شاهد قوة المعدن: دليل بسيط للمعالجة الحرارية والتسخين

هل فكرت يومًا ما الذي يجعل السيف قويًا ولكن ليس من السهل كسره؟ أو كيف يمكن لقطعة عادية من الفولاذ أن تتحول إلى مثقاب شديد الصلابة؟ يكمن السر في مجموعة من الخطوات تسمى المعالجة الحرارية. وهي طريقة استخدام التسخين والتبريد لجعل المعدن أفضل. هذه المقالة هي دليلك السهل لمعرفة كيفية عمل المعالجة الحرارية. سوف تكتشف كيف يمكننا أن نجعل المعدن أكثر صلابة أو ليونة أو صلابة، فقط من خلال التحكم في الحرارة. استمر في القراءة لتتعرف على الأسرار التي تحول المعادن العادية إلى مواد رائعة.

ما هي المعالجة الحرارية وما أهميتها للمعادن؟

المعالجة الحرارية عبارة عن مجموعة من الخطوات المستخدمة لتغيير شكل المادة وطريقة عملها. المادة الأكثر شيوعاً للمعالجة الحرارية هي المعدن أو السبيكة. وتستخدم هذه الطريقة تسخين وتبريد دقيقين. ومن خلال المراقبة الدقيقة لمدى سخونة المعدن ومدة بقائه ساخنًا وسرعة تبريده، يمكننا تغيير خصائصه. يمكننا أن نجعله أقوى أو أكثر صلابة أو أكثر ليونة لأداء وظيفة معينة.

يمكنك التفكير في الأمر مثل خبز الكعك. تبدأ بمكونات بسيطة. لكن درجة حرارة الفرن والمدة التي تخبز فيها تُحدث فرقًا كبيرًا. وينطبق الشيء نفسه على الفولاذ وأنواع أخرى من المعادن. يمكن لعملية المعالجة الحرارية الصحيحة أن تحول قطعة عادية من الفولاذ الكربوني إلى جزء يعمل بشكل جيد حقًا. وهذا هو السبب في أن المعالجة الحرارية مهمة جدًا لصنع الأدوات وقطع غيار السيارات وأي شيء مصنوع من المعدن تقريبًا. فهي تتيح لنا تحديد كيف سيصبح المنتج النهائي.

كيف يؤدي تطبيق الحرارة إلى تغيير خواص الفلزات؟

عندما ترى قطعة من المعدن، تبدو صلبة. لكن على مستوى صغير للغاية، فهي مصنوعة من بلورات صغيرة. نسمي هذه البنية المجهرية. والطريقة التي تتجمع بها هذه البلورات الصغيرة معًا هي التي تعطي المعدن صفاته، مثل صلابته أو ليونته (وهي قدرته على الانحناء وعدم الانكسار). وتؤدي خطوات التسخين والتبريد إلى تغيير هذه البنية المجهرية.

إن تسخين المعدن يعطي الأجزاء الصغيرة الموجودة بداخله طاقة للتحرك وتشكيل أشكال بلورية جديدة. ثم تحدد سرعة التبريد، أو معدل التبريد، الشكل النهائي الذي سيكون عليه الشكل النهائي. يمكن أن يؤدي التبريد السريع جدًا، الذي يسمى التبريد المروي، إلى تثبيت القطع الصغيرة في مكانها. وهذا يصنع شكلًا صلبًا للغاية ولكن هشًا أيضًا. أما التبريد البطيء جدًا فيتيح للقطع الصغيرة أن تستقر في شكل لين وأكثر انثناءً. لذا، من خلال إدارة خطوات التسخين والتبريد، يمكن للمعالجة الحرارية تغيير خصائص المعدن بعناية.

ما هي أكثر أنواع المعالجة الحرارية شيوعًا؟

هناك العديد من عمليات المعالجة الحرارية المختلفة. ويمكن تصنيف معظمها في بضع مجموعات رئيسية. تتم كل واحدة منها لسبب مختلف. تساعدك معرفة هذه الأنواع الأساسية من المعالجة الحرارية على معرفة ما يمكنك فعله بالمعدن أو السبيكة.

فيما يلي جدول بسيط لخيارات العلاج الأكثر شيوعاً:

هذه المعالجات الحرارية الشائعة، مثل التلدين والتصلب والتلطيف هي الأفكار الأساسية للعمل مع المعدن اليوم. العديد من طرق المعالجة الحرارية هي مجرد طرق مختلفة قليلاً للقيام بهذه الأشياء الرئيسية.

كيف تصلب الفولاذ بعملية المعالجة الحرارية؟

لتقوية الفولاذ، يجب تغيير بنيته المجهرية إلى شكل شديد الصلابة. تستخدم هذه المعالجة الحرارية تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة عالية جدًا. تتغير درجة الحرارة الدقيقة بناءً على نوع الفولاذ ومحتواه من الكربون. يتم تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة العليا. يتيح ذلك اختلاط قطع الكربون في الفولاذ.

