کوئنچ کردن چیست و چگونه عملکرد فلزات را بهبود می بخشد؟

در متالوژی، کوئنچینگ یکی از مراحل حیاتی در عملیات حرارتی فلز است. کوئنچ در لغت به معنای خاموش کردن، إطفا و فرونشاندن است. این فرایند عبارت است از عملیات ذوب یک فلز در دمای بالا (بالاتر از مرحله تبلور مجدد آن فلز) و به دنبال آن یک فرآیند خنک سازی سریع. خنک سازی سریع به منظور دستیابی به خواص مطلوب آن فلز صورت می‌گیرد. خنک سازی در محیط هایی مانند آب، روغن یا هوا صورت می‌گیرد. کوئنچ معمولاً برای حفظ خواص مکانیکی مرتبط با ساختار بلوری یا توزیع فاز که در فرایندهای سرد شدن آهسته از بین می‌رود، انجام می‌شود. در میان انواع آلیاژها، کوئنچ کردن فولاد رواج بیشتری دارد و با هدف ایجاد سختی در آن‌ها انجام می‌شود. همچنین باعث افزایش چقرمگی در مواد می‌شود. کوئنچنیگ گاه با عنوان quench hardening نیز شناخته می‌شود.

 برای قرن‌ها، آهنگرها و آهن کاران از کوئنچینگ برای بهبود عملکرد سلاح‌ها و ابزارهای مختلف استفاده می‌کردند. ممکن است فرآیندهای متالوژیکی در آن زمان به طور کامل درک نشده باشد. اما کارگران متوجه شدند که فرآیند گرمایش و خنک سازیِ بعد از آن، بر استحکام و شکنندگی آهن تأثیر گذار است.

امروزه کوئنچ کردن فلزات در ساخت انواع فولاد و برای مصارف مختلف کاربرد دارد. از فولاد سازه ای مورد استفاده در صنعت ساختمان گرفته تا چاقوهای آشپزخانه که در ساخت آن‌ها از ورق استیل استفاده می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای مهم کوئنچینگ فلزات، استفاده از این روش در تولید ورق st52، لوله مانیسمان و میلگرد حرارتی است. همچنین در ارتقای مقاومت مکانیکی و فیزیکی و ظاهر سطحی ورق ضد سایش بسیار مفید و مؤثر است.

 کوئنچ مرحله‌ای از پردازش مواد است که از طریق آن، دمای یک فلز به سرعت از دمای بالا به دمای اتاق، پایین می‌آید. این فرایند با اهداف زیر صورت می‌گیرد:

• ایجاد سختی و دوام بیشتر در مقاطع فولادی و سایر فلزات.
• افزایش چقرمگی.
• حفظ خواص مکانیکی مرتبط با ساختار بلور فلز.
• تولید مقاطع فولادی با خاصیت استحکام و شکل‌پذیری بالا (کوئنچینگ همراه با تمپرینگ).

در کوئنچ کردن، خنک کردن سریع مواد، در محیط های مختلفی انجام می‌شود. برخی از این محیط های خاموش کننده که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:

1. کاستیک (Caustic)
2. روغن (Oil)
3. نمک مذاب (Molten salt)
4. گاز (Gas)

اینکه از کدام محیط خاموش کننده استفاده شود، به کاربردی که فلز در آینده خواهد داشت، بستگی دارد. زیرا در هر روش، خواص خاصی در ماده ایجاد می‌کند. گاهی اوقات برای اطفا، از چند روش استفاده می‌شود. به عنوان مثال، گاه طی یک مرحله فلز در هوا خنک می‌شود و سپس در حمام آب فرو برده می‌شود تا فرآیند کوئنچینگ کامل شود. خنک شدن بسیار سریع از تشکیل ساختارهای کریستالی جلوگیری می‌کند و سبب ایجاد فلز بی شکل (amorphous metal) یا شیشه متالیک (metallic glass) می‌گردد. هرچه سرعت اطفا یا خاموش شدن کندتر باشد، نیروهای ترمودینامیکی در مدت زمان طولانی‌تر ریز ساختار ماده را تغییر دهند. چنین حالتی که در برخی موارد مطلوب است. در نهایت این به متالوژیست بستگی دارد که تصمیم بگیرد کدام پارامترها هنگام خاموش کردن مناسب هستند تا اطمینان حاصل شود که محصول نهایی با مشخصات مورد نظر مطابقت دارد.

