کوئنچ کردن

در متالورژی کوئنچ کردن (به انگلیسی: Quenching) به فرآیندی تلقی می‌شود که در آن قطعه کار پس از گرم شدن در یک دمای معین و در یک زمان حساب شده، به سرعت سرد می‌شود که با توجه به خواص مکانیکی مد نظر این سرد شدن در آب یا روغن و یا در هوا صورت میپذیرد. کوئنچ کردن یک عملیات حرارتی می‌باشد که از فرآیندها و تغییرات نامطلوبی که در فلزات در دماهای پایین رخ میدهد؛ مانند تغییر فاز، جلوگیری مینماید. این مهم از طریق کاهش زمان سرد کردن فلزات و یا افزایش نرخ سرد شدن صورت میگیرد.
از جمله تغییراتی که در حین فرآیند کوئنچ کردن صورت میگیرد می‌توان به کاهش اندازه دانه‌ها اشاره نمود که این موضوع هم برای مواد فلزی و هم برای مواد پلاستیکی صورت میپذیرد. از دیگر تغییرات این فرآیند افزایش سختی مواد می‌باشد.

علل استفاده

همانطور که بیان شد این جهت افزایش استحکام و سختی مواد به کار میرود. اگر به‌طور ویژه فولاد را مورد بررسی قرار دهیم و بتوان به شکلی شرایط سرد شدن مذاب فولاد را تنظیم کرد که مطابق با نمودار تعادلی خود سرد شود در نهایت به فاز پرلیت و درصورتی که درصد کربن بالاتری داشته باشیم ممکن است فاز لدبوریت جامد، تشکیل می‌شود. فاز پرلیت نیز خود از دو فاز فریت و سمنتیت تشکیل می‌شود که برای درصد کربن‌های زیر حدود 0.16% فاز اکثریت فریت می‌باشد و برای بالای این مقدار فاز اکثریت سمنتیت است. اصطلاحا به حالت زیر 0.16% کربن سمنتیت تشکیل شده در فریت و بالای آن را فریت تشکیل شده در سمنتیت گویند. فاز سمنتیت از استحکام کافی و مناسبی برخوردار است در صورتی که فاز فریت یک فاز نرم می‌باشد. به‌طور کلی فاز پرلیت شتکیل شده قابلیت تحمل تنش‌های بالا را ندارد و میبایست برای بسیاری از کاربردهای فولاد استحکام آن را افزایش داد.

کاربرد رایج

کوئنچ کردن یک فرآیند غیر تعادلی می‌باشد که غالبا جهت افزایش استحکام فولادها مورد استفاده قرار میگیرد، بدین صورت که فلزات از فاز آستنیت و از منطقه یوتکتوئید به سرعت سرد شده و به موجب آن فاز مارتنزیت شکل میگیرد. تسریع فرآیند استحکام بخشی فولادها وابسته به دمای شروع تشکیل مارتنزیت و دما پایان تشکیل مارتنزیت می‌باشد. به کمک افزودن برخی عناصر مانند مولبیدن، کروم، نیکل، سیلسیوم وتنگستن می‌توان دمای تشکیل فاز مارتنزیت را کاهش داد. انجام این فرآیند در فولادها علاوه بر افزایش استحکام موجب افزایش سختی آن شده اما چقرمگی فولادها را کاهش میدهد.
میزان افزایش استحکام فولادها وابسته به نرخ سرد شدن این فرآیند می‌باشد که در صورتی که نرخ سرد شدن خیلی بالا باشد امکان شکست فولاد پس از سرد شدن و بدون ضربه وارد کردن وجود دارد.
به‌طور معمول این میزان استحکام به دلیل چقرمگی پایین موجود مورد استفاده قرار نمیگیرد و برای قابل استفاده شدن فولادهای کونچ شده از فرآیند تمپر یا بازگشت استفاده مینمایند تا خواص مکانیکی مطلوب به‌طور کامل حاصل شود.

نمودارهای غیر تعادلی و نقش آنها در فرآیند کوئنچ

بهترین روش برای توصیف درست یک فرآیند پیچیده کوئنچ استفاده کردن از نمودارهای غیر تعادلی آن آلیاژ است که تحت شرایط کنترل شده تهیه شده‌است. نمودارهای غیر تعادلی تأثیر پذیری بالایی از پارامترهایی که در بالا عنوان شد دارند. این نمودارها با تهیه نمونه‌های مشابه از آلیاژ مد نظر و تحت دماهای تعیین شده تهیه می‌شوند. به کمک یک ثبت‌کننده با سرعت بالا و ترموکوپلها، دمای نمونه‌ها که تحت شرایط مخلف سرد می‌شوند ثبت و در نهایت یک نمودار دما-زمان تهیه می‌شود. به‌طور کلی دو نوع نمودار غیر تعادلی برای آلیاژها در نظر گرفته می‌شود. یکی نمودار غیر تعادلی در شرایط هم دما می‌باشد که تحت عنوان نمودار TTT شناخته شده و دیگری نمودار تعادلی با سرد شدن پیوسته می‌باشد که تحت عنوان نمودار CCT شناخته می‌شود. غالبا از نمودارهای CCT در فرآیندهای کوئنچ به جهت عدم نیاز به کنترل و نگه داشتن دما، استفاده می‌شود. به کمک این نمودارها و با دانستن سرعت سرد شدن آلیاژ مد نظر در محیط کوئنچ، مدت زمان عملیات کوئنچ و دمای شروع عملیات می‌توان فاز نهایی تشکیل شده در آلیاژ جامد شده را تعیین نمود. لازم به ذکر است علاوه بر موارد ذکر شده در بخش پارامترهای مؤثر در فرآیند کوئنچ مواردی از قبیل اضافه کردن عناصر خارجی به آلیاژ و تغییر نسبت حجمی عناصر سازنده آلیاژ نیز در نمودارهای غیر تعادلی مؤثر است و باعث حرکت و جابه‌جایی این نمودارها می‌شود.