آنیلینگ یا بازپخت چیست و چرا انجام می شود؟

آنیل کاری، آنیلینگ یا باز پخت، عبارت است از یک عملیات حرارتی که سبب تغییر در ریز ساختارهای (microstructure) یک ماده می‌شود. تغییر در ریز ساختار به نوبه خود سبب تغییر در خواص ماده می‌گردد. عملیات حرارتی آنیل کاری، خواص فیزیکی و گاه خواص شیمیایی مواد را تغییر می‌دهد. تغییری که شکل پذیری ماده را افزایش داده، سختی را کاهش می‌دهد و باعث می شود ماده کارایی بیشتری داشته باشد. در فرآیند باز پخت، فلز تا بالاتر از دمای تبلور مجدد، برای یک مدت زمان مشخص حرارت داده می‌شود. بنابراین، آنیلینگ معمولاً به عملیات حرارتی اشاره دارد که در آن یک قطعه فلزی cold-worked به واسطه تبلور مجدد، نرم می‌شود. آنیل برای رفع کردن تغییراتی که در فلز طی فرایند cold working ایجاد شده است، استفاده می شود. این کار با قرار دادن فلز در دمای خاص، طی یک بازه زمانی مشخص، صورت می گیرد.

بازپخت رایج‌ترین فرایند درمان حرارتی فلزات است. در طول این فرایند، هر قطعه فلز حدأقل یک بار آنیل می‌شود. در برخی موارد نیز ممکن است بسته به شرایط، در مرحلۀ انتقال از مواد اولیه به بخش پایانی، فلز چندین بار تحت آنیلینگ قرار گیرد.

آنیلینگ از کلمه انگلیسی anelen به معنای آتش زدن، برافروختن و پخت گرفته شده است. از آنجا که این کلمه با نوشتار و املای متفاوت مثل onǣlan دیده شده است، قدمت استفاده از این روش را صدها سال پیش  می‌دانند. دقیقاً مشخص نیست که چه کسی آنیلینگ را کشف کرده است. اما ریشه شناسی کلمه anelen و onǣlan و سایر لغات مربوطه نشان می‌دهد که این روش حدأقل از 900 سال پیش مورد استفاده قرار داشته است.

در فلز کاری و صنعت متالوژی، آنیلینگ با هدف تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات خاص انجام می شود. این فرایند برای کاهش سختی، افزایش شکل پذیری و از بین بردن تنش های داخلی آلیاژهای فلزی استفاده می شود. آنیل کاری معمولاً برای معکوس کردن یا کاهش اثرات ناشی از عملیات cold working مثل نورد سرد و کشش سرد استفاده می‌شود تا امکان پردازش بیشتر در فلز فراهم شود. در برخی شرایط، آنیل کاری می‌تواند بر خواص شیمیایی و الکتریکی فلزات نیز تأثیر بگذارد و خواص الکتریکی فلز و رسانایی آن را بهبود بخشیده و بیشتر کند.

هدف اولیه از بازپخت این است که خواص مکانیکی فلز را تغییر داده و آن را نرمتر و کارآمدتر کند. باز پخت، خطر شکستگی، ترک خوردگی ناشی از هیدروژن و اعوجاج در مواد را کاهش می‌دهد. فلزات سخت و شکننده می تواند باعث ساییدگی بیش از حد ابزار و ماشین آلات صنعتی شده و به آن‌ها آسیب بزند. بازپخت، آسیب‌های ناشی از این حالت را کاهش داده و گاه از بین می‌برد. آنیلینگ اغلب پس از عملیات cold working مانند کشیدن، آسیاب کردن، نورد سرد یا خمکاری و به منظور کاهش اثرات آن و افزایش کارایی بیشتر فلز استفاده می‌شود. همچنین با هدف از بین بردن تنش‌هایی که پس از عملیاتی مانند جوشکاری و بریزینگ ایجاد می‌شود، کاربرد دارد.

