یکی از روش‌های پیچیده و بسیار تاثیرگذار در افزایش قدرت مکانیکی و تنسایل پیچ و مهره انجام عملیات حرارتی است. این روش که به منظور بهبود خواص مکانیکی استفاده می‌شود، عملیاتی بسیار دقیق است و نیاز به دقت نظر بالایی دارد.
عملیات حرارتی چیست و دلایل انجام آن
عملیات حرارتی، عملیاتی است که طی آن قطعات از همه تنش‌هایی که در زمان ساخت و تولید به وجود آمده است رها می‌شود. با ریز شدن دانه بندی‌های ساختاری و ایجاد یک لایه مقاوم سطحی، مقاومت سایش سطحی افزایش می‌یابد.
در عملیات حرارتی است که ساختار فولاد یکنواخت می‌شود و از این رو خاصیت جذب ضربه در آن افزایش خواهد یافت. از دیگر دلایل نیاز انجام عملیات حرارتی، یکنواخت کردن جهت گیری الکترون‌های داخلی فلز و افزایش خواص مغناطیسی و الکتریکی آن است. به عبارتی با انجام عملیات حرارتی در چنین محصولاتی نه تنها خواص مکانیکی آن افزایش می‌یابد بلکه چقرمگی پیچ و مهره نیز افزایش خواهد یافت.
مراحل عملیات حرارتی
مراحل عملیات حرارتی با توجه به استاندارد پیچ و مهره تغییرات جزئی دارد. برای مثال در استاندارد ASTM A320 L7 ایتم مهم افزایش مقاومت در برابر محصول در دمای پایین است اما در استاندارد ASTM A490 این بالا بودن تنسایل است که ارجحیت دارد. اما به صورت کلی مراحل عملیات حرارتی شامل موارد زیر می‌شود.
نرمالایزینگ
آنیلینگ
تنش زدایی
سخت کاری سطحی
خنک کاری
گرمایش مجدد
فرایند نرمالایزینگ در عملیات حرارتی
نرمالیزینگ فرایندی است که طی آن تردی فولاد به کمک ریز کردن دانه بندی ساختار فلز کم می‌شود. این فرایند در محصولاتی که میزان کربن در آن‌ها کمتر از ۴ درصد است انجام می‌شود. روش کار به این شکل است که محصولات تا دمای حدود ۲۰-۵۰ درجه کلوین بالاتر از دمای بحرانی گرم می‌شود. سپس با کمک هوادهی سرد به دمای محیط می‌رسد. با این کار فلزات برای ماشین کاری آماده می‌شوند.
فرایند آنیلینگ
مرحله آنیلینگ فلزات را برای افزایش مقاومت در برابر چکش خواری و شکست اتصالات پیچ و مهره ناشی از عملیات سردکاری انجام می‌گیرد. در این عملیات فلزات تا دمای ۲۶۰ تا ۷۶۰ درجه سانتی‌گراد گرم خواهند شد. دمای دقیق مورد نیاز بسته به نوع استاندارد و ترکیبات شیمیایی که در ساختار فلز وجود دارد متفاوت خواهد بود. فلز بعد از رسیدن به دمای مد نظر تا ساعات مشخص در این دما نگهداری می‌شود و سپس دمای آن با سرعت استاندارد کاهش داده می‌شود.
دمایی که به فلز در عملیات آنیلینگ تحمیل می‌شود ۹۰ درجه سانتی‌گراد کمتر از مرحله نرمالایزینگ است. بعد از گذراندن این دو مرحله چکش خواری پیچ مهره افزایش یافته و ساختار داخلی آن یکنواخت می‌شود. دانه‌های زیر ساختار فلز مقاومت آن را در برابر عملیات سردکاری افزایش می‌دهد.
عملیات تنش زدایی در عملیات حرارتی
در مراحل تولید پیچ و مهره، تنش‌های زیادی به فلز تحمیل می‌شود. در زمان برش مفتول، ضربه برای ایجاد گل پیچ، پرس گل، فرچ و… تنش‌هایی حاصل می‌شود که ممکن است مقاومت پیچ را در برابر فشارهای محیطی کاهش دهد. در مرحله تنش زدایی پیچ و مهره تا دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود اما خنک کاری آن به تدریج انجام می‌شود. به عبارتی تمام سطح محصول به صورت یکنواخت در برابر هوا قرار می‌گیرد و تا زمانی که مغز پیچ به دمای محیط نرسد خنک کاری ادامه خواهد یافت.
مرحله سخت کاری سطحی
در مرحله سخت کاری سطحی فلز را تا دمای ۸۵۰ تا ۹۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند و سپس آن را در مجاورت با کربنی که به شکل منواکسید کربن درآمده قرار می‌دهند. به این مرحله کربوراسیون نیز گفته می‌شود و برای جذب کربن زغال یکی دیگر از محصولاتی که می‌توان فلز را در مجاورت آن قرار داد.
با خنک شدن محصولات کربن با میزان مشخصی در لایه‌های سطحی محصولات جذب می‌شود و مقاومت سطحی محصول را افزایش می‌دهد. میزان جذب کربن و عمق نفوذ آن بسته به استاندارد پیچ و مهره متفاوت است؛ اما هرچه میزان دما و زمان مجاورت فلز با کربن افزایش یابد میزان نفوذ کردن به لایه‌ها افزایش خواهد یافت. خنک شدن در گام بعدی در دمای محیط انجام می‌شود. با اینکه لایه سطحی پیچ‌ها و مهره‌ها در درصد کربن بیشتری سخت شده است؛ اما لایه‌های داخلی که کربن کمتری دارند به دلیل دانه‌بندی ریز و نرم‌تر خود مقاومت محصول را در برابر ضربه تضمین می‌کنند.
مرحله آب زنی و خنک کاری
در عملیات آب زنی فلز را تا دمای ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند و دمای دقیق نیز بسته به استاندارد محصولات متفاوت خواهد بود. سپس فلز را در یک وان پر از آب، روغن، محلولهای پلیمری یا آب و نمک خنک می‌کنند.
سرعت خنک کاری و همچنین مایع داخل حوضچه نیز بسته به استاندارد محصول نهایی متفاوت خواهد بود. جالب است بدانید که بعد از انجام این مرحله تنسایل پیچ و مهره به ۱۵۰۰ مگاپاسکال می‌رسد. این میزان مقاومت تنها در صورت انجام عملیات سرمایش سریع اتفاق خواهد افتاد.
اگر بخواهیم به اتفاقی که برای فلز در این عملیات می‌افتد نگاه ریزی داشته باشیم می‌توان گفت که در طی این مرحله اتم‌های کربن در زمان سرمایش سریع فرصت ندارند به شکل سمنتیت به خود بگیرند و بین لایه‌های فولاد زندانی می‌شوند. این ساختار فلز در زمان اعمال تنش‌ها از شکسته شدن محصولات پیشگیری می‌کند.
