در دنیای صنعتی امروز، فولاد جزء مهم‌ترین کالاهای صنعتی محسوب شده و میزان تولید و مصرف فولاد یکی از شاخص‌های رشد اقتصادی کشورهای مختلف محسوب می‌شود. منبع اصلی تولید فولاد، سنگ معدنی آهن است. برای تولید فولاد، ابتدا سنگ معدن آهن در فرم‌های هماتیت، مگنتیت، مگهمایت از معدن استخراج شده و پس از طی فرایندهای مختلفی از قبیل اکتشاف، انفجار، حمل و بارگیری، استخراج، کانه آرایی، فراوری، ذوب و … تبدیل به فولاد می‌شود. یکی از فرایندهایی که در مراحل تبدیل سنگ معدن آهن به فولاد انجام می‌شود؛ آنیل شدن است. در این مقاله قصد داریم با فرایند آنیل ورق فولادی بیشتر آشنا شویم.
فرآیند آنیل ورق فولادی چیست ؟
فرایند آنیل ورق فولادی نوعی عملیات حرارتی است که طی آن بر اثر حرارت، ساختار میکروسکوپی فولاد تغییر یافته و به‌تبع آن، خواص فیزیکی و شیمیایی، مکانیکی و الکتریکی فولاد بهبود پیدا می‌کند. آنیل کردن صرفا محدود به فولاد نیست و از 900 سال پیش علاوه بر فولاد برای فلزات دیگر از قبیل مس، آلمینویم و برنج نیز استفاده می‌شده است. امروزه، این فرایند بیشتر بر روی فولاد انجام می‌شود و هدف اصلی از فرایند آنیل ورق فولادی از بین بردن تنش‌های داخلی و افزایش شکل پذیری فولاد است.
برای اجرای فرایند آنیل ورق فولادی، ورق‌ها تحت حرارت قرار می‌گیرند تا ساختار کریستالی آن به حدی تغییر یابد که بتوان به سهولت با آن کار کرد. سپس به ساختار کریستالی اجازه داده می‌شود تا مجدد خنک شوند. عملکرد کلی فرایند آنیل شدن به این صورت است که اعمال حرارت بالا باعث مهاجرت اتم‌ها در شبکه کریستالی به سمت فضاهای خالی می‌شود. تغییر چیدمان اتم‌ها در ساختار کریستالی موجب ایجاد پیوستگی بیشتر در ساختار داخلی فولاد می‌شود. این پیوستگی در ساختار داخلی فولاد منجر به دوام و شکل پذیری بیشتر و کاهش سختی آن می‌شود. پس از اجرای عملیات مورد نظر، فولاد خنک شده و اتم‌ها دوباره متبلور می‌شوند. تکرار فرایند سرد و گرم کردن، ساختار داخلی ورق فولاد را یک بار دیگر تغییر می‌دهد. بنابراین برای دستیابی به خواص مطلوب ممکن است عملیات حرارتی بیشتری لازم باشد.خصوصیات فولاد توسط اندازه دانه‌های کریستال و ترکیب فازی آن تعیین می‌شود. این خصوصیات در طی فرایندهای مکرر گرمایش و سرمایش تغییر می‌کنند. با آگاهی از ترکیب دانه‌های کریستال و نمودار فازی، می‌توان از فرایند آنیل ورق فولاد به عنوان یک عملیات حرارتی برای تبدیل کردن ورق فولاد از حالت سخت به نرم و از حالت شکننده به شکل‌پذیر استفاده کرد. بدین ترتیب، ورق فولاد نرم‌تر شده و راحت‌تر برای تغییراتی از قبیل شکل‌دهی و مهر زنی آماده می‌شود. فرایند آنیل ورق فولاد تنش‌هایی را که می‌توانند هنگام جامد شدن جوش‌ها ایجاد شوند از بین می‌برد. سازندگان قطعات فلزی از فرایند آنیل ورق فولاد برای کمک به ایجاد فرم‌های پیچیده استفاده می‌کنند و با بازگرداندن ورق فولاد به حالت قبل از کار، ورق را قابل استفاده می‌کنند.
