فرآیند آنیل کردن و آنیل

[amirhossein toranjian]

آنیل کامل
آنیل کامل (Full Annealing) عبارت است از حرارت دادن فولاد در گستره ی دمایی نشان داده شده در شکل زیر و سپس سرد کردن آهسته، معمولا در کوره است. تحت این شرایط آهنگ سرد شدن در حدود 0.02 درجه سانتیگراد بر ثانیه است. همچنان که از شکل مشخص است، گستره ی دمایی آنسیته کردن برای آنیل کامل، تابع درصد کربن فولاد است. بدین صورت که، برای فولادهای هیپویوتکتویید حدود 50 درجه سانتیگراد بالای خط A3 و برای فولادهای هایپریوتکتویید حدود 50 درجه سانتیگراد بالای خط A1 است. دماهای بحرانی A1 و A3 تا حدودی تحت تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها تغییر می کند. بنابراین، به طور کلی درعملیات آنیل کامل، فولادهای هیپویوتکتویید را در ناحیه تک فازی آستنیت و فولادهای هایپریوتکتویید را در ناحیه دوفازی آستنیت - سمنتیت حرارت می دهند. اگر واژه آنیل بدون پسوند استفاده شود، منظور همان آنیل کامل است.

دمای سرد کردن (Ar)، گرم کردن (Ac) و تعادلی (A) در آلیاژهای آهن - کربن. (سرد کردن و گرم کردن با 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.
علت آستنیته کردن فولادهای هایپریوتکتویید در ناحیه دو فازی آستنیت - سمنتیت این است که سمنتیت پرویوتکتویید در این فولاد به صورت کروی و مجتمع شده در آید. اگر چنین فولادی تا بالای خط Acm حرارت داده شود، در ضمن آهسته سرد شدن سمنتیت پرویوتکتویید به صورت شبکه پیوسته‌ در مرز دانه‌ های آستنیت رسوب می‌کند و در نتیجه منجر به ترد و شکننده شدن فولاد می شود. در تصویر زیر شکل a شبکه پیوسته کاربید در فولاد مقاوم به سایش 52100SAE  که دارای 1 درصد کربن و 1.5 درصد کروم است را نشان می دهد. تصویر زیر شکل b نشان می دهد که در یک فولاد با میکرو ساختاری نظیر تصویر a شکست در آزمایش ضربه در امتداد شبکه پیوسته کاربید که در مرز دانه‌های آستنیت اولیه تشکیل شده پیشرفت کرده است. در تصویر b، فولاد از ناحیه تک فازی آستنیت تا بالای خط A1 آهسته و سپس سریع سرد شده است. بنابراین ساختار نهایی شامل مارتنزیت در جوار شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌های آستنیت اولیه است. اگر این فولاد به جای سریع سرد شدن، تا زیر خط A1 آهسته سرد شود ساختار نهایی شامل شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌ ها و پرلیت خشن در داخل دانه‌ها خواهد بود . به بیان دیگر، در داخل دانه‌ ها به جای مارتنزیت پرلیت تشکیل خواهد شد. بنابراین در عملیات حرارتی آنیل کامل، هدف از آستنیته کردن فولادهای هایپریوتکتویید در ناحیه دو فازی آستنیت - سمنتیت، عبارت از شکستن شبکه پیوسته کاربید یاد شده و تبدیل آن به ذرات ریز و کروی شکل مجزا از یکدیگر است. نیروی محرکه در این عملیات حرارتی عبارت از کاهش انرژی فصل مشترک ناشی از کروی شدن ذرات کاربید و در نتیجه کاهش مقدار فصل مشترک آستنیت - کاربید است.

                                                    a                                                                         )b(                                                     

شکل (a) شبکه پیوسته کاربید در مرز دانه‌ های آستنیت اولیه در فولاد 52100. میکرو ساختار نوری، محلول حکاکی نایتال، بزرگنمایی × 600.

شکل (b) شکست در امتداد کاربید های تشکیل شده در مرز دانه های آستنیت در فولاد 52100 ریزساختار الکترونی بزرگنمایی × 415
در تصویر زیر شکل (b) شبکه سمنتیت پرویوتکتویید در فولاد 52100 SAE  که به طور جزیی کروی شده است را نشان می‌ دهد.

                                  (a)                                         b                            

شکل (a) سمنتیت پرویوتکتویید در فولاد 52100 نرماله شده. (b) سمنتیت پرویوتکتویید مربوط به تصویر a پس از اینکه فولاد به منظور سخت شدن در 850 درجه سانتیگراد آستنیته شده باشد.

