کوئنچ کردن

در متالورژی کوئنچ کردن (Quenching) به فرآیندی گفته می‌شود که در آن قطعه‌کار پس از گرم شدن در یک دمای معین و در یک زمان حساب شده، به سرعت سرد می‌شود که با توجه به خواص مکانیکی مد نظر این سرد شدن در آب یا روغن و یا در هوا صورت می‌پذیرد. کوئنچ کردن یک عملیات حرارتی است که از فرآیندها و تغییرات نامطلوبی که در فلزات در دماهای پایین رخ می‌دهد (مانند تغییر فاز) جلوگیری می‌کند.

این امر از طریق کاهش زمان سرد کردن فلزات و یا افزایش نرخ سرد شدن صورت می‌گیرد.

از جمله تغییراتی که در حین فرآیند کوئنچ کردن صورت می‌گیرد، می‌توان به کاهش اندازه دانه‌ها اشاره نمود که این موضوع هم برای مواد فلزی و هم برای مواد پلاستیکی صورت می‌پذیرد. از دیگر تغییرات این فرآیند افزایش سختی مواد است.

تفاوت های آنیل و نرماله در چیست؟

اگر نمودار عملیات حرارتی بالا را به دقت مشاهده کرده باشید، تا حدی به تفاوت این دو روش پی خواهید برد. در عملیات نرماله کردن، قطعه تا دمایی بالاتر از دمای آنیل حرارت داده می شود. برای فولادهای هیپویوتکتوئید، این کار باعث می شود که فریت بیشتری به آستنیت تبدیل شود. در نتیجه ساختار آسنتیت یکنواخت تر شده و توزیع عناصر آلیاژی آن بهتر انجام می گیرد.

اما برای فولادهای هایپر یوتکتوئید، بالا بردن دما باعث شکستن کاربیدهای سختی می شود که به صورت پیوسته در مرز دانه ها رسوب کرده اند. مشخص است که شکستن این شبکه پیوسته کاربیدی و تشکیل کاربیدهای کروی به دمای بالایی نسبت به روش آنیل نیاز دارد! بنابراین برای فولادهای هایپریوتکتوئید، بالا بردن دما باعث حلالیت بیشتر کاربیدها و عناصر آلیاژی و یکنواخت تر شدن ترکیب شیمیایی می شود.

اما در هنگام سرد کردن، فولادهای نرماله در هوا سرد می شوند، در حالی که در عملیات آنیل معمولا از کوره برای سرد کردن استفاده می‌شود. این کار باعث می شود که با افزایش سرعت سرد کردن، رشد دانه ها کمتر شده و فولاد ریزدانه تری حاصل شود.

خواص مکانیکی فولادهای نرماله

با توجه به این که فولاد نرماله شده، دانه بندی ریزتری نسبت به فولاد آنیل شده دارد، باید انتظار فولادی مستحکم تر نسبت به فولاد آنیل شده داشته باشیم. اما در مقابل انعطاف پذیری این فولادها پایین تر خواهد بود. گرچه سرعت سرد شدن بالاتر باعث نمی شود که استحکام فولادهای نرماله در حد ساختارهای غیر تعادلی مانند مارتنزیت یا بینیت باشند، اما در مواقعی که هدف سخت کردن فولادهای درشت دانه باشد (همانند فولادهایی که ریخته گری شده و یا در دمای بالا کار گرم شده اند)، نرمالیزه کردن می تواند به عنوان عملیات حرارتی نهایی استفاده شود.

محدودیت های نرمالیزه کردن

با توجه به این که قطعات نرماله شده در هوا سرد می شوند، انتظار می رود که سرعت سرد شدن نقاط مختلف قطعه متفاوت باشد. این مساله باعث ایجاد دو مشکل بزرگ می شود:

• قطعاتی که بسیار بزرگ و حجیم باشند، آهنگ سرد شدن نقاط بیرونی و درونی آن ها بسیار متفاوت خواهد بود. با توجه به این که آهنگ سرد شدن سطح قطعه بسیار بیشتر از مغز آن است، درون قطعه تنش های حرارتی به وجود خواهد آمد.
• قطعاتی که کوچک و نازک هستند، سرعت سرد شدن بالا می تواند به جای تشکیل ساختارهای تعادلی فریت و پرلیت، ساختارهای غیر تعادلی مارتنزیت و بینیت ایجاد کند. این مساله در مورد فولادهای آلیاژی بیشتر مشاهده می شود. بنابراین برای این فولادها، عملیات حرارتی نرمالیزه کردن پیشنهاد نمی شود!

