عملیات حرارتی آستمپرینگ چیست؟ و کاربرد آن

انجام عملیات حرارتی نقش مهمی در تغییر ویژگی‌های مواد دارد. این عملیات به مهندسان و تولیدکنندگان امکان می‌دهد که عملکرد مواد را برای کاربرد‌های خاص بهبود بخشند. از بین روش‌های مختلف عملیات حرارتی، آستمپرینگ(Austempering) به عنوان یکی از بهترین روش‌ها برای بهبود ویژگی‌های مکانیکی مواد آهنی محسوب می‌شود. فرآیند آستمپرینگ شامل سریع سرد کردن (کوئنچ) و حفظ دمای ثابت که منجر به تشکیل ساختاری مستحکم و مقاوم در برابر فرسایش می‌شود. در این مقاله، به اصول، کاربرد‌ها، مزایا و معایب آستمپرینگ می پردازیم و نقش آن در صنایع مختلف مورد بررسی قرار می دهیم.

عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی یک فرآیند است که در آن فلزات در حالت جامد و بدون تغییر شکل ظاهری، ابتدا گرم شده و سپس سرد می‌شوند. هدف اصلی انجام این عملیات، بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی مواد است. این تغییرات شامل افزایش استحکام، افزایش سختی، افزایش مقاومت در برابر سایش، بهبود قابلیت ماشین‌کاری، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و سایر خواص مشابه می‌شود. در این مقاله به بررسی عملیات حرارتی آستمپرینگ می‌پردازیم.

تاریخچه عملیات آستمپرینگ

ریشه‌های فرآیند آستمپرینگ به اواخر قرن نوزدهم و تقریباً سال ۱۹۳۰ میلادی بازمی‌گردد. در آن زمان، پژوهشگران و متالوژیست‌ها آزمایش‌های مختلف در زمینه عملیات حرارتی جهت بهبود ویژگی‌های فولاد انجام می‌دادند. یکی از پیشگامان اصلی در این حوزه، ادگار سی بِین (Edgar C. Bain) بود که به عنوان یک متالورژیست آمریکایی تحقیقات گسترده‌ای درباره ساختار‌های ریز فولادی انجام داد. در جنگ جهانی دوم، برای اولین بار، فولاد‌های آستمپر شده به طور گسترده در بیشتر بخش‌ها استفاده شدند. امروزه، فولاد‌های آستمپر شده در بسیاری از زمینه‌ها، به ویژه صنعت خودروسازی، به کار ‌می‌روند. در این صنعت، آستمپرینگ برای قطعات ایمنی مانند براکت‌های صندلی خودرو استفاده می‌شود.

تأسیس آستمپرینگ

بین در سال ۱۹۳۹ مقاله‌ای را منتشر کرد که در آن مفهوم باینیت را معرفی کرد. باینیت یک ساختار ریز منحصر به فرد است که ویژگی‌های برتری نسبت به سایر ساختار‌های فولادی دارد. باینیت می‌تواند ترکیبی از فریت و کاربید باشد که استحکام، زبری و مقاومت بالا در برابر سایش دارد. این کشف، بنیان و اساس آستمپرینگ به عنوان یک فرآیند عملیات حرارتی را فراهم کرد.
در دهه ۱۹۷۰ میلادی، آستمپرینگ به عنوان یک فرآیند عملی عملیات حرارتی به رسمیت شناخته شد و کاربرد‌های صنعتی آن به سرعت گسترش یافت. صنایعی مانند خودروسازی، ساخت و ساز، و ماشین‌آلات به دلیل ارائه موادی مقاوم و با ماندگاری بالا در برابر سایش از آستمپرینگ استفاده می‌کنند. قطعات آستمپر شده نشان دادند که عملکرد و عمر مفید بیشتری نسبت به مواد کوئنچ شده دارند.

