تاریخچه عملیات حرارتی فولاد

تاریخچه عملیات حرارتی

بیش از پنجهزار سال است که انسان آهن را مورد مصرف قرار می دهد و تقریبا در نصف این مدت، آهن به عنوان وسیله ای زینتی و فلزی افسانه ای مورد توجه خاص بشر بوده است. پس از این دوره ، تهیه آهن از کانه های طبیعی میسر شد و انسان اولین بار آهن را در تهیه سلاح ها | به کار برد. پیش از آن، بشر وسایل و سلاح های خود را از ابزار های مفرغی تهیه می کرد.

کشف آتش را می توان سرآغاز صنعتی شدن جامعه بشری دانست : «شاید یک روز شخصی که آتش تهیه می کرد، از مشاهده قطرات فلزی که از سنگهای ملتهب اجاق سرازیر شده | بود، غرق تعجب گردید و سالهای زیاد طول کشید تا انسان از این پدیده شگرف سر در آورد و فهمید که در داخل بعضی از سنگها قطعات فلزی وجود دارد و اگر سنگهای معدنی مذکور را | در کوره قرار دهند و حرارت را به درجه کافی بالا ببرند، این فلزات ذوب می شوند. مسلما این کشف برای انسانهای آن عصر بسیار شگفت آور و مهیج بود و موجب شد تا پس از اختراع اولین روش تهیه فلزات، به مطالعه انواع سنگهای معدنی بپردازند. سنگهای معدنی کربنات مس، از قبیل مرمر سبز و لاجورد، از زمانهای قدیم تر به عنوان رنگ، پس از آسیاب کردن مورد استفاده قرار می گرفت. عده ای از پژوهشگران حدس می زنند که در حدود ۶ تا ۷ هزار سال پیش از میلاد مسیح، یکی از ساحل نشینان رود نیل بر حسب تصادف دریافت که چگونه فلز را از داخل سنگهای معدنی شبیه جزیره سینا استخراج کند، با این حال از قرائن چنین استنباط می شود که مس اولین فلزی است که به طور خالص و طبیعی و جدا از مواد معدنی، مورد استفاده بشر قرار گرفته است. استعمال مس بر صنعت معماری نیز تأثیر بی سابقه ای گذاشت و مصریان در حدود سه هزار سال پیش از میلاد مسیح از ادوات مسی در ساختن اهرام استفاده کرده اند.

سپس ، در سالهای بعد، به زودی نقره، سرب، آنتیموان (سنگ سرمه) و قلع کشف شد و فلزکاران با استفاده از آتش و سرخ کردن و سپس ذوب فلزات ، آمیختن آنها را تجربه کرده و به شناخت تجربی همبسته ها (آلیاژها) توفيق يافتند. از اختلاط قلع و مس مفرغ پدید آمد و عصر مفرغ آغاز شد. «از ترکیب مس با کمی قلع ، آلیاژ بسیار خوبی به دست می آید که به همه کار می خورد. هر قدر عيار قلع بیشتر باشد، آلیاژ حاصل محکمتر و به همان نسبت شکننده تر می شود. تحقیقات نشان داد که استفاده از مفرغ، اولین بار در ۲۸۵۰ سال پیش از میلاد در مصر و بین النهرین به عمل آمد و مردم جزیره کرت در ۲۵۰۰ سال پیش از میلاد، ابزار ها و بازیچه های مفرغی را به نواحی ساحل دریای مدیترانه ارسال می داشته اند

به جز بعضی از کنایات شاعرانه هرودوت و هومر ، اطلاعات زیادی در باره آهن در دوره های گذشته وجود ندارد. تا سال ۱۹۹۸ میلادی که ناپلئون به همراه عده ای از باستانشناس ها به مصر قدم گذاشت، اروپائیان گمان داشتند که یونان و روم مرکز اشاعه تمدن بشری بوده است ولی هنگامی که اولین آثار تمدن عهد عتیق در موصل از زیر خاک بیرون آورده شد، تلاش گسترده ای برای شناخت عمیق تر تمدن مردم این حدود به عمل آمد و به تدریج تمدن سومری ها، بابلیها، مردم جزایر اژه ، اقوام هیتیت و میتانی و جلیبی کشف شد. در قبور سلطنتی عور، تبر کوچکی مربوط به ۲۹۵۰ سال پیش از میلاد به دست آمد و در هرم خئوپس ، اسباب و ابزارهای آهنی دیده شد. آنچه که از نوشته ها بر می آید، قدمت فلز آهن را به حدود سه هزار سال پیش از میلاد مسیح می رساند. ولی صنعت ذوب آهن از درون حوادث و اتفاقات حرکت خود را آغاز کرد و به کندی به پیش رفت. این صنعت در طول حیات پر نشیب و فراز خود از گذار دیدگاههای تنگ و محدود و اشتباهات فراوان گذشت و از میان تاریخ شکفت ، و تحولی عظیم در روند زندگی انسان به وجود آورد.