گریدهای زیادی از آلیاژهای چدن و فولاد را می‌توان آنیل کاری کرد. آنیلینگ فولاد بسیار رایج است. برخی از آلیاژهای آلومینیوم، مس و برنج را نیز می‌توان با این فرایند ارتقاء داد.

دما و زمان دو عامل مهم در عملیات آنیل کاری محسوب می‌شود. خارج شدن از محدوه دمایی مشخص و افزایش یا کاهش در مدت زمان خنک کاری، می‌تواند سبب ایجاد تداخل در محصول شود. اما دما بیش از زمان بر کیفیت محصول خروجی تأثیرگذار است. ترکیب آلیاژ، ضخامت مقطع فلزی و هندسه آن، در تنظیم دما در حین عملیات آنیل کاری مؤثر است.

بسته به نوع آلیاژ، روش آنیل کاری و اندازۀ قطعۀ کار، دماهای مختلفی بر روی ماده اعمال می‌شود. مثلاً در مورد روش sub-critical که معمولاً در مورد آلیاژهای فولاد انجام می‌شود، دمایی بین 1000 تا 1300 درجه فارنهایت اعمال می‌شود.

در برخی موارد، آلیاژ بین 30 دقیقه تا 3 ساعت، در دمای بین 300 تا 410 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. در این صورت، فرایند خنک سازی قطعه در هر ساعت باید حدأکثر تا 20 درجه سانتی‌گراد باشد تا به دمای 290 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد. بعد از این مراحل، دیگر نیازی نیست سرعت خنک کردن از روند یا قانون خاصی تبعیت کند.

به طور کلی، دمای عملیات و سرعت خنک شدن، به ماده‌ای که آنیل می‌شود و همچنین هدف از بازپخت بستگی دارد. به عنوان مثال، فلزات آهنی مانند فولاد معمولاً در دمای اتاق در هوای ثابت خنک می‌شوند. این در حالیست که مس، نقره و برنج را می توان به تدریج و به آرامی در هوا، یا به سرعت در آب خنک کرد.

فرآیند گرمایش باعث حرکت و مهاجرت اتم‌ها در شبکه بلوری می‌شود. همین امر تغییر شکل پذیری را بهبود داده و به افزایش سختی در مواد کمک می‌کند. مواد حرارت دیده، با سرد شدن، مجدداً متبلور می‌شوند. اندازه دانه کریستال و ترکیب فاز به میزان گرمایش و سرمایش بستگی دارد و این به نوبه خود ویژگی های مواد را تعیین می‌کند.

کوره آنیل کاری، یک محفظه یا دستگاه گرمایشی است که گرمای لازم برای عملیات بازپخت را فراهم می آورد. کوره ها معمولاً دمای بین 700 تا 900 درجه سانتی گراد را فراهم می‌آورند؛ البته دمای برخی کوره‌ها به 1000 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر نیز می‌رسد. بسته به شرایط و نیاز کاری، از کوره مناسب با دمای مناسب استفاده می‌شود. در شرایطی که حجم بالایی از قطعات برای پخت وجود دارد، کوره تسمه نقاله می‌تواند روند کار را تسریع کند.

در کوره آنیلینگ، به ماده تا بالاتر از دمای تبلور مجدد حرارت داده می‌شود. سپس آن را در دمای مشخص و طی یک مدت زمان مناسب خنک می‌کنند. گرمایش باعث حرکت و توزیع مجدد اتم ها شده و سبب تبلور دوباره بلورها می‌گردد.

عملیات آنیل کاری در سه مرحله انجام می‌شود:

1. مرحله بازیابی (recovery stage)
2. مرحله تبلور مجدد (recrystallization stage)
3. مرحله رشد دانه (grain growth stage)

1- مرحله بازیابی

مرحله بازیابی، بهبود یا ترمیم، مرحله‌ای است که در کوره آنیلینگ حرارت تا جایی بالا برده می‌شود که تنش‌های داخلی موجود در فلز، رفع شود.

