تمپرینگ چیست، چه مزیت هایی دارد و چرا استفاده می شود؟

 تمپر در لغت به معنی آبدیده کردن و ملایم کردن است. تمپرینگ (Tempering) یا تعدیل، فرآیندی است که طیّ آن یک آلیاژ فلزی دقیقاً تا زیر دمای بحرانی خود گرم می‌شود. عمل گرمایش اغلب در هوا، خلاء یا اتمسفر بی اثر صورت می‌گیرد. دمایی که در این فرایند اعمال می‌شود، بسته به میزان سختی که باید کاهش یابد، متفاوت است. دماهای بالا باعث کاهش سختی و افزایش خاصیت ارتجاعی و پلاستیسیته می شود؛ اما می‌تواند باعث کاهش تسلیم و استحکام کششی گردد. دماهای پایین‌تر، سختی فلز را بهتر و بیشتر حفظ کرده و در عین حال، شکنندگی آن را کاهش می‌دهد.

بر اثر عملیات حرارتی Tempering، خواص مکانیکی (معمولاً شکل‌پذیری و سختی) فولاد تغییر کرده و تنش‌های داخلی آن کاهش می‌یابد. زیرا در اثر این عملیات، کربن هایی که در یک ریز ساختار مارتنزیتی به دام افتاده‌اند، پراکنده می‌شوند. به این ترتیب، تنش‌های داخلی موجود در فولاد که ممکن است از عملیات قبلی ایجاد شده باشد را رفع می‌کند.

برای رسیدن فولاد به دمای بحرانی، باید از نوعی دستگاه گرمایش استفاده شود. دستگاه‌های رایج شامل کوره‌های گازی، کوره‌های مقاومت الکتریکی و یا کوره‌های القایی است. اغلب، این گرمایش در خلاء یا با گاز بی اثر برای محافظت از فولاد در برابر اکسیداسیون انجام می‌شود. هنگامی که کوره به دمای مطلوب رسید، زمان ماندگاری رخ می‌دهد. پس از زمان ماندگاری، کوره خاموش می‌شود و به فولاد اجازه داده می‌شود تا با سرعتی که قبلاً تعیین شده است، خنک شود.

در فرایند Tempering این امکان وجود دارد که با ارزیابی رنگ‌هایی که در حین حرارت دادن بر سطح مقطع فولاد ظاهر می‌شود، یک نشانه بصری از اثرات تمپرینگ به دست آورد. به این معنا که می توان با ظاهر شدن رنگ های مختلف، دمای حدودی را تعیین کرد و به این ترتیب تشخیص داد که این دما، تغییرات و اصلاحات لازم و مورد نظر را در فلز ایجاد کرده است یا خیر. ارزیابی بصری به اپراتور کمک می‌کند تا فولاد را تا زمانی که به رنگ خاصی تبدیل شود، حرارت دهد.

رنگ‌ها از زرد روشن تا سایه‌های مختلف آبی متغیر است. بر اساس رنگی که ظاهر می‌شود، امکان ارزیابی خواص نهایی فولاد فراهم می‌شود. هر رنگ نشان دهندۀ محدودۀ دمایی معینی است. به عنوان مثال زمانی که در حین عملیات تمپرینگ و بر اثر حرارت، رنگ زرد در سطح فلز ایجاد می‌شود، نشان دهندۀ آن است که دما به حدود 1050 درجه سانتی‌گراد رسیده است. با همه این‌ها، ارزیابی رنگی یک نشانه کلی است که نشان می‌دهد عملیات تا چه حد پیش رفته است و آیا برای رساندن فولاد به درجه و کاربرد مورد نظر کافیست یا خیر.

مثلاً در مورد مقاطع فولادی که برای ساخت ماشین آلات چوب بُری استفاده می‌شود، حرارت باید تا زمانی اعمال شود که رنگ مقطع فولادی به سمت قهوه‌ای گرایش پیدا کند. برای ابزارهایی که جهت تراشکاری مقاطع برنجی ساخته می‌شوند، حرارت باید تا زمانی اعمال شود تا رنگ زرد کم رنگ در مقطع فولادی ایجاد شود. به طور کلی، هر چه تناژ رنگ تیره تر شود، دمایی که فولاد در آن دما تمپر شده، بالاتر بوده است. 