 

انسان، ابتدا آهن را از شهابهای آسمانی (۱) به دست می آورد و در نتیجه، آهن فلزی بسیار نادر و گرانبها بود و از آن در ساختن زینت آلات استفاده می کردند. در عهد حمورابی (۲۰۰۰ سال پیش از میلاد مسیح) بهای آهن هشت برابر نقره و معادل سه ربع بهای طلا بوده است. ولی در حدود ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح در نزد اقوامی که مابین دریای خزر و دریای سیاه زندگی می کردند، یک صنعت آهنی به صورت ساخت ابزار و سلاح جنگی تظاهر میکند. روشی را که هیتیت ها در تهیه آهن بکار می بردند، سالها در پرده اسرار نگهداری شده و اطلاعات آن منحصرا در اختیار افراد خاصی از این قوم قرار داشت. دویست سال بعد، با انهدام امپراتوری هیتیت ها، زمینه توسعه این صنعت مساعد تر می شود. انسان موفق می گردد درجه حرارت های بالاتری را ایجاد کند. کوره های آهنگری که با ذغال چوب کار می کردند تکمیل تر می شوند و در جریان گرم

کردن مجدد فلز، برای شکل دادن، کربن ذغال به داخل آهن نفوذ می کند. باین ترتیب بدون آنکه بخواهند، فولادی باکرین سطحی بالا به دست می آید که پس از چکش کاری و شکل دادن، دارای قابلیت سخت شدن در اثر آبدهی نیز بوده است.

چون ویژگیهای این پدیده و نیز عوامل مؤثر در سمانتاسيون آهن شناخته نشده بود، آهنگران آن عصر نتایج بسیار متضادی بدست می آوردند. بعضی از سلاحها آب نمی گرفتند و در موقع استفاده از آنها در جنگ خم می شدند. در حدود قرن پنجم قبل از میلاد مسیح، در منطقه ای که بین آلمان و اتریش قرار دارد ، با استفاده از دانه های آهن که دارای مقادیر زیاد منگنز بوده، سلاحهای محکمی تهیه می شد که حتی با مقدار کم کربن قابل سخت شدن در اثر آبدهی بوده اند.

دراین مورد، توجه به نوشته خواجه نصیر طوسی در کتاب تنسوخنامه در وصف نوعی آهن و خواص آن، جالب توجه است که می گوید ... و نوعی دیگر است که در دیار فرنگ از آن شمشیرها کنند و آن آهنی است به غایت سفید و بران، چنانچه آهن در زیر ضربت آن البته پای ندارد. شاید این نوشته نیز اشاره ای به همین گونه مصالح آهن منگنزدار بوده است که امروزه به فولاد هدفیلد، که نوعی فولاد بسیار سخت و مقاوم به سایش است و در سنگ شکن ها و آسیاب ها مورد استفاده قرار می گیرد ، معروف است.

فردوسی نیز در داستان فرمانروائی هوشنگ از «آهن آبگون صحبت کرده است که حکایت از آگاهی ایرانیان در خصوص آب دادن (1) آهن» از زمانهای پیش داشته است :

نخستین یکی گوهر آمدیه چنگ به آتش ز آهن جدا کرد سنگ سرمایه گرد آهن آبگون کزان سنگ خارا کشیدش برون چون بشنید آهنگری پیشه کرد به فرکئی رنج کوتاه کرد

گاهی اوقات سرد کردن سریع شمشیر هائی که استثنائا دارای کربن بالائی بوده اند، موجب شکستن و خردشدن آنها می گردید. در یک زمان، احتمالا در حدود ۵۰ سال قبل از میلاد مسیح و در دوره رومیان ، اثر مفید بازگشت و نیز باز پخت را در جهت آسان کردن کارهای بعدی بر روی فلز، باز شناختند.

شمشیر های معروف دمشقی که در قرون وسطی از فولاد هندی ساخته می شد، از نوع زیباترین نمونه هنر فولاد سازان اولیه بشمار می رود. در تهیه این شمشيرها، لایه های متناوب آهن کم کربن و آهن پر کربن را بر روی هم گذاشته و چکش کاری کرده و سپس جسم حاصله را دولا و مجددا مورد آهنگری قرار می دادند تا یک ورق نواری ظریف با کیفیت عالی به دست آید. محصول بدست آمده را به شکل تیغ شمشیر یا خنجر در آورده و پس از عملیات حرارتی لازم و تیز کردن لبه ها، با اسید رقیق مورد حکاکی قرار می دادند تا با ظاهر شدن لایه های متناوب آهن ، جلوه زیبائی به قطعه داده شود. شکل (1-1) تصویر یک خنجر دمشقی را نشان می دهد. زمینه تصویر، تیغه های متناوب فولاد پرکربن و کم کربن است که پس از حکاکی نوک خنجر ظاهر شده است.