2- مرحله تبلور مجدد

در مرحله تبلور مجدد، به ماده حرارت داده می‌شود. دمای این حرارت تا جایی بالا می‌رود که بالاتر از دمای تبلور مجدد اما زیر نقطه ذوب فلز باشد. این حالت باعث می‌شود تا دانه‌هایی جدید بدون هیچگونه تنش ایجاد شود.

3- مرحله رشد دانه

خنک کردن مواد با سرعت خاص و از پیش محاسبه شده، در یک محیط کنترل شده، باعث ایجاد دانه های جدید و رشد دانه‌های قبلی می‌شود. ایجاد دانه های جدید، کارایی فلز را بالاتر می‌برد. در این مرحله همه اثرات منفی ناشی از مرحله cold working برطرف می‌شود. در مورد ورق های فلزی، مرحله رشد دانه می‌تواند یک سطح ظاهری خشن ایجاد کند. در برخی از انواع خاص آنیلینگ، می‌توان برخی مواد را به سرعت در آب خنک کرد.

پس از این مراحل، فلز برای انجام هر گونه فرایند دیگر مانند شکل دهی یا شکل گیری آماده است.

1. آنیل کامل (Full Annealing)
2. آنیل ایزوترمال (Isothermal annealing)
3. آنیل اسفرودایز (Spheroidizing Anneal)

1- آنیلینگ کامل

در این روش، مقطع فولادی را تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی گرم و سپس به آرامی سرد می‌کنند. افزایش دما باید به آهستگی صورت گیرد. میزان گرمایش عامل مهمی در فرایند بازپخت کامل است. آنیلینگ کامل، ساختاری نرم‌تر با سختی کمتر و شکل پذیری بالا ارائه می‌دهد. با کند کردن روند افزایش درجه حرارت، آستنیت تا حد زیادی پیشرفت کرده و دانه‌های بسیار درشتی در طول سرد شدن ایجاد می‌شود. این امر منجر به سختی بسیار کمتری در مقطع می‌شود.

در مورد فولادهای هایپو یوتکتوئید (Hypoeutectoid steels) دما در حدود 50 درجه سانتیگراد (90 درجه فارنهایت) بالاتر از خط دمای آستنیتی A3 یا خط ACM افزایش داده می‌شود. افزایش دما باید به آهستگی صورت گیرد. منظور از Hypoeutectoid steels، آلیاژهای فولاد با کربن کمتر از 0.77 درصد است.

در مورد فولادهای هایپر یوتکتوئید (Hypereutectoid steels) نیز دما در حدود 50 درجه سانتیگراد (90 درجه فارنهایت) افزایش داده می‌شود تا به ناحیه Austenite-Cementite برسد. فولادهای با کربن > 0.77 درصد، هایپریوتکتوئید نامیده می‌شوند.

پس از رسیدن هر یک از فولادها به دمای مورد نظر، در صورتی که لازم باشد، برای مدتی در آن دما نگه داشته می‌شوند. سپس به آرامی با سرعت حدود 20 درجه سانتیگراد در ساعت (36 درجه فارنهایت در ساعت) در یک کوره تا حدود 50 درجه سانتیگراد (90 درجه فارنهایت) در محدوده فریت - سمنتیت خنک می‌شود. در این مرحله می‌توان قطعه را در دمای اتاق و طی جریان همرفت طبیعی هوا خنک کرد.

هدف از آنیلینگ کامل، اصلاح اندازه دانه ها در فولادهای نورد گرم و فولادهای ریخته‌گری شده است. فولادهای نورد گرم و ریخته‌گری، دارای ساختار درشتی هستند. تنها راه ممکن برای بهینه سازی ساختار و ایجاد ساختار ریز برای این مقاطع فولادی، استفاده از روش بازپخت کامل است.

2- آنیل ایزوترمال

در میان انواع روش‌های بازپخت، روند کار در بازپخت ایزوترمال بسیار سریع‌تر است و کنترل تغییرات نیز در طی آن، آسان‌تر می‌باشد. در بازپخت فولاد به روش ایزوترمال، فلز را در بالای دمای بحرانی A3 و ACM و در مورد چدن، دما را بالاتر از A1 برده و برای یک مدت زمان مشخص در آن دما نگه می‌دارند. سپس قطعات تا دمای مشخص سرد شده و مجدداً برای مدت معینی در دمای پایین نگه داشته می‌شوند.