نرماله کردن چه کاربردهایی دارد؟

در طول عملیات آهنگری (فورجینگ) به علت تفاوت در نرخ سرد شدن بخش های مختلف قطعه که ضخامت متفاوتی دارند، ریزساختارهای متفاوتی ایجاد می شود. با استفاده از عملیات نرمالیزه، می توان تا حدود زیادی ریزساختار را یکتواخت کرد.

برای فولادهای ریخته گری شده، عملیات حرارتی نرماله می تواند تغییر در ساختارهای درشت دانه و دندریت هایی ایجاد کند که در طول عملیات ریخته گری و انجماد غیر تعادلی به وجود آمده اند.

در طول عملیات نورد، دانه ها در جهت نورد بیشتر کشیده می شوند که باعث نامتقارن شدن خواص مکانیکی قطعه می شود. نرمالیزه کردن تا حد زیادی ساختار قطعه و دانه بندی آن را یکنواخت می کند.

نرماله کردن

نرماله کردن (Normalizing) یکی دیگر از انواع روش های عملیات حرارتی است که میکروساختار حاصل همانند آنیل کردن شامل پرلیت، مخلوطی از پرلیت و فریت و یا مخلوطی از پرلیت و سمنتیت (بستگی به ترکیب شیمیایی فولاد) است. لیکن، تفاوت‌های مهمی بین نرماله کردن و آنیل کردن وجود دارد. در نرماله کردن، دمای آستنیته کردن برای فولادهای هیپویوتکتویید کمی بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل کردن است در حالی که برای فولادهای هایپریوتکتویید از گستره ی دمایی حدود 50 درجه سانتیگراد بالای A_cm استفاده می شود. برخلاف آنیل کامل که فولاد در کوره سرد می شود در عملیات نرماله کردن قطعات پس از آستنیته شدن در هوا سرد می‌شوند (شکل زیر منحنی ■(. تحت چنین شرایطی آهنگ سرد شدن در حدود 0.1 تا 1 درجه سانتیگراد بر ثانیه است.

از آنجایی که در نرماله کردن فولاد های هیپویوتکتویید گستره دمایی آستنیته کردن بالاتر از گستره دمایی مربوط به آنیل است، ساختار آستنیت و همچنین توزیع عناصر آلیاژی از یکنواختی بیشتری برخوردار خواهد بود. یکی دیگر از اهداف مهم نرماله کردن عبارت است از ریز کردن دانه‌ های درشتی که اغلب به هنگام کارگرم در دمای بالا و یا در ضمن ریخته گری و انجماد به وجود آمده‌ اند. هنگامی که قطعه کارگرم یا ریخته گری شده با دانه‌های درشت در دمایی بین دمای Ac₃ و Ac₁ قرار بگیرد، دانه‌ های جدید آستنیت جوانه زده و رشد می کنند. در صورتی که دمای آستنیته کردن به گستره دمایی نشان داده شده در شکل زیر محدود شود، آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌ های ریز به وجود می آید. حرارت دادن در دماهای بالاتر از گستره دمایی یاد شده ممکن است منجر به درشت شدن دانه‌ ها شود. بنابراین در  عملیات نرماله کردن فولادهای هیپویوتکتویید، ابتدا آستنیتی با ساختار همگن و دانه‌های ریز به وجود می‌آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می‌شود. از نظر خواص مکانیکی، میکروساختار حاصل از نرماله کردن می‌تواند در بعضی موارد به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور شود. در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه‌ های درشت هستند، نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه‌ها استفاده می‌شود.

دمای سرد کردن (Ar)، گرم کردن (Ac) و تعادلی (A) در آلیاژهای آهن - کربن.

