آنیل فلزات که با نام فرآیند بازپخت نیز شناخته میشود، نوعی فرآیند گرمادهی به گونههای خاصی از فلزات میباشد. درحقیقت هدف از فرآیند آنیل کردن (Annealing)، ایجاد خواص جدید شیمیایی و فیزیکی در متریالها و به بیان دیگر، ایجاد تغییراتی در ساختار فعلی فولاد موردنظر است. مهمترین کارایی استفاده از این شیوه، ایجاد تغییرات سختی و سفتی است. بطوریکه فلزات سخت و محکم پس از فرآیند آنیلاسیون، انعطاف و شکل پذیری ویژهای پیدا میکنند. فلذا میتوانند به اشکال مختلفی درآمده و سپس با سردسازی مجدد، در فرمهای مختلفی به کار گرفته شوند.
ذکر این نکته پراهمیت است که آنیل نمودن (آنیلینگ) به هرگونه پروسهای گفته میشود که در طی آن:
- انواع ساختارهای حاوی فریت و سمنتیت بوجود بیاید که بدلیل توزیعهای متنوع، هریک ویژگیهای پایدار خود را دارند.
- و با گرمادهی، هر نوع ترکیب شیمیایی جدیدی بوجود بیاد که شدیداَ منعطف و نرم باشد. (بهغیر از ساختارهای مارتنزیتی!)
اما چگونگی انجام آنیلینگ، به چه فاکتورهایی بستگی دارد؟. و آیا این فرآیند، فقط برای فلزات بکار میرود؟!.
آنیل کردن یا آنیلینگ چیست؟
آنیلینگ (آنیل کردن فلزات)، پروسهای برای سختی زدایی موقت از فلزات است تا شکل پذیری آنها افزایش یابد. پروسهای که از طریق حرارت و گرمادهی به سرانجام میرسد. البته گاهاَ این فرآیند بازپخت، بمنظور افزایش سختی فلزات مختلف نیز صورت میپذیرد. اینگونه تغییرات در سختی و شکل پذیری فلز، در نتیجهی کاهش نابجایی در ساختار کریستالی مادهی آنیل شده، حاصل میشود. بازپخت، اغلب پس از انجام فرآیند سخت شدن یا سردسازی فلزات انجام میشود؛ تا از شکست و ایجاد حالت شکننده برای فلزها جلوگیری شود. (و یا برای عملیاتهای بعدی شکل پذیرتر شود)
چرا فلز آنیل میشود؟
همانطور که در بالا ذکر شد، از آنیلینگ برای کاهش سختی و افزایش شکل پذیری استفاده میشود. تغییر این خواص مکانیکی از طریق بازپخت، به دلایل زیادی مهم است:
- شکل پذیری:
عملیات بازپخت، شکل پذیری یک ماده را بهبود میبخشد. خم شدن یا فشار دادن مواد سخت و شکننده، بدون ایجاد شکستگی در متریالها، ممکن است دشوار باشد. به بیان دقیقتر یک فلز یا متریال سخت، هرچقدر هم که دارای سفتی و مقاومت بالایی باشد، بازهم در نقطهی مشخصی قابل شکنندگی خواهد بود. این درحالیست که فرآیند آنیل فولاد یا بازپخت، به از بین بردن این خطر کمک میکند. چراکه با تغییر ساختاری فلزات، میزان انعطاف آنها را شدیداَ افزایش میدهد.
- بهبود کارکرد و سلامت دستگاهها:
بازپخت همچنین میتواند کارکرد ماشین آلات صنعتی و کاری را بهبود بخشد. مادهای که بسیار شکننده است، میتواند باعث سایش بیش از حد ابزار و قطعات ماشین آلات شود. درنتیجه کاهش سختی یک ماده از طریق آنیلینگ، میتواند سایش ابزار مورد استفاده را کاهش دهد. امری که در سلامت بیشتر و افزایش طول عمر ماشین آلات موثر خواهد بود.
