ثلاث فئات من المعالجة الحرارية للمعادن

يمكن تقسيم عمليات المعالجة الحرارية للمعادن تقريبًا إلى ثلاث فئات: المعالجة الحرارية الشاملة، والمعالجة الحرارية السطحية، والمعالجة الحرارية الكيميائية. وبحسب وسيط التسخين ودرجة حرارته وطريقة التبريد، يمكن تقسيم كل فئة إلى عدة عمليات معالجة حرارية مختلفة. وباستخدام عمليات معالجة حرارية مختلفة، يمكن للمعدن نفسه أن يكتسب بنى مختلفة، وبالتالي خصائص مختلفة. يُعدّ الفولاذ أكثر المعادن استخدامًا في الصناعة، كما أن بنيته المجهرية هي الأكثر تعقيدًا، لذا توجد أنواع عديدة من عمليات المعالجة الحرارية للفولاذ.

المعالجة الحرارية الشاملة هي عملية معالجة حرارية للمعادن، حيث يتم تسخين قطعة العمل ككل ثم تبريدها بسرعة مناسبة لتغيير خواصها الميكانيكية العامة. تشمل المعالجة الحرارية الشاملة للفولاذ عادةً أربع عمليات أساسية: التلدين، والتطبيع، والتبريد السريع، والتطبيع.

1. التلدين

التلدين هو تسخين قطعة العمل إلى درجة حرارة مناسبة، مع مراعاة فترات تثبيت مختلفة حسب نوع المادة وحجم قطعة العمل، ثم تبريدها ببطء. والهدف من ذلك هو جعل البنية الداخلية للمعدن تصل إلى حالة توازن أو تقترب منها، أو تخفيف الإجهاد الداخلي المتولد في العملية السابقة. يُحسّن التلدين أداء العملية والخدمة، أو يُهيئ البنية لمزيد من التبريد السريع.

2. التطبيع

التطبيع هو تسخين قطعة العمل إلى درجة حرارة مناسبة ثم تبريدها في الهواء. يشبه تأثير التطبيع تأثير التلدين، إلا أن البنية الناتجة تكون أدق. يُستخدم التطبيع غالبًا لتحسين أداء قطع المواد، ويُستخدم أحيانًا لتلبية متطلبات معينة. لا يُستخدم التطبيع كمعالجة حرارية نهائية للأجزاء ذات السماكة الكبيرة.

3. التبريد السريع

التبريد السريع هو تسخين قطعة العمل والحفاظ عليها، ثم تبريدها بسرعة في وسط تبريد مثل الماء أو الزيت أو محاليل الأملاح غير العضوية الأخرى أو المحاليل المائية العضوية.

4. التطبيع

بعد التبريد السريع، يصبح الفولاذ صلبًا ولكنه في الوقت نفسه هشًا. وللحد من هشاشة قطع الفولاذ، تُحفظ هذه القطع المبردة عند درجة حرارة مناسبة أعلى من درجة حرارة الغرفة وأقل من 650 درجة مئوية لفترة طويلة، ثم تُبرد. تُسمى هذه العملية بالتطبيع. تُعرف عمليات التلدين والتطبيع والتبريد السريع والتطبيع بـ"العمليات الأربع" في المعالجة الحرارية الشاملة. ومن بينها، يرتبط التبريد السريع والتطبيع ارتباطًا وثيقًا، وغالبًا ما يُستخدمان معًا، وهما عمليتان لا غنى عنهما.

طوّرت شركة "فور فايرز" عمليات معالجة حرارية مختلفة بدرجات حرارة تسخين وطرق تبريد متباينة. وللحصول على قوة ومتانة محددتين، تُعرف عملية الجمع بين التبريد السريع والتطبيع بدرجة حرارة عالية باسم التبريد والتطبيع. بعد تبريد بعض السبائك لتكوين محلول صلب فوق مشبع، تُحفظ في درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة أعلى قليلاً لفترة أطول لتحسين صلابة السبيكة أو قوتها أو خصائصها الكهرومغناطيسية. تُعرف هذه العملية باسم المعالجة الحرارية بالتقادم.

تُعرف طريقة الجمع الفعال والوثيق بين تشكيل الضغط والمعالجة الحرارية للحصول على قوة ومتانة عاليتين لقطعة العمل باسم المعالجة الحرارية بالتشكيل. أما المعالجة الحرارية التي تُجرى في جو ذي ضغط سلبي أو في فراغ فتُسمى المعالجة الحرارية الفراغية، والتي لا تضمن فقط عدم تأكسد قطعة العمل أو فقدان الكربون منها، بل تحافظ أيضًا على سطحها أملسًا ونظيفًا، مما يُحسّن من أدائها. كما يمكن معالجتها حراريًا كيميائيًا باستخدام عامل اختراق.

في الوقت الحاضر، ومع ازدياد نضج تقنيات الليزر والبلازما، تُستخدم هاتان التقنيتان لتطبيق طبقة من الطلاءات المقاومة للتآكل أو الصدأ أو الحرارة على سطح قطع العمل الفولاذية العادية، وذلك لتغيير خصائص سطح قطعة العمل الأصلية. تُعرف هذه التقنية الجديدة باسم تعديل السطح.