ما هو الغرض من تبريد الفولاذ الهيكلي الكربوني؟

ما هو الغرض من تبريد الفولاذ الهيكلي الكربوني؟
تشتمل عملية التبريد للفولاذ الإنشائي الكربوني على تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة الأوستنيت (عادةً 30-50 درجة فوق Ac3، الأمر الذي يتطلب أوستنة كاملة للفولاذ ناقص الأوتينيت)، وإمساك الفولاذ عند درجة الحرارة هذه لفترة من الوقت للسماح للبنية المجهرية بالتحول بالكامل إلى أوستينيت، ثم تبريده بسرعة في وسط تبريد مثل الماء أو الزيت. والغرض الأساسي منه هو تحقيق تحسين "اختراقي" في الخواص الميكانيكية عن طريق تغيير البنية المجهرية الداخلية للصلب (تحويل الأوستينيت إلى هياكل غير متوازنة مثل المارتنسيت أو الباينيت)، خاصة بالنسبة لمتطلبات القوة والصلابة. ويمكن تصنيف هذه العملية إلى الأهداف الأساسية الأربعة التالية:
1. تحسين صلابة الفولاذ ومقاومة التآكل بشكل كبير
يتمتع الهيكل المجهري المتوازن للفولاذ الهيكلي الكربوني (على سبيل المثال، البرليت + الفريت) بصلابة منخفضة نسبيًا (على سبيل المثال، تبلغ الصلابة المدرفلة على الساخن - للفولاذ Q235 حوالي HB150-180، والصلب 45 تقريبًا HB170-210). وهذا يجعلها غير مناسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة التآكل والخدش (على سبيل المثال، الأسطح المقاومة للتآكل على الأجزاء الميكانيكية وحواف الأدوات). أثناء التبريد، يبرد الأوستينيت بسرعة (يجب أن يتجاوز معدل التبريد "معدل التبريد الحرج"). ليس لدى الذرات الوقت الكافي للانتشار وتكوين البيرليت المتوازن، وبدلاً من ذلك تضطر إلى تكوين المارتنسيت. مارتنسيت هو محلول صلب مفرط التشبع من الكربون في -Fe، مع تشويه كبير للشبكة والعديد من الاضطرابات الداخلية. هذا يزيد بشكل كبير من صلابة:
يمكن أن يصل الفولاذ الهيكلي الكربوني المتوسط- (مثل الفولاذ 45) إلى صلابة HRC55-60 بعد التسقية، وهو ما يتجاوز بكثير صلابة الفولاذ المدرفل على الساخن.
يمكن للفولاذ الهيكلي عالي الكربون-(مثل الفولاذ 65) أن يصل إلى صلابة HRC60-65 بعد التسقية، مما يقترب من مستوى فولاذ الأدوات العادي.
تعمل هذه الصلابة العالية على تحسين مقاومة التآكل للأجزاء بشكل فعال وتقليل التآكل أثناء الاستخدام (على سبيل المثال، الحزوز الدليلية لأداة آلة التبريد وجوانب أسنان التروس).
2. يحسن بشكل كبير قوة الفولاذ ومقاومة التشوه
بالإضافة إلى الصلابة، فإن التسقية تزيد بشكل كبير من قوة الشد، وقوة الخضوع، ومقاومة التشوه للفولاذ الهيكلي الكربوني. يتمتع الفريت في هيكل التوازن بمرونة عالية ولكن قوة منخفضة، في حين أن البيرلايت لديه قوة معتدلة. ومع ذلك، يمكن للمارتنسيت تحقيق زيادة في القوة بنسبة 50% إلى 100% بسبب تشويه الشبكة وتقوية الخلع.
على سبيل المثال، يتمتع الفولاذ 45 بقوة شد مدرفلة على الساخن-تبلغ حوالي 600 ميجا باسكال. بعد التبريد (بدون تقسية)، ترتفع قوة الشد إلى أكثر من 1000 ميجا باسكال، وتزداد مقاومة الخضوع من 355 ميجا باسكال إلى أكثر من 800 ميجا باسكال.