بررسی از طریق رنگ باید زیر نظر شخص با تجربه و در شرایطی که نور در محیط کافیست انجام شود. برای این منظور از یک جدول استاندارد به نام RHC/Temperature استفاده می‌شود که در تصویر زیر ملاحظه می‌کنید. از این روش در مورد عملیات حرارتی مقاطع فولادی تیغه‌ای شکل استفاده می‌شود.

 همانطور که در بالا ذکر شد، تمپر برای افزایش چقرمگی آلیاژهای آهن، از جمله فولاد و چدن کاربرد دارد. همچنین برای کاهش سختی اضافی این آلیاژها، انجام می‌شود؛ زیرا فولاد بکر، برای بیشتر کاربردهای صنعتی بسیار سخت و در عین حال شکننده است.

در مواردی که استحکام، چقرمگی و خاصیت ارتجاعی فلز بسیار مهم است، می‌بایست از آلیاژهای تمپر شده استفاده شود. از جمله این کاربردها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. مقاطع آلیاژی جهت ساخت ماشین آلات صنعتی.
2. ساخت قطار و ترن.
3. مقاطع فولادی در عملیات ساختمانی بزرگ مقیاس.
4. ساخت و تولید میلگرد حرارتی.
5. تولید ورق st52. دمای بازگشت این محصول 860 - 890 درجه سانتی‌گراد است.

مزیت های این روش عبارتست از:

• بهبود قابلیت ماشینکاری
• افزایش استحکام
• افزایش شکل پذیری
• بهبود خواص الاستیسیته (قابلیت ارتجاعی)
• بهبود شکل پذیری
• تعدیل سختی
• بهبود چقرمگی (سفتی)
• افزایش پایداری ساختاری

همانطور که گفته شد، تمپرینگ تکنیکی شامل استفاده از گرما برای تقویت فلزات است. این فرایند درمان حرارتی، در درجه اول در مورد آلیاژهایی که بر پایه آهن هستند قابل استفاده است. بنابراین، این روش را می توان تقریباً برای همه انواع آلیاژهای آهنی مانند چدن و فولاد اعمال کرد. با این فرآیند، می توان آلیاژهای مذکور را به سطوح بالاتری از چقرمگی ارتقاء داد.

به طور کلی، تمپر کردن اغلب در مورد فولادهایی که مقدار عنصر کربن‌شان بالاست اعمال می شود. زمانی که فولاد تا حدی گرم شود که قرمز و درخشان شود و سپس بلافاصله در آب تمیز شود، می تواند بسیار سخت و شکننده گردد. بنابراین، تمپرینگ یک فرآیند حیاتی است؛ زیرا طیّ آن، عملیات خنک سازی فولاد به آرامی انجام می‌شود که نتیجه آن محصولی انعطاف پذیرتر و قوی‌تر با شکل دهی آسان‌تر است. همچنین، در برابر خوردگی مقاومت بیشتری خواهد داشت.

ورق های فولادی در گریدهای زیر را می‌توان تحت فرایند تمپرینگ، به لحاظ ویژگی‌های مکانیکی ارتقاء داد:

• آلیاژهای فولادی با گرید 80: مصارف مختلف ساختمانی و معدنی دارد. ساخت بیل مکانیکی، ساختمان های مرتفع، ساخت پل.
• آلیاژهای فولادی با گرید 400: این گرید با سختی بالا و مقاوم در برابر سایش، در تولید ورق ضد سایش، ساخت چرخ دنده و صفحات deflector کاربرد دارد.
• آلیاژهای فولادی با گرید 500: به دلیل مقدار متوسط کربن، سختی بالایی داشته و در برابر سایش مقاوم است و در تولید ورق هاردوکس کاربرد دارد. این گرید سخت‌ترین درجه آلیاژهای فولادی است و در ساخت قطعات ماشین آلاتی که برای تخریب و گودبرداری ساخته می‌شوند، استفاده می‌شود. مثل ساخت چنگک یا بیل مکانیکی لودرها و بولدوزرها.

