ما هو التبريد السريع؟ شرح عملية التبريد السريع: إيجابياتها وسلبياتها

التبريد هو أحد أشكال المعالجة الحرارية، وهو أحد عملياتنا الأساسية في HDCMfg. يتضمن التبريد السريع للمعدن الساخن لتثبيت ذراته في مكانها. يُحوّل التبريد الأوستينيت إلى مارتنسيت صلب، مما يُنتج مادة ذات قوة استثنائية. 

سواء كنت متخصصًا في علم المعادن منذ فترة طويلة أو مبتدئًا، اقرأ لتتعلم كل شيء عن عملية التبريد. 

ما هو الإخماد؟

التبريد هو عملية معالجة حرارية تقليدية تُحسّن الصلابة والمتانة. تشمل المعادن المُبردة عادةً الحديد الزهر والفولاذ المصبوب. المعادن الحديدية. 

لإجراء عملية الإخماد، 

• أولاً، قم بتسخين الفولاذ إلى درجة الحرارة الحرجة. 
• بعد ذلك، قم بإبقائه عند هذه الدرجة من الحرارة لبعض الوقت لتحويله إلى مادة أوستينيتية. 
• بعد ذلك، يمكنك تبريد الفولاذ بسرعة في الزيت أو الهواء أو المحلول الملحي، ويفضل أن يكون ذلك تحت درجة حرارة 180 درجة مئوية. 

تأثيرات الإخماد على خصائص المعادن

الغرض الرئيسي من التبريد هو تعزيز الصلابة والمتانة. عند تسخين المادة إلى درجة الحرارة الحرجة، يحدث التأكسد الجزئي أو الكامل. 

ومع ذلك، بسبب التبريد السريع، يُمنع الأوستينيت من التحول إلى فيريت أو بيرليت. بل يتحول إلى مارتنسيت، مما ينتج عنه معدن شديد الصلابة والهشاشة. 

المميزات:

يُقدّم التبريد فوائد عديدة لعمال المعادن، منها:

• صلابة: بسبب تكوّن المارتنسيت، يُصبح المعدن صلبًا جدًا عند التبريد. الصلابة عاملٌ أساسيٌّ للمكونات والأدوات المقاومة للتآكل، مثل المحامل ومجموعات الأدوات. 
• مقاومة التآكل: يُعزز التبريد السريع قوة الشد والخضوع للفولاذ. يُحبس التبريد السريع الذرات في بنية شبكية مشوهة، مما يُصعّب حركة الخلع. 
• حد المرونة: في التصنيع، يتم تطبيق التبريد على الينابيع لزيادة حد مرونتها. 

العيوب: 

عيوب التصلب بالتبريد هي

• الإجهاد المتبقي: الإجهاد المتبقي يمكن أن تتسرب إلى المعدن أثناء عملية التبريد. بسبب معدل التبريد غير المتساوي، يبرد السطح وينكمش أسرع من الداخل، مما يسبب إجهادات شد وضغط.

إذا لم تُدِر هذه المخاطر، فسيصبح تطبيقك عرضة للتشوه أو التشقق. استشر موردك بشأن أفضل تقنيات ما بعد الإخماد للتخفيف من هذه المشكلة. 

• اللدونة: على الرغم من أن التصلب بالتبريد يعزز القوة والصلابة، إلا أنه يُفقد المعدن ليونته. ولأن المعدن يكون في حالة هشة، فإنه يصبح أكثر عرضة للتشقق الإجهادي.

لهذا السبب، نُجري عملية التبريد بالتطبيع. يُقلل التطبيع من الهشاشة دون أن يُسبب فقدانًا للصلابة. 

اختيار وسط الإطفاء

هناك عدة طرق وتقنيات للتبريد. كل منها يؤثر بشكل كبير على الخصائص النهائية للمادة النهائية. دعونا نتناول الوسائط الشائعة لتبريد المعادن ومزاياها.

ماء

الماء طريقة تبريد فعالة، إذ يوفر أسرع معدل تبريد. آلية التبريد السريع بالماء مناسبة عندما تكون الصلابة والمتانة غير قابلتين للتفاوض. مع ذلك، إذا لم تُتبع الإجراءات الصحيحة، فإنه يجعل المعدن عرضة للتشقق والتشوه. 

زيت

التبريد بالزيت أبطأ وأكثر تحكمًا من التبريد بالماء. لذلك، يُعتبر طريقة آمنة لمنع تشقق المعادن وتشوهها.  

يُعدّ التبريد بالزيت مثاليًا لتحقيق التوازن بين الصلابة والمتانة. وبفضل عملية التبريد الفريدة، يمنح المعدن لمسة نهائية ممتازة.