بالنسبة للأجزاء التي تتحمل الأحمال أو تقاوم الصدمات أو تقاوم التشوه (مثل الأعمدة وقضبان التوصيل والمسامير)، فإن القوة العالية بعد التبريد تضمن عدم تشوه الأجزاء أو كسرها في ظل ظروف التشغيل المعقدة، وبالتالي تلبية متطلبات الحمل الهيكلي-متطلبات التحمل. 3. التي تضع الأساس لعملية "التلطيف" اللاحقة، وتحقيق "القوة-المتانة توازن."
على الرغم من أن الفولاذ الهيكلي الكربوني يحقق صلابة وقوة عالية للغاية بعد التبريد، إلا أن له عيوبًا كبيرة: الإجهاد الداخلي العالي في هيكل المارتينسيت، وضعف الليونة، والمتانة المنخفضة للغاية (عرضة للكسر الهش، مع امتصاص طاقة الصدم عادة فقط 5-10J). الاستخدام المباشر يمكن أن يؤدي بسهولة إلى الفشل بسبب التأثيرات البسيطة أو تركيزات الضغط. لذلك، نادرًا ما يتم استخدام التبريد باعتباره "معالجة حرارية نهائية"، بل كمقدمة لعملية التقسية. وتتمثل وظيفتها الأساسية في توفير "بنية أساسية-عالية الصلابة وعالية القوة" لتعديلات الأداء اللاحقة.
يمكن للتلطيف اللاحق عند درجات حرارة مختلفة (التلطيف بدرجة حرارة منخفضة 150-250 درجة، والتلطيف بدرجة حرارة متوسطة-350-500 درجة، والتلطيف بدرجة حرارة عالية 500-650 درجة) أن يزيل إجهاد المارتينسيت الداخلي ويحسن المتانة مع الاحتفاظ بمعظم القوة المسقية.
على سبيل المثال، بعد التسقية والتلطيف بدرجة الحرارة العالية (التبريد والتلطيف) للفولاذ 45، يتم تقليل الصلابة إلى HRC 28-32، بينما تظل قوة الشد أعلى من 800 ميجا باسكال ويتم زيادة امتصاص طاقة التأثير إلى أكثر من 50 جول. يحقق ذلك توازنًا مثاليًا بين "القوة العالية والمتانة العالية"، مما يجعله الحل الشامل الأكثر استخدامًا لتحسين الأداء في تصنيع الآلات. 4. تحسين الأداء المحلي وتلبية متطلبات "التعزيز المحلي"
لا تتطلب بعض أجزاء الفولاذ الهيكلي الكربوني قوة عالية بشكل عام (لتجنب الهشاشة الشاملة) وتتطلب فقط تقوية مناطق العمل الحرجة (مثل أسطح التآكل ومناطق الضغط المركز). في هذه الحالات، يمكن أن يحقق التبريد "تحسينات في الأداء المحلي" من خلال أسلوب "التدفئة المحلية + التبريد المحلي".
على سبيل المثال، تتطلب قضبان توجيه الأدوات الآلية مقاومة للتآكل السطحي (صلابة عالية)، ولكن يجب أن تحافظ مصفوفة قضبان التوجيه على المتانة (لتجنب الكسر الناتج عن الصدمات). يمكن تحقيق ذلك من خلال "تبريد سطح التسخين التعريفي". يتضمن ذلك تسخين سطح قضيب التوجيه فقط إلى الأوستنيت وتبريده بسرعة، وتشكيل مارتنسيت مروي (صلابة HRC 50-55) على السطح مع الحفاظ على هيكل التوازن الأصلي للمصفوفة (الحفاظ على المتانة).
على سبيل المثال، يتطلب الرأس أو الجزء الملولب من الترباس مقاومة للقص والتآكل. يمكن للتبريد الموضعي أن يحقق أداءً حاسمًا مع تجنب الهشاشة الشاملة وتقليل خطر فشل الأجزاء.