مطالعات و بررسیهایی که توسط یک شرکت بزرگ تولید کننده فولادهای ابزار، در رابطه با علل شکست و خرابیهای زودرس ابزارها و قالبها انجام شده، نشان می دهد که در %70 موارد، انجام عملیات حرارتی نادرست باعث ایجاد عیوب بوده است.
بنابراین می توان ادعا کرد که عملیات حرارتی ، مهم ترین مرحله در ساخت ابزارها و قالبهای با کیفیت می باشد.
هر چند که امروزه توصیه می شود که از تجهیزات مدرن عملیات حراردتی، نظیر کوره های خلاء برای ساخت قالبها و ابزارها استفاده شود، ولی هنوز هم بسیاری از استادکاران عملیات حرارتی می توانند با تجهیزاتی شبیه به آهنگریهای قدیمی، قالبها و ابزارهای با کیفیت بسازند.
از طرف دیگر نیز ممکن است یک اپراتور عملیات حرارتی با به کارگیری تجهیزات مدرن و پیشرفته نتواند یک قطعه را بخوبی عملیات حرارتی کرده و قطعه قالب به سرعت ترک برداشته و خراب شود.
در این فصل خلاصه ای از روشهای درست عملیات حرارتی قالبها وابزارها ارائه می شود.همچنین با استفاده از تصویرهای مختلف، مشکلات و عیوب رایج در عملیات حرارتی، به همراه روشهای پیش گیری از آنها نیز مطرح می شود.
عملیات حرارتی فقط سخت کردن نیست
عملیات حرارتی نقطه کانونی عملیات ساخت یک قالب یا ابزار به شمار می رود.
البته هنوز هم در اغلب کارخانجات، بیشترین تأکید در عملیات حرارتی را بر ایجاد سختی مورد نظر در فولاد می کنند.
ولی در واقع، سختکاری باید یک سطح سختی مطلوب را به همراه خواص فیزیکی ومهندسی فراوان دیگر در قطعه کار ایجاد کند، تا آن قطعه بتواند بهترین کارآیی را از خود بروز دهد.
برای انجام چنین کاری باید کلیه پرسنلی که به نحوی با ساخت ابزارها و قالبها مرتبط هستند، یک اطلاعات پایه راجع به اصول، متالوژی، مشکلات رایج و تکنیکهای ساختکاری فولادها داشته باشند.
این افراد باید سیکلهای حرارتی(Thermal Cycles) را در عملیات حرارتی بفهمند.
سختکاری دقیق قطعات باعث ایجاد یک ساختار پایدار، یکنواخت وریز دانه می شود که سختی در همه قسمتهای آن یکسان است و میزان تنش در آن کم می باشد.
• مشخصات سختی مورد نیاز برای هر ابزار یا قالب را بررسی کنید،
• در عملیات حرارتی قطعات سنگین با سطح مقطع زیاد و فرمهای پیچیده، دقت بیشتری به عمل آورید،
• انجام سیکلهای تنش زدایی را قبل از ماشینکاری نهایی و قبل از سختکاری، فراموش نکنید،
• زمان سیکلهای حرارتی را کوتاه نکنید، زمان کافی را برای عملیات مختلف نظیر تنش زدایی، پیش گرم، سختکاری، کوئنچ و تمپرینگ مصرف کنید،
• سختی قطعه کار را پس از کوئنچ اندازه گرفته و ثبت کنید تا از صحت عملیات سختکاری اطمینان یابید،
• قطعه کار را بیش از حد سخت نکنید، سختی ابزار باید تا اندازه ای باشد که نیازهای پیش بینی شده از نظر مقاومت سایشی و چقرمگی را تأمین نماید و
• طراح سیکل عملیات حرارتی، باید اپراتور عملیات حرارتی را بشناسد و با روشهای سختکاری او، قابلیتها و محدودیتهای تجهیزات او آشنا شود.
هیچ کاری را به شانس واگذار نکنید.