دمای آنیلینگ در روش ایزوترمال معمولاً به صورت زیر است:

• محدودۀ دمایی برای گرم کردن: بین 1600 - 1700F
• محدودۀ دمایی برای خنک کاری: بین 1000 - 1300F

توجه داشته باشید که روش بازپخت ایزوترمال برای آنیلینگ قطعات فولادی بزرگ مناسب نیست.

3- آنیلینگ اسفرودایز

طی این فرایند، لایه‌ها یا پرلیت کاربید آهن (Fe3C) به کره های کاربید آهن تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر، ریز ساختار لایه ای (پرلیت) فلز، به ساختار کروی (اسفروئیدال) تغییر شکل پیدا می‌کند. در پایین تر از دمای بحرانی، انتشار کربن به کندی انجام می‌شود. بنابراین، زمان زیادی برای تبدیل پرلیت به ماتریس کروی یا اسفروئیدی لازم است. بازپخت به روش اسفرودایز، مزیت های زیر را دارد:

• در زمانی که نیاز به بهبود و افزایش شکل پذیری مقاطع فولادی است، بازپخت به روش اسفرودایز بهترین گزینه است. زیر این روش به صنعت کاران اجازه می‌دهد تا مقاطع فولادی را در اشکال پیچیده و عمیق تغییر دهند.
• ایجاد کاربیدهای کروی که در بازپخت اسفرودایز حاصل می‌آید، باعث می‌شود تا بتوان در فولاد بدون ترک خوردگی، تغییر شکل پلاستیکی ایجاد کرد.
• با کاهش فشار لازم برای شکل گیری مقاطع، سایش قالب کاهش می یابد.

از آنجا که تولید کاربیدهای کروی به مدت زمان طولانی در کوره نیاز دارد، این روش بازپخت معمولاً مختص قطعات سخت است و در مورد آن ها استفاده می شود. یا در مواردی که بتوان افزایش هزینه‌های ناشی از کروی شدن را توجیه کرد.

انواع بازپخت به روش اسفرودایز

دو روش اساسی برای بازپخت به روش اسفرودایز وجود دارد:

1. آنیلینگ زیر بحرانی (subcritical annealing)
2. آنیلینگ میان بحرانی (inter-critical annealing)

در بازپخت subcritical، مقطع فولادی تا زیر دمای A1 گرم می‌شود و برای مدت زمان طولانی (معمولاً چندین ساعت) نگه داشته می‌شوند. سپس به روشی مناسب (معمولاً خنک کننده هوا است) تا دمای اتاق سرد می‌شود. در این حالت، قطعات به آستنیت تبدیل نمی‌شوند. بنابراین، ممکن است برخی از عناصر ریزساختار قبلی خود را حفظ کنند.

در بازپخت اسفرودایز inter-critical، مقطع فولادی را تا بالای دمای A1 گرم می‌کنند و اجازه می‌دهند تا به آستنیت تبدیل شود. سپس قطعه را به آرامی تا دمای حدود 650 درجه سانتیگراد سرد کرده و برای چندین ساعت در همین دما نگه می‌دارند. با این روش، سختی کمتری در مقطع فولادی ایجاد می‌شود.

آنیلینگ با هدف معکوس کردن اثرات سختی که ممکن است در طی فرایندهایی مانند خم شدن، سرد شدن یا کشیدن رخ دهد، صورت می‌گیرد. اگر مواد بیش از حد سخت شوند، ممکن است کارایی خود را از دست بدهند و یا مستعد ترک خوردگی شوند.

