5 أسرار عملية المعالجة الحرارية: الكشف عن خواص المعادن الهندسية

دليل كامل للمعالجة الحرارية: كيف تعمل معالجة المعادن

قد تبدو المعالجة الحرارية مجرد تسخين وتبريد للمعادن. ومع ذلك، بالنسبة للمهندسين وخبراء المعادن، فهي طريقة دقيقة ومضبوطة لتغيير سلوك المادة بالكامل. نحن لا نغيّر درجة حرارة الجزء فحسب، بل نغيّر بنيته الذرية وأنماطه البلورية للحصول على خصائص ميكانيكية محددة ويمكن التنبؤ بها وتكرارها. ويحدث ذلك من خلال إدارة دورات التسخين والتبريد بعناية لإحداث التغييرات المطلوبة داخل المادة. سيقدم هذا الدليل نظرة تقنية عميقة على مبادئ علم المعادن التي تتحكم في هذه التغييرات، والعمليات الرئيسية المستخدمة في الصناعة، والعوامل المهمة التي تضمن النجاح، وطرق الاختبار التي تؤكد النتائج. إن فهم هذه العناصر هو ما يفصل بين التسخين الأساسي والممارسة الهندسية المتقدمة للمعالجة الحرارية، وهي ممارسة ضرورية لتحويل سبيكة معدنية قياسية إلى جزء عالي الأداء يتمتع بقوة وصلابة ومتانة مخصصة. والهدف من ذلك هو تجاوز التعريفات البسيطة إلى العلم الأساسي، وتوفير المعرفة اللازمة لفهم البنية النهائية للمادة والتحكم فيها، ونتيجة لذلك، أدائها في الاستخدام.

الأساس العلمي: تحولات الطور المعدني

للتحكم بفعالية في عملية المعالجة الحرارية، يجب أن نفهم أولاً علم المعادن الأساسي وراءها. ترتبط خواص المعدن مباشرةً ببنية مجهرية - أي ترتيب ونوع أطواره البلورية. والمعالجة الحرارية هي الأداة التي نستخدمها لتغيير هذه البنية المجهرية. يشرح هذا القسم "السبب" وراء "الكيفية"، ويوفر المعرفة النظرية الأساسية للتنبؤ بنتائج أي عملية حرارية وتفسيرها.

خريطة طريق مخطط الحديد والكربون البياني

بالنسبة للفولاذ، الذي هو عبارة عن سبائك من الحديد والكربون، فإن مخطط طور الحديد والكربون (Fe-Fe3C) هو أهم خريطة طريق وحيدة. فهو يوضح أطوار توازن الفولاذ في درجات الحرارة وتركيزات الكربون المختلفة. فهم هذا الرسم البياني ليس أمرًا اختياريًا؛ فهو الأساس الذي تُبنى عليه جميع عمليات المعالجة الحرارية للصلب.

المراحل والهياكل الرئيسية التي يجب أن نحددها هي:

• الفريت (α-الحديد): بنية بلورية مكعبة متمحورة حول الجسم (BCC) من الحديد ذات قابلية ذوبان منخفضة جداً للكربون. وهو ناعم وقابل للانحناء ومغناطيسي. وهو الطور الرئيسي في الفولاذ منخفض الكربون في درجة حرارة الغرفة.
• الأوستينيت (γ-الحديد): بنية بلورية مكعبة متمركزة في الوجه (FCC) من الحديد توجد في درجات حرارة عالية. وتتمثل خاصيته الرئيسية في قدرته على إذابة كمية أكبر بكثير من الكربون (تصل إلى 2.141 تيرابايت 3 تيرابايت بالوزن) مقارنةً بالفريت. هذا الطور غير مغناطيسي وهو نقطة البداية لمعظم عمليات التصلب.
• سيمنتيت (Fe3C): مركب شديد الصلابة والهشاشة من الحديد والكربون (6.671 تيرابايت 3 تيرابايت بالوزن). يوفر صلابة للصلب ولكن يمكن أن يؤدي الإفراط فيه إلى الهشاشة.
• البرليت: بنية مجهرية متعددة الطبقات مكوّنة من طبقات متناوبة من الفريت والأسمنتيت، تتشكل أثناء التبريد البطيء من الأوستينيت. وتتمثل خصائصه في التوازن بين الفريت اللين والأسمنتيت الصلب.
• المارتينسيت: هيكل رباعي الزوايا غير متوازن غير متمركز حول الجسم (BCT) يتكون عن طريق التبريد السريع (التبريد) للأوستنيت. تنحصر ذرات الكربون في شبكة الحديد، مما يسبب تشوهًا شبكيًا شديدًا. وهذا التشوه هو مصدر الصلابة العالية والهشاشة التي يتميز بها المارتينسيت.

