دليل درجة حرارة الحدادة: نطاقات الحرارة المثالية لتشغيل المعادن

نطاقات درجة الحرارة المثالية للمعادن الشائعة

تمثل درجة حرارة الحدادة نطاق الحرارة المحدد الذي يصبح عنده المعدن من البلاستيك بدرجة كافية لتشكيله دون تشقق مع الحفاظ على السلامة الهيكلية. ل الفولاذ الكربوني، نطاق الحدادة المثالي هو 1095-1260 درجة مئوية (2000-2300 درجة فهرنهايت) ، بينما يعمل الحديد المطاوع بشكل أفضل 1040-1200 درجة مئوية (1900-2200 درجة فهرنهايت) . تسمح درجات الحرارة هذه للهيكل البلوري للمعدن بإعادة التنظيم تحت القوة الميكانيكية، مما يمكّن الحدادين وعمال المعادن من إنشاء الأشكال المطلوبة بكفاءة.

تختلف نافذة الحدادة بشكل كبير بناءً على محتوى الكربون وعناصر صناعة السبائك. يتحمل الفولاذ منخفض الكربون (0.05-0.30% كربون) نطاقًا أوسع من درجات الحرارة، في حين أن الفولاذ عالي الكربون (0.60-1.50% كربون) يتطلب تحكمًا أكثر دقة في درجة الحرارة لمنع تشقق حدود الحبوب أو التقشر المفرط.

مؤشرات درجة حرارة اللون والتقييم البصري

يعتمد الحدادون التقليديون على اللون كمؤشر أساسي لدرجة الحرارة، وهي تقنية أثبتت دقتها ±25 درجة مئوية عند إجرائها بواسطة ممارسين ذوي خبرة . ينجم توهج المعدن عن إشعاع الجسم الأسود، حيث تهيمن أطوال موجية محددة عند درجات حرارة مختلفة. وتظل هذه الطريقة ذات قيمة حتى في المتاجر الحديثة المجهزة بالبيرومترات، حيث تعمل كأداة للتحقق الفوري.

طيف الألوان ودرجات الحرارة المقابلة

• أحمر باهت (475-550 درجة مئوية / 885-1020 درجة فهرنهايت): يمكن رؤيته فقط في الظلام، وهو غير مناسب لتشكيل معظم أنواع الفولاذ
• أحمر دموي (550-650 درجة مئوية / 1020-1200 درجة فهرنهايت): الحد الأدنى من درجة الحرارة للتليين، بارد جدًا من أجل تزوير فعال
• الأحمر الكرزي الداكن (650-750 درجة مئوية / 1200-1380 درجة فهرنهايت): تزوير الضوء ممكن ولكنه يتطلب قوة كبيرة
• أحمر كرزي متوسط (750-815 درجة مئوية / 1380-1500 درجة فهرنهايت): جيدة لإنهاء التمريرات على الفولاذ عالي الكربون
• أحمر كرزي (815-900 درجة مئوية / 1500-1650 درجة فهرنهايت): درجة حرارة تزوير عامة ممتازة لمعظم الفولاذ الكربوني
• أحمر كرزي ساطع (900-1000 درجة مئوية / 1650-1830 درجة فهرنهايت): الأمثل لعمليات تزوير الثقيلة
• برتقالي (1000-1100 درجة مئوية / 1830-2010 درجة فهرنهايت): درجة حرارة البداية المثالية لمعظم المعادن الحديدية
• برتقالي فاتح إلى أصفر (1100-1200 درجة مئوية / 2010-2190 درجة فهرنهايت): أقصى درجة حرارة تزوير للصلب الكربوني
• الأصفر إلى الأبيض (1200-1300 درجة مئوية / 2190-2370 درجة فهرنهايت): الاقتراب من درجة حرارة الاحتراق يزيد من خطر تلف الحبوب

تؤثر الإضاءة المحيطة بشكل كبير على إدراك الألوان. ورشة عمل مع إضاءة يمكن التحكم بها عند 200-300 لوكس يوفر أفضل الظروف لتقييم درجة الحرارة البصرية الدقيقة. يمكن لأشعة الشمس المباشرة أن تجعل من المستحيل رؤية الألوان تحت اللون البرتقالي الساطع، مما قد يؤدي إلى حدوث تزوير بارد وأضرار مادية.

طرق ومعدات التحكم في درجة الحرارة

تستخدم عمليات الحدادة الحديثة استراتيجيات متعددة للتحكم في درجة الحرارة لضمان الاتساق والجودة. يعتمد اختيار الطريقة على حجم الإنتاج ومتطلبات الدقة ومواصفات المواد.

