روش‌های خنک کاری فولاد
از روش‌های خنک کاری فولاد به منظور بهبود خصوصیات مکانیکی و میکروساختاری این محصول استفاده می‌شود. همچنین از این روش‌ها جهت کنترل سرعت خنک شدن آهن از دماهای بالا به دماهای پایین و کنترل تشکیل فازهای مختلف در آن بکار می‌رود. در ادامه، به تشریح اصول خنک سازی فولاد، روش‌های خنک سازی فولاد، عملیات کوئنچینگ، مدل های خنک سازی فولاد و روش‌های خنک کاری آهن می‌پردازیم.
شایع ترین روش‌های خنک کاری فولاد:
شیوه‌های خنک سازی فولاد از جمله بروزترین فنون مورد استفاده در صنعت فولادسازی می‌باشد. عملیات خنک سازی آهن یا همان عملیات حرارتی کوئنچینگ به منظور بهبود خواص مکانیکی و سختی آهن و پس از عملیات حرارتی، مثل تمپر کردن یا کمانش گرم انجام می‌شود. در ادامه، به بررسی برخی از اصول خنک سازی اهن و مدل های خنک سازی فولاد خواهیم پرداخت:
خنک سازی آب:
در این شیوه، با قرار دادن آهن در محیط آب فرآیند خنک سازی انجام می‌شود. در این فرآیند سرعت خنک شدن بسیار بالا می‌باشد و می‌تواند به بهبود مقاومت و سختی آهن کمک رسان باشد.
از مدل های خنک سازی فولاد بعد از انجام شیوه های جدید تولید فولاد و آهن استفاده می‌شود و همچنین با بکارگیری از تکنولوژِی های جدید در تولید آهن آلات باعث شده تا این روش‌ها در استحکام و مقاومت آهن تاثیر بسزایی می‌گذارد.
خنک سازی روغن:
در این روش، جهت خنک سازی آهن، آن را در محیط روغن قرار می‌دهند. سرعت رطوبت و خنک‌شدن در این شیوه کمتر از خنک سازی آب می‌باشد، اما قابلیت بهبود بخشیدن در خواص مکانیکی فولاد را دارد.
خنک سازی هوا:
این روش، یکی از روش های خنک سازی فولاد است، که با قرار دادن در هوای اطراف انجام می‌شود. سرعت فرآیند خنک‌شدن در این شیوه بسیار کمتر از شیوه‌های خنک‌سازی آب و روغن است، اما بصورت محدودی خواص مکانیکی آهن را بهبود می‌بخشد.
اصول خنک سازی آهن:
یکی از موضوعات مهم در علم مهندسی مواد و مکانیک، اصول خنک سازی آهن می‌باشد. در ادامه به بررسی برخی اصول خنک سازی فولاد می‌پردازم:
اصول خنک سازی بر اساس تعادل حرارتی:
یکی از روش های خنک کاری فولاد، بر اساس تعادل حرارتی می‌باشد، یعنی خنک سازی در این شیوه با سرعتی کنترل شده انجام می‌شود. با استفاده از این فرآیند می‌توانید تا به سرعتی که نرخ تغییر فازهای مختلف در آهن ایجاد می‌کند، دست پیدا کنید. این شیوه بر اساس اصول تعادل و دیاگرام‌های حرارتی تعادل فازها صورت میگیرد.
عملیات حرارتی کوئنچینگ یکی از مراحل تولید آهن است، که در بزرگترین شرکت های فولاد جهان انجام می‌شود و این عملیات به بالارفتن استحکام و مقاومت محصول کمک می‌کند.
روش‌های خنک کاری آهن:
این روش‌ها به بهبود خواص مکانیکی و ساختاری فولاد کمک می‌کنند، تنظیم سرعت مناسب خنک‌شدن و استفاده از محیط‌های متنوع باعث ایجاد میکرو ساختارهای مطلوبی مانند مارتنزیت، باینایت، تمپربایت و غیره در آهن می‌شود. این میکروساختارها تاثیری بر روی سختی، مقاومت در برابر سایش، تنش و خستگی و خواص مکانیکی دیگر این محصول می‌گذارد. مدل های خنک سازی فولاد شامل تک مرحله‌ای، چند مرحله‌ای، همزمان و منحصر به فرد می‌باشد. در ادامه مقاله قصد داریم به هرکدام از این روش‌ها بپردازیم:
تک مرحله‌ای:
این روش، یکی از روش‌های خنک کاری فولاد است، که با سرعت بالا از دمای بالا به دمای پایین انجام می‌شود. این شیوه در یک مرحله صورت میگیرد و موجب تشکیل فازهای مختلف در آهن می‌شود. از این مدل معمولاً برای بهبود سختی و مقاومت فولاد بکار رفته می‌شود.