- از بین برندهی تنشها:
شیوه آنیل کردن، تنشهای باقیمانده را از بین میبرد. تنشهای پسماندها، میتوانند موجب ترکها و سایر عوارض مکانیکی شوند و اغلب بهتر است تا حد امکان از بین بروند.
چه فلزاتی را میتوان آنیل کرد؟
برای انجام فرآیند بازپخت یا آنیل، باید از مادهای استفاده شود که با عملیات حرارتی قابل تغییر باشد. نمونههای مدنظر برای عملیاتی سازی این فرآیند، شامل طیف بسیاری از انواع فولاد و چدن است. برخی از انواع:
- آلومینیوم،
- آهن،
- نقره،
- مس،
- برنج
و سایر مواد نیز در آلیاژهای مختلف، به فرآیند بازپخت پاسخ مثبت میدهند. بعنوان مثال به جهت تولید لوله مسی، ابتدا نیاز است که فرآیند Annealing روی مس انجام شود. بدین صورت که مس، قابلیت شکل پذیری و فرم پذیری مناسبی پیدا نموده و در قالبهای فرمی مختلف به تولید برسد. (قالب لوله یا هر استفاده مشابه صنعتی)
مراحل فرآیند آنیلینگ
سه مرحله اصلی برای فرآیند بازپخت یا آنیل کردن وجود دارد:
- گام اول: ریکاوری
- مرحله دوم: تبلور مجدد
- و مرحله سوم: رشد دانه.
اما حال سوال اینجاست که در هریک از این مراحل، چه اتفاقاتی صورت میپذیرد؟!.
- مرحلهی ریکاوری:
طی مرحله بازیابی یا ریکاوری، از یک کوره یا نوع دیگری از وسایل گرمایشی استفاده میشود تا مواد را به دماهای موردنظر برساند. درنتیجه در طی این مرحله، تنشهای داخلی متریال موردنظر کاهش مییابد. بهبیان دیگر، با حذف نابجاییها در ساختار کریستالی، کاهش تنشهای داخلی و در نتیجه سختی صورت میپذیرد.
- تبلور مجدد:
در مرحله تبلور مجدد، ماده بالاتر از دمای تبلور مجدد، اما کمتر از دمای ذوب خود گرم میشود. تکنیکی که باعث ایجاد دانههای جدید، بدون تنشهای قبلی میشود. دانههای تغییر شکل یافته، درحقیقت با مجموعه جدیدی از دانههای بدون نقص جایگزین خواهند شد. بدین ترتیب ساختارها و شکلهای کریستالی جدیدی را تشکیل میدهند. گام دوم «تبلور مجدد» با نام مرحله «کریستالیزاسیون مجدد» نیز شناخته میشود.
- مرحله رشد دانه:
دانههای جدید در طول مرحله رشد دانه، به طور کامل رشد و نمو میکنند. این رشد با اجازه دادن به مواد برای خنک شدن با سرعت مشخص، کنترل میگردد. بیاد داشته باشید که:
بلورهای تازه تشکیلشده در طی مراحل آنیل فلزات، از نظر اندازه افزایش مییابند. اما شکل و نوع آن، همان چیزیست که در مرحلههای قبل وجود داشته است.
نتیجهی تکمیل این سه مرحله، مادهای با شکل پذیری بیشتر (انعطاف فرمیک) و سختی کمتر است. عملیاتهای بعدی که میتواند خواص مکانیکی را بیشتر تغییر دهد، گاهی اوقات پس از فرآیند بازپخت انجام میشود. (جهت دستیابی به ساختارهای پیچیده تر و یا متفاوت تر)
بازپخت جزئی (بین بحرانی)
آنیل یا بازپخت جزئی، با:
- گرم کردن فولاد تا نقطهای مشخص در محدوده دمای بحرانی؛
- و به دنبال خنک شدن آهسته کوره،
انجام میشود. ضمناَ باید گفت که:
پروسهی بازپخت جزئی، همچنین به عنوان “بازپخت بین بحرانی”، ممکن است بر روی فولادهایهایپریوتکتوئیدی انجام شود. بدین منظور که طی این نوع فرآیند آنیل، ریزساختاری از پرلیت و سمنتیت ریز، به جای پرلیت درشت و شبکهای از سمنتیت در مرزهای دانه بدست آید.
