مایع کوئنچ چیست؟
مایع کوئنچ یکی از موارد مورد استفاده برای مقاوم‌سازی در صنعت فولاد است. عملیات حرارتی فولاد به روشی گفته می‌شود که با بهره‌گیری از آن می‌توان ساختار فولاد را از نظر فیزیکی، شیمیایی و متالورژیکی بهتر کرد و به تعادل خوبی رساند. در نهایت می‌توان فلز را برای مصارف مختلف بهره‌برداری کرد. عملیات حرارتی به شکل‌های مختلفی انجام می‌شود که هرکدام از آن‌ها خاصیت‌های خاص خود را دارند و یک اثر ویژه روی فلزات می‌گذارند به‌طورکلی آنیل فلز که قبلاً درباره آن توضیح دادیم، نرماله کردن، سخت کردن یا مایع کوئنچ، آستمپر کردن، مارتمپر کردن، تنش‌زدایی، کروی کردن، کربن‌دهی سطحی و در نهایت نیتروژن دهی از جمله این موارد هستند.
بعلاوه این که مایع کوئنچ بنا به عملیاتی است که در آن یک قطعه فولادی گرم شده تا دمایی بالاتر از حد دمای بحرانی برسد و در نهایت با سرعت بالا توسط موادی مانند آب، حمام نمک، هوای آرام، محلول‌های پلیمری و یا روغن سرد می‌گردد. به طور سنتی از آب، چربی‌های حیوانی و روغن ماهی برای کوئنچ استفاده می‌شد. روش‌های مدرن اکنون شامل استفاده از روغن‌های معدنی (تمیز)، پلیمرها و استرهای طبیعی/سنتتیک خواهد بود.
روغن‌های معدنی می‌توانند فلزات داغ را به‌آرامی و به طور موثر خنک کنند تا به‌سختی مورد نیاز برسند. کوئنچ پلیمری از کنسانتره پلیمرهای آلی در آب استفاده می‌کند که برای استفاده بیشتر رقیق می‌شوند. می‌توان از طیف گسترده‌ای از پلیمرها استفاده کرد و انتخاب ماهیت کوئنچ را تعیین می‌کند. در مباحثی مانند آشنایی با ریخته‌گری شمش و کاربرد صنعتی آن در مورد یک پردازش مهم در فلزات پرکاربرد صحبت کردیم.
این بار قصد داریم کمی بحث در مورد مایع کوئنچ را ادامه دهیم. مزیت‌های زیادی در این متریال وجود دارد که باعث می‌شود در نهایت در سخت‌کاری گزینه‌ای به‌مراتب استانداردتر باشد. در ادامه به بررسی چند مورد از مهم‌ترین امتیازات آن می‌پردازیم.
منظور از عملیات حرارتی بر پایه مایع کوئنچ چیست؟
در مرحله بعدی این عملیات سبب می‌شود که فلز پس از مدتی که این عملیات روی آن انجام می‌شود مقاومت بالایی کسب کرده و در نهایت وقتی دمای فولاد در مرحله و نقطه یوتکتوئید مایع کوئنچ است شروع به سرد کردن سریع قطعه می‌نماید. در نهایت وارد فازی تحت عنوان مارتنزیت می‌شود. نقطه مورد نظر در واقع جایی است که در آن فاز آستنیت ناپایدار بوده و می‌توان قبل از انجام عملیات حرارتی بر پایه مایع کوئنچ به قطعه فولادی موردنظر عناصر دیگری مانند منگنز و نیکل نیز اضافه نمود. پس از آن این موضوع سبب می‌شود که دمای این نقطه کم‌تر شده و این کار سبب خواهد شد که فاز مارتنزیت در دمای کم‌تری آغاز گردد.
مراحل کوئنچ کردن چیست؟
معمولاً از انجام پروسه کوئنچ کردن قطعه فولادی را در دمایی تا 815 الی 900 درجه سانتیگراد گرم می‌کنند و سپس این پروسه را آغاز می‌کنند. نکته کلیدی و مهم این است که باید عملیات گرمایشی که صورت می‌گیرد به شکلی باشد که تمامی بخش‌های قطعه به‌صورت یکپارچه گرم شود. زیرا اگر این اتفاق رخ ندهد. بعد از عملیات کوئنچ کردن قطعه یکدست و همگون نخواهد بود. از طرفی باید فولاد گرم شده درون یک سیال مناسب غوطه‌ور گردد که به آن مایع کوئنچ می‌گویند. این کار سبب می‌شود که فلز سریع‌تر سرد شده و وارد فاز مارتنزیتی شود. در واقع می‌توان گفت که نوع سیال انتخابی برای انجام پروسه کوئنچ بسیار می‌تواند روی خاصیت قطعه نقش داشته باشد.
