أولاً: المقدمة

في مجال صب المعادن السوداء، تعتمد خصائص الصب الميكانيكية (مثل الصلابة، الليونة، القوة) وأداء المعالجة وعمر الاستخدام مباشرة على عمليات المعالجة الحرارية اللاحقة. تُعرف عمليات التخمير، التعديل الحراري، التصلب، والتلطيف صناعيًا باسم "أربع نيران"، وهي الوسائل الأساسية للتحكم في التركيب الداخلي للمعادن السوداء (مثل الحديد الزهر والفولاذ المصبوب) وإزالة العيوب وتحقيق تخصيص الخصائص. سواء في محركات السيارات، أو تروس المحركات، أو قطع مقاومة للتآكل في المعدات الهندسية، يجب استخدام "الأربع نيران" بشكل مناسب لتلبية متطلبات ظروف التشغيل الفعلية. سيتناول هذا المقال من منظور مصنع صب متخصص خصائص كل عملية من "الأربع نيران" ودورها الأساسي، لكشف المنطق التقني وراء تحسين خصائص الصب المعدني الأسود.

ثانياً: "النار الأولى" — التخمير: إزالة الإجهاد الداخلي وتحسين تجانس البنية

(أ) تعريف العملية والمعايير الأساسية

التخمير هو عملية تسخين الصب المعدني الأسود تدريجيًا إلى درجة حرارة محددة (عادة Ac3 + 20-50℃، حيث Ac3 هي درجة الحرارة التي ينتهي عندها تحول الفيريت إلى أوستنيت أثناء التسخين)، ثم الاحتفاظ بها لمدة زمنية محددة (حسب سمك الصب، عادة 1-4 ساعات لكل 100 مم)، وبعدها تبريدها ببطء شديد (≤50℃/ساعة) حتى درجة حرارة الغرفة. حسب الهدف، يمكن تقسيم التخمير إلى تخمير كامل، تخمير كروي، أو تخفيف الإجهاد، مع انتشار استخدام "تخفيف الإجهاد" و"التخمير الكامل" في الإنتاج.

(ب) تحليل الدور الأساسي

1. إزالة الإجهاد الداخلي للصب ومنع التشقق

أثناء عملية الصب، بسبب التبريد غير المتساوي للقالب والفروق في سرعة تبريد أجزاء الصب المختلفة (مثل الجدار السميك مقابل الرقيق)، يتكون "إجهاد حراري" داخلي؛ كما أن تقلص الحجم أثناء التصلب مع تقييد القالب يؤدي إلى تكوين "إجهاد بنيوي". إذا لم تُزال هذه الإجهادات، فإن الصب عرضة للتشوه أو التشقق أثناء التخزين أو المعالجة أو الاستخدام. يقوم التخمير بتحرير الإجهاد الداخلي تدريجيًا من خلال التسخين البطيء والتبريد، ويمكن تقليل الإجهاد الداخلي بنسبة 60%-80%، مما يحسن استقرار الأبعاد بشكل ملحوظ.

2. تحسين تجانس البنية وتقليل الصلابة لتحسين قابلية المعالجة

غالبًا ما تحتوي الصبابت على "تجزؤ في المكونات" (مثل تجمع الكربون في الفولاذ المصبوب) و"حبوب كبيرة" (نتيجة التبريد البطيء)، مما يؤدي إلى صلابة غير متساوية وزيادة تآكل أدوات القطع. يساعد التخمير الكامل في إعادة تكوين بنية المتعدد اللآليء والفيريت (أو كربيد الحديد)، لتكوين حبوب دقيقة ومتجانسة، وتقليل التجزؤ. على سبيل المثال، يمكن أن تقل صلابة الحديد الزهر من HB220-250 إلى HB180-200 بعد التخمير، مع تحسين كفاءة القطع بنسبة 30% وخفض الخشونة السطحية من Ra6.3 إلى Ra3.2.

3. تمهيد للتصلب اللاحق

بالنسبة للفولاذ المصبوب الذي يحتاج إلى التصلب، إذا تم التصلب مباشرة، فقد تظهر "تشققات التصلب" أو "نقاط لينة". يساعد التخمير الكروي (للحديد المصبوب عالي الكربون) في تحويل الكربيد الصفائحي إلى كروي، مما يقلل درجة حرارة التحول للأوستنيت، ويضمن تحولًا متجانسًا أثناء التصلب، ويقلل من العيوب.

ثالثاً: "النار الثانية" — التعديل الحراري: تحسين البنية الدقيقة وتعزيز خصائص الصب

(أ) تعريف العملية والمعايير الأساسية

يشبه التعديل الحراري التخمير، حيث يتم تسخين الصب إلى Ac3 (أو Accm للفولاذ فوق المشبع بالكربون) + 30-50℃، والاحتفاظ لمدة زمنية محددة (عادة أقل 10%-20% من التخمير)، ولكن الفرق الأساسي في طريقة التبريد — يتم التبريد في الهواء الطبيعي (تبريد جوي) بسرعة 3-5 مرات أعلى من التخمير.

(ب) تحليل الدور الأساسي

1. تحسين دقة الحبوب وتعزيز توازن القوة والليونة

بسبب سرعة التبريد الأعلى، لا يتمكن الأوستنيت من النمو الكامل، فتتشكل حبيبات دقيقة من متعدد اللآليء، مما يزيد القوة والصلابة مع الحفاظ على الليونة. على سبيل المثال، يزيد مقاومة الشد لفولاذ Q235 المصبوب من 380MPa إلى 420MPa بعد التعديل الحراري، بينما تتحسن الليونة من 40J/cm² إلى 55J/cm².

