عملیات حرارتی پیچ و مهره ها

قطعات و ابزار آلات صنعتی بخصوص قطعاتی که از فلزات ساخته می‌شوند، معمولا بلافاصله پس از تولید مورد استفاده قرار نمی‌گیرند و به منظور بهبود خواص و همچنین رفع عیوبی که در حین تولید در آن‌ها ایجاد می‌شود، عملیاتی در حین تولید و یا بعد از تولید روی آن‌ها انجام می‌شود. بر روی پیچ و مهره‌ هم مانند بسیاری از ابزار و قطعات صنعتی و فنی فرایندهایی بعد از تولید جهت بهبود خواص انجام می‌شود. یکی از مهم‌ترین فرایندهایی که روی پیچ و مهره‌ها انجام می‌شود عملیات حرارتی پیچ و مهره (Heat Treatment) است. انجام عملیات حرارتی بر روی مواد معمولا به جهت بهبود خواص مکانیکی همچون استحکام کششی و سختی و… انجام می‌شود. عملیات حرارتی پیچ و مهره در چند روش مختلف انجام می‌شود که در هر روش هدف بهبود ویژگی و خواص خاصی از مواد است.

عملیات حرارتی پیچ و مهره چیست

عملیات حرارتی پیچ و مهره مجموعه‌ای از چند فرایند مختلف است که به هدف بهبود خواص مختلف همچون خواص مکانیکی و فیزیکی بر روی  قطعات مختلف از جمله پیچ و مهره‌ها انجام می‌شود. عملیات حرارتی از جمله فرایندهایی است که روی اغلب محصولات فولادی انجام می‌شود و تا حد زیادی در بهبود خواص آن‌ها، اثر مثبت دارد. اما این سوال پیش می‌آید که عملیات حرارتی چطور به بهبود خواص کمک می‌کند؟ خواص مواد متاثر از ساختار آن‌ها هستند و این ساختار مواد است که بر روی مولفه‌های مختلف خواص  مختلف فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مواد اثر مستقیم دارد. نقش عملیات حرارتی هم تاثیر بر روی ساختار مواد است.عملیات حرارتی در واقع با بهبود ساختار و یا رفع عیوب ساختاری مواد پیچ و مهره، باعث بهبود خواصی همچون مکانیکی پیچ و مهره‌ها می‌شود. همچنین در طی عملیات حرارتی تنش‌های پسماندی که حین تولید در پیچ و مهره بوجود آمده‌اند، رها شده و از بین می‌روند.

نکته قابل توجه در انجام عملیات حرارتی، کنترل پارامترهای آن همچون دما، سرعت سرد کردن و… است. عملیات حرارتی به روش‌های مختلفی انجام می‌شود که هر روش باید به درستی انجام شود تا تاثیر مثبتی بر روی خواص پیچ و مهره داشته باشد. باید توجه داشته باشید که نحوه انجام عملیات حرارتی برای مواد مختلف و به تبع آن پیچ و مهره‌های مختلف متفاوت است. در واقع با توجه به جنس پیچ و مهره و اینکه چه دقیقا چه هدفی از انجام عملیات حرارتی داریم، باید عملیات حرارتی مناسب شرایط خود را انتخاب کنیم. همچنین علاوه بر نوع عملیات حرارتی، در هر روش هم برای مواد مختلف شرایط و نحوه انجام عملیات حرارتی متفاوت است. منظور از نحوه انجام متفاوت در واقع شرایط و پارامترهای عملیات حرارتی مانند دما، سرعت سرد کردن، مدت زمان نگه‌داری و… برای مواد مختلف متفاوت است و گرنه مراحل و اصول برای همه یکی است.. به همین جهت نحوه انجام عملیات حرارتی برای پیچ و مهره‌ها را استانداردهای بین‌المللی در قالب دستورالعمل‌هایی تعریف می‌کنند. استاندارد آمریکایی ASTM استانداردهای مربوط به ترکیب مواد، فرایندهای تولید و عملیات حرارتی پیچ و مهره‌ها را تعریف می‌کند.