بهترین نوع مایع کوئنچ
معمولاً می‌توان از آب و روغن برای این کار استفاده کرد. درصورتی‌که قطعه فولادی با آب سرد شود سختی خوبی به دست می‌آورد و البته مشکل این روش این است که اعوجاج قطعه و یا ترک‌های ریز نمایان می‌شوند که به طبع خوشایند نیست. در مقابل اگر از روغن‌ها استفاده کنیم یک‌لایه رسوب روی قطعه ایجاد می‌شود که همین لایه سبب می‌شود که قطعه به‌اندازه کافی سریع سرد نشده و در نهایت سختی قطعه مورد نظر نسبت به حالتی که با آب سرد می‌گردد کم‌تر شود.
از طرفی این مسئله را به یاد داشته باشید که عملیات موردنظر اگر در شرایط مطلوب شروع نشود و طبق استانداردها انجام نگردد، می‌تواند خطا نیز داشته باشد و این باعث شود که ترک‌های ریزی روی سطح فلزات برقرار گردد. سرعتی که مایع کوئنچ باید روی فلز اثر بگذارد تا حدی به نوع و میزان عناصر آلیاژ بستگی دارد. این سرعت را می‌توان با انتخاب ماده سرد کننده، آب و نمک و… تا حد زیادی کنترل کرد. اگر فولاد عناصر آلیاژی فراوانی داشته باشد می‌توان آن را در هوا سرد کرد. اما اگر عنصر آلیاژی آن کم‌تر و خاص‌تر باشد یا فاقد آلیاژ باشد می‌توان آن را در آب سرد کرد که در این صورت برای نتیجه بهتر از آب‌نمک نیز استفاده می‌شود.
منظور از برگشت دادن چیست؟
وقتی یک قطعه فولادی تحت عملیات مایع کوئنچ قرار می‌گیرد در عین این که سختی فوق‌العاده‌ای پیدا می‌کند ممکن است ترد تر و شکننده‌تر شود. از طرفی عملیات موردنظر فقط تحت شرایطی انجام می‌شود که می‌خواهیم فولاد سختی زیادی داشته باشد. ضمن این که در سایر موارد می‌توان از تمپر استفاده کرد که منظور همان برگشت دادن است. عملیات برگشت دادن یکی از عملیات‌های حرارتی است که روی فولاد انجام شده و در آن خواص شیمیایی و فیزیکی فلز دستخوش تغییرات می‌شود. همین‌طور موضوع مهم این است که تمپر کردن روی فولادهایی که کربن کم یا متوسط دارند انجام نخواهد شد. زیرا بخشی از کربن باید از آن خارج گردد.
مزایای استفاده از کوئنچ مایع
یکی از اولین مباحثی که برای شرکت‌های تجاری اهمیت دارد، بهره‌وری یک محصول در حوزه صنعت خواهد بود. در این مورد همواره یک چک‌لیست از مزیت‌های یک روش و یا استاندارد خاص در دسترس قرار می‌گیرد که در مورد این مایع نیز وجود دارد.
کاهش هزینه کم‌تر
اولین و کلیدی‌ترین اصل برای استفاده از آکوئنچ یا مایع کوئنچ هزینه به‌مراتب کم‌تر است. از آن جایی که این محلول با مقدار آب مشخص رقیق می‌شود، در نتیجه هزینه نهایی آن پایین از چیزی خواهد بود که شرکت‌ها در بهره گیری از روغن استفاده می‌پرداخت می‌کنند. از طرفی در همین مرحله اول با کاهش هزینه عمده روبرو هستیم. اصل مهم دیگر کاش هزینه‌های جاری خواهد بود. آلودگی‌های ناشی از آتش و روغن و دودی که حاصل می‌شود باعث می‌شود که تجهیزات دچار آسیب شوند.
کاهش آسیب‌دیدگی تجهیزات
وقتی در مورد مزایای استفاده از کوئنچ صحبت می‌شود، یکی از مباحث کلیدی و مهم عدم بروز آسیب و اختلال سیستم‌های مختلف خواهد شد. البته نیروی انسانی نیز در شرایط بهتری کار می‌کند.