كما يسلط الرسم البياني الضوء على درجات الحرارة الحرجة التي تتحكم في تغيرات الطور:

• A1 (درجة الحرارة الحرجة الدنيا): درجة حرارة الانصهار (727 درجة مئوية أو 1341 درجة فهرنهايت) التي يتحول عندها الأوستينيت إلى بيرلايت عند التبريد. تحت درجة الحرارة هذه، يكون الأوستينيت غير مستقر.
• A3 (درجة الحرارة الحرجة العليا): درجة الحرارة التي يكتمل عندها التحول من الفريت إلى الأوستينيت عند التسخين. تختلف درجة الحرارة هذه باختلاف محتوى الكربون.
• Acm: درجة الحرارة التي يكتمل عندها تحوّل الأسمنتيت إلى أوستينيت عند التسخين في الفولاذ فائق التكتيل (محتوى الكربون > 0.76%).

مبدأ التخصيص

أصبح مجال المعالجة الحرارية للصلب بأكمله ممكنًا بسبب خاصية تسمى التآصل. وهي قدرة العنصر على التواجد في أكثر من بنية بلورية واحدة. وبالنسبة للحديد، فإن التحوّل الحرج في التآصل هو التحوّل من بنية BCC في درجة حرارة الغرفة (الفريت) إلى بنية FCC في درجة حرارة عالية (الأوستينيت).

عندما نقوم بتسخين الفولاذ فوق درجة حرارة A3، تعيد ذرات الحديد ترتيب نفسها من BCC إلى FCC. تكون المسافات بين الذرات في بنية الأوستينيت FCC أكبر، مما يسمح لها بإذابة الكربون الموجود في طور الأسمنتيت في الفولاذ. وهذا يخلق محلولًا صلبًا من الكربون في الحديد. هذا التحوّل هو المفتاح الذي "يفتح" البنية المجهرية للصلب، مما يسمح لنا بالتحكم في خصائصه لاحقًا عند التبريد. وبدون هذا التغيير من BCC إلى FCC، سيظل الكربون محبوسًا في الأسمنتيت، وسيكون من المستحيل حدوث التصلب.

الوقت ودرجة الحرارة ومخططات التحول

بينما يوضح لنا مخطط Fe-Fe3C ما يحدث في حالة التوازن (التبريد البطيء جدًا)، فإن معظم عمليات المعالجة الحرارية تتضمن تبريدًا غير متوازن. ولفهم هذه السيناريوهات الديناميكية، نستخدم مخططات التحول الزمني لدرجة الحرارة والتبريد المستمر (TTT) والتحويل المستمر للتبريد (CCT).

هذه المخططات عبارة عن خرائط ديناميكية لتكوين فولاذ محدد. فهي ترسم درجة الحرارة مقابل الزمن (على مقياس لوغاريتمي) وتوضح البنى المجهرية (على سبيل المثال، البرليت والباينيت والمارتنسيت) التي ستتشكل إذا تم تثبيت الفولاذ عند درجة حرارة معينة (TTT) أو تم تبريده بمعدل معين (CCT). على سبيل المثال، سيُظهر مخطط CCT للصلب الكربوني العادي أنه لتحقيق بنية مارتينسيتية بالكامل، يجب أن يكون معدل التبريد سريعًا بما فيه الكفاية - غالبًا ما يتجاوز 200 درجة مئوية في الثانية - لتجاوز "أنف" منحنى تكوين البرلست. إذا كان التبريد بطيئًا جدًا، سيتحول الأوستينيت إلى بيرلايت أو باينيت أكثر ليونة قبل أن يتحول إلى مارتينسيت. هذه المخططات هي أدوات هندسية مهمة لتصميم دورات التبريد لتحقيق البنية المجهرية المطلوبة.