اختيار معدات التدفئة

تظل قوالب الفحم وفحم الكوك شائعة في المتاجر الصغيرة، وهي قادرة على الوصول 1400 درجة مئوية (2550 درجة فهرنهايت) في المناطق المحلية على الرغم من أن توزيع درجات الحرارة يمكن أن يكون غير متساوٍ. توفر طرق الغاز التي تستخدم البروبان أو الغاز الطبيعي توحيدًا أفضل لدرجة الحرارة، مع تصميمات الموقد الحديثة التي تحقق اتساقًا قدره ±15 درجة مئوية عبر منطقة تسخين تبلغ 300 مم. توفر أنظمة التسخين التعريفي التحكم الأكثر دقة، حيث تقوم بتسخين مناطق محددة لدرجات الحرارة الدقيقة داخلها ±5 درجة مئوية في بيئات الإنتاج ‎مع معدلات تسخين تصل إلى 1000 درجة مئوية في الدقيقة للمكونات الصغيرة.

أدوات قياس درجة الحرارة

• المزدوجات الحرارية من النوع K: دقيق من 0-1260 درجة مئوية، وقت الاستجابة أقل من ثانية واحدة، مثالي للمراقبة المستمرة
• البيرومترات بالأشعة تحت الحمراء: قياس عدم التلامس حتى 1600 درجة مئوية، يتطلب تعديل الانبعاثية (0.8-0.95 للفولاذ المؤكسد)
• كاميرات التصوير الحراري: إظهار توزيع درجة الحرارة عبر قطعة العمل بأكملها، والكشف عن البقع الباردة قبل الحدادة
• أقلام تحديد درجة الحرارة: تذوب عند درجات حرارة محددة (نطاق 150-1400 درجة مئوية)، وهو مفيد للتحقق من التسخين المسبق

بالنسبة لمكونات الطيران أو السيارات المهمة، معايرة البيرومترات بدقة ±0.3% إلزامية، مع شهادات المعايرة التي يمكن إرجاعها إلى المعايير الوطنية المطلوبة كل ستة أشهر.

آثار درجة حرارة تزوير غير صحيحة

يؤدي التشغيل خارج نطاق درجة الحرارة المناسب إلى حدوث عيوب مادية فورية وطويلة الأمد. إن فهم هذه العواقب يساعد على منع الأخطاء المكلفة وهدر المواد.

ضرر تزوير الباردة

يؤدي التزوير تحت نطاق درجة الحرارة الموصى به إلى تعريض المعدن للتصلب المفرط للعمل والتشقق المحتمل. عندما يتم عمل الفولاذ الكربوني أدناه 800 درجة مئوية (1470 درجة فهرنهايت) ، لقد بدأ بالفعل التحول من الأوستينيت إلى اللؤلؤيت، مما يجعل المادة هشة. تظهر الشقوق السطحية أولاً، وعادة ما يكون عمقها 0.5-2 مم، والتي يمكن أن تنتشر عبر المقطع العرضي بأكمله أثناء دورات التسخين اللاحقة. تتطور أشرطة القص الداخلية، مما يؤدي إلى إنشاء مركزات ضغط تقلل من عمر التعب بنسبة 40-60% في المكونات النهائية .

ارتفاع درجة الحرارة والحرق

تجاوز الحد الأعلى لدرجة الحرارة يؤدي إلى نمو الحبوب واختراق الأكسدة. عند درجات حرارة أعلى 1250 درجة مئوية (2280 درجة فهرنهايت) للصلب الكربوني تنمو حبيبات الأوستينيت بشكل كبير، حيث يتضاعف حجم الحبيبات كل زيادة بمقدار 50 درجة مئوية. لا يمكن تحسين بنية الحبوب الخشنة هذه بالكامل من خلال المعالجة الحرارية اللاحقة، مما يقلل من المتانة بشكل دائم. ويحدث الاحتراق عندما يصل المعدن إلى درجات حرارة قريبة من الصلابة، مما يتسبب في اختراق الأكسجين لحدود الحبوب. على عكس ارتفاع درجة الحرارة، فإن الاحتراق لا رجعة فيه؛ ويجب التخلص من المادة المتضررة، مما يمثل خسارة كاملة.

تشكيل النطاق وإزالة الكربنة

عند درجات حرارة الحدادة، يتأكسد الحديد بسرعة، ويشكل قشورًا بمعدلات 0.1-0.5 ملم في الساعة عند 1150 درجة مئوية . يمثل هذا المقياس خسارة مادية ويخلق عيوبًا سطحية. والأهم من ذلك، أن السطح الأساسي يفقد الكربون من خلال إزالة الكربنة، مما يخلق طبقة جلدية ناعمة بعمق 0.5-3 مم مما يؤثر على استجابة التصلب. تعمل الأجواء الواقية أو دورات التسخين السريعة على تقليل هذا التأثير، حيث يعمل التسخين التعريفي على تقليل وقت التعرض بمقدار 75% مقارنة بتسخين الفرن .