مقاوم در مقابل حرارت و سوختگی
یکی از کلیدی‌ترین و مهم‌ترین نکات در مورد مایع کوئنچ مقاومت در مقابل سوختگی و حرارت نسبت به دیگر مایع و روغن‌ها است. در این صورت شما نیازی به کنترل دما نخواهید داشت. البته درصورتی‌که فلز باید در یک تناژ دمایی خاص ثابت بماند لازم است که به طبع دما را کنترل کنید.
عدم نیاز به پاک‌سازی چربی
پس از فرایند کوئنچ، نیازی به چربی‌زدایی و تمیزکردن نخواهد بود. چون اساس این روش بر پایه چربی و ایجاد بافت‌های روغنی روی فلز نیست.
مزایای استفاده از کوئنچ در مواد پلیمری
یکی از مباحث کلیدی و مهم در مورد این محصول، امکان استفاده از آن در مواد پلیمری است. در واقع در طول 50 سال اخیر، محلول‌های پلیمری نقش ویژه‌ای در زندگی ما ایفا کرده‌اند و نمی‌توانیم آن‌ها را از خود و زندگی نام جدا کنیم. در این شرایط بهره‌گیری از متریال پلیمر البته نیاز به شکل‌دهی دارد. این کار با استفاده از مایع مخصوص انجام می‌شود. مزیت‌هایی برای این مایع وجود دارد که باعث می‌شود کوئنچ کردن از هر لحاظ منطقی باشد.
عدم بروز مشکل آتش‌سوزی
یکی از مهم‌ترین و کلیدی‌ترین مباحثی که باید به آن توجه داشت، عدم نیاز به کنترل حرارت و عدم آتش‌سوزی است. در واقع خطر حریق به وجود نمی‌آید و این یک مزیت عالی برای شرکت‌هایی است که در زمینه تولید مواد پلیمری فعالیت می‌کنند.
کاهش آسیب زیست‌محیطی
اصل کلیدی، اساسی و مهم دیگری که اهمیت ویژه‌ای دارد. عدم نیاز به استفاده از دستگاه‌های فیلتراسیون و … است. در واقع آسیب به زیست محیط به‌مراتب پایین‌تر بوده و دمای محلول را نیز می‌توان با نرخ کم‌تری بالا برد. به هنگام سرد نمودن هم پلیمر حالت نرمالی خواهد داشت.
قیمت بهتر
بحث هزینه‌ها نسبت به استفاده از محلول روغن موضوع مهم دیگری است که شرکت‌ها بسیار آن را یک توجهی منطقی می‌دانند تا بیشتر به‌جای روغن از کوئنچ کاری استفاده کنند. اگر مایع سخت‌کاری ارزان‌تر باشد، بازدهی شرکت نیز بیشتر می‌شود. ضمن این که آسیب‌های بازار نیز پایین‌تر می‌آید.
خیساندن در کوئنچ
یکی از مهم‌ترین مراحل در انجام این پردازش خیساندن فلز خواهد بود. برخلاف سخت‌کاری با آب‌نمک، برخی فلزات نیاز به یک روش منسجم‌تر دارند.
بیشتر مواد بین 815 تا 900 درجه سانتیگراد (1500 تا 1650 درجه فارنهایت) در این فرایند نیاز به دما دارند. مرحله دوم در فرایند کوئنچ خیساندن است. قطعات کار را می‌توان در هوا (کوره هوا)، حمام مایع یا خلاء خیس کرد. زمان توصیه شده در حمام نمک یا سرب حداکثر 6 دقیقه است. زمان خیساندن می‌تواند در خلاء کمی بیشتر باشد. همان‌طور که در مرحله حرارت دادن، مهم است که دمای نمونه در طول خیساندن تاحدامکان یکنواخت باقی بماند.
پس از پایان خیساندن قطعه کار، به مرحله خنک‌سازی می‌رود. در طی این مرحله، قطعه در نوعی مایع خاموش‌کننده غوطه‌ور می‌شود. سیالات خاموش‌کننده مختلف می‌توانند تاثیر قابل‌توجهی بر ویژگی‌های نهایی یک قطعه فلزی داشته باشند. آب یکی از کارآمدترین محیط‌های خاموش‌کننده است که در آن حداکثر سختی موردنظر است، اما احتمال کمی وجود دارد که باعث ایجاد اعوجاج و ترک‌های کوچک شود. در نتیجه استفاده از نرخ‌های معین کوئنچ مایع یک روش هوشمندانه بود که وارد دنیای فولاد شد. این روزها البته بیش از هر زمانی استفاده می‌شود.