حرارت دادن فولاد پس از یک فرآیند سخت شدن، امکان ایجاد حد متوسط سختی و استحکام را فراهم می‌کند. این امر با اجازه دادن به انتشار کربن در ریزساختار فولادی به دست می‌آید. هنگامی که فولاد سخت می‌شود، ممکن است بیش از حد حساس و شکننده شود. با این حال، اگر فولاد سخت نشده باشد نیز ممکن است استحکام یا مقاومت سایشی لازم برای کاربرد مورد نظر خود را نداشته باشد. تمپر کردن، ماشین‌کاری و شکل‌پذیری فولاد سخت‌شده را بهبود می‌بخشد و می‌تواند خطر ترک خوردن یا شکست فولاد به دلیل تنش‌های داخلی را کاهش دهد. بنابراین، عملیات برگشت دادن با اهداف زیر صورت می‌گیرد:

1. کاهش تنش های داخلی فلز.
2. تعدیل در میزان سختی فلز.
3. بهبود خاصیت ماشین کاری و شکل پذیری.
4. کاهش و از بین بردن خطر ترک خوردن و شکست.

در تمامی عملیات حرارتی که جهت درمان و بهبود خواص مکانیکی فلزات صورت می‌گیرد، دما مهمترین نقش را دارد. زیرا آنچه که باعث تغییر در زیر ساختارها می‌شود و فلز را برای استفاده‌های خاص، کاربردی‌تر می‌کند، افزایش مشخص و معینی از دما است. محدوده دمایی که برای فرایند تعدیل استفاده می‌شود، به صورت زیر است.

• 95 – 205 درجه سانتی‌گراد: طی این محدودۀ دمایی، مارتنزیت از حالت مکعب مستطیل به مکعب مربع تبدیل می‌شود. اولین رسوب کاربید انتقالی (به استثنای کاربید آهن) در این محدوده رخ می‌دهد.
• 230 – 370 درجه سانتی‌گراد: در این محدوده، آستنیت تجزیه شده و به باینایت تبدیل می‌شود (مگر آنکه آستنیت قبلاً به مارتنزیت تبدیل شده باشد).
• 370 – 540 درجه سانتی‌گراد: کاربید آهن (سمنتیت) طی این محدودۀ دمایی تولید می‌شود.
• 450 – 705 درجه سانتی گراد: این محدوده دمایی در فولادهای کربنی ساده، باعث تجمع بیشتر سمنتیت و در فولادهای آلیاژی نخستین پراکندگی ها ایجاد می‌شود.

در زمان کوئنچ کردن یا نگهداری در دمای محیط، بازآرایی یا توزیع دوباره اتم‌های کربن رخ می‌دهد.

اعمال حرارت در روش تمپرینگ، می‌بایست تدریجی و آهسته باشد تا از ترک خوردگی در آلیاژ جلوگیری شود. پس از رسیدن به دمای مورد نظر نیز، دما باید طی مدت زمان خاصی ثابت نگه داشته شود. به طور کل و بر اساس یک دستورالعمل تقریبی، به ازای هر اینچ ضخامت، مدت زمان یک ساعت پیشنهاد می‌شود. اما بسته به نوع فلزی که تحت درمان قرار می‌گیرد، این مقدار متفاوت است. گرما تنش های داخلی فلز را از بین می‌برد و پس از آن فلز به سرعت در هوا سرد می‌شود.

علاوه بر دما، زمان نیز در تأثیر صحیح عملیات حرارتی بسیار مهم و تأثیر گذار است. به طور کلی، در عملیات تمپر کردن، مواد می‌بایست به مدت یک تا دو ساعت در کوره باقی بمانند. این کوره ها می تواند گازی یا برقی باشد. به ازای هر 25 میلیمتر ضخامت مقطع فلزی، یک ساعت زمان برای عملیات تمپرینگ لازم است. این یک قانون کلی است و طبق استاندارد AMS 2759 است که برای فولادهای کربنی و کم آلیاژ توصیه شده است.

