عملیات حرارتی یکی از مرسوم‌ترین روش‌هایی است که به وسیله آن می‌توان خواص فلزات و فولاد را از طریق اصلاح ریز ساختار بهبود بخشید. در ادامه این مطلوب کوشیده‌ایم تا این فرآیند را دقیق‌تر بررسی کنیم.
عملیات حرارتی چیست؟
عملیات حرارتی به صورت کلی عبارت است از فرآیند گرم و سردکردن انواع فلزات، فولادها و آلیاژها در جهت رسیدن به خواص مکانیکی و فیزیکی مطلوب. به عبارتی دیگر این فرایند جهت تغییر و بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و به ویژه متالورژیکی مواد انجام می‌پذیرد.
همچنین قابل ذکر است عملیات حرارتی فولاد با هدف تنش زدایی، یکنواخت کردن و ریز کردن دانه‌ها، ایجاد لایه‌های سخت سطحی به منظور بهبود مقاومت به سایش، افزایش استحکام و چقرمگی، بهبود خصوصیات برش در فولادهای ابزار و تغییر یا بهبود خواص مغناطیسی بر روی فلزات علی الخصوص فولادها انجام می‌گردد.
یکی از روش‌هایی که می‌توان فولادهایی با ویِژگی‌های مختلف و همچنین خواص مطلوب بدست آورد، همان تبدیل ساختمان کریستالی آهن در محدوده دمایی مختلف با تغییر درجه حرارت است که به وسیله انواع فرایندهای عملیات حرارتی امکان پذیر می‌باشد. این تبدیل مطابق با نمودار آهن-کربن می‌تواند تا حد زیادي تحت تاثیر کربن قرار بگیرد. براي مثال سختی و استحکام در فولادهاي سریع سرد شده (آب داده شده-کوئنچ شده) بستگی به میزان درصد کربن موجود در آنها دارد.
از رایج ترین فرآیندهای عملیات حرارتی که بر روی فولادها و فلزات انجام می‌شود می توان به موارد زیر اشاره نمود:
انواع روش های عملیات حرارتی
انواع عملیات حرارتی که بر روی فولادها و فلزات انجام می‌گردد عبارت اند از:
عملیات حرارتی آنیل کردن
عملیات حرارتی سختی کاری سطحی
عملیات حرارتی همگن سازی
نرمال کردن فولاد
فرایند کوئنچ
عملیات تنش زدایی
عملیات تمپرینگ
عملیات حرارتی آنیل
به هرنوع از Heat Treatment که منجر به تشکیل ساختاری با سختی کم و انعطاف پذیری زیاد شود، آنیل گفته می‌شود. عملیات حرارتی آنیل بر اساس دمای عملیات، روش سردکردن، ساختار و خواص نهایی به دو روش آنیل کامل و آنیل هم دما تقسیم می‌شود.
عملیات آنیل کامل
عملیات حرارتی آنیل کامل عبارت است از فرآیند ایجاد انعطاف پذیری با حرارت دادن فولاد در دمای بالاتر از دمای استحاله AC3. در این فرآیند قطعه را بعد از نگه داری در مدت زمان مشخص در دمای یاد شده، به آرامی در کوره تا دمای زیر دمای تغییر استحاله Ar1 خنک می‌کنند. از آنجایی که دمای استحاله به میزان کربن بستگی دارد، فولادهای پرکربن را می‌توان در دماهای پایین تر از فولاد کم کربن، آنیل کامل انجام داد.
فرآیند آنیل هم دما
فرآیند آنیل هم دما که با نام آنیل تنش زدایی هم شناخته می‌شود، معمولا برروی فولادهای کم کربن کار سرد شده انجام می‌پذیرد. برای آنیل هم دما در فولاد کار سرد شده این نوع فولاد تا دمای نزدیک و زیر خط AC1 حرارت داده می‌شود و سپس با نرخ عادی خنک می‌گردد. این نوع از عملیات آنیل کردن می‌تواند منجر به تبلور مجدد و نرم شدگی ساختار فریت شود و معمولا برروی ساختار پرلیت اثر نمی‌گذارد.
فرآیند کروی کردن
عملیات حرارتی کروی کردن فرایندی است که در جهت رسیدن به ساختار کروی کاربیدها در زمینه فریت انجام می‌گردد. در این عملیات، فولاد تا زیر دمای AC1 به مدت کافی جهت کروی شدن نگه داشته می‌شود و سپس تا دمای اتاق در هوا خنک می‌گردد. این عملیات جهت بهبود ماشینکاری و یا عملیات کار سرد کشش سیم فولادهای پرکربن انجام می‌شود.
سخت کاری سطحی به روش های نفوذی
فرآیندی است که در آن لایه‌ای از سطح یا قسمتی مشخص از فولاد نسبت به مغز سختی بالاتری پیدا می کند. ترکیب شیمیایی لایه سطح در طول عملیات سخت کاری سطحی با اضافه کردن عناصری با اتم‌های کوچک مثل مثل کربن (C)، نیتروژن (N) و بور (B) تغییر می‌کند. از جمله روش‌های سخت کاری نفوذی می‌توان به فرآیندهای کربوراسیون، نیتراسیون و کربونیتراسیون،نیتروکربوراسیون و بوردهی اشاره نمود.
سخت کاری با روش های اعمال انرژی:
به این صورت است که در این روش سطح فولاد بدون تغییر ترکیب شیمیایی در سطح سخت می‌گردد. اگر فولاد به اندازه کافی کربن جهت انجام عملیات سخت کاری سطحی داشته باشد می‌توان با حرارت دادن و سریع سرد کردن به سختی سطحی برسد. این عملیات را به دو روش القایی و شعله ای می توان انجام داد.