هر ساله، ابزارها و قالبهای بسیاری به ارزش صدها هزار دلار، به دقت طراحی و ماشینکاری می شوند و سپس به بخش عملیات حرارتی ارسال می گردند، در حالیکه اطلاعات اندکی درباره نحوه عملیات حرارتی آنها از طرف واحد طراحی به اپراتورهای عملیاتی حرارتی ارائه می شود.
بدین ترتیب تعداد زیادی ابزار به علت انجام نادرست عملیات حرارتی معیوب شده و نمی توانند کارایی خوبی در تولید داشته باشند.همیشه به یاد داشته باشید که فقط چند ساعت عملیات حرارتی نامناسب می تواند صدها ساعت کار انجام شده در مراحل طراحی و ساخت را به هدر دهد.
در شکل 8-2 یک ماتریس ساخته شده از فولاد A2 نشانداده شده است.
این ماتریس پس از جازدن پرسی تکه هایی در شیارهای جانبی آن شکسته است.تردی خیلی زیاد این قطعه که در اثر تمپرینگ ناکافی آن ایجاد شده، باعث شکستن آن شده است، در حالی که سختی 62-64 HRC خیلی زیاد بوده و برای چنین ابزاری اصلاً مناسب نبوده است.
هیچ وقت عملیات حرارتی را به شانس واگذار نکنید.
همیشه برای این کار یک برنامه تهیه کنید.
یک فولاد مناسب برای ابزار یا قالب انتخاب کنید، برنامه عملیات حرارتی را با همه جزئیات شامل دستورالعمل سختکاری و تمپرینگ آماده نمایید.
خیلی مهم است که جزئیات این برنامه و تجهیزاتی که برای اجرای آن لازم است، برای اپراتور عملیات حرارتی توضیح داده شود.
به عبارت دیگر باید در مورد نکات زیر سخت گیرانه عمل کرد:
• انتخاب دماهای مناسب و زمانهای کافی در سختکاری( آستنیته کردن) و تمپرینگ،
• اندازه گیری و ثبت سختی ابزار پس از کوئنچ،
• انجام عملیات تمپرینگ دو مرحله ای و گاهی سه مرحله ای برای فولادهای سخت شونده در هوا،
• تعیین حداقل دما و زمان در عملیات تمپرینگ و
• نظارت و کنترل بر سیکلهای حرارتی واطمینان از انطباق کلیه مراحل و نتایج حاصله با مشخصات مورد انتظار.
بدانید که یک عملیات حرارتی خوب، زمان کافی و طولانی طلب می کند.
هیچ وقت نباید به اپراتور عملیات حرارتی فشار آورده تا کارها را زودتر انجام دهد و او ناچار سیکلهای حرارتی را کوتاه کند.
بدانید که یک عملیات حرارتی خوب، زمان کافی و طولانی طلب می کند.
هیچ وقت نباید به اپراتور عملیات حرارتی فشار آورده تا کارها را زودتر انجام دهد و او ناچار سیکلهای حرارتی را کوتاه کند.
ارتباط قسمتها با هم باید قوی باشد وجود ارتباط بین قسمتهای مختلف، یکی از کلیدهای موفقیت در ساخت و به کارگیری ابزارها و قالبها است.
همه قسمتهایی که در طراحی، ساخت، عملیات حرارتی، تولید و تعمیرات مشغول به کار هستند باید با هم مثل یک تیم کار کنند و بتوانند الزامات و نکات مهم را با هم تبادل نمایند تا ساخت وبه کارگیری ابزار بهینه گردد.
در شکل 8-3 مثالی از یک برگه اطلاعاتی که باید برای عملیات حرارتی یک ابزار تهیه و کامل گردد، نشانداده شده است.
سه بند اول این برگه باید توسط بخش فرستنده( طراحی یا برنامه ریزی ساخت) و بندهای بعدی توسط واحد عملیات حرارتی تکمیل شوند.
مقایسه دماهای مختلف و رنگهای حاصل از حرارت در جدول 8-1 دماهای مختلف حاصل از پدیده های گوناگون وفیزیکی و صنعتی، برای مقایسه لیست شده است.
در عملیات حرارتی، سختکاری شعله ای (Flame Hardening) و جوشکاری می توان از رنگ فولاد که در اثر حرارت در آن به وجود می آید، برای تشخیص و کنترل دمای آن استفاده نمود.