برای فولادهایهایپریوتکتوئیدی، این منجر به پالایش دانه میشود. فرآیندی که معمولاً در دمای 10 تا 30 درجه سانتی گراد بالاتر از محدودهی نقطه بحرانی ابتدایی، رخ میدهد. بازپختهای جزئی برای بهبود قابلیت ماشین کاری فلزات انجام میشود. لذا فولادهایی با ساختار فریت یا پرلیت درشت، برای این فرآیند نامناسب هستند. کراوس از کارشناسان جهانی آنیلینگ متذکر شده است که اصطلاح “بازپخت جزئی”، اصطلاحی غیردقیق است. زیرا درحقیقت برای معنی دار بودن این تعریف، باید عواملی نظیر:
- نوع ماده،
- مشخصات زمان و دمای فرآیند و
- درجه سرد کاری،
بطور کامل مشخص شود. نهایتاَ میزان حرارتدهی و چگونگی فرآیند جزئی (که کامل نیست)، بطور مشخصی تعیین گردد.
آنیل ناقص یا بین بحرانی برای انواع فلزات
هدف بازپخت ناقص یا جزئی، «کاهش تنشهای داخلی» و در نتیجه «بهبود ماشینکاری فولاد» است. معمولاً این نوع بازپخت با گرم کردن فلز در محدوده دمای بحرانی و سپس نگه داشتن آن برای مدت زمان کافی، انجام میشود. درنهایت به آرامی در داخل کوره خنک میگردد. باید درک کرد که این نوع آنیل کردن، فریت پروتکتوئیدی یا سمنتیت را از ریزساختار (در دمای آنیل) حذف نمیکند. بنابراین فرآیند بازپخت ناقص، به طور عمده برای فولادهایپر یوتکتوئید اعمال میشود.
بازپخت فولادهایپریوتکتوئیدی، ریزساختار را با شبکه سمنتیتی ایجاد میکند که ناحیه پرلیتی را در بر میگیرد. هرگاه آنیلینگ ناقص بر روی فولاد یوتکتوئیدی انجام شود، اثر «بازپخت کامل» مشخص میشود. زیرا دمای آنیل در میدان فاز آستنیت قرار دارد. ایجاد ساختار فریت-مارتنزیت دوبلکس، از طریق بازپخت بین بحرانی فولاد هیپویوتکتوئیدی و به دنبال آن خنکسازی سریع، میسر میگردد.
عملیات حرارتی مذکور، برای فولادهای میکرو آلیاژی کم کربن در سالهای اخیر بسیار محبوب بوده است. ذکر این نکته حائز اهمیت است که فولاد تا زمانی که بین آستنیت کربن بالاتر (با کسر حجم کم و فریت کم کربن) متعادل شود، در دمای بین بحرانی مناسب نگه داشته میشود. با سرد شدن سریع از دمای بازپخت بین بحرانی، آستنیت به مارتنزیت تبدیل خواهد شد. ساختار دو فازی بوجود آمده که در آن جزیره مارتنزیتی در ماتریس فریت نرم در هم آمیخته شده است، ماده را به طور قابل توجهی تقویت میکند.
استفاده از فلزات آنیل شده
چه زمانی از فلزات آنیل شده استفاده میشود؟!. این سوالیست که قطعاَ جواب آن، برای تمامی صنعتگران حیاتی خواهد بود. درهمین رابطه، کاربردهای رایج برای فلزات آنیل شده عبارتست از:
- اجزای جوش داده شده، میتوانند تنشهای پسماند را در ناحیهای از مواد در معرض دماهای بالا، ایجاد کنند. برای بازآفرینی خواص فیزیکی یکنواخت، اغلب از بازپخت استفاده میشود.