إدارة درجة الحرارة أثناء عمليات تزوير

يتطلب التشكيل الناجح الحفاظ على قطعة العمل ضمن نافذة درجة الحرارة المثلى طوال العملية بأكملها. تنخفض درجة الحرارة بسرعة أثناء التزوير، مع فقدان الأجزاء الصغيرة 50-100 درجة مئوية في الدقيقة عند تعرضه للهواء المحيط وملامسته للقوالب أو السندانات.

حسابات فقدان الحرارة وتكرار إعادة التسخين

يفقد القضيب الدائري بقطر 25 ملم عند درجة حرارة 1150 درجة مئوية ما يقرب من 150 درجة مئوية في أول 30 ثانية من التعرض للهواء، مع انخفاض المعدل مع انخفاض فرق درجة الحرارة. يؤدي الاتصال بالقالب إلى تسريع فقدان الحرارة. يمكن استخراج قوالب الصلب في درجة حرارة الغرفة 200-300 درجة مئوية من سطح الشغل عند الاتصال الأول. يطور الحدادون ذوو الخبرة حاسة بديهية لإعادة تسخين التردد، لكن عملية تزوير الإنتاج تستخدم جداول زمنية قائمة على الحسابات.

بالنسبة لتسلسل الحدادة النموذجي على الفولاذ متوسط الكربون، يستمر سير العمل على النحو التالي:

1. الحرارة إلى 1150 درجة مئوية (الكرز الساطع إلى البرتقالي)
2. قم بإجراء 3-5 ضربات قوية بينما تظل درجة الحرارة أعلى من 1000 درجة مئوية
3. استمر في التشكيل حتى يصل المعدن إلى 870 درجة مئوية (أحمر كرزي متوسط)
4. قم بالعودة إلى الصياغة لإعادة التسخين قبل أن تنخفض درجة حرارة المادة إلى أقل من 800 درجة مئوية
5. كرر الدورة حتى يتم تحقيق الشكل المطلوب

متطلبات التسخين والنقع

تتطلب المطروقات الكبيرة والفولاذ عالي السبائك التسخين المسبق المتحكم فيه لمنع الصدمة الحرارية. تزوير يزن أكثر يجب تسخين 50 كجم إلى 400-600 درجة مئوية قبل التعرض لدرجة حرارة الحدادة الكاملة، على أن تقتصر معدلات التسخين على 100-200 درجة مئوية في الساعة للمرحلة الأولى. يضمن وقت النقع عند درجة حرارة الحدادة توحيد درجة الحرارة في جميع أنحاء المقطع العرضي، ويتم حسابه عند دقيقة واحدة لكل 25 ملم من السمك بالنسبة للفولاذ الكربوني، فهي أطول بالنسبة لسبائك الفولاذ ذات الموصلية الحرارية المنخفضة.

اعتبارات خاصة لسبائك الفولاذ

تعمل عناصر صناعة السبائك على تغيير نطاق درجة حرارة الحدادة وسلوكها بشكل كبير. يؤثر كل عنصر على درجات حرارة تحول الطور وخصائص العمل الساخنة بطرق محددة.

تأثير عناصر صناعة السبائك المشتركة

الكروم (الموجود في فولاذ الأدوات والفولاذ المقاوم للصدأ) يضيق نطاق الحدادة ويزيد من خطر تشقق السطح. يتطلب الفولاذ الذي يحتوي على 12-18% كروم درجات حرارة تبدأ من 1150-1200 درجة مئوية ويجب ألا يتم العمل تحت درجة حرارة 925 درجة مئوية لتجنب تكوين مرحلة سيجما. النيكل يعمل على تحسين قابلية التشغيل على الساخن من خلال توسيع نطاق الأوستينيت، مما يسمح بدرجات حرارة تشطيب منخفضة تصل إلى حوالي 790 درجة مئوية دون خطر التشقق.

الموليبدينوم و التنغستن تزيد بشكل كبير من متطلبات درجة حرارة الحدادة، حيث تتطلب بعض أنواع الفولاذ عالية السرعة درجات حرارة تبدأ من 1200-1260 درجة مئوية . تعمل هذه العناصر أيضًا على إبطاء الانتشار، مما يستلزم أوقات نقع أطول تصل إلى 100 دقيقة دقيقتين لكل سمك 25 مم . الفاناديوم يشكل كربيدات تقاوم الذوبان، مما يخلق مركزات إجهاد موضعية أثناء الحدادة ما لم تتجاوز درجة الحرارة 1150 درجة مئوية.