با حرارت دادن ماده در بالاتر از دمای تبلور مجدد، شکل پذیری ماده بیشتر می‌شود. بنابراین، آماده کار مجدد خواهد بود. آنیل همچنین تنش‌هایی را که در هنگام جوش کاری ممکن است در فلز ایجاد شود، رفع می‌کند. فولاد نورد گرم نیز با گرم کردن آن در بالای دمای تبلور مجدد شکل گرفته و تشکیل می‌شود.

از بین تمام آلیاژها، بازپخت فولاد بسیار متداول است؛ اما می‌توان این فرآیند را در مورد آلیاژهای آلومینیوم، برنج و مس نیز انجام داد. در تولید ورق استیل نیز این فرایند قابل استفاده است.

عملیات گرم یا سرد قطعات فلزی پس از بازپخت ساختار مواد را یک بار دیگر تغییر می‌دهد. بنابراین، گاه ممکن است برای دستیابی به خواص مورد نظر، عملیات حرارتی بیشتری مورد نیاز باشد. با آگاهی از ترکیب مواد و نمودار فاز، می‌توان با روش بازپخت، فلزات را نرم کرد و سختی آن ها را کاهش داد. به این ترتیب، کارایی آن‌ها برای عملیاتی مانند شکل‌دهی و مهر زنی (stamping) بیشتر می‌شود. همچنین از شکست های ناشی از تردی و شکنندگی قطعات جلوگیری می‌شود. جهت حفظ شکل پذیری و کاهش سختی پس از عملیات سرد لازم است. برای افزایش رسانایی الکتریکی برخی از فلزات آنیلینگ لازم است.

مزیت ها

مزیت های اصلی آنیل کاری عبارتست از:

• برطرف کردن استرس موجود در مواد.
• اصلاح ساختار بلوری مواد.
• افزایش استحکام در مواد.
• کاهش سختی مواد.
• کاهش شکنندگی و تردی.
• افزایش قابلیت خمش، شکل پذیری و ماشین کاری فلز.
• افزایش خواص مغناطیسی و هدایت الکتریکی به ویژه در مواد نیمه رسانا.

همه موارد بالا در نهایت منجر به بهبود و افزایش کارایی مقاطع فلزی می‌شود. آنیلینگ کمک می‌کند ورق‌هایی که قرار است تحت هیدروفرمینگ قرار گیرند، به بهترین نحو کارآمد باشند.

معایب

آنیل کاری یک فرایند زمان بَر است. گاه مدت زمان زیادی باید صرف شود تا مواد با درجه حرارت بالا، به اندازه کافی خنک شوند. به ویژه اگر لازم باشد تا مواد به طور طبیعی در داخل کورۀ بازپخت سرد شوند.

آنیل در صنایع مختلف، از ساختمان سازی گرفته تا صنعت خودرو و جواهر سازی استفاده می‌شود.

پازپخت در مورد مقاطع آلیاژی که در آن فلزات باید در ساختارهای پیچیده کار شوند یا یک عملیات صنعتی مثل ماشین کاری یا جوش کاری چندین بار روی آن‌ها انجام شود، لازم است. بنابراین، ورق ها، لوله ها یا سایر قطعات آلیاژی که در شرایط زیر در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند، لازم است آنیل کاری شوند:

• قطعاتی که تحت عملیات ماشین کاری (مثل تراشکاری) قرار می‌گیرند.
• قطعاتی که قرار است جوشکاری شوند. زیرا بالا رفتن دما در حین جوشکاری سبب ایجاد تنش در فلز خواهد شد.
• ورق‌های فلزی که تحت فرایند stamping قرار گرفته‌اند.
• ورق‌های فلزی، مثل ورق روغنی که از مرحله نورد سرد عبور کرده‌اند و نیاز است عملیاتی مانند خمکاری و پانچ بر روی آن‌ها صورت گیرد.
• لوله پروفیل های مسی که نیاز به خمکاری دارند، یا قبلا ساختار آن‌ها به دلیل عملیات دیگری که بر روی آن‌ها انجام شده است، دچار مشکل شده است.
• سیم‌های فلزی که مراحلی را برای کاهش اندازه طی کرده‌اند.
• تولید مقاطع فولادی گالوانیله.