تحليل العمليات الأولية

مع وضع الأساس العلمي، يمكننا الآن تحليل عمليات المعالجة الحرارية الأولية بشكل منهجي. تستخدم كل عملية مبادئ التحول الطوري ولكنها تطبق دورات حرارية فريدة من نوعها - التسخين والنقع والتبريد - لتحقيق هدف هندسي محدد. يعد فهم الاختلافات في معاييرها ونتائجها أمرًا بالغ الأهمية لاختيار المعالجة الصحيحة لتطبيق معين.

التلدين للحصول على أقصى قدر من النعومة

الهدف الأساسي من التلدين هو إنتاج مادة في أكثر حالاتها ليونة وقابلية للانحناء. وغالبًا ما يتم ذلك لتخفيف الضغوط الداخلية الناتجة عن الشغل السابق (مثل التشكيل على البارد)، أو تحسين قابلية التشغيل الآلي، أو تحسين بنية الحبيبات قبل التصلب اللاحق.

تتضمن العملية تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة ضمن نطاق الأوستنيت أو أعلى قليلاً (على سبيل المثال، أعلى بقليل من A3 للفولاذ ناقص التكثيف). ثم يتم الاحتفاظ به عند درجة الحرارة هذه - وهي خطوة تسمى النقع - لفترة كافية حتى يصل الجزء بأكمله إلى درجة حرارة موحدة وحتى يصبح الأوستينيت متجانسًا. الخطوة الأكثر أهمية هي التبريد. بالنسبة لعملية التلدين الكامل، يتم تبريد الجزء ببطء شديد، عادةً عن طريق تركه داخل الفرن بينما يبرد الفرن نفسه على مدار ساعات عديدة. يسمح هذا التبريد البطيء للأوستينيت بالتحول إلى بيرلايت وفريت خشن، مما يؤدي إلى الحد الأدنى من الصلابة وأقصى ليونة.

التطبيع لتنقية الحبوب

تشترك عملية التطبيع في دورة تسخين مماثلة لعملية التلدين ولكن لها طريقة تبريد وهدف مختلفين بشكل واضح. لا يتمثل الهدف في تحقيق أقصى قدر من الليونة بل في إنشاء بنية مجهرية لؤلؤية دقيقة أكثر اتساقًا ودقيقة الحبيبات. يعمل هذا الصقل على تحسين كل من القوة والمتانة مقارنة بالجزء الملدن.

وتبدأ العملية بتسخين الفولاذ إلى درجة حرارة أعلى قليلاً من درجة حرارة التلدين، وعادةً ما تكون حوالي 50 درجة مئوية (90 درجة فهرنهايت) فوق خط A3 أو خط Acm. يضمن ذلك إذابة جميع البنى المجهرية السابقة بالكامل في مرحلة الأوستنيتي المتجانسة. بعد النقع، يتم إزالة الجزء من الفرن والسماح له بالتبريد في الهواء الساكن. معدل التبريد السريع المعتدل هذا أسرع من تبريد الفرن ولكنه أبطأ بكثير من التبريد بالتبريد. ويمنع تكوين البيرلايت الخشن، وبدلاً من ذلك ينتج توزيع أدق وأكثر اتساقًا للفريت والبيرلايت. هذا الهيكل المكرر يجعل المادة أكثر استجابة لمعالجات التصلب اللاحقة.

التصلب عن طريق التسقية

يتم إجراء التصلب أو التبريد لتحقيق أقصى قدر من الصلابة ومقاومة التآكل. ويتمثل الهدف من ذلك في تحويل البنية المجهرية للفولاذ إلى ما يقرب من 100% مارتينسيت. هذه هي العملية المستخدمة في الأدوات والمحامل والتروس والمكونات الأخرى التي تتطلب سطحًا صلبًا.

