کوئنچ کردن

در متالوژی کوئنچ کردن فرآیند تلقی میشود که در آن قطعه کار به سرعت سرد میشود که با توجه به خواص مکانیکی مد نظر این سرد شدن در آب یا روغن و یا در هوا این فرآیند 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
نمودار تعادلی آهن-کربنهمانطور که بیان شد این جهت افزایش استحکام و سختی مواد به کار میرود. اگر بطور 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. بطور 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، نیک ل، 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.
به طور معمول این میزان استحکام بدلیل 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 بطور کامل حاصل شود.
پارامترهای موثر در فرآیند کوئنچ
شرایط داخلی قطعه کار جهت انتقال گرما به سطح خارجی
شرایط سطح خارجی قطعه‌کار جهت انتقال گرما به محیط کوئنچ ( ضریت هدایت حرارتی قطعه‌کار)
پتانسیل جذب حرارتی محیط کوئنچ جهت دریافت گرمای منتقل شده از سطوح خارجی
توانایی محیط کوئنچ در دفع حرارت تولید شده از طریق جذب گرما در درون خود و پایین ماندن دمای محیط کونچ، انتقال آن به محیط واسطه دیگر و یا انتقال گرما به هوا
نمودارهای غیر تعادلی و نقش آنها در فرآیند کوئنچ
نمودار CCT جهت تعیین مدت زمان لازم جهت تشکیل فاز مارتنزیت با توجه به نرخ سرد شدن
بهترین روش برای توصیف درست یک فرآیند پیچیده کوئنچ استفاده کردن از نمودارهای غیر تعادلی آن آلیاژ است که تحت شرایط کنترل شده تهیه شده است. نمودارهای غیر تعادلی تاثیر 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. به طور 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 موثر در فرآیند کوئنچ مواردی از قبیل اضافه کردن عناصر خارجی به آلیاژ و تغییر نسبت حجمی عناصر سازنده آلیاژ نیز در نمودارهای غیر تعادلی موثر است و باعث حرکت و جابه‌جایی این نمودارها میشود.
روش‌های رایج کوئنچ کردن
کوئنچ در هوا
کوئنچ در روغن
کوئنچ در آب
کوئنچ در آب نمک
کوئنچ در نیتروژن مایع
مذاب فلزات
عملیات حرارتی
آنیل کردن کامل
آنیلینگ جهت کروی کردن سمنتیت (کروی کردن)
نرماله کردن (نرمالیزاسیون)
برگشت دادن (تمپر کردن)