مراحل مختلف فرایند آنیل ورق فولاد
فرایند آنیل ورق فولاد طی سه مرحله شامل بازیابی، تبلور مجدد و رشد دانه‌ها انجام می‌شود. تغییرات ایجاد شده در هر مرحله به شرح ذیل می‌باشد:
- مرحله بازیابی
در این مرحله، ابتدا توسط کوره یا سایر وسایل ایجاد حرارت، دمای فولاد تا آنجا افزایش پیدا می‌کند که تنش‌های داخلی ورق فولاد برطرف شود. دمای مورد استفاده در این مرحله با توجه به اندازه قطعه کار و نوع آلیاژ به کار رفته در ساخت آن قطعه تعیین می شود. به طور میانگین در فرایند آنیل ورق فولاد از دمای بین 300 تا 410 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود.
- مرحله تبلور مجدد
در این مرحله، فرایند گرمادهی به ورق فولاد تا محدوده بالاتر از دمای تبلور مجدد آن ادامه پیدا می‌کند؛ اما تا قبل از رسیدن به دمای ذوب آن، فرایند گرمادهی متوقف می‌شود. بر اثر این فرایندها، دانه‌های جدید بدون هیچ گونه تنش باقی مانده تشکیل می‌شود. دلیل وجود مرحله تبلور مجدد این است که فرایند آنیل ورق فولادی به ترکیب ماده‌ای بیش از دمای تبلور مجدد خود برای مدت زمان مشخص قبل از خنک شدن نیاز دارد. با گرم کردن مواد در دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد، شکل پذیری آن بیشتر شده و بنابراین برای کار یک بار دیگر آماده می‌شود.
- مرحله رشد دانه
در مقیاس میکروسکوپی، خنک‌سازی مواد با سرعت مشخص باعث رشد دانه‌های جدید می‌شود. همین واکنش در فرایند آنیل ورق فولادی باعث ایجاد و بهبود خواص جدید در ورق فولادی می‌شود. زمان و میزان خنک سازی به نوع و درصد فلزات موجود در فولاد بستگی دارد. آلیاژها باید حداکثر با دمای 20 درجه سانتی‌گراد در ساعت خنک شوند تا دما به 290 درجه سانتی‌گراد کاهش یابد و پس از آن سرعت خنک سازی مهم نیست. به عنوان مثال، فلزات آهنی مانند فولاد معمولاً در هوای آرام تا دمای اتاق خنک می‌شوند در حالی که مس، نقره و برنج می‌توانند به آرامی در هوا خنک شوند و یا به سرعت در آب خاموش شوند.
تکمیل فرایند آنیل ورق فولادی، منجر به تولید فلز با شکل پذیری برتر و کاهش سختی می‌شود. گاهی اوقات داشتن فلز با سختی کاهش یافته بهتر است. چون اگر یک قطعه فلز خیلی سخت باشد، آن را شکننده می‌کند. بادوام‌ترین فلزات شکل پذیری بالایی دارند، به این معنی که آنها می‌توانند بدون شکستن خم شوند و ضربه را جذب کنند. فرایند آنیل ورق فولادی، روش مناسبی برای دستیابی به تعادل مطلوب بین سختی و شکل پذیری فولاد است.
فرایند آنیل ورق فولادی در دماهای مختلف انجام می‌شود و می‌توان آن را بر اساس درجه حرارت به سه گروه زیر تقسیم کرد:
- آنیلینگ زیر بحرانی در دمای 1000 تا 1200 درجه فارنهایت انجام می‌شود؛ بنابراین تغییری در ساختار کریستال ایجاد نمی‌شود.
- آنیلینگ میانی در دمای 1200 تا 1400 درجه فارنهایت انجام می‌شود؛ بنابراین مقداری تغییر شکل به آستنیت وجود دارد.
- آنیلینگ کامل شامل تقویت کردن کامل کار در 1500 تا 1700 درجه فارنهایت است.