در حالی که مثلا در مورد آلیاژی بر مبنای مس ، ترکیب سازنده های یک قطعه غالبا تعیین کننده ویژگیهای آن قطعه می باشد، در مورد آهن ، مراحل عمل و چگونگی ساخت یک قطعه بیشتر از همه عوامل دیگر در کیفیت آن مؤثر است. در نتیجه، در زمانهای گذشته ، خصوصیات به دست آمده در اثرانجام عملیات مختلف بر روی یک قطعه فولادی، کاملا بر تجربیات آهنگران متکی بوده و درجه حرارت عمل و ترکیب شیمیائی آنها با هیچ روشی کنترل نمی شده است. تا قرن هشتم میلادی، آنچه که در کتابهای فنی در مورد آبدادن فولادها در مایعات مختلف نوشته شده، بیشتر جنبه شعبده گری بدان داده شده است تا جنبه علمی

در روی بعضی از شمشیرهائی که در قرن پنجم میلادی به بعد ساخته شده اند، لبه تیز آنها خیلی کرین دارتر از بقیه قسمتهای شمشیر بوده است. بعضی از آنها فقط سمانته شده و برخی دیگر آب داده شده و یک ساختمان مارتنزیتی در آن تظاهر کرده است. سختی این بخش تا حدود ۶۱۰ ویکرز می باشد.

 

در اواخر قرن نوزدهم شناخت پدیده های متالورژی با سرعت بیشتری توسعه می یابد جستجوی مداوم برای دست یابی به توان بالاتر بهمراه کم کردن وزن قطعات و همچنین نیاز به مصالحی با حد الاستیک و مقاومت بالاتر، با رعایت اقتصاد مصالح ، ایجاب می کرد تا از حداکثر کیفیت و قابلیت فلزات استفاده شود. و هدف عملیات حرارتی ، ایجاد مجموعه ای از بهترین ویژگیهای ممکن در قطعات ، با توجه به کاربرد آنها، می باشد. با اجرای این عملیات، می توان در یک میدان وسیعی بر روی ویژگیهای فولاد اثر گذاشت . باید توجه کرد که همه این ویژگیهای مختلف در یک جهت تغییر نمی کنند. معهذا، به عنوان قاعده عمومی می توان گفت که مناسب ترین عملیات حرارتی، اجتماع بالاترین مقادیر ممکن از ویژگیهای مختلف را در قطعه تأمین می کند.

اگر چه در موار پر اهمیت تر می توان فولادهای مخصوص را به کار برد ولی استفاده از این منبع گرانقیمت همیشه لزومی ندارد. اگر عملیات حرارتی به خوبی اجرا شود، اغلب می تواند اثر خیلی بزرگتری از تغییرات ترکیب شیمیایی بر روی خصوصیات نهائی فولادها داشته باشد. برعکس ، یک فولاد مخصوص که به طرز نادرست تحت عملیات حرارتی قرار گرفته باشد، دارای خصوصیات پست تری از یک فولاد کربنی معمولی، که به طور مناسبی عملیات حرارتی بر روی آنها صورت گرفته است، خواهد بود.

حقیقت انجام صحیح عملیات حرارتی با آمیزه ای از دانش ، هنر و تجربه همراه است.

تمام پیشرفتهائی که در قرن اخیر حاصل شده نتیجه نیازهای صنایع مختلف مانند اتومبیل سازی ، صنایع فضائی، کامپیوتر، صنعت استخراج و تصفیه نفت، صنايع هسته ای و غیره به مصالحی با ویژگیهای عالیتر می باشد. برای پیشرفت بایستی قبلا مکانیزم هائی را که حاکم بر تغییرات این یا آن ویژگی هستند باز شناخت و در این میدان از سالها پیش به این طرف روشهای ابتکاری بررسی و تحقیق و نیز دستگاههای آزمایشگاهی پیشرفته متعددی ظهور کرده اند: میکرسکپ های متالوگرافی با نور پلاریزه، با کنتراست فاز، میکروسکپ هائی که می توان تغییرات حاصله را در حین گرم کردن نمونه مشاهده کرد، انواع میکرسکپ های الکترونی میکرسکپ های يونی، ماشین های کششی دقیق، پرتو X ، اسپکترومتری، انبساط سنجی، پیرومترهای دقیق، آنالیز حرارتی، آتمسفرهای کنترل شده، انواع کوره های ذوب و کوره های عملیات حرارتی در خلاء، شبیه سازی های کامپیوتری با استفاده از نرم افزارهای خاص، تنها به عنوان نمونه هائی از ابزاراین پیشرفتها، قابل ذکر میباشد

گرچه بررسی های پی گیر علمی هاله اسرار آمیزی را که دور عملیات حرارتی دوران گذشته وجود داشت، پس زده است ولی با این حال هنوز نکات بسیاری در سایه ابهام قرار دارد که هریک از آنها زمینه های جالبی را برای بررسی در میدانهای مختلف علمی و فنی فراهم آورده است.