1- کاستیک ها

کاستیک ها (Caustics) این گروه از اطفا کننده‌ها شامل آب، آب نمک و سود سوزآور است. ویژگی کاستیک‌ها این است که گرما را از اجزای فلزی به سرعت دفع می‌کند. بنابراین، شدیدترین حالت کوئنچ کردن در مقطع فلزی ایجاد می‌شود. به همین دلیل، در مواردی که حداکثر سختی در فلز مورد نیاز است، کاستیک ها کارآمدترین نتایج را دارند. با این حال، تغییر شدید دما ممکن است منجر به شکنندگی، ترک خوردن و تاب برداشتن در مقطع فلزی شود. حتی اگر عملیات حرارتی به درستی انجام شود. به عنوان مثال، استفاده از آب به عنوان یک ماده خاموش کننده، ممکن است در هنگام سرد شدن باعث ایجاد تاب در مواد شود. بنابراین، کنترل محیط کار، در به حدأقل رساندن خطر آسیب به مواد بسیار مهم است.

2- کوئنچ در روغن

در شرایطی که افزایش شکل پذیری و کارایی بر میزان سختی مواد ارجحیت دارد، اغلب از روغن‌ها به عنوان محیط خاموش کننده استفاده می‌شود. در هنگام کوئنچ، روغن‌ها اکسید شده و لجن تشکیل می‌دهند. در نتیجه سرعت خاموش شدن و کارایی کلی فرآیند کاهش می‌یابد. با این حال، روغن یکی از محبوب‌ترین مواد خاموش کننده است. زیرا علاوه بر اینکه سرعت مناسبی در کاهش دمای فلزات دارد، احتمال ترک خوردن و تاب برداشتن را نیز به حداقل می‌رساند. ترکیب شیمیایی روغن را می‌توان به صورت سفارشی فرموله کرد تا سرعت خنک شدن را متناسب با نتیجه نهایی مطلوب تنظیم کند.

3- کوئنچ کردن در نمک مذاب

کوئنچینگ در نمک مذاب، خطر ترک خوردگی و اعوجاج را کاهش می‌دهد. زیرا سرعت خنک شدن در نمک مذاب نسبت به روغن‌ها و محلول‌های سود سوز آور، کمتر است. همانند روغن‌ها، نمک مذاب را نیز می‌توان با ترکیبات مختلف، برای تنظیم سرعت خنک سازی فرموله کرد و به این ترتیب، تطبیق پذیری و کنترل را به فرآیند اضافه کرد.

4- کوئنچ در گاز

استفاده از گاز به عنوان یک محیط خاموش کننده برای کاربردهایی مناسب است که در آن، سختی فلز باید با حداقل خطر ترک خوردگی و اعوجاج حاصل شود. طی این روش، اجزای فلزی در خلاء مهر و موم شده قرار می‌گیرند. اپراتورها می‌توانند با تنظیم سرعت و فشار گازهای موجود در محفظه، سرعت خنک شدن فرآیند کوئنچ کردن را تنظیم کنند. هوا، گاز نیتروژن، هلیوم و آرگون از جمله گازهای رایجی هستند که به عنوان محیط خاموش کننده مورد استفاده قرار می گیرند. ابزارهای فولادی آلیاژ بالا و توربین‌های موتور جت، نمونه‌هایی  هستند که معمولاً با گاز کوئنچ می‌شوند.

فلزات به گونه‌ای ساخته می‌شوند که برای استفاده در موقعیت‌ها و کاربردهای مختلف مشخصات خاصی داشته باشند. استحکام (میزان سختی) و شکل‌پذیری (میزان شکنندگی) فلز را می‌توان با تعیین سرعت کوئنچینگ در محیط های خاموش کننده مختلف تعیین کرد. مقاطعی که از فولاد پر کربن و فولاد کم آلیاژ ساخته می‌شوند، معمولاً برای رسیدن به سطح سختی مطلوب، نیاز به کوئنچ شدیدتر دارند. از سوی دیگر، در مورد فولادهای پرآلیاژ که دارای سختی پذیری بالاتری هستند، کوئنچینگ باید شدت کمتر انجام شوند.