در صورتی که نیاز باشد تا ورق فولادی سطحی شفاف داشته باشد، می‌توان فرایند آنیل ورق فولادی را در شرایط خلأ انجام داد. آنیل در هوا در مواردی به کار می‌رود که شفاف بودن سطح ورق چندان مدنظر نباشد. در این صورت، می‌توان در فرایند آنیل ورق فولادی از هوای گرم و خنثی استفاده کرد.
کاربرد فرایند آنیل ورق فولادی
فرایند آنیل ورق فولادی در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد که لازم است فلزات در ساختارهای پیچیده به کار گرفته شوند یا نیاز است که چندین مرحله روی آنها کار شود. مهم‌ترین موارد کاربرد فرایند آنیل ورق فولادی به صورت زیر می‌باشد:
- صنایع خودروسازی
از فرایند آنیل ورق فولادی برای تولید قطعات خاصی استفاده می‌شود که نیاز به شکل‌دهی به‌صورت منحنی دارند. این قطعات در ابعاد و طرح‌های مختلف در قسمت‌هایی از ماشین استفاده می‌شوند.
- تولید سینک‌های شستشوی خانگی
همان‌طور که در بخش‌های قبلی گفته شد؛ فرایند آنیل ورق فولاد چنانچه در خلأ انجام شود موجب ایجاد سطح براق فولادی می‌شود. در صنعت ساختمان نیاز به تولید سینک‌های ظرفشویی از جنس فولاد است که برای حفظ براقیت آنها از فرایند آنیل ورق فولادی استفاده می‌شود. فرایند آنیل ورق فولادی بر روی سینک‌های ظرفشویی موجب ایجاد براقیت و حفظ این خاصیت بر اثر استفاده‌های مکرر و تماس با مواد شیمیایی می‌شود.
- نورد گرم فولاد
فولاد گرم نورد شده برای تولید انواع میلگردهای ساختمانی و خرپای تیرچه استفاده می‌شود. برای تولید فولاد نورد گرم از فرایند آنیلینگ استفاده می‌شود تا ضمن حفظ خاصیت شکل‌دهی، ماشین کاری آنها آسان شود.
- تولید حفاظ‌های نرده
نرده‌های حفاظ که عمدتاً از جنس فرفورژه ساخته می‌شوند بارها و بارها تحت فرایند خمکاری قرار می‌گیرند تا اشکال منحنی پیچیده در آنها ظاهر شود. برای تولید این نرده‌ها از فرایند آنیل ورق فولاد استفاده می‌شود.
- تولید قطعات خمکاری شده
برای تولید برخی قطعات از قبیل پلاک‌های نگهدارنده تراورس‌های فولادی راه‌آهن از خمکاری استفاده می‌شود. در تولید این قطعات، برای معکوس کردن اثرات سخت شدن در حین کار با فولاد از فرایند آنیل ورق فولاد استفاده می‌شود تا از انعطاف کافی برای خمکاری و شکل‌پذیری برخوردار باشد. چون اگر فولاد بیش از حد سخت باشد، کار کردن را غیرممکن می‌کند و یا منجر به ترک خوردن می‌شود.
- صنایع الکتریکی
خاصیت انتقال الکتریسیته در فلزات بستگی به الکترون‌های آزاد آن دارد. برای افزایش تعداد الکترون‌های آزاد می‌توان از فرایند آنیل ورق فولاد استفاده کرده و بدین ترتیب رسانایی الکتریکی آن را افزایش داد.
- تولید ابزار ساینده ماشین کاری
فرایند آنیل ورق فولادی برای بهبود طول عمر ابزار ماشین‌کاری مفید است. چون کار کردن یک قطعه فولاد شکننده می‌تواند باعث سایش بیشتر ابزار شود؛ درحالی‌که یک قطعه فلز کاملاً شکل پذیر آسیب ابزارهای ناشی از استفاده مداوم را به حداقل می‌رساند.