انواع عملیات حرارتی پیچ و مهره

عملیات حرارتی پیچ و مهره‌ها به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. در واقع با توجه به نوع و جنس پیچ و مهره و اینکه هدف ما از انجام عملیات حرارتی بهبود چه خواصی از پیچ و مهره است، یکی از روش‌های عنلیات حرارتی را برای پیچ و مهره‌ها انجام می‌دهیم.  انواع عملیات حرارتی شامل روش‌های زیر است.

  • عملیات حرارت مجدد یا آنیلینگ پیچ و مهره (Annealing)

آنیلینگ، باز پخت یا حرارت مجدد پیچ و مهره یکی از رایج‌ترین روش‌های عملیات حرارتی است که بر روی پیچ و مهره‌ها انجام می‌شود. آنیلینگ به فرایندی گفته می‌شود که در آن پیچ و مهره تا یک دمای مشخص ( معمولا بالاتر از دمای بحرانی یا دمای استحاله) گرم شده یک مدت زمان مشخصی در این دما نگهداری شده و سپس تا دمای محیط آهسته سرد می‌شود. دمای گرم کردن، مدت نگهداری در این دما و همچنین سرعت سرد کردن در فرایند آنیلینک، برای مواد مختلف متفاوت است. هدف از انجام عملیات حرارت مجدد یا آنیلینگ پیچ و مهره بیشتر اصلاح سختی و انعطاف‌پذیری پیچ و مهره‌ها است. در واقع با انجام آنیلینگ پیچ و مهره چکش خواری و انعطاف‌پذیری پیچ و مهره‌ها افزایش یافته و این باعث می‌شود قابلیت شکل دهی و ماشین‌کاری آن‌ها بهبود یابد.

  • عملیات سخت کاری سطحی

عملیات سخت‌کاری سطحی یکی دیگر از انواع عملیات حرارتی پیچ و مهره است که بر روی پیچ و مهره‌ها انجام می‌شود. در این فرایند همانطور که از اسمش پیداست، هدف سخت کردن سطح پیچ و مهره‌هاست. معمولا وقتی که یک قطعه سخت می‌شود، چقرمگی و انعطاف‌پذیری آن افت کرده و قطعه معمولا ترد و شکننده می‌شود. اما عملیات حرارتی هردوی این ویژگی‌ها را در کنار هم فراهم می‌کند. سخت‌کاری سطحی فرایندی‌ است که به منظور افزایش سختی و استحکام سطح پیچ و مهره‌ها با حفظ چقرمگی آن‌ها تا حد زیاد، انجام می‌شود. سخت‌کاری سطحی به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. این روش‌ها شامل عملیات ترموشیمی (کربونیزاسیون یا کربن دهی، نیتروژناسیون یا نیتروژن دهی، کربو-نیتروژناسیون و نیترو- کربونیزاسیون) و عملیات موضعی (سخت‌ کردن القایی و سخت‌ کردن شعله‌ای) است.

در عملیات ترموشیمی که شامل ۴ روش مختلف است، شیمی سطح ماده تغییر می‌کند و موجب سخت شدن سطح ماده می‌شود. به عنوان مثال در نیتروژناسیون یا نیتروژن دهی، پیچ و مهره در مجاورت اتمسفر غنی از نیتروژن تا دمای بحرانی حرارت داده شده و سپس سرد می‌شود. در این فرایند، نیتروژن به سطح پیچ و مهره نفوذ کرده و با تشکیل نیتریدهای فلزی در سطح آن باعث افزایش سختی با حفظ چقرمگی می‌شود. در کربونیزاسیون هم پیچ و مهره در اتمسفر غنی از کربن تا دمای ۹۵۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد گرم شده، در این دما در فولادها فاز آستنیت پایدار است و مقدار زیادی کربن جذب می‌کند. جذب کربن باعث سخت شدن پیچ و مهره و افزایش مقاومت به سایش آن‌ها می‌شود. اما در عملیات‌های موضعی شیمی سخت تغییر نمی‌کند. در هردو این روش‌ها گرم کردن سطح قطعه باعث پایداری فاز آستنیت شده و با سطح کردن آن اکسید تشکیل شده که باعث سخت شدن سطح می‌شود. در این دو روش اساس کار یکی است تنها روش‌های گرم کردن قطعه یا همان پیچ و مهره متفاوت است.