بعد تسخين المعدن والانتهاء من هذا التغيير، يجب تبريده بسرعة كبيرة. ويسمى هذا التبريد بالتبريد. غالبًا ما يتم غمس الفولاذ في الماء أو الزيت أو سائل خاص. يعمل هذا التبريد السريع على تثبيت قطع الكربون في مكانها. وهذا يجعل الهيكل صلبًا للغاية ولكنه أيضًا هش للغاية. هذه الطريقة رائعة لزيادة صلابة عناصر مثل فولاذ الأدوات أو السكاكين. الغرض من هذه المعالجة الحرارية هو الحصول على صلابة عالية جدًا.

ماذا يعني تلدين المعدن؟

تلدين المعدن يعني جعله أكثر ليونة وأسهل في العمل عليه. تشبه عملية التلدين عكس عملية التصلب. وبدلاً من التسقية السريعة، تستخدم عملية التلدين طريقة تبريد بطيئة للغاية. تُستخدم طريقة المعالجة الحرارية هذه لتخفيف الإجهاد من الداخل وتليين المعدن وجعله أسهل في الثني وأقوى. ويتم ذلك عادةً بعد أن يكون المعدن مشغولاً على البارد، مما يجعله صلباً وسهل الكسر.

هناك طرق مختلفة للتلدين. في عملية التلدين الكامل، يتم تسخين المعدن إلى درجة حرارة عالية معينة. ثم يتم تبريده ببطء بسرعة محددة. ويتم ذلك غالبًا عن طريق تركه في الفرن ليبرد. وتتيح عملية التلدين إعادة البنية المجهرية إلى حالة أكثر استقرارًا وليونة. وتستخدم أنواع أخرى من المعالجة الحرارية مثل التلدين الجزئي أو التلدين بإعادة التبلور درجات حرارة تسخين وسرعات تبريد مختلفة للحصول على نتائج مختلفة. يُستخدم التلدين لتجهيز المعدن للقيام بمزيد من العمل عليه.

لماذا من المهم تقسية الفولاذ بعد تقسيته؟

عندما تصلب الفولاذ بالتبريد، تحصل على صلابة مذهلة. ولكنه يسبب أيضًا مشكلة كبيرة: يصبح الفولاذ هشًا للغاية. يمكن للمادة الهشة أن تنكسر بسهولة مثل الزجاج إذا ضربتها. وهذا ليس جيدًا لمعظم الأدوات أو الأجزاء. وهذا هو السبب في أن عملية التقسية مفيدة للغاية. عملية التقسية هي معالجة حرارية تتم بعد التصلب لتقليل الهشاشة.

تتم العملية عن طريق تسخين الفولاذ المقوى إلى درجة حرارة أقل بكثير. ويتم الاحتفاظ به في هذه الحرارة لفترة معينة. ثم يُترك ليبرد، وغالبًا ما يكون في الهواء في درجة حرارة الغرفة. يسمح هذا التسخين الناعم لبعض الأجزاء المقفلة في البنية المجهرية بالتحرك قليلاً. يقلل من بعض الصلابة ولكنه يجعل صلابته أفضل بكثير. وكلما ارتفعت درجة الحرارة المستخدمة في التقسية، كلما كان الفولاذ أقل صلابة وأكثر صلابة. يتيح لنا ذلك إجراء تغييرات صغيرة على كيفية عمل أجزاء الفولاذ النهائية.

ما هو تصلب الحالة وكيف يختلف؟

في بعض الأحيان، لا تحتاج إلى أن يكون الجزء بأكمله صلبًا. قد ترغب في جزء ذو سطح صلب للغاية لا يتآكل بسهولة. ولكن قد تريد أن يكون الوسط أكثر ليونة وصلابة. وهذا هو السبب في أننا نستخدم التصلب على شكل حالة. التصلب على شكل هيكل هو نوع من المعالجة الحرارية التي تصلب الطبقة الخارجية فقط، أو "الهيكل" للجزء المعدني. وهذا يجعل السطح صلبًا بينما يظل الجزء الداخلي للجزء أسهل في الثني.

هناك بعض الطرق التي يتم بها ذلك. هناك طريقتان شائعتان للمعالجة الحرارية لتقسية الغلاف هما الكربنة والنترة.

• تتم الكربنة عن طريق تسخين الفولاذ في مكان به الكثير من الكربون. تدخل قطع الكربون في سطح الفولاذ. وهذا يزيد من محتواه من الكربون. بعد ذلك، يمكن أن يمر الجزء بخطوة التصلب والتبريد العادية. ولكن فقط السطح الذي يحتوي على نسبة عالية من الكربون سيصبح شديد الصلابة.
• النيترة هي عملية مماثلة، ولكنها تستخدم النيتروجين وليس الكربون. وهي معالجة سطحية تتم على درجة حرارة منخفضة. وهي تجعل صلابة السطح صلبة للغاية وطويلة الأمد. طريقة المعالجة الحرارية هذه جيدة جدًا للتروس وأجزاء المحركات.

