النقع والتبريد لمواد صناعة الطائرة

يجب أن تظل درجة حرارة الفرن ثابتة أثناء فترة النقع، حيث تتم إعادة ترتيب الهيكل الداخلي للفولاذ خلال هذه الفترة، ويتم تحديد درجات حرارة النقع لأنواع مختلفة من الفولاذ في نطاقات متفاوتة تصل إلى 100 درجة فهرنهايت وتنقع الأجزاء الصغيرة في الجزء السفلي من النطاق المحدد والأجزاء الثقيلة في الجزء العلوي من النطاق المحدد، كما يعتمد طول فترة النقع على نوع الفولاذ وحجم الجزء بطبيعة الحال، حيث تتطلب الأجزاء الأثقل نقعًا أطول لضمان تسخين متساوٍ طوال الوقت.

سوائل التبريد شائعة الاستخدام

كقاعدة عامة تكون فترة النقع من 30 دقيقة إلى ساعة واحدة كافية لعملية المعالجة الحرارية المتوسطة، كما يحدد معدل التبريد عبر النطاق الحرج الشكل الذي سيحتفظ به الفولاذ، ويتم استخدام معدلات تبريد مختلفة لتحقيق النتائج المرجوة ويكون الهواء الساكن هو وسط تبريد بطيء، لكنه أسرع بكثير من تبريد الفرن، تعتبر السوائل هي أسرع وسائط التبريد ولذلك فهي تستخدم في تصلب الفولاذ.

وهناك ثلاثة سوائل تبريد شائعة الاستخدام مثل المحلول الملحي والماء والزيت، المحلول الملحي هو أقوى وسيط تبريد  والماء هو التالي والزيت هو الأقل بشكل عام، يتم استخدام مخمدات الزيت في سبائك الفولاذ ومحلول ملحي أو ماء لصلب الكربون.

التبريد 

تعمل حلول التسقية فقط من خلال قدرتها على تبريد الفولاذ، ليس لها تأثير كيميائي مفيد على الفولاذ المسقى، ولا تعطي في حد ذاتها أي خصائص غير عادية، كما يتم تلبية معظم متطلبات وسائط التبريد بشكل مُرضٍ عن طريق الماء أو المحاليل المائية للأملاح غير العضوية، مثل ملح الطعام أو الصودا الكاوية أو بواسطة نوع من الزيت، كما يكون معدل التبريد سريعًا نسبيًا أثناء التبريد في المحلول الملحي وأقل سرعة إلى حد ما في الماء  وبطيء في الزيت، يتكون المحلول الملحي عادة من 5 إلى 10 بالمائة من محلول الملح (كلوريد الصوديوم) في الماء، بالإضافة إلى سرعة التبريد الأكبر، فإن المحلول الملحي لديه القدرة على رمي الميزان من الفولاذ أثناء التبريد وتتأثر قدرة التبريد لكل من الماء والملح وخاصة الماء بدرجة كبيرة من درجة حرارتهما، حيث يجب أن يبقى كلاهما باردًا، أي أقل بكثير من 60 درجة فهرنهايت وإذا كان حجم الفولاذ الذي يتم إخماده يميل إلى رفع درجة حرارة الحمام بشكل ملحوظ، يضاف الثلج أو يستخدم بعض وسائل التبريد لتبريد حمام التبريد.

هناك العديد من زيوت التبريد المُعدة خصيصًا في السوق، معدلات التبريد الخاصة بهم لا تختلف على نطاق واسع، حيث يستخدم الزيت المعدني المستقيم مع لزوجة (Saybolt) حوالي 100 عند 100 درجة فهرنهايت بشكل عام، على عكس المحلول الملحي والماء، تتمتع الزيوت بأكبر سرعة تبريد عند درجة حرارة مرتفعة قليلاً -حوالي 100-140 درجة فهرنهايت ونظرًا لانخفاض اللزوجة في درجات الحرارة هذه يتم إخماد الصلب، حيث يتبخر السائل المتصل مباشرة بالسطح الساخن كما يقلل هذا البخار من معدل سحب الحرارة بشكل ملحوظ، يعد التقليب القوي للصلب أو استخدام إخماد رذاذ الضغط ضروريًا لإخراج أغشية البخار هذه وبالتالي السماح بمعدل التبريد المطلوب.

