استفاده از عملیات حرارتی روشی محبوب برای تغییر خواص مکانیکی فلزات سخت است. قابلیت ایجاد تغییر در میزان سختی، سفتی و مقاومت فلز راهی عالی برای افزایش سازگاری فلز با نیازهای مختلف است. این کار باعث تغییر در خصوصیات شیمیایی فلز نخواهد شد. روش‌های مختلفی برای عملیات حرارتی وجود دارد که یکی از معروف‌ترین آن‌ها روش کوئنچ است. در این مقاله به بررسی این عملیات حرارتی و همچنین نحوه عملکرد کوره سختکاری کوئنچ خواهیم پرداخت.
نحوه انجام کوئنچ فلزات
این سوال برای بیشتر صاحبان کارگاه‌های خانگی پیش می‌آید که کوئنچ چیست؟ کوئنچ به عنوان یک عملیات حرارتی محبوب در دستکاری فلزات شناخته می‌شود. فرایند کوئنچ شامل خنک‌سازی سریع یک فلز برای تنظیم خواص مکانیکی و فیزیکی آن است. برای انجام این کار، فلز تا دمایی بالاتر از شرایط طبیعی گرم می‌شود که معمولا بالاتر از دمای تبلور مجدد (Recrystallization Temperature) و کمتر از دمای ذوب فلز است.
این امکان وجود دارد که فلز تا مدت زمانی مشخص در این دما نگه داشته شود تا گرما به خوبی در آن به حالت اشباع برسد. هنگامی که فلز برای مدتی مشخص در دمای مطلوب نگه داشته شد، در یک محلول خیسانده می‌شود تا دوباره به دمای اتاق برسد. همچنین ممکن است که فلز برای مدتی طولانی‌تر در محیط خنک‌تر نگه‌داری شود تا خنکی ایجاد شده در کل ضخامت فلز توزیع یابد.
مزایای کوئنچ
در صورت استفاده از یک خنک‌کننده مناسب، فرایند کوئنچ روشی بسیار عالی برای ایجاد تغییرات دلخواه در ویژگی‌های فیزیکی فلز است. همچنین موادی مانند روغن و آب‌نمک میزان تسلط دستگاه کوره سختکاری کوئنچ را بر فلزات افزایش می‌دهند. از دیگر مزایای کوئنچ می‌توان به این موارد اشاره کرد:
- مواد کوئنچ شده به صورت کلی دوام و مقاومت کششی بیشتری دارند.
- این کار می‌تواند عمر فلزات را تا حد چشمگیری افزایش دهد.
- میزان سایش فلزات در مقابل سطوح مختلف کاهش پیدا می‌کند.
- کوئنچ کردن در مقایسه با عملیات‌های حرارتی دیگر بسیار ساده‌تر است.
مواد مورد استفاده برای کوئنچ کردن
انواع مختلفی از مواد خنک‌کننده وجود دارند که برای فرایند کوئنچ مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر کدام از این مواد ویژگی‌های خنک‌سازی مختص به خود را دارد. در هنگام استفاده از این مواد مسائلی مانند سرعت خنک‌سازی، توانایی در رفع تنش فلزات و همچنین قیمت آن‌ها ملاحظه می‌شود. انواع مواد مورد استفاده برای فرایند کوئنچ کردن عبارت‌اند از: هوا، روغن، آب و آب‌نمک
هوا
هوا یک بستر محبوب برای خنک‌سازی فلزات است که در میان موارد مقرون به صرفه قرار دارد. کوره سختکاری کوئنچ می‌تواند هوا را در اطراف فلز فشرده کرده و بدین ترتیب فشار بیشتری بر آن وارد سازد. این کار اغلب اوقات انجام می‌شود؛ چرا که هوای ساکن، توانایی چندانی در خنک‌سازی مواد ندارد.
روغن
روغن با سرعت بسیار بیشتری نسبت به هوا می‌تواند، فلزات گرم شده را خنک کند. در این روش، فلز را پس از افزایش دما تا حد مطلوب در روغن کوئنچ فرو می‌برند. انواع مختلف این روغن‌ها بسته به نوع کاربرد مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا میزان خنک‌کنندگی و همچنین نقاط اشتعال آن‌ها متفاوت است.
آب
آب فلزات گرم شده را حتی با سرعت بیشتری نسبت به فلزات خنک می‌کند. در این روش فلز در یک مخزن پر از آب غوطه‌ور می‌شود تا دمای آن تا حد مطلوب کاهش یابد. اما دلیل اصلی استفاده از آب در فرایند کوئنچ تمپر چیست؟ یکی از مهم‌ترین مزایای آب این است که مانند برخی از روغن‌ها خطر اشتعال ندارد.
آب نمک
آب‌نمک روند خنک‌سازی فلزات را در مقایسه با هوا، روغن و آب با سرعت بیشتری انجام می‌دهد. دلیل به کارگیری آب نمک این است که این محلول در هنگام تماس با فلز از تشکیل حباب‌های هوا جلوگیری می‌کند و در نتیجه سطح بیشتری از فلز توسط محلول احاطه خواهد شد.
کوئنچ کردن فولاد
هنگام صحبت کردن در مورد فرایند کوئنچ کردن، حتما باید از فولاد نام ببریم؛ چرا که خواص مکانیکی آن در مقابل خنک‌سازی بسیار حساس است. در این فرایند، فولاد تا حدی بالاتر از دمای تبلور خود گرما داده شده و سپس به سرعت خنک می‌شود. این کار باعث تغییر در ساختار تبلور فولاد خواهد شد.
در آخر، فولاد بسته به میزان کربن و عناصر آلیاژی خود از سطحی سخت‌تر برخوردار می‌شود. این کار میزان ترک خوردگی فولاد را کاهش داده و همچنین شکل‌پذیری آن را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. به همین دلیل، برخی از فولادها پس از فرایند کوئنچ تحت عملیات آنیلینگ قرار می‌گیرند یا نرمالیزه می‌شوند.
نکات مهم در فرایند کوئنچ کردن
برای دستیابی به مقاومت مطلوب لازم است که این فرایند را به طور مستقیم بعد از فرم‌دهی و در محیطی بسته انجام دهیم. همچنین در صورتی که قصد داشته باشیم ساختار سطحی فلز را از آستنیت به مارتنزیت تغییر دهیم؛ باید سرعت خنک شدن آن را تا حد امکان بالا ببریم. اما مهم‌ترین عامل تاثیرگذار در کوئنچ چیست؟
تماس مستقیم در میان مواد خنک‌کننده و سطح فلز از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. از آنجا که شکاف هوا در میان ماده خنک‌ساز و فلز به عنوان عایق عمل می‌کند؛ ابزارهای مورد استفاده باید طوری ساخته شوند که تمامی اجزا فلز با ماده خنک‌کننده در ارتباط باشند.