عملیات حرارتی زیر صفر

تاثیر عملیات حرارتی زیر صفر

عملیات حرارتی زیر صفر فولاد ، موجب بهبود خواص مکانیکی از قبیل افزایش استحکام، پایداری ابعادی و ریزساختاری بالا، بهبود مقاومت به سایش و تنش زدایی می شود. معمولا پیشنهاد می شود که قطعه به ازای هر اینچ (5/2 سانتیمتر مربع) از سطح مقطع، به مدت یک ساعت در دمای عملیات زیر صفر نگه داری شود. یکی دیگر از فواید عملیات حرارتی زیر صفر ، کاهش احتمال بروز پدیده ای به نام ترک های سنگ زنی است. در نتیجه کاهش تنش پسماند و مارتنزیت تمپر نشده طی عملیات زیر صفر ، تراشکاری قطعه فولادی با سهولت بیشتری صورت می گیرد.

عملیات حرارتی زیر صفر فولادهای ابزار

معمولا عملیات کوئنچ فولاد به این منظور انجام می شود که ساختاری تماما مارتنزیتی شکل بگیرد. با این وجود، حتی با در نظر گرفتن اینکه دمای پایان استحاله یا M_f اغلب در حد دمای اتاق است، باز هم مقداری آستنیت در ساختار باقی می ماند. برای برخی کاربردها، حتی این مقدار آستنیت باقی مانده نیز می تواند بیش از حد باشد و در نتیجه، عملیات حرارتی زیر صفر لازم می شود.

چرخه عملیات حرارتی زیر صفر

انجام عملیات حرارتی زیر صفر بلافاصله بعد از اتمام کوئنچ، می تواند بهترین راه برای ایجاد حداکثر درصد مارتنزیت باشد. ولی این عملیات در برخی گرید های فولاد و در طراحی های خاص می تواند باعث ایجاد ترک شود. طراحی هایی که دارای گوشه های تیز یا کاهش ناگهانی سطح مقطع باشند و ایجاد ناحیه تمرکز تنش کنند، به این شکل عملیات زیر صفر نمی شوند.

سیکل عملیات حرارتی زیر صفر

بنابراین، در بسیاری از موارد، عملیات حرارتی زیر صفر بعد از تمپرینگ اولیه انجام می شود. تمپرینگ ثانویه نیز بعد از اتمام عملیات حرارتی زیر صفر انجام می شود. این چرخه ممکن است برای برخی قطعات بارها تکرار شود.

کاربردهای عملیات حرارتی زیر صفر

عملیات حرارتی زیر صفر در موادی مثل فولادهای ابزار و فولادهای مارتنزیتی پر کربن ، به منظور افزایش مقاومت به سایش انجام می شود. وجود آستنیت باقیمانده در این مواد مقاومت به سایش را کاهش می دهد.

تنش زدایی

برخی مواد در فرایند ریخته گری، به دلیل گرادیان دمایی حین انجماد یا استحاله های فازی دچار تنش های پسماند حرارتی می شوند. فرایندهایی مثل ماشین کاری نیز ممکن است، تنش های پسماند تولید کنند. استفاده از عملیات حرارتی زیر صفر می تواند راهکاری مناسب برای تنش زدایی قطعات باشد. به خصوص که کنترل سیکل گرمایش بسیار آسان تر از کنترل سیکل سرمایش در عملیات آنیل تنش زدایی است.

افزایش پایداری ابعادی

حذف آستنیت باقیمانده ، می تواند پایداری ابعادی قطعه را نیز بیشتر کند. وجود آستنیت باقیمانده در قطعه می تواند منجر به برخی استحاله های کنترل شده به وسیله تنش یا کرنش شود. در این موارد قطعه در طول کار، تحت تنش یا کرنش هایی قرار می گیرد که موجب استحاله آستنیت باقیمانده به مارتنزیت می شود. این استحاله ها قطعه را دچار اعوجاج یا تنش پسماند می کند.

مزایای عملیات حرارتی زیر صفر

به طور کلی کنترل عملیات حرارتی زیر صفر بسیار آسان تر از عملیات حرارتی دیگر است. زمان نگه داری و سرعت سرمایش و گرمایش اهمیت حیاتی در ساختار نهایی قطعه ندارد. تنها مسئله مهم در عملیات زیر صفر، رسیدن قطعه به دمای مد نظر است. بنابراین می توان پارامترها را به گونه ای تنظیم کرد که تمام قطعه، بدون در نظر گرفتن سطح مقطع و پیچیدگی در دمای مد نظر قرار گیرد.

شماتیک عملیات حرارتی زیر صفر با نیتروژن مایع

در ضمن، در عملیات حرارتی زیر صفر، هیچ ساختار جدید و غیر منتظره ای شکل نمی گیرد. این عملیات حرارتی ایجاد عیوب سطحی ناشی از حرارت نیز می کند.

هزینه عملیات حرارتی زیر صفر

 هزینه عملیات حرارتی زیر صفر به دلیل هزینه نسبتا پایین تجهیزات، زیاد نیست. از آنجایی که دمای عملیات بستگی به کاربرد مد نظر دارد، بنابراین دمای عملیات میتواند منفی 18 تا منفی 190 درجه سانتیگراد باشد. فریزرهای معمولی خانگی توان ایجاد دماهای زیر صفر تا منفی 18 درجه را دارند. یخ خشک می تواند قطعات را در دماهای تا منفی 60 درجه سانتیگراد قرار دهد. دماهای پایینتر توسط یخچال های صنعتی به دست می آیند که نسبتا ارزان و در دسترس هستند.

یخچال های عمودی مورد استفاده برای عملیات حرارتی زیر صفر

در تمامی این موارد، هزینه عملیات حرارتی زیر صفر ، بسیار پایین است. در شرایط بسیار دما پایین نیز می توان از نیتروژن مایع استفاده کرد. هزینه عملیات حرارتی زیر صفر ، با استفاده از نیتروژن مایع بالا می رود اما این عملیات (به جز در کاربردهای معدود آزمایشگاهی) چندان مرسوم نیست.