تتطلب العملية تسخين الفولاذ إلى النطاق الأوستنيتي، تمامًا كما هو الحال مع التلدين والتطبيع. وبعد عملية النقع المناسبة، يتعرض الجزء للتبريد السريع أو التبريد السريع. ويتم تحقيق ذلك عن طريق غمر المكوّن في وسط يمكنه استخراج الحرارة بسرعة، مثل الماء أو الزيت أو محلول بوليمر متخصص. يجب أن يكون معدل التبريد سريعًا بما يكفي لتفويت "أنف" منحنى TTT/CCT، مما يمنع الأوستينيت من التحول إلى مراحل أكثر ليونة مثل البرليت أو البينيت. وبدلاً من ذلك، يتحول الأوستينيت إلى مارتينسيت عند درجة حرارة منخفضة (درجة حرارة بدء المارتينسيت أو Ms).

من الناحية العملية، يعد اختيار سرعة التبريد الصحيحة أمرًا بالغ الأهمية. إذا كانت السرعة بطيئة جدًا، فلن تتحقق الصلابة الكاملة، مما يؤدي إلى "إخماد متراخٍ" مع وجود بقع لينة. سريع للغاية - على سبيل المثال، استخدام الماء على فولاذ تصلب الزيت - ويمكن أن تتسبب الضغوط الحرارية الهائلة في تشقق الجزء أو تشويهه، خاصة في المكونات ذات الأشكال الهندسية المعقدة أو الزوايا الحادة.

التقسية من أجل المتانة

يكون الجزء الذي تم إخماده حديثًا في حالة صلابة قصوى ولكن أيضًا في حالة هشاشة قصوى. تكون البنية المارتنسيتية مجهدة للغاية وهشة للغاية بالنسبة لمعظم التطبيقات العملية؛ قد يتسبب الصدم الحاد في تحطمها. يُعد التقسية معالجة أساسية بعد التسقية يتم إجراؤها لتقليل هذه الهشاشة وتخفيف الضغوط الداخلية.

تنطوي العملية على إعادة تسخين الجزء المقسى إلى درجة حرارة محددة أقل من درجة الحرارة الحرجة الدنيا (A1، حوالي 727 درجة مئوية). تعتبر درجة حرارة التقسية المختارة مفاضلة: توفر درجات الحرارة الأعلى صلابة وليونة أكبر ولكن على حساب الصلابة والقوة. يتم الاحتفاظ بالجزء عند درجة الحرارة هذه لفترة محددة (على سبيل المثال، ساعة إلى ساعتين) ثم يتم تبريده. أثناء عملية التقسية، يبدأ المارتينسيت BCT غير المستقر في التحلل إلى خليط أكثر استقرارًا من الفريت ورواسب الكربيد الدقيقة جدًا. تحتفظ هذه البنية المجهرية الجديدة، والمعروفة باسم المارتينسيت المقسّى، بجزء كبير من الصلابة الأصلية مع اكتساب قدر كبير من الصلابة.

الجدول 1: نظرة عامة مقارنة لعمليات المعالجة الحرارية الأساسية

متغيرات التحكم في العمليات الحرجة

بالانتقال من النظرية إلى التطبيق، يتوقف نجاح أي عملية معالجة حرارية على التحكم الدقيق في العديد من المتغيرات الرئيسية. يمكن أن تؤدي الانحرافات في هذه المتغيرات إلى خواص غير متناسقة أو تشويه الأجزاء أو حتى فشل كارثي. إن تحقيق البنية المجهرية المحددة والخصائص الميكانيكية المرغوبة ليس من قبيل الصدفة؛ بل هو نتيجة للتحكم الدقيق في العملية.

معدل التسخين والانتظام

يعد معدل تسخين الجزء وتوحيد تلك الحرارة أمرًا بالغ الأهمية، خاصةً في الأشكال الهندسية المعقدة أو المقاطع العرضية الكبيرة. إذا تم تسخين جزء من الجزء بشكل أسرع بكثير من جزء آخر، فإن التدرجات الحرارية الناتجة يمكن أن تخلق ضغوطًا داخلية كبيرة. يمكن أن تسبب هذه الضغوط تشويهًا (اعوجاجًا) أو، في الحالات الشديدة، تشققًا حتى قبل بدء مرحلة التبريد.