- مواد سخت کاری شده (مانند ورق فلزی) که تحت فرآیند مهر زنی قرار گرفته اند. و یا میلههای سردی که کشیده شدهاند و نیاز به بازیابی خاصیت و ساختار ابتدایی خود را دارند.
- سیم فلزی که از یک اندازه مشخص، به هر دلیلی (گذر زمان، نوع کارکرد و…) به اندازه کوچکتری کشیده شده است. چنین مواردی نیز ممکن است تحت فرآیند بازپخت یا آنیل کردن قرار گیرد.
- فلزات سخت آنیل شده میتوانند در قالب انواع لولهها و اتصالات بکار روند. بعنوان مثال لولههای آلومینیومی صنعتی که کارکردهای محدود اما مهمی دارند، توسط فرآیند بازبخت پردازش میشوند. لولههای مسی نیز یکی دیگر از محصولاتی هستند که میتوانند در پی آنیلینگ فلز مس، بوجود بیایند.
نکته: لوله استیل نیاز به آنیلینگ ابتدایی آلیاژ استیل ندارد.
نکات بازپخت آلومینیوم
انجام پروسهی آنیلینگ یا بازپخت، معمولاً ویژگیهای نرم تر و پایدارتری را از نظر ابعادی و تنش پسماند کمتر در قطعات آلیاژ آلومینیوم نشان میدهد. باتوجه به حساسیت بالای این متریال فلزی قدرتمند، انواع مختلفی از عملیات آنیل کردن فلزات برای آلیاژهای آلومینیوم استفاده میشود. لولههای آلومینیومی حاصله، گونهای از انواع لوله فولادی هستند که در نیازهای خاص صنعتی، بکار میروند. جالب است بدانید که برای آلیاژهای آلومینیوم فرفورژه که تحمل عملیات حرارتی را پس از سرد شدن ندارند، از بازپخت جزئی استفاده میشود. دما برای این نوع بازپخت با دقت انتخاب میشود و کمتر از دمای تبلور مجدد است. بطوری که بازیابی نسبی با حذف گرههای کریستالی نابجا، انجام میشود. (هدف بدست آوردن ساختار زیر سلولی مناسب و تغییریافته است)
آلیاژهای آلومینیوم فرفورژه، برای از بین بردن اثرات سخت شدن کرنش، تحت بازپخت تنشزدایی قرار میگیرند. برای آلیاژ آلومینیوم AA3003 تا 400 درجه سانتی گراد می توان از گرمادهی عملیاتی استفاده کرد. آلیاژ مذکور دارای کارکردهای صنعتی بسیار زیادیست و طریقهی آنیلینگ صحیح آن از اهمیت بالایی برخوردارست. زمانی که به قطعات نرم و قابل کار آلیاژ آلومینیوم نیاز باشد، از فرآیند آنیل کامل استفاده میشود. برخلاف بازپخت جزئی، در طی آنیلینگ کامل، ساختار شامل دانههای تبلور مجدد بدون دررفتگی است. با این حال، ساختار گرم کار ممکن است در طول بازپخت، کاملاَ تغییر نکند.
آنیل مس یا نقره
مجموعه فرآیندهای بازپخت با حرارت دادن قطعه به بالاتر از دمای تبلور مجدد، شروع میشود. قطعهی مسی یا نقره را برای مدت معینی در آن شرایط نگه میدارند. سپس اجازه میدهند تا قطعه یا قطعات، خنک شده و دوباره به کریستال تبدیل گردند. پارامترهایی نظیر:
- زمان دقیق،
- دما
- و حتی نرخ گرمایش و سرمایش،
به «ترکیب مواد قطعه کار» بستگی دارد. بعنوان مثال، مس یا نقره برای خنک شدن سریع، به سرعت در آب فرو میروند. درحالی که فولاد تا زمانی که قرمز شود، حرارت داده میشود. سپس به آرامی اجازه میدهیم تا در دمای اتاق، در هوای ساکن خنک شود. همچنین دمای آنیل یا بازپخت هدف، معمولاً حدود یک سوم نقطه ذوب مطلق فلز است.
