا التسلسل الإجهاد الداخلي وينظم الصلابة لتصبح حوالي 54–56 HRC.

تتطلب سبائك الصلب عالية السرعة مثل W18Cr4V التبريد عند درجات حرارة عالية (1270–1280 درجة مئوية) لتكوين المارتينزيت والكاربايدات، تليها عملية تلدين ثلاثية عند 560 درجة مئوية لتحويل الأوستنيت المتبقي إلى مارتينزيت، مما يؤدي إلى صلابة تتراوح بين 63–66 HRC ومقاومة ممتازة للتآكل.

يمكن معالجة الحديد الدكتايل (Ductile iron) باستخدام عملية الأستيمpering عند درجات حرارة تتراوح بين 300–400 درجة مئوية للحصول على بنية مجهرية تتكون من البينيت والأوستنيت المتبقي، مما يوازن بين القوة والمطيلية.

يعد العلاج الحلولي (1050–1100 درجة مئوية، والتبريد بالماء) ضروريًا لمنع التآكل الحبيبي في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من النوع 18-8. بالإضافة إلى ذلك، يساعد العلاج المستقر (إضافة Ti أو Nb) في تجنب ترسيب الكاربايدات عندما يتعرض المعدن لدرجات حرارة تتراوح بين 450–850 درجة مئوية.

5. التحكم في العيوب: الوقاية والتخفيف

تشمل العيوب الشائعة في المعالجة الحرارية وطرق مواجهتها ما يلي:

تشققات الإطفاء: تُسبَّب بسبب الإجهاد الحراري أو التنظيمي أو العمليات غير السليمة (مثل التسخين السريع، التبريد المفرط). تشمل تدابير الوقاية التسخين المسبق، اعتماد إطفاء متدرج أو إطفاء متساوي الحرارة، والتلدين الفوري بعد الإطفاء.

التشويه: يمكن تصحيحه عن طريق الضغط البارد، التمديد الساخن (تسخين محلي فوق درجة حرارة التلدين)، أو إزالة الإجهاد الاهتزازية. تساعد المعالجات الأولية مثل التطبيع أو التلدين لإزالة إجهاد التزوير في تقليل التشويه.

الاحتراق: يحدث عندما تتجاوز درجة حرارة التسخين خط الانصهار، مما يؤدي إلى انصهار حدود الحبيبات والهشاشة. المفتاح الرئيسي للوقاية هو مراقبة درجة الحرارة بدقة (خاصةً للفولاذ المطلي) باستخدام مقياس حرارة.

فقدان الكربنة: ينتج عن تفاعل سطح القطعة مع الأكسجين أو ثاني أكسيد الكربون أثناء التسخين، مما يقلل من صلابة السطح وعمر التعب. يمكن التحكم فيه باستخدام atmospheres واقية (مثل النيتروجين، الأرجون) أو أفران حمام الملح.

6. التقنيات المتقدمة: محركات الابتكار

تُعيد التقنيات الناشئة في المعالجة الحرارية تشكيل الصناعة من خلال تعزيز الأداء والكفاءة:

TMCP (عملية التحكم الحراري الميكانيكي): تجمع بين الدرفلة المُحكمة والتبريد المُحكمة لاستبدال المعالجة الحرارية التقليدية، مما يُحسّن تركيب الحبيبات ويُشكّل البينيت - وتُستخدم على نطاق واسع في إنتاج فولاذ السفن.

الإطفاء بالليزر: يمكّن من التصلب الموضعي بدقة تصل إلى 0.1 مم (مثالي لأسطح أسنان التروس). ويستخدم التبريد الذاتي لإطفاء المادة (بدون الحاجة إلى وسائط)، مما يقلل التشوهات ويزيد من الصلابة بنسبة 10-15%.

QP (الإطفاء-الانفصال): يشمل الحفاظ على درجة حرارة تقل عن درجة حرارة Ms للسماح بانتشار الكربون من المارتينسايت إلى الأوستنيت المحتفظ به، مما يستقر هذا الأخير ويحسّن المطيلية. تُعتبر هذه العملية أساسية في تصنيع الفولاذ التوليدي (TRIP) للسيارات من الجيل الثالث.

معالجة حرارية للفولاذ النانوي البينيتي: يتم التلدين عند درجة حرارة 200–300°م، مما ينتج بيرنيتًا نانويًا وأوستنيت محتفظًا به، ويحقق مقاومة شد تبلغ 2000 ميجا باسكال مع متانة أفضل من الفولاذ المارتينسيتي التقليدي.

7. السلامة والحماية البيئية

تساهم المعالجة الحرارية في استهلاك ما يقارب 30% من إجمالي الطاقة المستهلكة في التصنيع الميكانيكي، مما يجعل السلامة والاستدامة من الأولويات الأساسية:

تقليل مخاطر السلامة: يتم تطبيق بروتوكولات تشغيل صارمة لمنع الإصابات الناتجة عن الحروق الحرارية (من المعدات أو القطع الساخنة)، والتعرض للغازات السامة (مثل CN⁻، CO الناتجة عن أفران الحمام الملحي)، والحرائق (الناجمة عن تسرب زيت التبريد)، والإصابات الميكانيكية (أثناء الرفع أو التثبيت).

خفض الانبعاثات: تشمل الإجراءات استخدام أفران فراغ (لتجنب الاحتراق المؤكسد)، وإحكام إغلاق خزانات التبريد (لتقليل تطاير زيوت التبريد)، وتثبيت أجهزة تنقية للغازات المنبعثة (للاحتفاظ أو التحلل الحفزي للمواد الضارة).

معالجة مياه الصرف الصحي: تحتاج مياه الصرف التي تحتوي على الكروم إلى معالجة تقليل الترسيب، بينما تحتاج مياه الصرف التي تحتوي على السيانيد إلى معالجة إزالة السموم. تخضع مياه الصرف الشاملة لمعالجة بيوكيميائية لتلبية معايير التصريف قبل الإطلاق.

الاستنتاج

يُعد التبريد الحراري ركيزة في هندسة المواد، حيث يربط بين المواد الخام والمكونات عالية الأداء. من الضروري إتقان مبادئه ومتغيراته وابتكاراته لتحسين موثوقية المنتجات وتقليل التكاليف وتطوير التصنيع المستدام في الصناعات مثل صناعة السيارات والفضاء والآلات.