چند مرحله‌ای:
این روش، یکی از شیوه های خنک سازی فولاد می‌باشد، که عملیات خنک‌سازی به صورت متوالی در محیط‌های مختلف صورت میگیرد. مراحل این مدل به این نحو است که به طور مثال ابتدا اهن با سرعت بالا در آب خنک می‌شود و پس از آن عملیات خنک‌سازی آهن در روغن انجام می‌شود. بهبود قابل توجه‌ای در سختی و مقاومت آهن در این روش ایجاد می‌شود.
همزمان:
در این شیوه، عملیات خنک‌سازی آهن به طور همزمان انجام می‌شود، اگر می‌خواهید درک درستی از این موضوع بدست آورید، باید بگویم به عنوان مثال به طور همزمان بخش‌هایی از محصول در آب و بخش‌های دیگر آن در آب خنک می‌شوند. در این مدل سختی و مقاومت محصول به طور متوسطی بهبود پیدا می‌کند.
منحصر به فرد:
این مدل یکی از روش‌های خنک کاری فولاد است، که شرایط خنک کاری منحصر به فردی را برای هر نوع آهن، مشخص می‌کند. تعیین این شرایط منحصر به فرد بر اساس ترکیب فازهای مورد نظر و خواص مطلوب آهن صورت میگیرد. ایجاد بهینه‌سازی دقیق‌تری در خواص آهن، در این مدل انجام می‌شود.
انواع محیط های کوئنچ
در انتخاب روش های خنک سازی فولاد و انواع محیط های کوئنچ، باید به عواملی چون نوع آهن، ضخامت قطعه، استحکام و سختی مورد نیاز، تمرکز تنش، ترکیب فازها و نیازهای نهایی آهن توجه کرد. توجه به این عوامل، روش خنک کاری و محیط مناسبی برای هر محصول آهنی یا فولادی به ارمغان می‌آورد. روش ها و اصول خنک سازی آهن به بهبود خواص مکانیکی و ساختاری مطلوب کمک می‌کند.
مدل های خنک سازی فولاد
علاوه بر روش‌های خنک کاری فولاد و عملیات حرارتی کوئنچینگ، عوامل دیگری چون ضخامت قطعه، نوع آهن، ترکیب شیمیایی اهن و شیوه پردازش حرارتی قبلی نیز تأثیر زیادی بر شرایط و روش های خنک کاری آهن دارند. علاوه بر این، برخی از مدل های خنک سازی فولاد نیز مورد استفاده قرار میگیرد تا به بهبود این فرآیند کمک کند. در ادامه به بررسی این مدل‌ها خواهیم پرداخت.
1- مدل کینتیکی:
این مدل یکی از مدل های خنک سازی فولاد است، که بر اساس قوانین حرکت جرم و گرما و روابط کینتیکی مربوطه انجام می‌شوند. با کمک معادلات ریاضی و شبیه‌سازی عددی، می‌توانید سرعت خنک‌شدن و تشکیل فازها را در اهن پیش‌بینی کنید.
2- مدل مکانیکی:
عملکرد این مدل به شیوه ای است، که اثر خنک سازی در آن بر اساس تغییر شکل و خواص مکانیکی آهن انجام می‌شود. در این مدل تحلیل فولاد را با بکارگیری از معادلات مکانیک جسم متحرک و خواص مکانیکی، تأثیر خنک کاری بر سختی، مقاومت و رفتار ساختاری آن انجام می‌دهند.
3- مدل حرارتی:
این مدل یکی از روش‌های خنک کاری فولاد به حساب می‌آید، که عملکرد آن بر اساس تبدیلات حرارتی در فرآیند خنک کاری اهن انجام می‌شود. در این شیوه مدل‌سازی آن با بکارگیری از معادلات حاکم بر انتقال حرارت و دینامیک سیالات، توزیع دما و ناحیه‌های داغ و سرد در فولاد را صورت میگردد.
عملیات کوئنچینگ فولاد:
یکی از روش‌های خنک کاری فولاد، عملیات کوئنچینگ می‌باشد، که از آن جهت بهبود سختی و مقاومت آهن در برابر سایش و ضربه مورد استفاده قرار میگیرد. در عملیات حرارتی کوئنچینگ، خنک شدن با سرعتی بسیار بالا از دمای بالا به دمای پایین انجام می‌شود.