1. آلیاژهای فولادی که تحت عملیات نورد کاری، خم کاری، سوراخکاری، پانچ و شکل دهی، سخت شده‌اند. عملیات مذکور با عث ایجاد تنش پسماند در مقطع فلزی می‌شود و سختی آن را بالا می‌برد. از طریق tempering می‌توان این تنش‌ها را کاهش داد.
2. پس از عملیات کوئنچینگ: گرم کردن فولاد کربنی و کوئنچینگ سریع آن، می‌تواند فولاد را بسیار سخت و شکننده کند. در عوض، Tempering می‌تواند شکل‌پذیری فولاد را تا حد قابل قبولی بازیابی کند.
3. پس از عملیات جوشکاری: تمپر کردن تنش‌های ناشی از جوشکاری در قسمت‌های جوشکاری شده را کاهش دهد. زیرا جوشکاری خواص مکانیکی نامطلوب و تنش‌هایی را بر جای می گذارد که می‌تواند باعث ایجاد ترک شود. تمپرینگ به جلوگیری از این امر کمک می‌کند.
4. پس از عملیات سخت سازی (hardening): در این مورد نیز دمای فولاد تا زیر دمای بحرانی افزایش داده می‌شود. پس از رسیدن به این دما، برای مدت زمان مشخصی در آنجا نگه داشته می‌شود. دما و زمان دقیق به عوامل مختلفی مانند نوع فولاد و خواص مکانیکی مورد نظر بستگی دارد.

تمپرینگ و آنیلینگ هر دو فرآیندهای عملیات حرارتی هستند که خواص فیزیکی و شیمیایی فلزات را تغییر می‌دهند تا آنها را برای استفاده آماده کنند. اما قبل از آنکه تفاوت این دو روش را ذکر کنیم، خوب است بدانیم عملیات حرارتی چیست؟

عملیات حرارتی چیست؟

منظور از عملیات حرارتی، تغییر خواص فیزیکی و مکانیکی فلزات، بدون تغییر شکل آنهاست. حرارت دادن فلزات، ویژگی های مطلوب آن ها را افزایش می‌دهد و امکان انجام پردازش بیشتر را در آن ها فراهم می‌کند.

در همۀ عملیات حرارتی، سه عامل مهم وجود دارد که تعیین می‌کند فلز چگونه تحت تأثیر قرار گیرد:

1. دمای خاصی که فلز در آن دما حرارت داده می‌شود.
2. مدت زمانی که فلز برای رسیدن به نتیجه مورد نظر باید در آن دما نگه داشته شود.
3. فرایند خنک سازی.

عملیات حرارتی مؤثر، مستلزم کنترل صحیح هر سه فاکتور مذکور است.

تفاوت آنیل کاری و تمپر کردن

1. تفاوت در درجه حرارت یا دمایی که به مقطع یا مقاطع فلزی اعمال می‌شود.
2. مدت زمان حرارت دادن.
3. روش یا سرعت خنک سازی.

آنیلینگ و تمپرینگ هر دو از روش‌های سخت کاری فولاد و درمان‌ حرارتی فلزات هستند، اما با اهداف متفاوتی انجام می‌شوند. بنابراین، نتایج حاصل از آن‌ها نیز متفاوت است. هر کدام از این دو فرایند، قوانین خاص خود را دارند. تفاوت بین این دو فرآیند به دما و نرخ خنک‌سازی نیز مربوط می‌شود. Tempering در دماهای پایین‌تر اما با زمان‌ خنک‌سازی نسبتاً سریع‌تر انجام می‌شود. سرعت خنک سازی مقطع فلزی در آنیل کاری بسیار آهسته‌تر است.

هر دو عملیات حرارتی برای بهبود عملکرد فولاد استفاده می‌شود. اما بازپخت، فولاد نرم‌تری را ایجاد می‌کند که کار با آن آسان‌تر است. در مقابل، فولادی که تحت فرایند تمپرینگ قرار می‌گیرد، اندکی سخت‌تر است.

محصولات حاصل از بازپخت، در کاربردهایی که نیاز قابل توجهی به تحمل تنش نیست، استفاده می‌شود. مثلاً ساخت بسیاری از لوازم خانگی. اما آلیاژهای حاصل از تمپرینگ، به طور گسترده‌ای کاربردهای ساختمانی و صنعتی دارد.