التصلب الأوستنيتي

المعالجة الحرارية الأوستنيتية هي معالجة حرارية تُطبق على المعادن الحديدية ، وخاصة الفولاذ والحديد المطاوع. في الفولاذ، تُنتج هذه المعالجة بنية مجهرية من البينيت، بينما في الحديد الزهر، تُنتج بنية من الفريت الإبري والأوستنيت عالي الكربون المستقر المعروف باسم الأوستنيت الفريتي . تُستخدم هذه المعالجة بشكل أساسي لتحسين الخواص الميكانيكية أو تقليل/إزالة التشوه. تُعرَّف المعالجة الحرارية الأوستنيتية بكل من العملية والبنية المجهرية الناتجة. إن تطبيق معايير عملية المعالجة الحرارية الأوستنيتية النموذجية على مادة غير مناسبة لن يؤدي إلى تكوين البينيت أو الأوستنيت الفريتي، وبالتالي لن يُطلق على المنتج النهائي اسم "مُعالَج حراريًا أوستنيتيًا". يمكن أيضًا إنتاج كلتا البنيتين المجهريتين عبر طرق أخرى. على سبيل المثال، يمكن إنتاجها مصبوبة أو مبردة بالهواء مع محتوى السبائك المناسب. لا يُشار إلى هذه المواد أيضًا باسم "مُعالَجة حراريًا أوستنيتيًا".

بدأ إدغار سي. بين وإدموند إس. دافنبورت، اللذان كانا يعملان آنذاك في شركة يو إس ستيل، عملية التصليد الأوستنيتي للفولاذ في ثلاثينيات القرن العشرين. لا بد أن البينيت كان موجودًا في الفولاذ قبل تاريخ اكتشافه المعروف بفترة طويلة، لكن لم يتم التعرف عليه بسبب محدودية التقنيات المعدنية المتاحة آنذاك، والتركيبات المجهرية المختلطة الناتجة عن ممارسات المعالجة الحرارية في ذلك الوقت. وقد ألهمت ظروف متزامنة بين لدراسة التحولات الطورية متساوية الحرارة . كان فهم الأوستنيت وأطوار الفولاذ ذات درجات الحرارة العالية يزداد تدريجيًا، وكان من المعروف بالفعل إمكانية الاحتفاظ بالأوستنيت في درجة حرارة الغرفة. ومن خلال علاقاته في شركة أمريكان ستيل آند واير، كان بين على دراية بالتحولات متساوية الحرارة المستخدمة في الصناعة، فبدأ في ابتكار تجارب جديدة ^{[ 1 ].}

أدى اكتشاف بين وديفنبورت لبنية مجهرية جديدة تتكون من "تجمعات حفر إبرية داكنة". وقد وُجد أن هذه البنية المجهرية "أكثر صلابةً من المارتنسيت المُقسّى عند نفس درجة الصلابة". ^{[ 2 ]} لم يكن الاستغلال التجاري للفولاذ البينيتي سريعًا. فقد اعتمدت ممارسات المعالجة الحرارية الشائعة آنذاك على أساليب التبريد المستمر، ولم تكن قادرة عمليًا على إنتاج بنى مجهرية بينيتية كاملة. كما أنتجت مجموعة السبائك المتاحة إما بنى مجهرية مختلطة أو كميات زائدة من المارتنسيت. وقد أتاح ظهور الفولاذ منخفض الكربون المحتوي على البورون والموليبدينوم في عام 1958 إنتاج الفولاذ البينيتي الكامل عن طريق التبريد المستمر. ^{[ 1 ] [ 3 ]} وهكذا، جاء الاستخدام التجاري للفولاذ البينيتي نتيجةً لتطوير أساليب جديدة للمعالجة الحرارية، حيث أصبحت تلك التي تتضمن خطوة يتم فيها تثبيت قطعة العمل عند درجة حرارة ثابتة لفترة زمنية كافية للسماح بالتحول تُعرف مجتمعةً باسم التصليد الأوستنيتي.