(سرد کردن و گرم کردن یا سرعت 0.125 درجه سانتی گراد بر دقیقه انجام گرفته است)

بخشی از دیاگرام آهن - کربن که محدوده دمایی برای آنیل کامل، نرماله کردن، کار گرم و همگن سازی را نشان می دهد.

برای نرماله کردن فولادهای هایپریوتکتویید از گستره دمایی بین خط A_cm و حدود 50 درجه سانتیگراد بالای آن استفاده می‌شود. انتخاب این گستره دمایی به منظور ریز کردن دانه‌های آستنیت، انحلال کاربید های راسب شده و همچنین شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی که احتمالا در ضمن عملیات قبلی در مرز دانه‌ ها به وجود آمده‌ اند، است. از آنجایی که در نرماله کردن قطعات از دمایی بالاتر از A_cm در هوا سرد می شوند، احتمال تشکیل مجدد شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌ های آستنیت وجود دارد. در این صورت میکروساختار حاصل ممکن است تا حدودی فولاد را ترد و شکننده کند. اگر قرار باشد که این فولاد سخت شود، در ضمن آستنیته شدن مجدد (به منظور سخت کردن) شبکه پیوسته کاربید شکسته شده و ذرات مجتمع و کروی کاربید به دست می آید.

از آنجایی که در نرماله کردن قطعات در هوا سرد می‌شوند، میکرو ساختارهای به دست آمده اختلاف قابل توجهی با میکرو ساختارهای حاصل از آنیل دارند. نمودار نشان دهنده تغییرات دما بر حسب زمان  (شکل اول) گستره‌ های دمایی مربوط به دگرگونی آستنیت به مخلوط فریت و پرلیت را برای فولاد هیپویوتکتویید در عملیات آنیل و نرماله کردن نشان می دهد. باتوجه به اینکه در نرماله کردن فریت و پرلیت در دمایی کمتر و با آهنگی بیشتر از آنیل کردن تشکیل می‌شوند، اندازه دانه‌های فریت و سمنتیت و فاصله بین لایه‌ای پرلیت هر دو کاهش می‌یابند. بنابراین، در مقایسه با خواص حاصل از فرایند آنیل، استحکام و سختی افزایش یافته و انعطاف پذیری تا حدودی کاهش می‌یابد.

نکته‌ ای که باید در رابطه با سرد شدن قطعات در هوا در ضمن نرماله کردن بدان توجه داشت این است که، نقاط مختلف در داخل یک قطعه با آهنگ‌ های متفاوت سرد می‌ شوند. همچنین آهنگ‌ های سرد شدن یاد شده، با تغییر ابعاد قطعه تغییر می‌کنند. بدین صورت که، هرچه قطعه حجیم تر باشد آهنگ سرد شدن قطعه و همچنین آهنگ‌ های سرد شدن نقاط مختلف در داخل آن کمتر است. این موضوع به مقدار حرارتی که باید از داخل قطعه به خارج هدایت شود مربوط می‌ شود. در حقیقت هرچه قطعه حجیم تر باشد برای اینکه دمای قسمت مرکزی آن افت کند به زمان بیشتری نیاز است. از اثر ابعاد قطعه بر روی آهنگ سرد شدن، دو نتیجه مهم استنتاج می شود؛ اول، در مقاطع خیلی بزرگ آهنگ سرد شدن سطح قطعه ممکن است به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از ناحیه داخلی باشد و در نتیجه باعث ایجاد تنش در آن شود. دوم اینکه در قطعات خیلی کوچک، به خصوص در مورد فولاد های آلیاژی، سرد شدن در هوا ممکن است منجر به تشکیل بینیت و یا حتی مارتنزیت به جای مخلوط فریت و پرلیت شود. باتوجه به این نکته توصیه می‌شود که عملیات نرماله کردن بر روی فولادهای آلیاژی اعمال نشود.