ولتقليل ذلك، غالبًا ما يتم استخدام خطوات التسخين المسبق في درجات حرارة منخفضة للمكونات الحساسة. يلعب نوع الفرن أيضًا دورًا رئيسيًا. وتعد أفران الدُفعات شائعة، ولكن بالنسبة للإنتاج بكميات كبيرة، توفر الأفران المستمرة ذات مناطق درجات الحرارة المتعددة تحكمًا أفضل. توفر أفران التفريغ أقصى درجات الحرارة وتمنع أكسدة السطح، وهو أمر بالغ الأهمية للمكونات الفضائية والطبية.

وقت النقع للتحول

وبمجرد أن يصل الجزء إلى درجة الحرارة المستهدفة، يجب أن يتم تثبيته هناك لمدة محددة، تُعرف بوقت النقع. والغرض من النقع ذو شقين: أولاً، لضمان وصول المقطع العرضي للجزء بالكامل، من السطح إلى القلب، إلى درجة الحرارة الموحدة المطلوبة؛ وثانياً، لإتاحة الوقت الكافي لاكتمال التحولات المعدنية اللازمة. وفي الصلب، يعني ذلك السماح لجميع مراحل الكربيد بالذوبان بالكامل في الأوستينيت.

القاعدة الشائعة هي النقع لمدة ساعة واحدة لكل بوصة من سمك المقطع العرضي. ومع ذلك، هذه مجرد نقطة بداية. يعتمد الوقت المطلوب أيضًا على نوع السبيكة والبنية المجهرية الأولية. ويؤدي النقع غير الكافي إلى بنية أوستنيتي غير متجانسة، مما يؤدي إلى خصائص غير متناسقة بعد التبريد - غالبًا ما تُرى على أنها "بقع لينة" أثناء اختبار الصلابة.

علم التبريد

يمكن القول إن مرحلة التبريد، أو التبريد، هي الجزء الأكثر أهمية والأقل تسامحًا في عملية التصلب. يحدد معدل التبريد مباشرةً البنية المجهرية النهائية. وكما هو موضح في مخطط CCT، يجب تجاوز "معدل تبريد حرج" محدد لتشكيل المارتينسيت. وبالتالي فإن اختيار وسيط التبريد هو قرار هندسي حاسم. كل وسيط له قوة تبريد مميزة، أو شدة التبريد.

يعتمد اختيار المروي على صلابة الفولاذ - قدرته على تشكيل المارتينسيت في العمق. يتميز الفولاذ منخفض السبائك بصلابة منخفضة ويتطلب إخمادًا سريعًا جدًا (مثل الماء أو محلول ملحي)، في حين أن الفولاذ عالي السبائك يتميز بصلابة عالية ويمكن تقويته بإخماد أبطأ (مثل الزيت أو حتى الهواء). يعد استخدام سائل إخماد شديد العدوانية بالنسبة للمادة سببًا رئيسيًا لتشقق التبريد.

الجدول 2: خصائص وسائط التبريد الشائعة

التقنيات المتقدمة والمتخصصة

وبالإضافة إلى العمليات الأولية الأربع، توجد مجموعة من المعالجات الحرارية المتقدمة والمتخصصة لتلبية متطلبات الأداء المحددة والمتطلبة. وغالبًا ما تستهدف هذه التقنيات الخصائص السطحية أو مصممة للسبائك غير الحديدية، مما يدل على اتساع نطاق المعالجة الحرارية المعدنية وقدرتها على التكيف.

طرق التصلب السطحي

في العديد من التطبيقات، مثل التروس والأعمدة والمحامل، يكون للمكون المثالي طبيعة مزدوجة: سطح شديد الصلابة ومقاوم للتآكل لتحمل التلامس والاحتكاك، وقلب أكثر ليونة وصلابة وقابلية للانحناء لامتصاص الصدمات ومقاومة فشل التعب. التصلب السطحي، أو التصلب على شكل علبة، هو مجموعة من العمليات المصممة لتحقيق ذلك.