در جدول 8-2 رنگ فولاد در حرارتهای رایج برای سختکاری آن ارائه شده است.
رنگ فولاد در دماهای پایین تر که در تمپرینگ و تنش زدایی به وجود می آید نیز در جدول 8-3 ثبت شده است.
البته تشخیص این رنگها بستگی به تعبیر و مشاهد چشمی اشخاص دارد و ممکن است قضاوت افراد مختلف با هم متفاوت باشد.
جدول بارگذاری قطعات در کوره در کلیه سیکلهای حرارتی، نحوه چیدن وبار گذاری قطعات در کوره و تکیه گاه ها وظرفهایی که برای این کار استفاده می شود، اهمیت بسیاری دارد.
پر کردن کوره و چیدمان نامناسب قطعات در آن سبب می شود که حرارت منقله به قطعات یکسان نباشد و پیش بینی درستی در مورد زمان نگهداری قطعات در حرارت مورد نظیر نیز نتوان کرد.
زمان نگهداری (Soaking time) عبارت است از مدت زمان که قطعه کار در یک محدوده دمایی خاص( برای هم دما شدن) نگهداشته می شود.
زمان نگهداری باید به اندازه کافی طولانی باشد تا آستنیته شدن فولاد کامل شود و عملیات تمپرینگ نیز بر روی فولاد مؤثر باشد.
قطعاتی که تیکه گاه مناسبی در عملیات حرارتی نداشته باشند، حتی در اثر وزنشان هم ممکن است خم شوند و تاب بردارند.
این موضوع مخصوصاً در مورد قطعات با شکل پیچیده مهم است و معمولاً وقتی تعداد زیادی قطعه در کوره حرارت داده می شوند، اتفاق می افتد.
تصاویر ارائه شده در شکل 8-4 و نکات زیر می توانند در بهینه سازی عملیات حرارتی مؤثر باشند: هیچ وقت فضای کوره را از قطعات انباشته نکنید.
در یک کوره بار زیاد، قطعات به خوبی در جریان گردش هوای داغ داخل کوره قرار نمی گیرند و به طور یکنواخت گرم نمی شوند.
وقتی یک اختلاف زمانی بین حرارت واقعی کوره ورسیدن دمای قطعات به این حرارت وجود داشته باشد، احتمال ایجاد عیوب ناشی از عملیات حرارتی در قطعات افزایش می یابد، جدول سعی کنید قطعات از هم فاصله کافی داشته باشند تا بتوانند ه طور یکنواخت گرم و سرد شوند.بهتر است در نقاط مختلف فضای کوره، ترموکوپل نصب شود تا دمای کوره در نقاط مختلف مورد کنترل قرار گیرد و بتوان دمای قطعات در نقاط مختلف کوره را نیز برآورده نمود.
همه قطعات را بر روی تیکه گاه های مناسب داخل کوره بچینید( شکل 8-4).
با استفاده از تکیه گاه مناسب می توان اطمینان داشت دمای هر قطعه یکنواخت است.
تکیه گاه باید از مواد مقاوم در برابر حرارت یا نسوز (Heat-Resisting) نظیر فولادهای زنگ نزن سری 300 ساخته شوند.
نوع آلیاژ مورد استفاده در ساخت این تکیه گاه ها بستگی به شرایط، دما وزمان حرارت دهی داخل کوره دارد.
معمولاً از میلگردهایی با قطر ((12.7-19.1 mm 1/2- 3/4 in به عنوان تکیه گاه در کوره های اتاقی استفاده می شود تا سطح تماس قطعات با تکیه گاه ها نیز به حداقل برسدو سعی کنید کوره را با قطعاتی که ابعاد، فرم و جرم مشابه دارند، بارگیری نمایید.
سختکاری و تنشهای مربوط به آن داشتن اطلاعاتی درباره تنشهای ایجاد شده در ابزارها در عملیات حرارتی آنها، می تواند مفید باشد.
در شکل 8-5 سیکلهای عملیات حرارتی یک فولاد D2 سخت شونده در هوا نشانداده شده است.