از جمله پارامتر های مهم که بر روی خواص مکانیکی فولادهای نرماله و آنیل شده اثر می‌گذارد، درصد کربن فولاد است. هرچه درصد کربن بیشتر باشد (تا حد یوتکتویید) پرلیت بیشتری تشکیل شده و در نتیجه استحکام و سختی فولاد زیادتر و انعطاف پذیری آن کمتر می‌ شود. در پایان این فصل، اثرات پارامتر های مختلف از جمله درصد کربن بر روی خواص مکانیکی فولادها با ساختار فریتی- پرلیتی بررسی می‌شود.

نرماله‌کردن درعلم متالورژی

نرماله کردن (به انگلیسی: Normalizing) یا نرمالینگ نوعی عملیات حرارتی است.این فرآیند شامل آستنیته کردن فولاد و سرد کردن آن در هوا به منظور ایجاد ساختار یکنواخت و ریزدانه فریت_پرلیت در فولاد می باشد.

این فرآیند شامل آستنیته کردن فولاد تا دمایی حدود 30 الی 80 درجه سانتی گراد بالاتر از خط Ac3 (در نمودار تعادلی آهن_کربن) برای فولاد های هیپو یوتکتوئیدی و دمایی حدود 30 الی 80 درجه سانتی گراد بالا تر از خط Acm برای فولاد های هایپر یوتکتوئیدی،نگه داشتن ماده در این بازه دمایی در یک مدت زمان مناسب و سپس سرد کردن آن در هوا است.

در فولاد های هیپویوتکتوئیدی گستره دمایی گرم کردن فولاد برای عملیات نرماله کردن بین خطوط A1 و A3 است که در این دما ابتدا آستنیتی با یک همگن و دانه ریز به وجود می آید و سپس در اثر سرد شدن در هوا به فریت و پرلیت تبدیل می شود.

در فولاد های هایپریوتکتوئیدی از گستره ی دمایی 30 الی 80 درجه سانتی گراد بالای خط Acm استفاده می شود که انتخاب این گستره ی دمایی به منظور ریز دانه کردن آستنیت،انحلال کاربیدهای راسب شده و همچنین شکسته شدن شبکه پیوسته کاربیدی که احتمالا در ضمن عملیات قبلی در مرز دانه به وجود آمده اند،است

ریز ساختار و خواص مکانیکی ناشی از نرماله کردن

فرآیند نرماله کردن به دلیل ریز دانه شدن فولاد در طی این فرآیند موجب بهبود خواص مکانیکی از جمله استحکام و سختی و کاهش انعطاف پذیری می شود و از این نظر در برخی موارد نرماله کردن به عنوان عملیات حرارتی نهایی منظور می شود. اما به دلیل ساختار فریتی_پرلیتی هرگز نمی توان با نرماله کردن خواص مکانیکی نظیر ساختار های مارتنزیتی بدست آورد. پس در مواردی که هدف سخت کردن قطعاتی باشد که دارای دانه های درشت هستند نرماله کردن به عنوان یک عملیات حرارتی اولیه جهت ریز کردن دانه ها استفاده می شود.

هدف از عملیات حرارتی نرماله کردن از بین بردن اثرات ناشی از عملیات های قبلی (مانند کار گرم در دمای بالا و یا کار سرد که موجب درشت دانه شدن فولاد میشوند) و ایجاد یک ساختار آستنیتی همگن است. همگن سازی ساختار به وسیله ی نرماله کردن عمدتا به سه دلیل صورت می گیرد:

    به عنوان عملیات حرارتی نهایی جهت بهبود خواص مکانیکی قطعه کار
    به عنوان عملیات حرارتی اولیه قبل از سخت کاری و یا آنیل کامل جهت دستیابی به یک ساختار یکنواخت و ریز دانه
    در برخی موارد محدود در فولاد های کم کربن جهت ماشینکاری بهتر

مقایسه فرآیند های نرماله کردن و آنیل کردن

تفاوت های اصلی نرماله کردن با آنیل کردن در دو مورد است:

    دمای آستنیت کردن (به ویژه برای فولاد های هایپر یوتکتوئید): بالاتر بودن دمای آستنیته کردن در فرایند نرماله کردن نسبت به فرآیند آنیل کردن موجب حلالیت بیشتر و یکنواخت تر عناصر آلیاژی و کاربید ها در ساختار فولاد می شود.