نکات آبدهی و یا روغن‌کاری فلز بر پایه مایع کوئنچ
به‌طورکلی باتوجه‌به این که فولاد داغ در روغن ممکن است سبب آتش‌سوزی شود. پیشنهاد می‌شود که از روغن‌های خاص و مایع کوئنچ با نقطه اشتعال بالا یا فلش پوینت بالا استفاده شود. همین‌طور سرعت سرد شدن قطعه در روغن آهسته‌تر از آب یا نمک است. میزان تنش‌های پسماند در قطعه کار نیز پایین خواهد بود.
از طرفی وقتی از آب استفاده می‌شود قطعاً نتیجه بدون نمک خوب نخواهد بود. در این حالت سخت‌کاری با آب‌نمک فرایند خنک‌سازی نسبت به روغن و هوا با سرعت بالاتری انجام می‌گردد. از طرفی نمک موجود در آب‌نمک از تشکیل حباب‌های هوا جلوگیری می‌کند. این موضوع در واقع سبب می‌شود که سطح مقطع بیشتری توسط محلول پوشیده شود. البته مایع کوئنچ می‌تواند مواد پلیمری نیز باشد که در این صورت سرد کنندگی در آب که معمولاً مناسب نیست دیگر رخ نمی‌دهد.
محیط‌های روغنی نیز جایگزین مناسب برای این دسته از فولادها نیستند. چرا که سبب می‌شوند سختی فلز به حد کافی نرسد. در نهایت استفاده از مواد پلیمری یک راهکار اساسی است. مواد پلیمری حذف خطر حریق و آتش‌سوزی فلزات را به همراه دارند و ضمن این که عموماً به‌صرفه هستند. می‌توان دما را به حداقل میزان افزایش داد و در نهایت پروسه سرد نمودن را نیز آسان‌تر کرد. علاوه‌برآن آسیب به محیط‌زیست نیز در سطح کم‌تری می‌رسد. معمولاً برای مایع کوئنچ از روغن، ماده پلیمری و آب استفاده می‌شود. البته که این پروسه در مخزن کوئنچ انجام می‌شود که باید ساختار مقاومی در برابر تغییر حالت‌های معمول داشته باشد. چون به‌هرحال این عملیات سبب تغییر ساختار فلزات می‌گردد.
در آخر
سخت شدن کوئنچ یک فرایند مکانیکی است که در آن فولاد و آلیاژهای چدن تقویت و سخت می‌شوند. این کار با گرم‌کردن مواد تا دمای مشخصی بسته به ماده انجام می‌شود. قبل از سخت شدن، فولادهای چدنی و آهن دارای ساختار دانه پرلیتی یکنواخت و لایه‌ای (لایه‌ای) هستند. این مخلوطی از فریت و سیمانی است که هنگام تولید فولاد یا چدن و با سرعت کم سرد می‌شود. پرلیت یک ماده ایده آل برای بسیاری از کاربردهای رایج آلیاژهای فولادی نیست زیرا کاملاً نرم است. با گرم‌کردن پرلیت از دمای 727 درجه سانتیگراد عبور کرده و دچار ضعف ساختاری می‌شود. در چنین شرایطی بهره‌گیری از روغن حتی می‌تواند به بافت فلزات نیز آسیب وارد کند.
از طرفی کوئنچ کردن باعث می‌شود که حوزه استفاده از فولاد نیز به‌مراتب نسبت به دیگر روش‌ها افزایش یابد. فولادهای با ساختار مارتنزیتی اغلب در مواردی استفاده می‌شوند که قطعه کار باید در برابر تغییر شکل بسیار مقاوم باشد، مانند لبه برش تیغه‌ها، این بسیار کارآمد است. در واقع اگر فلز قرار است مدام تغییر شکل دهد به طبع بهره‌گیری از دیگر تکنیک‌های سرد کردن فلزات ایده‌آل نیست.
میلگرد
ورق فولادی
تیرآهن و هاش
پروفیل
نبشی
ناودانی
لوله و اتصالات
صنایع مفتولی
تخته و چوب