فرایند عملیات حرارتی آستمپرینگ

مراحل عملیات حرارتی آستمپرینگ به شرح زیر است.
۱. مرحله اول: در این مرحله، نوع فولاد مشخص می‌شود و دمای حرارتی مناسب برای آستمپرینگ تعیین می‌شود. فولاد معمولاً در دمایی بین ۷۹۰-۹۵۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شود و سپس به مرحله آستنیته می‌رسد.
۲. مرحله دوم: فولاد در حمام نمک قرار می‌گیرد تا سرد شود. دمای لازم در این مرحله معمولاً بین ۲۶۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد است. فولاد باید برای مدتی در این دما قرار گیرد تا به‌طور کامل سرد شود.
۳. مرحله سوم: اگر نیاز به سریع سرد کردن فولاد باشد، می‌توان مرحله مارتمپرینگ را انجام داد. این عملیات به عنوان سریع سرد کردن غیرپیوسته نیز شناخته می‌شود.
۴. مرحله چهارم: در این مرحله، فولاد دوباره به دمای آستنیته گرم می‌شود و سپس در روغن داغ قرار داده می‌شود تا سرد شود. دمای لازم برای روغن حدود ۱۷۵ درجه سانتیگراد است.
۵. مرحله پنجم: زمانی که قطعات فولادی در روغن قرار می‌گیرند، مدت زمان بستگی به ضخامت فولاد دارد. هر چه ضخامت فولاد بیشتر باشد، زمان بیشتری برای ماندن در روغن نیاز است. برای هر سانتیمتر ضخامت فولاد، معمولاً ۲ تا ۵ دقیقه زمان لازم است. این زمان به سرد شدن کامل تمامی قسمت‌های فولاد کمک می‌کند.
۶. مرحله آخر: پس از انجام مراحل قبلی، فولاد‌های آستمپرینگ شده را تمپر می‌کنند. این مرحله بهبود خواص مکانیکی فولاد را تضمین می‌کند.
معمولاً در هر مرحله، دما، زمان و شرایط دیگری نیز نیاز است که بستگی به نوع فولاد و نیاز‌های مورد استفاده دارد.

کاربرد‌های آستمپرینگ

استمپرینگ به دلیل ترکیب منحصر به فرد، استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر سایش، در صنایع مختلف کاربرد‌های گسترده‌ای دارد. در زیر، برخی از کاربرد‌های مهم استمپرینگ را بررسی خواهیم کرد:

۱. صنعت خودرو

مواد آستمپر شده به طور گسترده در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این صنعت، استفاده بیشتر آن‌ها برای قطعاتی مانند چرخ‌دنده‌ها، شفت‌ها و سیستم‌های تعلیق است. فولاد آستمپر شده با استحکام و سختی استثنایی، عملکرد قابل اعتماد، بهبود بازده سوخت و کاهش وزن در وسایل نقلیه را تضمین می‌کند. افزایش مقاومت در برابر سایش نیز عمر قطعات حیاتی را افزایش می‌دهد و هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد.

۲. ساخت و ساز و زیرساخت

در بخش ساخت و ساز و زیرساخت، مواد آستمپر شده در قطعات بحرانی مانند پشتیبان‌های سازه‌ای، اتصال‌ها و پیچ و مهره‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد، استحکام بالا، خاصیت خمشی و مقاومت در برابر خوردگی و سایش را فراهم می‌کنند که آن‌ها را برای محیط‌های دشوار مناسب می‌سازد و اصالت و عمر مفید سازه‌ها را تضمین می‌کند.

۳. ابزار و ماشین آلات

فولاد آستمپر شده به طور گسترده در تولید ابزار‌ها و قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شود. ابزار‌های برش، قالب‌ها و اجزاء مختلف ماشین‌آلات از استحکام، مقاومت در برابر سایش و خاصیت خمشی مواد آستمپر شده بهره‌برداری می‌کنند. این امر عمر ابزار را افزایش می‌دهد و کارایی کلی را بهبود می‌بخشد.

۴. صنایع هوافضا و دفاع

در صنایع دفاعی و هوافضا، مواد آستمپر شده در اجزای حیاتی که تحت فشار زیاد، خستگی و بار‌های ضربه‌ای قرار می‌گیرند، کاربرد دارند. خواص مکانیکی فولاد آستمپر شده باعث افزایش نسبت استحکام به وزن و عملکرد ایمن و قابل اعتماد در محیط‌ های سخت می‌شوند.