كيف تخفف المعالجة الحرارية من الإجهاد في المعدن؟

عندما يتم تصنيع جزء معدني، على سبيل المثال عن طريق اللحام أو القطع أو الثني، يمكن أن يتراكم الإجهاد في الداخل. لا يمكنك رؤية هذا الإجهاد. ولكنه يمكن أن يجعل الجزء ينحني أو حتى ينكسر بمرور الوقت. يمكن أن تساعد المعالجة الحرارية الخاصة التي تسمى تخفيف الإجهاد في ذلك. والغرض من هذه العملية الحرارية هو تخفيف هذه القوى المتراكمة. وتقوم بذلك دون تغيير السمات الرئيسية للمعدن.

لتخفيف الإجهاد، يتم تسخين الجزء بهدوء إلى درجة حرارة أقل من درجة تغيره. ويتم الاحتفاظ به لفترة كافية للسماح للبنية المجهرية الداخلية للمعدن بالاستقرار. يتيح ذلك أيضًا انتشار الضغوط الداخلية بالتساوي. بعد ذلك، يتم تبريده ببطء شديد. هذا التبريد البطيء مهم للغاية. فهو يضمن عدم حدوث أي إجهاد جديد. هذه المعالجة الحرارية خطوة مهمة للغاية للتأكد من أن الأجزاء قوية ويمكن الوثوق بها.

هل هناك جداول مختلفة للمعالجة الحرارية للصلب؟

نعم، بالتأكيد. جدول المعالجة الحرارية يشبه الوصفة التي تتبعها للمعالجة الحرارية. فهو يعطيك درجات الحرارة والأوقات وسرعات التبريد الدقيقة التي يجب استخدامها لنوع معين من السبائك. تحتاج الأنواع المختلفة من الفولاذ، مثل الفولاذ الكربوني أو سبائك الفولاذ أو الفولاذ المقاوم للصدأ، إلى جداول المعالجة الحرارية الخاصة بها للحصول على الميزات التي تريدها.

على سبيل المثال، سيكون لصلب الأدوات عالي الكربون جدول زمني مختلف تمامًا عن الصلب منخفض الكربون للبناء. حتى التغيير الطفيف في وقت التسخين أو معدل التبريد يمكن أن يُحدث فرقًا كبيرًا في الصلابة والصلابة النهائية. ولهذا السبب يتبع الخبراء الذين يقومون بالمعالجة الحرارية هذه الخطط عن كثب. فهم يستخدمون أدوات خاصة لإدارة خطوات التسخين والتبريد. وهذا يساعد على التأكد من حصول كل جزء على المعالجة الحرارية المناسبة.

ما هي بعض عمليات المعالجة الحرارية الشائعة التي يجب معرفتها؟

لقد تعرفنا الآن على الأجزاء الأربعة الكبرى: التصلب والتلدين والتلطيف والتصلب بالتبريد والتصلب بالتغليف. هذه هي أهم أجزاء المعالجة الحرارية. فهي تساعدنا على جعل الأشياء أقوى، وتنعيم المواد، وتقليل الهشاشة، وجعل السطح صلبًا. وتستخدم هذه العمليات الحرارية الشائعة في جميع أنواع الأعمال التي تعمل مع المعادن.

يوجد داخل هذه المجموعات العديد من الأنواع الخاصة من المعالجة الحرارية. على سبيل المثال، هناك عملية تسمى التطبيع وهي نوع من المعالجة الحرارية للتلدين. وتُستخدم على الفولاذ المصبوب لصنع بنية مجهرية أكثر تساويًا في الداخل. كما أن عملية التبريد لها أنواع عديدة مختلفة. وتتراوح هذه الأنواع من استخدام الماء العادي إلى الزيوت أو السوائل الخاصة التي تتحكم في معدل التبريد. إذا كان الأمر يتعلق بالأجزاء غير القابلة للصدأ أو سبيكة بسيطة، فهناك معالجة حرارية مصنوعة لجعلها تعمل بأفضل شكل ممكن. إن عالم تسخين معدن أو سبيكة لتغيير خصائصها كبير جدًا. ولكن هذه الأفكار الرئيسية هي ما يجعل كل ذلك يحدث.

Key Takeaways to Remember

• تستخدم المعالجة الحرارية التسخين والتبريد الدقيق لتغيير خصائص المعدن.
• الغرض الرئيسي هو تغيير البنية الصغيرة داخل المعدن أو السبيكة.
• التصلب يجعل الفولاذ صلبًا للغاية. ولكنها تجعله هشًا أيضًا بسبب التبريد السريع.
• يستخدم التلدين التبريد البطيء. وهذا يجعل المعدن أكثر ليونة وأسهل في التعامل معه.
• التقسية هي معالجة حرارية تتم بعد التصلب. وهي تضيف الصلابة مرة أخرى إلى الفولاذ.
• تصلب الحالة هو طريقة لتصلب السطح. فهي تجعل الطبقة الخارجية صلبة والوسط قاسياً.
• تتبع كل معالجة حرارية خطة واضحة لدرجة الحرارة والوقت ومعدل التبريد.