• الكربنة: هذه واحدة من أكثر الطرق شيوعًا. يتم تسخين جزء من الفولاذ منخفض الكربون في جو غني بالكربون (غاز أو سائل أو عبوة صلبة). تنتشر ذرات الكربون في سطح الجزء، مما يخلق "علبة" عالية الكربون. ثم يتم إخماد الجزء وتلطيفه. تتحول العلبة عالية الكربون إلى مارتينسيت شديد الصلابة، بينما تظل النواة منخفضة الكربون عبارة عن بنية مجهرية أكثر صلابة وليونة.
• النيترة: في هذه العملية، يتم نشر النيتروجين في سطح جزء من الفولاذ، وعادةً ما يحتوي على عناصر مكونة للنيتريد مثل الألومنيوم أو الكروم أو الموليبدينوم. ويتم ذلك عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (حوالي 500 درجة مئوية) ولا تتطلب التبريد. ويشكل النيتروجين نيتريدات معدنية شديدة الصلابة على السطح، مما يؤدي إلى مقاومة تآكل استثنائية وخصائص مضادة للتكلس وتحسين عمر التعب مع الحد الأدنى من التشويه.
• التصلب بالحث: تستخدم هذه الطريقة الحث الكهرومغناطيسي لتسخين منطقة سطحية موضعية من الجزء بسرعة. يتم تمرير تيار متناوب من خلال ملف نحاسي يستحث تيارات دوامة في الجزء الفولاذي، مما يولد حرارة شديدة بسرعة كبيرة. وبمجرد أن يصل السطح إلى درجة حرارة التقوية، يتم إيقاف تشغيل الطاقة ويتم إخماد السطح على الفور، وغالبًا ما يتم ذلك بواسطة رذاذ مدمج في مجموعة الملف. ويؤدي ذلك إلى تكوين حالة مارتينسيتية صلبة بينما يظل القلب غير متأثر. إنها عملية سريعة ونظيفة ويمكن التحكم فيها بشكل كبير ومثالية لإنتاج كميات كبيرة من الأجزاء مثل أعمدة المحاور وممرات العمود المرفقي.

تصلب الترسيب (العمر)

في حين أن العمليات التي تمت مناقشتها حتى الآن تنطبق في المقام الأول على الفولاذ، فإن العديد من السبائك غير الحديدية، مثل تلك القائمة على الألومنيوم والنيكل والتيتانيوم، تستمد قوتها من آلية مختلفة: تصلب الترسيب، والمعروف أيضًا باسم التصلب مع تقدم العمر. لا يمكن أن تتصلب هذه السبائك عن طريق التحول المارتنسيتي.

تتضمن العملية ثلاث خطوات:

1. المعالجة بالمحلول: يتم تسخين السبيكة إلى درجة حرارة عالية لإذابة جميع عناصر السبائك في محلول صلب أحادي الطور.
2. التبريد: يتم تبريد السبيكة بسرعة إلى درجة حرارة الغرفة، مما يحبس عناصر السبائك في محلول صلب فائق التشبع. في هذه الحالة، تكون المادة لينة نسبيًا.
3. التعتيق: يتم بعد ذلك إعادة تسخين الجزء إلى درجة حرارة منخفضة ومتوسطة ويتم الاحتفاظ به لفترة طويلة (أو في بعض الأحيان يتم تعتيقه في درجة حرارة الغرفة). خلال هذه الخطوة، تترسب عناصر السبائك المحتبسة من المحلول كجسيمات دقيقة للغاية ومشتتة. تعمل هذه الجسيمات كعوائق أمام حركة الخلع داخل الشبكة البلورية، مما يزيد بشكل كبير من قوة وصلابة السبيكة.

تشتمل السبائك الشائعة القابلة للتقوية بالعمر على العديد من سلاسل الألومنيوم (مثل 6061 و7075 للتطبيقات الفضائية والهيكلية) والسبائك عالية الأداء مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4 PH و Inconel 718.

المعالجة بالتبريد من أجل الأداء

المعالجة بالتبريد هي عملية تكميلية تدفع بأداء المواد إلى ما هو أبعد مما يمكن تحقيقه من خلال المعالجة الحرارية التقليدية وحدها. وهي تنطوي على تجميد عميق للمواد إلى درجات حرارة أقل من -150 درجة مئوية (-240 درجة فهرنهايت) بعد التبريد الأولي وقبل أو بعد التبريد.