معلمات تزوير الفولاذ المقاوم للصدأ

يمثل الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي (سلسلة 304، 316) تحديات فريدة بسبب انخفاض التوصيل الحراري - تقريبًا 40% من الفولاذ الكربوني . وهذا يخلق تدرجات كبيرة في درجة الحرارة، مما يتطلب معدلات تسخين بطيئة ونقعًا ممتدًا. يجب مراعاة نطاق الحدادة من 1040 إلى 1200 درجة مئوية بدقة، حيث أن العمل في نطاق 480-870 درجة مئوية يؤدي إلى ترسيب كربيدات الكروم، مما يقلل بشدة من مقاومة التآكل. على عكس الفولاذ الكربوني، يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ مؤشرات ألوان مرئية ضعيفة بسبب خصائص أكسيد السطح، مما يجعل استخدام البيرومتر ضروريًا.

التحكم في درجة الحرارة بعد تزوير

تؤثر مرحلة التبريد بعد اكتمال عملية التزوير بشكل خطير على البنية المجهرية والخصائص النهائية. يؤدي التبريد غير المناسب إلى ظهور ضغوط متبقية أو تزييف أو تصلب غير مقصود مما يؤدي إلى تعقيد عمليات المعالجة اللاحقة.

استراتيجيات التبريد التي تسيطر عليها

بالنسبة لمعظم المطروقات من الصلب الكربوني، التبريد في الهواء الساكن من 650 درجة مئوية ينتج نتائج كافية، مما يؤدي إلى إنشاء هيكل عادي مناسب للتشغيل الآلي. تستفيد الأشكال المعقدة من الدفن في المواد العازلة (الفيرميكوليت أو الجير أو رماد الخشب) لإبطاء التبريد إلى ما يقرب من 50 درجة مئوية في الساعة ، تقليل تدرجات الإجهاد الحراري. يجب تبريد الفولاذ عالي الكربون (أعلى من 0.6% درجة مئوية) والعديد من سبائك الفولاذ ببطء لمنع التحول المارتنسيتي، الذي يسبب التشقق؛ يتم تبريد هذه المطروقات في الأفران بمعدلات محكومة تتراوح من 20 إلى 30 درجة مئوية في الساعة من 870 درجة مئوية إلى 540 درجة مئوية.

متطلبات تخفيف التوتر

المطروقات الكبيرة تتجاوز 100 ملم في أي بعد تتراكم ضغوط متبقية كبيرة أثناء التبريد، بغض النظر عن طريقة التبريد. المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد عند 580-650 درجة مئوية لمدة 1-2 ساعة لكل سمك 25 مم تقلل هذه الضغوط بنسبة 80-90% ، تحسين استقرار الأبعاد أثناء التشغيل الآلي. تعد هذه الخطوة الوسيطة إلزامية للمكونات الدقيقة في تطبيقات الطيران وتوليد الطاقة، حيث يتم قياس تفاوتات التشوه بأجزاء من مائة من المليمتر.

اعتبارات السلامة والبيئة

تشكل درجات حرارة التزوير مخاطر حرارية خطيرة تتطلب بروتوكولات أمان شاملة. يوفر المعدن عند 1150 درجة مئوية حرارة إشعاعية كافية للتسبب - الحروق من الدرجة الثانية على مسافة متر واحد خلال 30 ثانية من التعرض المستمر. تشتمل معدات الحماية الشخصية المناسبة على مآزر مصنوعة من الألومنيوم أو الجلد مصنفة للحرارة الإشعاعية، ودروع للوجه مزودة بمرشحات ظل 5-8، وقفازات معزولة قادرة على تحمل الاتصال القصير بأسطح تبلغ درجة حرارتها 650 درجة مئوية.

تنتج أجواء الصياغة أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت وأبخرة معدنية تتطلب تهوية كافية. الحفاظ على العمليات الصناعية 10-15 تغيير هواء في الساعة في منطقة الصياغة، مع وضع أغطية محلية لامتصاص العادم لاعتراض منتجات الاحتراق المتزايدة. تشكيل النطاق يخلق انبعاثات الجسيمات. يمكن إجراء عملية تزوير واحدة على قطعة من الحديد بوزن 10 كجم 100-200 جرام من مقياس أكسيد الحديد والتي تصبح محمولة جواً عند إزاحتها بالطرق.

تتحسن كفاءة الطاقة مع الإدارة المناسبة لدرجة الحرارة. يؤدي ارتفاع درجة حرارة المواد بمقدار 100 درجة مئوية إلى إهدارها تقريبًا 8-12% وقود إضافي لكل دورة حرارة، في حين أن إعادة التسخين المفرط بسبب سوء تخطيط سير العمل يمكن أن يضاعف استهلاك الطاقة. تحقق مسبوكات الغاز الحديثة كفاءات حرارية تتراوح بين 25-35%، بينما تصل أنظمة الحث إلى 65-75%، مما يجعل اختيار المعدات عاملاً مهمًا في التكاليف التشغيلية والتأثير البيئي.