كان أحد أوائل استخدامات الفولاذ المُقسّى حراريًا في صناعة مسامير البنادق خلال الحرب العالمية الثانية. ^{[ 4 ]} وقد جعلت قوة تحمله العالية للصدمات، التي يُمكن تحقيقها عند درجات صلابة عالية، بالإضافة إلى صغر حجم مقاطع مكوناته نسبيًا، الفولاذ المُقسّى حراريًا مثاليًا لهذا التطبيق. وعلى مدى العقود اللاحقة، أحدثت عملية التقسية الحرارية ثورة في صناعة النوابض، تلتها صناعة المشابك والوصلات. هذه المكونات، التي عادةً ما تكون أجزاءً رقيقة مُشكّلة، لا تتطلب سبائك باهظة الثمن، وتتمتع عمومًا بخصائص مرونة أفضل من نظيراتها من الفولاذ المارتنسيتي المُقسّى حراريًا. وفي نهاية المطاف، شقّ الفولاذ المُقسّى حراريًا طريقه إلى صناعة السيارات، حيث كان أحد أوائل استخداماته في المكونات بالغة الأهمية للسلامة. تُصنع غالبية دعامات مقاعد السيارات ومكونات أحزمة الأمان من الفولاذ المُقسّى حراريًا نظرًا لقوته العالية وليونته. ^{[ 4 ]} تسمح له هذه الخصائص بامتصاص المزيد من الطاقة أثناء الاصطدام دون خطر الكسر الهش. ويُستخدم الفولاذ المُقسّى حراريًا حاليًا أيضًا في المحامل، وشفرات جزازات العشب، وعلب التروس، والصفائح الموجية، وأسنان تهوية العشب. ^{[ 4 ]} في النصف الثاني من القرن العشرين، بدأ تطبيق عملية التصليد الأوستنيتي تجارياً على الحديد الزهر. وقد تم تسويق الحديد المطاوع المتصلد الأوستنيتي (ADI) لأول مرة في أوائل سبعينيات القرن العشرين، ومنذ ذلك الحين أصبح صناعة رئيسية.

يتمثل الاختلاف الأبرز بين التصليد الأوستنيتي والتصليد والتلطيف التقليديين في أن الأول يتضمن إبقاء قطعة العمل عند درجة حرارة التصليد لفترة طويلة. أما الخطوات الأساسية فهي نفسها سواء طُبقت على الحديد الزهر أو الفولاذ، وهي كالتالي:

توفر عملية التصليد الأوستنيتي العديد من المزايا التصنيعية والأدائية مقارنةً بمجموعات المواد/العمليات التقليدية. يمكن تطبيقها على مواد عديدة، ولكل مجموعة مزاياها الخاصة، والمذكورة أدناه. من المزايا المشتركة بين جميع المواد المُصلّدة أوستنيتيًا انخفاض معدل التشوه مقارنةً بعملية التبريد والتطبيع. يمكن ترجمة ذلك إلى توفير في التكاليف من خلال تعديل عملية التصنيع بأكملها. يتحقق التوفير الأكبر في التكاليف بشكل فوري من خلال التشغيل الآلي قبل المعالجة الحرارية. هناك العديد من هذه الوفورات الممكنة في حالة تحويل مكون فولاذي مُبرد ومُطَبَّع إلى حديد مطاوع مُصلّد أوستنيتيًا (ADI). يتميز الحديد المطاوع بكثافة أقل بنسبة 10% من الفولاذ، ويمكن صبه بالقرب من الشكل النهائي، وهما سمتان تقللان من وزن المسبوكة. كما يقلل الصب بالقرب من الشكل النهائي من تكلفة التشغيل الآلي، والتي تكون منخفضة بالفعل عند تشغيل الحديد المطاوع اللين بدلًا من الفولاذ المُقسَّى. يقلل الجزء النهائي الأخف وزنًا من تكاليف الشحن، وغالبًا ما يقلل تدفق الإنتاج المُبسَّط من وقت التسليم. في كثير من الحالات، يمكن أيضًا تحسين القوة ومقاومة التآكل. ^{[ 4 ]}

تشمل تركيبات العمليات/المواد ما يلي:

• الفولاذ المُقسّى
• الفولاذ المعالج بالكربون المنشط
• فولاذ ماربين
• حديد مطاوع معالج حرارياً (ADI)
• حديد مطاوع مُقسّى محليًا (LADI)
• حديد رمادي مُقسّى (AGI)
• حديد مطاوع معالج بالحرارة الكربيدية (CADI)
• الفولاذ المُقسّى بين درجات الحرارة الحرجة
• حديد مطاوع مُقسّى بين درجات الحرارة الحرجة

فيما يتعلق بتحسينات الأداء، تتم مقارنة المواد المعالجة حرارياً عادةً بالمواد التقليدية المعالجة حرارياً والتي تحتوي على بنية مجهرية من المارتنسيت المعالج حرارياً.

في الفولاذ الذي تزيد صلابته عن 40 Rc، تشمل هذه التحسينات ما يلي:

• مرونة أعلى، وقوة تحمل للصدمات، ومقاومة للتآكل لصلابة معينة،
• استجابة أبعاد قابلة للتكرار ومنخفضة التشوه،
• زيادة مقاومة الإجهاد،
• مقاومة الهيدروجين والتقصف البيئي.

في الحديد الزهر (من 250 إلى 550 HBW ) تشمل هذه التحسينات ما يلي:

• مرونة أعلى ومقاومة للصدمات لصلابة معينة،
• استجابة أبعاد قابلة للتكرار ومنخفضة التشوه،
• زيادة مقاومة الإجهاد،
• زيادة مقاومة التآكل لصلابة معينة.