هواء

الهواء هو أكثر وسائل التبريد فعالية من حيث التكلفة. يتضمن ذلك تسخين الفولاذ، ثم تركه ليبرد ببطء في الهواء. ولأنه أبطأ وسائل التبريد، يقلل الهواء من خطر التشقق أو الإجهاد الحراري. هذا ما يجعله مثاليًا للفولاذ الذي يتطلب صلابة استثنائية وصلابة متوسطة. 

هناك طريقة أخرى للتبريد الهوائي باستخدام الهواء المضغوط. تتيح لك هذه الطريقة التحكم بدرجة الحرارة ومعدل التبريد بشكل أفضل.  

محلول ملحي

يُضاف ملح 10% إلى الماء لتكوين محلول ملحي. هذا النوع من التبريد أقل شيوعًا من الماء أو الهواء أو الزيت، ولكنه يوفر معدل تبريد أعلى وأسرع من الماء. 

تجدر الإشارة إلى أن المحلول الملحي مادة أكالة. لذلك، يجب إزالته من الفولاذ بشطفه جيدًا بعد الانتهاء من العمل. 

مُخمِّد قائم على البوليمر

البوليمرات ليست وسيلة تبريد، بل مادة مضافة للتبريد. معدل تبريدها أسرع قليلاً من الزيت، ولكنه أبطأ وأقل تآكلاً من الماء. 

البوليمرات قابلة للذوبان عكسياً في الماء، ما يعني أنها تنفصل عن الماء في بداية عملية التبريد. ونتيجةً لذلك، يتشكل محلول بوليمر حول المعدن، مما يُتيح تبادل الحرارة بشكل أكثر تحكماً.  

المواد الشائعة التي يتم تبريدها

فيما يلي المواد الشائعة التي يتم تبريدها:

فُولاَذ 

الفولاذ هو المعدن الأكثر شيوعًا في عملية التبريد. بفضل محتواه العالي من الكربون، يُحوّل التبريد الأوستينيت إلى مارتنسيت، مما يُحسّن صلابته ومتانته. 

سبائك الألومنيوم والتيتانيوم والنحاس 

يمكن لبعض سبائك التيتانيوم أن تخضع للتبريد. يُعدّ هذا مفيدًا في المشاريع التي تُعدّ فيها نسبة الوزن عاملًا مؤثرًا. وتشمل هذه المشاريع تطبيقات الدفاع والفضاء والسيارات. وينطبق الأمر نفسه على بعض سبائك الألومنيوم. يمكنك إخضاع هذه السبائك للتبريد لتحسين أدائها. 

قبل المضي قدمًا، يجب أن تفهم أن للتبريد تأثيرًا معاكسًا على معظم السبائك غير الحديدية. فبدلًا من التصلب، تلين هذه المعادن أثناء التبريد. ومن الأمثلة على ذلك أنواع من النحاس والألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي مثل: 304. 

العلاج بعد الإخماد

بالإضافة إلى تعزيز صلابته، فإنّ التبريد يجعل الفولاذ أكثر هشاشة. ما لم تُطهّره، تصبح بعض أنواع الفولاذ هشة جدًا بحيث يصعب التعامل معها.

وهنا يأتي دور معالجات ما بعد التبريد. تعمل تقنيات مثل التلطيف والتبريد بالحرارة والتصلب على تحسين المعدن بشكل أكبر، مما ينتج عنه توازن بين اللدونة والقوة. 

التلطيف: 

بمجرد الانتهاء من عملية التبريد، يمكنك تلطيف المعدن للتحكم في الصلابة الزائدة. التلطيف تتضمن هذه الطريقة تسخين المعدن وإبقائه عند درجة حرارة أقل من النقطة الحرجة. يمكن بعد ذلك تبريد المعدن إلى درجة حرارة الغرفة. 

تقنيات الإخماد المتقدمة:

باستخدام تقنيات الإخماد المتقدمة، يُخمد الفولاذ بدرجة حرارة أعلى من Ms (درجة حرارة بدء مارتنسيت). بعد ذلك، يُثبّت لتكوين بينيت نقي أو لتخفيف الضغوط الداخلية. لنستكشف هذه التقنيات: 

مارتيمبيرينغ:المعالجة الحرارية، المعروفة أيضًا باسم التبريد التدريجي، تُقلل من الإجهادات الناتجة عن التبريد. يُمكن إجراء المعالجة الحرارية الحرارية بتسخين الفولاذ فوق النطاق الحرج، ثم تبريده بين 150 و300 درجة مئوية.