الغرض الأساسي هو ضمان التحول الكامل للأوستنيت المحتفظ به. في العديد من أنواع الفولاذ المقوى، وخاصةً الدرجات عالية الكربون والسبائك العالية، قد تفشل نسبة صغيرة من الأوستينيت في التحول إلى مارتينسيت أثناء التبريد. يكون هذا "الأوستينيت المحتجز" لينًا وغير مستقر الأبعاد. وتوفر البرودة العميقة للمعالجة بالتبريد الطاقة اللازمة لإجبار هذا التحول على الاكتمال، مما يؤدي إلى بنية مارتينسيتية أكثر اتساقًا. وتتمثل الفائدة الثانوية في ترسيب كربيدات "إيتا" (η) الدقيقة للغاية، مما يعزز من مقاومة التآكل. تُستخدم هذه العملية لتحسين عمر الخدمة وثبات أبعاد أدوات القطع والمحامل ومكونات المحرك عالية الأداء.

التحليل الفني ومراقبة الجودة

إن وعد عملية المعالجة الحرارية هو تقديم مادة ذات خصائص هندسية محددة. والتحليل الفني ومراقبة الجودة (QC) هي الطرق التي نستخدمها للتحقق من الوفاء بهذا الوعد. وتوفر هذه الاختبارات البيانات الموضوعية اللازمة للتأكد من أن العملية الحرارية قد تم تنفيذها بشكل صحيح وأن المكون الناتج سيؤدي وظيفته كما هو مصمم.

اختبار الخصائص الميكانيكية

تقيس الاختبارات الميكانيكية مباشرةً الخصائص المهمة للأداء أثناء الخدمة. وهي الدليل النهائي على نجاح المعالجة الحرارية.

• اختبار الصلابة: هذا هو اختبار مراقبة الجودة الأكثر شيوعًا وسرعة وفعالية من حيث التكلفة في المعالجة الحرارية. وهو يقيس مقاومة المادة للتشوه البلاستيكي الموضعي (على سبيل المثال، المسافة البادئة). والقيمة التي يتم الحصول عليها هي مؤشر قوي لمقاومة التآكل وقوة الشد. والطرق الأساسية هي Rockwell (قياس عمق المسافة البادئة)، وBrinell (قياس قطر المسافة البادئة من كرة كبيرة)، وVickers/Knoop (باستخدام أداة ماسية لقياس المسافة البادئة، وهي مثالية للمناطق الصغيرة أو الحالات الرقيقة). يمكن لاختبار الصلابة أن يؤكد بسرعة ما إذا كان الجزء قد حقق الهيكل المارتنسيتي المستهدف أو إذا كان قد تم تقسيته بشكل صحيح.
• اختبار المتانة: الصلابة هي مقياس لقدرة المادة على امتصاص الطاقة والتشوه اللدن قبل أن تنكسر. وهو مهم بشكل خاص للمكونات التي تتعرض للتحميل بالصدمات. تعتبر اختبارات الصدمات Charpy أو Izod من الطرق القياسية. في هذه الاختبارات، يتم ضرب عينة مسننة ببندول مرجح، ويتم قياس الطاقة التي تمتصها العينة أثناء الكسر. يعد هذا الاختبار ضروريًا للتحقق من نجاح التقسية في تقليل هشاشة الجزء المقوى.

تحليل البنى المجهرية عن طريق تحليل المعادن

في حين أن الاختبارات الميكانيكية تخبرنا "ما هي" الخصائص، فإن تحليل البنية المجهرية يخبرنا "لماذا". علم المعادن هو ممارسة إعداد وفحص البنية المجهرية للمادة تحت المجهر. وهو يوفر تأكيداً بصرياً مباشراً لنتائج المعالجة الحرارية.

