الدرس 12.1المعالجةالفصل 12 · المعالجة الحرارية وتقسية الأسطح

المعالجة الحرارية (التقسية، والتخمير، والتلدين)

سخِّن القطعة كلها ثم أخمدها (بالتبريد السريع) وخمِّرها (أو برّدها ببطء)

تغيّر المعالجة الحرارية مقدار صلابة المعدن أو متانته بتسخينه وتبريده بطريقة مضبوطة، دون تغيير شكله. يمكن جعل الفولاذ نفسه طريًا بما يكفي للتشغيل الآلي، أو صلبًا بما يكفي لقطع معادن أخرى. فسكين المطبخ والنابض والترس يدين كلٌّ منها بسلوكه لهذه المعالجة.

الصورة: Goodwin Steel Castings, CC BY-SA 2.0, عبر Wikimedia Commons

الإخماد والتخمير مقابل التلدين: مخطط تخطيطي لدرجة الحرارة عبر الزمنالخط المتصل هو مسار التقسية؛ والأرقام المحاطة بدوائر تطابق الخطوات أدناه. الخط المتقطع هو التلدين، البديل ذو التبريد البطيء.

كيف تعمل

سخِّن. تدخل القطعة فرنًا وتُسخَّن حتى تتوهّج حمراء، عادةً نحو 800–900 °C للفولاذ الشائع. وعند هذه الحرارة تُعيد الذرات ترتيب نفسها في بنية (الأوستنيت) قادرة على إذابة الكربون الموجود في الفولاذ.
أبقِ على الحرارة (النقع). تبقى القطعة عند هذه الحرارة حتى تسخن في كامل سمكها. تحتاج القطع السميكة وقتًا أطول، وكقاعدة تقريبية نحو ساعة لكل 25 مم من السمك.
أخمد (بالتبريد السريع). تُغمَر القطعة الساخنة في ماء أو زيت أو محلول بوليمر فتبرد في ثوانٍ. يُحبَس الكربون فتتكوّن المارتنسيت (بنية شديدة الصلابة لكنها هشّة).
خمِّر ثم برّد. تُسخَّن القطعة من جديد إلى درجة أقل بكثير، عادةً نحو 150–650 °C، وتُبقى عندها ثم تُبرَّد. وبذلك نضحّي بقليل من الصلابة مقابل متانة أكبر بكثير (مقاومة التشقق)؛ وكلما ارتفعت حرارة التخمير صارت القطعة أمتن وأطرى.

يسلك التلدين الطريق الآخر: بعد النقع تبرد القطعة ببطء شديد داخل الفرن وتنتهي طرية يسهل تشغيلها أو ثنيها. أما التطبيع فهو بين الاثنين: تبرد القطعة في هواء ساكن.

حقائق أساسية

المواد: أساسًا الفولاذ الكربوني والمسبوك وفولاذ الأدوات؛ وكذلك الحديد الزهر وسبائك التيتانيوم والألومنيوم (بوصفات خاصة بها)
القطع النموذجية: التروس، والأعمدة، والمحاور، والنوابض، والسكاكين، والأدوات، والمسامير، والمحامل
حجم القطعة: من دبابيس صغيرة إلى قطع تزن عدة أطنان، وفق حدود الفرن وحوض الإخماد
الدقة: يبقى الشكل، لكن القطع قد تتشوه أو تكبر قليلًا، غالبًا بأعشار المليمتر، لذا تُجلَّخ الأوجه الحرجة بعد ذلك
تشطيب السطح: تتكوّن قشرة أكسيد داكنة في الهواء؛ وأفران التفريغ أو الغاز الواقي تُبقي القطع لامعة
حجم الدفعة المناسب: من قطع مفردة إلى أفران مستمرة تعالج آلاف القطع يوميًا
كلفة العدّة والآلة: أفران صغيرة من بضعة آلاف من الدولارات؛ وخطوط صناعية بأحواض إخماد وتحكم في الغاز من مئات الآلاف إلى ملايين
السرعة: ساعات لكل دورة (تسخين، نقع، إخماد، تخمير)؛ ودفعات من قطع كثيرة معًا

نقاط القوة والحدود

نقاط القوة

يمكن جعل الفولاذ نفسه طريًا أو متينًا أو شديد الصلابة بحسب الحاجة
يعالج القطعة كلها، عبر سمكها
دفعات كبيرة دفعة واحدة، فتكلفة القطعة منخفضة
يمكنه إلغاء تأثيرات سابقة: التلدين يليّن المعدن المتصلّب بالتشغيل

الحدود

قد يلوي الإخماد القطع أو يشققها، خصوصًا الرقيقة أو غير المنتظمة
الفولاذ منخفض الكربون بالكاد يتقسّى؛ ويجب أن تناسب السبيكة المعالجة
القشرة والتشوه يعنيان غالبًا تجليخًا أو تنظيفًا إضافيًا
أفران تستهلك طاقة كبيرة ودورات طويلة

أين تُستخدم

السياراتالتروس، وأعمدة المرفق، والمحاور، والنوابض
الأدواتالمثاقب، والأزاميل، والسكاكين، والقوالب والمصبّات
الطيرانجهاز الهبوط، وأعمدة المحرّكات، والمثبّتات عالية المتانة
الطاقة والصناعات الثقيلةأعمدة التوربينات، وقطع التعدين والمعدات الترابية
البناءمسامير عالية المتانة، وحديد التسليح، وحبال الأسلاك

كيف تتعرف عليها

ألوان التخمير القوس-قزحية (قشّية، برونزية، زرقاء) قرب الحواف المجلّخة، وهي مألوفة في الأدوات والسكاكين.
قشرة أكسيد رمادية داكنة أو سوداء على الأسطح غير المجلّخة.
المبرد ينزلق على السطح المقسّى بدل أن يعضّ فيه.
أوجه محامل مجلّخة بجانب أسطح أغمق لم تُمسّ في القطعة نفسها.