۵. راه‌آهن

مواد آستمپر شده در بخش راه‌آهن برش و نگهداری قطعات ریلی استفاده می‌شوند. استحکام و مقاومت بالای آن‌ها باعث می‌شود که قطعات بتوانند با شرایط سخت و فشار‌های زیادی که در سیستم راه‌آهن وجود دارد، سازگار باشند.

۶. صنعت نفت و گاز

در صنعت نفت و گاز، مواد آستمپر شده به عنوان قطعاتی مانند لوله‌ها، شیر‌ها، و مخازن استفاده می‌شوند. این قطعات باید تحت فشار بالا، دما‌های بسیار بالا و شرایطی که ممکن است شدید باشند، عمل کنند. استفاده از فولاد آستمپر شده باعث می‌شود که قطعات مقاومت و عمر مفید بالایی داشته باشند و در برابر خوردگی، خستگی و شرایط سخت مقاومت کنند.

۷. صنعت الکترونیک و الکتریکی

مواد آستمپر شده در برخی قطعات الکترونیکی و الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در اتصالات باتری‌ها، فنر‌های کنتاکتی و قطعات مکانیکی دستگاه‌های الکترونیکی از آن استفاده می‌شود. استفاده از فولاد آستمپر شده در این قطعات، مقاومت بالا، انعطاف‌پذیری مناسب و عمر مفید طولانی را فراهم می‌کند.

مزایا و معایب عملیات آستمپرینگ

با توجه به محدودیت‌هایی که آستمپرینگ در کنار مزایای بسیار خود دارد، در ادامه به بررسی معایب آن خواهیم پرداخت. مزایای آستمپرینگ شامل موارد زیر می‌شوند:

۱. ویژگی‌های مکانیکی برتر
آستمپرینگ باعث ایجاد خواص مکانیکی برتر در مواد می‌شود. این خواص شامل استحکام، سختی و انعطاف‌پذیری است که قابلیت انتقال بار و مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی را افزایش می‌دهد.

۲. کاهش اعوجاج
استمپرینگ به عنوان یک فرآیند عملیات حرارتی، می‌تواند اعوجاج و تغییر شکل غیرمطلوب در قطعات را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد. این امر بهبود دقت و دقت ابعادی قطعات را به همراه دارد.

۳. صرفه‌جویی در هزینه‌ها
با استفاده از آستمپرینگ، هزینه‌های مربوط به ضایعات مواد کاهش می‌یابد. همچنین، عملکرد بهتر و عمر مفید طولانی‌تر قطعات باعث کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات می‌شود.

در کنار مزایا، آستمپرینگ نیز با محدودیت‌هایی همراه است که عبارتند از:

۱. محدودیت در مواد غیرآهنی
آستمپرینگ برای برخی از مواد غیرآهنی قابل استفاده نیست و تأثیر کمتری در بهبود خواص مکانیکی آن‌ها دارد.

۲. نامناسب برای فولاد‌های پرکربن
در برخی از موارد، آستمپرینگ برای فولاد‌های پرکربن قابل استفاده نیست و روش‌های دیگری برای تقویت آن‌ها استفاده می‌شود.

۳. زمان پردازش طولانی‌تر
آستمپرینگ نسبت به برخی از فرآیند‌های دیگر عملیات حرارتی، زمان بیشتری را برای پردازش نیاز دارد. این ممکن است در برخی از محیط‌ها و صنایع به مشکل تبدیل شود.

بیشتر بخوانید: در مورد فولاد کربنی، انواع و طبقه بندی آن

جمع‌بندی
برای افزایش سختی فولاد، عملیات‌های حرارتی آستمپرینگ بسیار مفید هستند. این عملیات می‌توانند فولاد را به گونه‌ای تغییر دهند که در صنایع مختلف استفاده شود. از طریق آستمپرینگ، تنش‌های موجود در فرایند تولید فولاد برطرف می‌شوند و خواص مکانیکی آن بهبود می‌یابد. این عملیات برای ایجاد فولاد‌هایی با ویژگی‌های مطلوب و کاربرد‌های گوناگون بسیار حائز اهمیت است.