من الصعب التغلب على ميل الفولاذ للالتواء والتصدع أثناء عملية التبريد لأن أجزاء معينة من المادة تبرد بسرعة أكبر من غيرها وستعمل التوصيات التالية على تقليل اتجاه الالتواء بشكل كبير بعض النصائح الضرورية التي يجب اتباعها:

• عدم القيام مطلقًا برمي أي جزء في حمام التبريد، من خلال السماح لها بالاستلقاء في قاع حوض الاستحمام، يكون من المناسب أن تبرد بشكل أسرع على الجانب العلوي من الجانب السفلي، مما يتسبب في تشوهها أو تصدعها.

• تحريك الجزء قليلاً لتدمير طلاء البخار الذي يمكن أن يمنعه من التبريد بشكل متساوٍ وسريع، هذا يسمح للحمام بتبديد الحرارة في الغلاف الجوي.

• غمر الأجزاء غير المنتظمة بحيث تدخل النهاية الثقيلة إلى الحمام أولاً.

معدات التبريد Quenching Equipment

يجب أن يكون خزان التبريد بالحجم المناسب للتعامل مع المواد التي يتم إخمادها، كما يجب استخدام المضخات والمبردات الدورانية للحفاظ على درجات حرارة ثابتة تقريبًا عند القيام بكمية كبيرة من التبريد، لتجنب تراكم تركيز عالٍ من الملح في خزان التبريد، يتم وضع شروطًا لإضافة الماء العذب إلى خزان الإخماد المستخدم في حمامات الملح المصهور.

يعتبر موقع الخزان في إشارة إلى فرن المعالجة الحرارية مهم جدًا ضع الخزان للسماح بالنقل السريع للجزء من الفرن إلى وسط التبريد، إن التأخير لأكثر من بضع ثوانٍ، في كثير من الحالات، يضر بفعالية المعالجة الحرارية وعند معالجة المواد ذات المقطع الرقيق بالحرارة، يتم استخدام ألواح الحماية لتأخير فقد الحرارة أثناء النقل إلى خزان الإخماد ويجب القيام بتوفير خزان شطف لإزالة كل الملح من المادة بعد التبريد إذا لم تتم إزالة الملح بشكل مناسب في خزان التبريد.

المعالجة الحرارية للفولاذ  Steel Heat Treatment

أول اعتبار مهم في المعالجة الحرارية للجزء الفولاذي هو معرفة تركيبته الكيميائية وهذا بدوره يحدد النقطة الحرجة العليا وعندما تُعرف النقطة الحرجة العليا، يكون الاعتبار التالي هو معدل التسخين والتبريد الذي سيتم استخدامه، كما يتضمن تنفيذ هذه العمليات استخدام أفران تسخين موحدة وضوابط مناسبة لدرجة الحرارة ووسائط تبريد مناسبة.

سلوك الفولاذ أثناء التسخين والتبريد

يتم تغيير الهيكل الداخلي للمعدن الحديدي عن طريق التسخين إلى درجة حرارة أعلى من أعلى نقطة حرجة له​​، مع الاحتفاظ به عند درجة الحرارة تلك لفترة كافية للسماح بحدوث تغييرات داخلية معينة، ثم التبريد إلى درجة حرارة الغلاف الجوي في ظل ظروف محددة سلفًا ومحكومة.

في درجات الحرارة العادية، يوجد الكربون في الفولاذ على شكل جزيئات من كربيد الحديد منتشرة في جميع أنحاء مصفوفة حديدية تعرف باسم الفريت، يحدد عدد وحجم وتوزيع هذه الجسيمات صلابة الفولاذ وعند درجات الحرارة المرتفعة، يذوب الكربون في قالب الحديد على شكل محلول صلب يسمى الأوستينيت، ولا تظهر جزيئات الكربيد إلا بعد تبريد الفولاذ.

وإذا كان التبريد بطيئًا، فإن جزيئات الكربيد تكون خشنة وقليلة نسبيًا في هذه الحالة، يكون الفولاذ ناعمًا وإذا كان التبريد سريعًا، مثل التبريد بالزيت أو الماء، فإن الكربون يترسب كسحابة من جزيئات الكربيد الدقيقة جدًا ويكون الفولاذ صلبًا حقيقة أن جزيئات الكربيد يمكن أن تذوب في الأوستينيت هي أساس المعالجة الحرارية للصلب، حيث تسمى درجات الحرارة التي يحدث فيها هذا التحول بالنقاط الحرجة وتختلف باختلاف تركيبة الفولاذ، النسبة المئوية للكربون في الفولاذ لها التأثير الأكبر على النقاط الحرجة للمعالجة الحرارية.