    نمودار TTT نشان دهنده تاثیر سرعت سرد شدن فولاد از دمای آستنیته شدن بر روی ریز ساختار
    نحوه ی سرد شدن: نرخ سرد شدن بالاتر در این فرآیند (سرد شدن در هوا) نسبت به نرخ سرد شدن در فرآیند آنیل کردن (سرد شدن در کوره) موجب به وجود آمدن ساختاری ریز دانه تر می شود که در نتیجه ی آن استحکام و سختی افزایش و انعطاف پذیری کاهش می یابد.

کاربرد های نرماله کردن در صنعت

    فولاد های ریخته گری شده : در این فولاد ها به دلیل سرعت سرد شدن زیاد بعد از ریخته گری دارای ساختار درشت دانه و عموما همراه با فریت سوزنی شکل هستند که یک عملیات حرارتی نرماله کردن در بازه ی دمایی 780 تا 950 درجه سانتی گراد (بسته به ترکیب شیمیایی) میتواند این ساختار نامطلوب را برای فولاد های آلیاژی و غیر آلیاژی 0.3-0.6 درصد کربن ریخته گری شده از بین ببرد.
    فولاد های نورد گرم شده: پس از نورد گرم به دلیل کشیده شدن دانه ها در جهت نورد خواص مکانیکی در جهت های مختلف متفاوت خواهد شد. جهت از بین بردن این تفاوت خواص در جهات مختلف میتوان از عملیات نرماله کردن استفاده نمود.
    فولاد های فورج شده در دمای بالا: در این فرآیند به ویژه به هنگامی که قطعات دارای مقاطعی با اندازه های مختلف هستند به علت تفاوت در نرخ سرد شدن مقاطع مختلف ساختاری غیر یکنواخت ایجاد میشود با نرماله کردن میتوان این به یک ساختار یکنواخت در این قطعات دست یافت.

محدودیت های فرآیند نرماله کردن

نکته ای که باید در رابطه با سرد شدن قطعات در هوا در ضمن نرماله شدن در نظر گرفته شود این است که نقاط مختلف یک قطعه با توجه به شکل هندسی و ضخامت آن در مقاطع مختلف با آهنگ های متفاوتی سرد می شوند. بدین صورت که هرچه قطعه حجیم تر باشد آهنگ سرد شدن نقاط مختلف در داخل آن کمتر است.

از اثر ابعاد قطعه بر روی آهنگ سرد شدن آن دو نکته مهم استنتاج می شود:

    در قطعات بزرگ آهنگ سرد شدن سطح قطعه نسبت به نواحی داخلی به شکل قابل ملاحظه ای بیشتر است که موجب ایجاد تنش پسماند کششی در سطح می شود.

    در قطعات خیلی کوچک به خصوص در فولاد های آلیاژی نرخ سرد شدن در هوا به اندازه ای است که ممکن است ساختار حاصل به جای فریت_پرلیت به یک ساختار مارتنزیت_بینیت تبدیل شود که این مسئله به ویژه در ساخت فولاد های ابزار مورد توجه قرار می گیرد.

سفر به قلب سوادکوه

دریاچه شورمست، تنها دریاچه طبیعی شهرستان سواد کوه استان مازندران، که وسعت آن ۱۵ هزار متر مربع و عمق آن ۵ متر است. این دریاچه در ۵۵ کیلومتری شهرپل سفید واقع شده‌است. این دریاچهٔ به دلیل اینکه تنها دریاچه طبیعی باقیمانده سوادکوه است به قلب سوادکوه در بین مردم محلی معروف است. منظره این دریاچه با جنگل اطراف آن که از درختان کهنسال و بلند قامت توسکا پوشیده شده، آن را به یکی از زیباترین اماکن موجود درشهرستان سوادکوه تبدیل کرده، در حال حاضر همواره مسافران، طبیعت گردان و ماهیگیران زیادی میزبان این دریاچه هستند. در پاییز با توجه به رنگ گرفتن برگها و مه آلود شدن سطح دریاچه، منظره ای چشم نواز تر به چشم می آید.