در شکل فوق ذرات بسیار ریز، همان سمنتیت مربوط به پرلیت اولیه بوده که کروی شده اند. علامت‌ های پیکان، دانه‌ های ریز آستنیتی را نشان می‌ دهد که در ضمن آستنیته کردن در 850 درجه  سانتیگراد به وجود آمده‌اند.

در عملیات آنیل کامل، نه تنها دمای آستنیته کردن بلکه آهنگ سرد شدن نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. منحنی (●) در شکل زیر شمایی از مراحل گرم و سرد شدن این عملیات را برای یک فولاد هیپویوتکتویید بر روی یک سری محور های دما - زمان و منطبق بر نمودار فرضیCT این فولاد نشان می دهد. سرد کردن آهسته که معادل سرد شدن در کوره است باعث می‌ شود که در ضمن عبور از خطوط A3 و A1 ابتدا فریت و سپس پرلیت از آستنیت به وجود آید. به علت سرد شدن آهسته، فریت تشکیل شده دارای دانه‌ های درشت و هم محور بوده و پرلیت دارای فاصله بین لایه‌ ای نسبتا زیاد (پرلیت خشن یا درشت) است. از جمله مشخصه‌ های مکانیکی این میکرو ساختار عبارت از کاهش سختی و استحکام و افزایش انعطاف پذیری است.

آنیل کردن (بازپخت)

آنیل کردن (Annealing) درعلم مواد، به فرایندی می گویند که موجب تغییر خواص ماده مانند سختی و شکل پذیری آن می شود. این فرایند شامل گرم کردن ماده تا دمایی مناسب ، نگه داری در آن دما در زمان مشخص و کافی و سپس سرد کردن آن با سرعت مناسب تا دمای محیط می باشد. کلمه آنیل (بازپخت) مفهوم گسترده ای داشته و هم در بخش فلزات و آلیاژهای آهنی و هم غیر آهنی کاربرد دارد. این عملیات عموما برای نرم کردن مواد فلزی انجام می شود و در نتیجه آن خواصی مانند قابلیت ماشین کاری، خواص الکتریکی، قابلیت کار سرد و پایداری ابعاد آن و ساختار آلیاژ تغییر قابل توجه ای می کند.

انواع فرایندهای آنیل کردن

انواع آنیل کردن انواع مختلفی داشته که هدف و نتیجه آنها متفاوت است. هر گاه عنوان خاصی برای آن ذکر نشود، منظور بازپخت کامل است که در آن آلیاژ آهنی تا بالاتر از دمای استحاله گرم شده و سپس به آرامی در داخل کوره سرد شده و کاملا نرم می شود.سیکل این عملیات با توجه به ترکیب و مشخصات آلیاژ متفاوت بوده و برای هرفولاد سیکل مشخصی وجود دارد.

برای آلیاژهای غیر آهنی با ترکیب و ساختار مربوط به خود، عملیات بازپخت برای اهداف زیر انجام می شود:

1- حذف کامل یا جزیی اثرات کار سرد (احتمال رخ دادن تبلور مجدد)

2- آمیخته شدن کامل رسوبات به صورت ذرات درشت

3- رسوب ذرات از محلول جامد

عملیات بازپخت خود به چند دسته تقسیم می شود:

نرمالیزاسیون - Normalizing 

در این عملیات، آلیاژهای آهنی تا بالاتر از دمای استحاله Ac3 گرم شده و بعد در هوای آزاد سرد می شود. ساختار و خواص فولادهای کم کربن در این عملیات، مشابه عملیات باز پخت کامل (Full Annealing) بوده اما نکته قابل ذکر اینکه نتیجه عملیات نرمالیزاسیون و بازپخت برای همه آلیاژهای آهنی یکسان نمی باشد.

آنیل فرایند

که به آن آنیل میانی نیز می گویند موجب نگهداری و حفظ شکل پذیری قطعه کار سرد شده می شود تا حین کار ترک نخورد. قطعه تا دمای آستینته شدن گرم شده و تا زمانی که تنش ها در آن کاهش یابند نگه داری می شود و سپس در کوره خنک می شود. در ادامه قطعه برای کار سرد بعدی آماده است.

بازپخت کامل

با آنیل کامل خاصیت شکل پذیری ماده افزایش یافته و ساختار یکنواختی با خواص دینامیکی خوب حاصل می شود.

تنش گیری