پس از اینکه قطعه کار به شکل یا فرم جدید خود رسید، بسته به نقش عملکردی آن ممکن است نیاز به سفت شدن مجدد داشته باشد. برخی از قطعات فلزی، از جمله قطعههای مسی یا نقره، قرار است نقشی خاص را ایفا کنند. برای مثال قصد استفاده از سیمهای مسی، کنترل سطوح بالایی از رسانایی الکتریکی است. فلذا نیاز به آنیل شدن داشته تا به محصولات متنوعی تبدیل گردند و درحقیقت به هیچ فرآیند تصفیه متالوژی دیگری نیاز نخواهند داشت.
نکته: همه چیز به ویژگیهای فلز مورد نظر و ساختاری که میخواهیم به آن دست پیدا کنیم، بستگی دارد. گاهی اوقات برای دستیابی به پارامترهای مدنظر، باید یکسری مراحل مشخص و برخی گامهای اضافه را طی نمود.
تفاوت نتیجه آنیل آلیاژهای فولادی
برای آلیاژهای قابل عملیات حرارتی و غیر قابل عملیات حرارتی، نتیجه بازپخت کامل کمی متفاوت است. آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی، به جهت دستیابی به استحکام وارد فرآیند آنیلینگ میشوند. یعنی نرم شدن را میتوان با تبلور مجدد کامل ساختار، به دست آورد. ولی برای آلیاژهای قابل عملیات حرارتی، احتمال بارش کم است. زیرا آلیاژ قبلاً تحت عملیات پیری قرار گرفته است. دمایی که از محدوده 260 تا 440 درجه سانتیگراد انتخاب میشود، عموماً برای آنیل یا بازپخت کامل استفاده میگردد.
آلیاژهای ریخته گری برای مدت کوتاهی (2 تا 4 ساعت) خیس میشوند. دمای مورد نیاز برای آنیلینگ این دست از متریالها، حداقل 340 درجه سانتی گراد است. از آنجایی که قطعات ریخته گری پیچیده تر هستند، باید مراقبتهای ویژهای انجام شود تا تنشهای پسماند جدید، در طول خنک شدن عادی (پس از سرد شدن عملیاتی) ایجاد نشود.
آیا پلیمرها نیز تحت فرآیند آنیلینگ قرار میگیرند؟
پاسخ منفی است. چراکه عناصر پلیمری، همگی به خودی خود دارای انعطاف بسیار بالا و شکل پذیری گستردهای هستند. بعنوان مثال، از مهمترین شاخصههای لوله کاروگیت و لولههای پلی اتیلن، انعطاف بسیار بالای آنهاست که در انواع مسیرها و مکانهای:
- صعب العبور
- و یا با مارپیچ و انحراف فراوان،
مورد استفاده قرار میگیرند. ضمن اینکه لیبل زنی و ایجاد مهر بر روی قطعات پلیمری به راحتی انجام میشود. درسوی مقابل اما، بازپخت” فرآیندی حرارتیست که باید بر روی فلزاتی که نیاز به شکل دهی یا مهر و موم شدن دارند، انجام گیرد. این کار برای کاهش سختی و افزایش شکلپذیری قطعات فلزی انجام میشود. بنابراین به متالوژیستها این امکان را میدهد تا بدون ترس از:
- شکستگی یا
- ایجاد ترک،
نیروهای شکلدهی یا مهر زنی را روی قطعه کار اعمال کنند. عملیات «آنیل» مربوط به فلزات بوده و برای محصولات پلیمری همچون لوله پلی اتیلن و…، هیچگونه توجیهی ندارد.