آنیل یا بازپخت (Annealing)

قطعاتی که در صنعت به روش های ریخته گری، آهنگری (فورج) یا کشش تولید می شوند، معمولا ساختار نهایی مناسبی ندارند. بنابراین نمی‌توانند به عنوان قطعه نهایی مورد استفاده در صنایع قرار بگیرند و پیش از مصرف باید تحت عملیات حرارتی قرار بگیرند. این عملیات حرارتی می تواند شامل همگن سازی، آنیل (بازپخت)، نرماله کردن یا کروی کردن باشند که بسته به کاربرد، هر کدام در جای مناسبی مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله با فرایند آنیل یا بازپخت (Annealing) آشنا خواهیم شد.

هدف از آنیل کردن چیست؟

بگذارید تا پیش از صحبت درباره هدف آنیلینگ، درباره مفهوم آن صحبت کنیم. در متالورژی واژه آنیل برای هر نوع عملیات حرارتی که منجر به تشکیل ساختاری به جز مارتنزیت با سختی کم و انعطاف پذیری بالایی بشود، به کار می رود. بنابراین هدف از عملیات آنیلینگ را می توان کاهش سختی، افزایش انعطاف پذیری و در نتیجه افزایش کارپذیری فلز یا آلیاژ عنوان کرد.

آنیلینگ به چه صورتی انجام می شود؟

در طی عملیات بازپخت، به فلز حرارت داده می شود تا دمای آن بالاتر از دمای تبلور مجدد برود و در این دما در مدت زمانی طولانی نگه داشته می شود. همان طور که می دانید، دمای بالا نفوذ اتم‌ها را راحت می کند و باعث کاهش نابجایی‌هایی می شود که طی عملیات کار سرد به وجود آمده اند. بنابراین، بازپخت با کاهش تعداد نابه‌حایی های قفل شده در ساختار، شکل پذیری آلیاژ و مقاومت آن در برابر ضربه را افزایش می دهد و اصطلاحا آن را چقرمه تر می کند.

برای بسیاری از آلیاژها مثل فولادهای کربنی، اندازه دانه‌ها و ترکیب فازهای نهایی، به شدت به سرعت گرم کردن و سرد کردن آلیاژ بستگی دارد. هم چنین عملیات کار داغ یا کار سردی که بعد از آنیل روی قطعه انجام می شود، ساختار و در نتیجه خواص آلیاژ مد نظر را تغییر می دهد.

پس از گرم کردن تا دمای آنیلینگ، آلیاژ معمولا باید به آرامی خنک شود. در نتیجه معمولا آلیاژ در هوا سرد می شود. گرچه برای برخی آلیاژها مثل مس، نقره و برنج می توان عملیات کوئنچ را در آب نیز انجام داد.

مراحل بازپخت

در طول فرایند حرارت دادن و بالا رفتن دما، سه اتفاق رخ می دهد:

بازیابی (Recovery)

در طول عملیات حرارتی بازیابی، عیوب داخلی و تنش هایی که در طول عملیات کار سرد در قطعه ایجاد شده بودند، از بین می روند. در نتیجه انرژی داخلی شبکه کاهش پیدا می کند. بازیابی پیش از به وجود آمدن دانه های جدید عاری از کرنش انجام می شود و اندازه و شکل دانه ها تحت تاثیر قرار نمی گیرند.

تبلور مجدد (Recrystallization)

دومین مرحله از فرایند بازپخت، تبلور مجدد است. در طول این عملیات دانه های جدید عاری از کرنش به وجود می آیند و رشد می کنند تا جایگزین دانه هایی شوند که در طی عملیات کار سرد تغییر شکل یافته بودند.

رشد دانه (Grain Growth)

در صورتی که تبلور مجدد خاتمه یابد و دانه های جدید جایگزین دانه های قبلی شوند، این دانه ها رشد می کنند و به هم می پیوندند. در این حالت ریزساختار درشت و خشنی به دست می آید و قطعه تا حدودی استحکام خود را از دست می دهد.

انواع بازپخت

واژه آنیل یک مفهوم کلی است. در عمل بی نهایت روش آنیل برای رسیدن به ساختار مطلوب وجود دارد. این روش ها با توجه به دمای عملیات و نرخ سرد کردن طبقه بندی می شوند. در این بخش به مهم ترین این فرایندها اشاره می کنیم.

آنیل کامل (Full Annealing)

از فرایند آنیل کامل به عنوان «آنیل» نیز یاد می شود. هدف از انجام این عملیات، رسیدن به ریزساختاری همگن و یکنواخت است؛ درست همانند ریزساختاری که در نمودار تعادلی فازی مشاهده می شود. بنابراین در این حالت باید انتظار یک ساختار منعطف و چقرمه ای را داشته باشیم که استحکام خیلی بالایی از خود نشان ندهد.

گستره دمایی عملیات آنیلینگ تابع درصد کربن است. در واقع برای فولادهای هیپویوتکتوئیدی، فولاد کمی تا بالای منطقه تک فازی تشکیل آستنیت حرارت داده می شود. اما برای فولادهای هایپریوتکتوئیدی فولاد کمی تا بالای دمای استحاله یوتکتوئیدی و در منطقه دو فازی آستنیت-سمنتیت حرارت داده می شود. علت این کار هم این است که سمنتیتی (Fe₃C) که به صورت لایه های پیوسته تشکیل شده، شکسته شده و به صورت سمنتیت کروی دربیاید.

زمان نگه داری در دمای بالا بستگی به ساختار نهایی و خواصی است که از قطعه انتظار می رود. بنابراین ممکن است کل ساختار به آستنیت تبدیل شود یا تنها بخشی از آن دچار تغییر فاز شود.

پس از این کار قطعه در کوره یا هوا سرد می شود. در این حالت سرعت سردکردن باید به اندازه ای آهسته باشد که از تشکیل فازهای غیر تعادلی بینیت و مارتنزیت جلوگیری شود.

آنیل هم‌دما (Isothermal Annealing)

آنیل همدما در طول یک فرایند دو مرحله ای انجام می شود. شروع فرایند مشابه فرایندی است که برای آنیل کامل اتفاق می افتد. یعنی قطعه تا دمای تشکیل آستنیت گرم می شود. اما پس از این مرحله، قطعه به سرعت تا زیر دمای استحاله یوتکتوئید (که در اصطلاح دمای A₁ نامیده می شود) سرد می شود و در این دما به مدت زمان کافی نگه داشته می شود تا قطعه دچار دگرگونی شود. پس از پایان استحاله های فازی، فولاد را با هر آهنگی می توان سرد کرد.

در جدول زیر می توانید مقایسه ای بین فرایندهای آنیل کامل و همدما و ریزساختارهای آن ها را مشاهده کنید:

اهمیت آنیل قطعات چیست؟

در علم متالورژی، آنیل بیشتر در عملیات حرارتی فولادها استفاده می شود. اما این روش برای آلیاژهای دیگری مثل مس، آلومینیوم و برنج هم استفاده می شود. در مجموع هرگاه نیاز باشد که قطعه تردی در دمای پایین تغییر شکل پیدا کند، فرایند بازپخت هم به نوعی خود را نشان می دهد. بعضی از فواید آنیل عبارتند از:

• افزایش انعطاف پذیری به منظور شکل دهی مجدد قطعه
• افزایش رسانایی به دلیل کاهش نابجایی‌ها
• بهبود ماشین‌کاری قطعات

منابع

گلعذار؛ محمد علی . (۱۳۸۵) . اصول و کاربرد عملیات حرارتی فولادها . اصفهان: مرکز نشر دانشگاه صنعتی اصفهان