بعد ذلك، ثبّته فوق درجة حرارة Ms (نقطة بداية مارتنسيت) حتى تصل درجة حرارة الفولاذ إلى درجة حرارة موحدة. بعد ذلك، يُمكنك تبريد المعدن إلى درجة حرارة الغرفة، ثم إجراء عملية تطبيع منتظمة. 

التهدئة:التصلب الحراري هو تقنية ما بعد التبريد، تُقلل من تشوه المعدن. وهي تُشبه عمليًا التبريد والتصلب الحراري العاديين. الفرق الرئيسي هو أن المعدن سيبقى عند درجة حرارة التبريد الحراري لفترة أطول. 

تطبيقات التبريد

تزيد عملية التبريد من صلابتها ومتانتها. وبفضل هذه الخصائص، يستخدم الفولاذ المطفأ على نطاق واسع في الصناعات حيث تُعدّ المتانة والقوة العالية من العوامل المهمة. وتشمل هذه العوامل:

• صناعة الأدوات: فكّر في السكاكين اليومية، وشفرات القص، ورؤوس المثقاب. هذه الأدوات تتحمل الضغوط الدورية، لذا يجب أن تكون قوية ومرنة. 
• جيش: يستخدم مصنعو الدفاع الفولاذ المطفأ لإنشاء أجزاء الأسلحة النارية ولوحات الدروع ومكونات الطائرات.  
• الأدوات اليدوية: يُعد الفولاذ المُخمَّد مفيدًا في صنع الأدوات الزراعية المتينة، والمفاتيح، والمفكات، والأدوات الأخرى.

السلامة والتكلفة والاعتبارات العملية

التبريد عملية بسيطة تُجرى على السطح. تُسخّن المادة إلى درجة حرارة حرجة، ثم تُبرّد بسرعة لجعلها أكثر صلابة.

مع ذلك، تتسم العمليات الميكانيكية المستخدمة بنوعية عالية. لذلك، يُفضّل الاستعانة بخبراء معادن معتمدين لتحديد درجات الحرارة وطريقة التبريد المناسبة لتطبيقك. 

ومع ذلك، هناك اعتبارات أساسية تتعلق بالسلامة والتكلفة ينبغي الاعتراف بها. 

• معدات: خزان التبريد هو حوض مخصص لتبريد المعدن. بغض النظر عن حجمه، يجب أن يكون قادرًا على الحفاظ على درجات حرارة التبريد ضمن نطاق ضيق. وإلا، فقد لا تحقق الخصائص الميكانيكية المطلوبة. 
• تدفق الإخماديشير التدفق إلى معدل حركة المواد المُخمِّدة السائلة على المعدن. بدونه، سيغلي السائل ببساطة ويتحول إلى بخار. لمنع الغليان، حافظ على تدفق السائل المُخمِّد واترك مسافة كافية بين أجزاء المعدن، مما يُعزز التدفق السلس. 
• مخاطر السلامة:قد تشتعل مواد إطفاء الحرائق الزيتية عند ارتفاع درجة حرارتها أو تعرضها للشرر. لذلك، يُعدّ استخدام أجهزة الإطفاء وأنظمة إخماد الحرائق أمرًا إلزاميًا في المنشآت المهنية.
• سرعةإذا ضاع الكثير من الوقت بين الفرن والخزان، فقد يعود المعدن إلى البيرلايت، مما يعني أن تسخينك ضائع. 
• التكاليفالماء هو أرخص وسيلة إخماد. انتبه إلى أنه يُمثل أعلى خطر للتشوه والتشقق. على النقيض من ذلك، يُتيح الزيت تحكمًا أكبر في خصائص المادة. ولكنه أغلى ثمنًا، ويظل خطر اندلاع الحرائق قائمًا. 

وأخيرًا، تُوفّر مُخمّدات البوليمر مرونةً أكبر في معدلات التبريد. لكنها باهظة الثمن وتحتاج إلى صيانة مُستمرة.

• التآكل والانسكاباتقد تُسبب المُخمِّدات القائمة على الماء أو المحلول الملحي صدأً على المعدات القريبة. كما أن الزيوت المسكوبة قد تُلحق الضرر بالأرضيات وتزيد من خطر الانزلاق.

خاتمة

في الختام، يُعدّ التبريد طريقةً استثنائيةً لتحسين أداء معدنك. بتحويل الأوستينيت إلى مارتنسيت، يُنتج التبريد معدنًا شديد الصلابة والهشاشة. 

وأخيرا، من الأفضل التشاور خبراء المعالجة الحرارية لضمان أفضل الإعدادات لمشروعك. بما أن المعادن المختلفة تتفاعل بشكل مختلف مع التصلب بالتبريد، فلا مجال للخطأ. قد يؤدي عدم الالتزام بإرشادات السبائك المحددة إلى أخطاء مكلفة.