  • عملیات خنک کاری پیچ و مهره (Quenching)

عملیات حرارتی خنک‌کاری پیچ و مهره یا کوئنچینگ فرایندی است که در آن پیچ و مهره‌ها تا دمای بالا گرم شده و با سرعت زیاد از دمای بالا سرد می‌شوند. در طی سریع سرد کردن پیچ و مهره‌ها فاز مارتنزیت پایدار شده که سخت‌ترین فاز فولادهاست. به این طریق استحکام و سختی پیچ و مهره فولادی افزایش می‌یابد. سرعت سرکردن پیچ و مهره‌ها با توجه به فولادها و نوع عناصر آلیاژی آن‌ها متفاوت است.

  • عملیات نرمالیزاسیون (Normalization)

عملیات نرمالیزاسیون پیچ و مهره به منظور یکنواخت کردن و همگن سازی ساختار ماده انجام می‌شود. در فرایند نرمالیزاسیون ماده تا دمای استحاله حرارت داده شده و سپس با سرعتی مشخص سرد می‌شود. در این فرایند یک ساختار غیرهمگن به یک ساختار ریزتر و یکنواخت‌تر تبدیل می‌شود. در طی فرایند نرمالیزلسیون با کاهش اندازه دانه و ریز شدن ماده، استحکام و سختی آن افزایش یافته اما چقرمگی مقداری افت می‌کند.

  • عملیات تمپر کردن (Tempering)

عملیات تمپر کردن شامل گرم کردن پیچ و مهره تا دمای بحرانی، نگهداری تا زمان مشخصی در این دما و در نهایت خنک کردن آن است. فرایند تمپر کردن معمولا زمانی استفاده می‌شود که قصد افزایش چقرمگی و افزایش اندازه دانه قطعه را داشته باشیم. تمپر کردن باعث کاهش تنش‌های داخلی و پسماند ناشی از فرایندهای تولید در قطعه می‌شود.

اهداف عملیات حرارتی پیچ و مهره‌ها

عملیات حرارتی پیچ و مهره فرایندی جانبی در تولید قطعات مختلف صنعتی است که به هدف بهبود خواص قطعه انجام می‌شود. این خواص شامل خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مواد و قطعات هستند. از آن‌جا که پیچ و مهره‌ها معمولا تحت بار و نیروی زیاد هستند و در کاربرد تحت ضربه، سایش و… قرار می‌گیرند. بنابراین به دلیل اهمیت بالای خواص مکانیکی در پیچ و مهره‌ها، هدف از انجام عملیات حرارتی پیچ و مهره‌ها بیشتر بهبود خواص مکانیکی آن‌هاست. از اهداف عملیات حرارتی پیچ و مهره‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • بهبود استحکام کششی پیچ و مهره‌ها.
  • بهبود انعطاف‌پذیری چقرمگی پیچ و مهره‌ها.
  • افزایش سختی پیچ و مهره‌ها.
  • بهبود مقاومت به سایش پیچ و مهره‌ها.
  • بهبود قابلیت ماشین کاری.
  • تنش زدایی و حذف تنش های داخلی و پسماند ناشی از فرایندهای تولید.
  • و…

عملیات حرارتی یکی از مهم‌ترین فرایندهای جانبی حین تولید قطعات مختلف، مخصوصا قطعات فولادی است. در طی این فرایند خواص مختلف ماده همچون خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن بهبود می‌یابد. عملیات حرارتی معمولا به روش‌های مختلفی انجام می‌شود که این روش‌ها شامل آنیلینگ، سطح کردن سطحی، تمپر کردن، کوئنچ کردن و نرمالیزاسیون است. هر روش خاص خود را دارد که استانداردهای مختلفی همچون ASTM این اصول را تعریف و در قالب دستورالعملی ارائه کرده‌اند. در هر روش عملیات حرارتی، خواصی خاص از مواد بهبود می‌یابند و بر اساس اینکه با انجام عملیات حرارتی پیچ و مهره قصد بهبود چه خواصی از پیچ و مهره را داریم، باید روش مناسب عملیات حرارتی را انتخاب کنیم.