2. تبسيط العملية وتقليل التكلفة

بالمقارنة مع التخمير البطيء، لا يحتاج التعديل الحراري إلى معدات تبريد خاصة، كما تقل مدة الاحتفاظ بالحرارة، مما يقلل دورة الإنتاج بنسبة 20%-30%. لذلك يُستخدم على نطاق واسع في صناعة السيارات للقطع المتوسطة والصغيرة.

3. إزالة عيوب بنية "Wei"

بعض قطع الفولاذ المصبوب منخفض الكربون قد تتشكل فيها بنية "Wei" عند التبريد البطيء، مما يقلل الليونة بشكل كبير. يساعد التعديل الحراري على تحويل هذه البنية إلى حبيبات دقيقة من متعدد اللآليء + فيريت، واستعادة الليونة.

رابعاً: "النار الثالثة" — التصلب: زيادة الصلابة ومقاومة التآكل

(أ) تعريف العملية والمعايير الأساسية

التصلب هو تسخين الصب إلى Ac3 (الفولاذ تحت المشبع بالكربون) أو Ac1 (فوق المشبع بالكربون) + 30-50℃، الاحتفاظ حتى تصبح البنية أوستنيت بالكامل، ثم التبريد السريع في وسط التبريد (ماء، زيت، محلول ملحي) للحصول على بنية مارتنسيت (أو بيزيت). تشمل المعايير الأساسية درجة الحرارة (الفولاذ المصبوب 850-950℃، الحديد عالي الكروم 950-1050℃)، ومدة الاحتفاظ، وسرعة التبريد.

(ب) تحليل الدور الأساسي

1. زيادة كبيرة في الصلابة ومقاومة التآكل

التصلب السريع يحول الأوستنيت إلى مارتنسيت صلبة للغاية (HRC50-65)، مما يزيد مقاومة التآكل 3-5 مرات، كما في لوحات البطانة عالية الكروم.

2. توفير أساس للتحسين اللاحق بواسطة التلطيف

المارتنسيت عالي الصلابة لكنه يحتوي على إجهاد داخلي كبير وليونة منخفضة، لذا يحتاج إلى التلطيف لتحقيق توازن بين الصلابة والليونة.

3. تلبية احتياجات التشغيل عالية القوة

في المعدات الهندسية أو مناجم المعادن، يمكن للتصلب + التلطيف متوسط الحرارة (معالجة تقوية) تحقيق مقاومة شد ≥800MPa وليونة ≥40J/cm².

خامساً: "النار الرابعة" — التلطيف: إزالة عيوب التصلب وتخصيص الأداء النهائي

(أ) تعريف العملية والمعايير الأساسية

التلطيف هو إعادة تسخين الصب بعد التصلب إلى درجة حرارة أقل من Ac1 (150-650℃ حسب النوع)، الاحتفاظ 2-4 ساعات، ثم التبريد. لا يمكن تطبيقه بمفرده، ويجب دمجه مع التصلب لتخصيص الأداء.

(ب) تحليل الدور الأساسي

1. إزالة إجهاد التصلب ومنع التشقق

يمكن لتلطيف منخفض الحرارة (150-250℃) تقليل الإجهاد الداخلي بنسبة 50%-70% مع الحفاظ على الصلابة العالية.

2. تعديل التوازن بين الصلابة والليونة

· تلطيف منخفض الحرارة (150-250℃): إزالة الإجهاد الداخلي، انخفاض طفيف في الصلابة، زيادة بسيطة في الليونة (5→10-15J/cm²).
   · تلطيف متوسط الحرارة (350-500℃): تحويل المارتنسيت إلى بنية "Tempered Martensite"، صلابة HRC35-45، ليونة ≥30J/cm².
   · تلطيف عالي الحرارة (500-650℃): تحويل المارتنسيت إلى "Tempered Bainite"، صلابة HRC25-35، ليونة ≥50J/cm²، مثالي للأجزاء التي تتحمل الأحمال المتغيرة والصدمات.

3. تثبيت البنية والأبعاد وتحسين الموثوقية الطويلة الأمد

يساعد التلطيف على تحويل البنية إلى بنية مستقرة، مما يحسن استقرار الأبعاد بنسبة ≥80%.

سادساً: التعاون بين الأربع نيران وحالات التطبيق الفعلية

في الإنتاج الفعلي، تُستخدم الأربع نيران وفقًا لمواد الصب ومتطلبات الأداء. على سبيل المثال، لعمود مرفقي بمحرك سيارة (فولاذ 45#)، تكون العملية: الصب → التعديل الحراري → المعالجة الخشنة → التصلب + التلطيف عالي الحرارة → المعالجة الدقيقة.

أما لقطع مقاومة التآكل عالية الكروم (مثل بطانات مطاحن الكرة): الصب → التخمير → التصلب (950℃، محلول ملحي، HRC60-65) → التلطيف منخفض الحرارة (200℃)، حيث يضمن التعاون بين التخمير والتصلب والتلطيف صلابة عالية ومقاومة للتشقق.

سابعاً: الخلاصة

تعتبر "الأربع نيران" العمليات الحرارية الأساسية في صب المعادن السوداء، حيث لكل منها دور لا يمكن الاستغناء عنه: التخمير كضمان أساسي، التعديل الحراري لتحسين الكفاءة وتوازن الخصائص، التصلب لتحقيق صلابة قصوى، والتلطيف لتخصيص الأداء النهائي.掌握 هذه العمليات بشكل دقيق يسمح للمصانع بتلبية متطلبات العملاء من حيث مقاومة التآكل والصدمات والدقة العالية، ويدعم تطوير صناعة المعدات والسيارات والهندسة الميكانيكية. مع تطبيق الأجهزة الذكية للمعالجة الحرارية، ستتحسن دقة الأربع نيران بشكل أكبر، مما يعزز جودة صناعة المعادن السوداء.