تتضمن العملية قطع عينة تمثيلية بعناية من جزء ما وتركيبها في بوليمر وطحنها وصقلها حتى تصبح كالمرآة ثم نقشها بكاشف كيميائي. يهاجم المُنقِّش بشكل انتقائي المراحل المختلفة وحدود الحبيبات بمعدلات مختلفة، مما يكشف عن البنية المجهرية عند النظر إليها تحت المجهر. يمكن لأخصائي المعادن المتمرس تحديد المراحل الموجودة (على سبيل المثال، المارتينسيت، والبرلايت، والأوستينيت المحتجز)، وتقييم حجم الحبيبات والتحقق من عمق الحالة للجزء المقوى السطحي، والبحث عن السمات الضارة مثل إزالة الكربنة أو الشقوق الدقيقة. توضح المقارنة بين البنية المجهرية لعينة فولاذ ملدنة وعينة فولاذ مقوى بصريًا التغير الهيكلي العميق، من بيرلايت خشن متعدد الطبقات إلى مارتينسيت دقيق يشبه الإبرة.

الاختبارات غير المدمرة (NDT)

يمكن للإجهادات الحرارية الشديدة التي تنطوي عليها المعالجة الحرارية، وخاصةً التبريد، أن تحفز في بعض الأحيان عيوبًا مثل الشقوق السطحية أو تحت السطحية. يمكن أن تعمل هذه العيوب كمركزات إجهاد وتؤدي إلى فشل سابق لأوانه أثناء الخدمة. تُستخدم طرق الاختبار غير المدمرة (NDT) لفحص المكونات بحثًا عن مثل هذه العيوب دون إتلافها. تشمل الطرق الشائعة المستخدمة بعد المعالجة الحرارية اختبار الجسيمات المغناطيسية (للمواد المغناطيسية الحديدية)، الذي يستخدم برادة الحديد للكشف عن الشقوق السطحية الكاسرة للسطح، والاختبار بالموجات فوق الصوتية، الذي يستخدم موجات صوتية عالية التردد للكشف عن العيوب السطحية والداخلية.

الجدول 3: دليل طرق التحقق ما بعد المعالجة

الخاتمة: الانضباط المنضبط

لقد انتقلنا من المبادئ الأساسية لتحولات الطور، مسترشدين بمخطط الحديد والكربون، من خلال التنفيذ العملي للتلدين والتطبيع والتصلب والتصلب والتلطيف. لقد استكشفنا متغيرات التحكم الحرجة التي تملي النجاح والتقنيات المتقدمة التي تدفع حدود الأداء. وأخيرًا، قمنا بتغطية طرق التحقق التي تغلق الحلقة، مما يؤكد تحقيق الخصائص المطلوبة.

يعزز هذا الاستعراض الشامل موضوعًا أساسيًا: عملية المعالجة الحرارية ليست فنًا بل تخصص هندسي محكوم. إنها حجر الزاوية في التصنيع الحديث، وهي أداة قوية تسمح لنا بأخذ مادة شائعة وتكييف هيكلها الداخلي بدقة لتلبية أكثر التطبيقات تطلبًا. وينبثق النجاح الهندسي الحقيقي في هذا المجال من الفهم العميق للعلم الأساسي والنهج الدقيق للتحكم في العملية والتحقق منها.

• الطلاء الكهربائي - ويكيبيديا https://en.wikipedia.org/wiki/Electroplating
• الأنودة - ويكيبيديا https://en.wikipedia.org/wiki/Anodizing
• موضوعات العلوم والتنمية المباشرة - المعالجة الكهروكيميائية للأسطح https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electrochemical-surface-treatment
• منظمة ASTM الدولية - معايير المعالجة السطحية https://www.astm.org/
• جمعية حماية المواد والأداء (AMPP) https://ampp.org/
• شركة ASM الدولية - هندسة الأسطح https://www.asminternational.org/
• المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا والابتكار والتكنولوجيا - علم قياس المواد https://www.nist.gov/mml
• سبرينغرلينك - تكنولوجيا الأسطح والطلاءات https://link.springer.com/journal/11998
• المواد اليوم - هندسة المواد اليوم - هندسة الأسطح https://www.materialstoday.com/
• SAE International - معايير المعالجة السطحية SAE International - معايير المعالجة السطحية https://www.sae.org/