برای شروع سختکاری، ابتدا باید فولاد دردمای(C ْ 649) F ْ 1200 پیش گرم شده و سپس تا دمای (C ْ1010) F ْ 1850 گرم شود تا آستینته گردد.
سختکاری این فولاد در هوا انجام می شود تا به دمای (C ْ66) F ْ 150 برسد.
پس از سختکاری لازم است چند بار تمپرینگ وعملیات برودتی زیر صفر برروی فولاد انجام شود.
به هنگام گرم کردن در عملیات پیش گرم و آستنیته کردن، فولاد منبسط می شود و تنشهای حرارتی در آن به وجود می آید.
وقتی قطعه کار در کوره حرارت داده می شود، سطح آن زودتر از داخل آن انبساط می یابد و این وضعیت آنقدر ادامه می یابد تا همه نقاط قطعه، هم دما گردد.
این انبساط اختلافی باعث ایجاد تنشهای دیگری نیز در قطعه کار خواهند شد.
تنشهای انتقالی (Transformation Strsses) هنگامی به وجود می آیند که فولاد به دمای برسد.
در این دما ریز ساختار فولاد منقض شده و به آستنیت تبدیل می شود و این انقباض پیش رونده آنقدر ادامه می یابد تا همه ساختار تبدیل به آستنیت تبدیل می شود و این انقباض پیش رونده آنقدر ادامه می یابد تا همه ساختار تبدیل به آستنیت گردد( یعنی هنگامی که همه نقاط قطعه کار به دمای برسند.) چون حجم واحد جرم آستنیت کوچکتر از ساختار آنیل شده می باشد، این انقباض اتفاق می افتد.
این انقباض در ترکیب با اختلاف دمایی سطح و درون قطعه، تنشهای اضافی در قطعه کار به وجود می آورد.
پس از رسیدن دمای قطعه به قطعه کار شروع به انبساط می کند، زیرا افزایش حرارت آن تا رسیدن به دمای سختکاری ادامه خواهد یافت.
هر چه سرعت گرم کردن بالاتر باشد، میزان تنشها درقطعه کار بیشتر خواهد بود.
با توجه به وجود این اختلافات دمایی، تنشهای ایجاد شده در قطعات پیچیده تر، که در آنها دیواره های نازک در مجاورت دیواره های ضخیم قرار دارند، بیشتر خواهد بود.وقتی همه نقاط قطعه کار به دمای آستنیته رسیده و هم دما گردیدند، تنشهای داخل قطعه به صفر می رسد.
وقتی قطعه کار از دمای آستنیته، کوئنچ می شود نیز خنک شدن درون قطعه کار به سطح آن با تأخیر انجام می شود و مجدداً در آن تنش به وجود می آید.
هر چه سرعت سرد شدن قطعه کار در عملیات کوئنچ بیشتر باشد، این اختلاف دمایی بین داخل و سطح نیز بیشتر می شود.
در نتیجه درجه انقباض درون و سطح کار بیشتر و میزان تنش ایجاد شده شدیدتر خواهد بود.
به هنگام کوئنچ، در دمای خاص، مارتنزیت شروع به تشکیل شدن می کند و در این دما، انقباض قطعه کار متوقف می شود و فولاد در پایین تر از این دما شروع به انبساط می کند.
در اثر این انبساط تنشهای انتقالی در قطعه کار به وجود می آید و این تنشها تا وقتی کل ساختار تبدیل به مارتنزیت شود، ادامه می یابد با کاهش بیشتر دمای قطعه کار، مجدداً انقباض در قطعه کار به وجود می آید.
در پایان عملیات کوئنچ، حجم کلی قطعه کار نسبت به حجم آن در حالت آنیل شده بزرگتر می باشد.
دلیل این پدیده این است که در یک جرم مساوی، حجم مارتنزیت بزرگتر از ساختار آنیل شده فولاد و همچنین بزرگتر از ساختار آستنیت است.
با توجه به اینکه این انبساط حجمی ممکن است در فواصل زمانی متفاوتی در فولاد اتفاق آغاز شود، تنشهای اختلافی در قطعه کار به وجود خواهد آمد