مزایای فرایند آنیل ورق فولادی
عامل اصلی که موجب ایجاد مزیت برای فرایند آنیل ورق فولادی می‌شود، این است که خواص ورق فولاد را ارتقا داده و قابلیت کار با آن را بهبود می‌بخشد. مزیت‌های فرایند آنیل ورق فولاد شامل موارد ذیل است:
- آنیل کردن موجب ایجاد سطح تمیز و با کیفیت در ورق‌های فولادی می‌شود.
- فرایند آنیل ورق فولادی باعث شکل‌پذیری پس از کار سرد می‌شود و بنابراین امکان شکل‌دهی ورق بدون ترک خوردگی را فراهم می‌کند.
- از فرایند آنیل ورق فولادی می‌توان برای آزاد سازی تنش‌های مکانیکی ناشی از سنگ‌زنی، ماشین‌کاری و غیره استفاده کرد؛ بنابراین از ایجاد اعوجاج در طی عملیات حرارتی با درجه حرارت بالاتر جلوگیری می‌کند.
- در برخی موارد از فرایند آنیل ورق فولادی برای بهبود خصوصیات الکتریکی استفاده می‌شود.
- فرایند آنیل ورق فولادی مقاومت ورق را در برابر تنش‌های ناشی از ماشین‌کاری افزایش می‌دهد.
- با استفاده از فرایند آنیل ورق فولادی می‌توان خاصیت مغناطیسی و هدایت الکتریکی محصول را افزایش داد.
معایب فرایند آنیل ورق فولادی
فرایند آنیل ورق فولاد با وجود کاربردها و مزایایی که برای آن قید شده؛ دارای معایبی نیز هست که کاربرد آن را با دشواری روبرو کرده است.
- عمده‌ترین ایراد فرایند آنیل ورق فولادی، پیچیدگی فرایند به خاطر حساسیت کنترل سرعت ورق و شار حرارتی است. چون حرارت فولاد بایستی با نرخ مناسبی افزایش و کاهش یابد تا ساختار ورق دچار ترک نشود.
- از سوی دیگر میزان حرارت اعمال شده به ورق فولاد در حین فرایند آنیل ورق فولاد از اهمیت خاصی برخوردار است. چون اگر بیشتر از حد مورد نیاز به فولاد حرارت داده شود؛ موجب اتلاف انرژی شده و به همان نسبت فرایند سرد شدن نیز نیاز به صرف زمان و هزینه بیشتری خواهد داشت.
- یکی دیگر از معایب فرایند آنیل ورق فولادی، زمان‌بر بودن آن است. چون رسیدن به دمای موردنظر نیاز به صرف زمان زیادی داشته و از سوی دیگر خنک شدن آن نیز زمان بیشتری طول می‌کشد. به خصوص اگر مجبور باشیم ورق فولادی را در هوای آزاد قرار دهیم تا به همان صورت عادی و در هوای محیط خنک شود.
جمع‌بندی
در این مقاله با فرایند آنیل ورق فولادی آشنا شدیم. فرایند آنیل ورق فولادی به معنای حرارت دادن به فولاد تا دمای بحرانی و سپس خنک کردن آن با نرخ مشخص است. بر اثر فرایند آنیل ورق فولادی، تعادل قابل‌توجهی بین دو پارامتر سختی و شکل‌پذیری فولاد ایجاد می‌شود. به‌همین‌دلیل محصول نهایی این فرایند برای کاربرد در صنایع خودروسازی، ساختمانی، راه آهن و … که از قطعات فولادی خمکاری شده استفاده می‌کنند؛ مناسب است. مزیت اصلی فرایند آنیل ورق فولادی در این است که نیاز به خط تولید و تجهیزات پیچیده ندارد. درحالی‌که زمان اجرای فرایند آنیل ورق فولادی به دلیل کند بودن فرایندهای سرمایش و گرمایش طولانی می‌باشد. از سوی دیگر نرخ سرمایش و گرمایش از حساسیت زیادی در این فرایند برخوردار است.