عملیات حرارتی افتراقی،عملیات حرارتی موضعی

عملیات حرارتی افتراقی یا عملیات حرارتی انتخابی یا عملیات حرارتی موضعی (به انگلیسی: Differential heat treatment) روشی است که در حین عملیات حرارتی به کار گرفته می‌شود برای سخت کردن یا نرم کردن ناحیه مشخصی از یک شیء فولادی و باعث به وجود آمدن یک اختلاف در سختی این نواحی می‌شود. روش‌های زیادی وجود دارد برای ایجاد اختلاف در خواص، اما اغلب آن‌ها به عنوان سخت کاری افتراقی یا بازپخت افتراقی قابل تعریف هستند.
روش‌های سخت کاری افتراقی شامل حرارت دهی به فلز به صورت یکنواخت تا دمای تفتیدگی، تغییر فولاد به آستنیت و سپس سرد کردن آن در نواحی مختلف می‌باشد که قسمتی از شیء را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند، در حالی که مابقی آن آرام تر شرد شده و به پرلیت نرم تر تبدیل می‌شود. این روش ممکن است تنها شامل حرارت دهی یک بخش از شیء به صورت بسیار سریع تا دمای تفتیدگی و سپس سرد کردن سریع (کوئنچ) آن باشد که فقط بخشی از شیء را به مارتنزیت سخت تبدیل می‌کند و بقیه شیء بدون تغییر باقی می‌ماند.
اما روش‌های بازپخت افتراقی شامل گرم کردن شیء به صورت یکنواخت تا دمای تفتیدگی و سپس کوئنچ کامل کل شیء هستند که تمام آن شیء را به مارتنزیت تبدیل می‌کنند. سپس شیء تا دمای بسیار کمتری حرارت داده می‌شود تا نرم شود (تمپرینگ)، اما این حرارت دهی تنها به صورت موضعی خواهد بود که تنها بخشی از آن را نرم می‌سازد.
روش‌های سخت کاری افتراقی ابتدائاً در چین برای ساخت شمشیر توسعه یافت و در خاور دور از نپال تا کره و ژاپن گسترش یافت. بعدها، روش‌های سخت کاری سطحی از طریق حرارت دهی سریع در نواحی انتخابی و سپس کوئنچ کردن آن مثل سخت کاری شعله‌ای و سخت کاری القایی توسعه یافت. به هر ترتیب، روش‌های بازپخت افتراقی ابتدائاً با آهنگران اروپایی برای ساخت ابزارهای برش شروع شد، اما برای ساخت چاقوها و قداره‌های نوع اروپایی نیز شروع شد. در این فرایند بعدها در بسیاری از زمینه‌های ساخت اشیایی که در آن‌ها ترکیبی از استحکام و چقرمگی (مقاومت به ضربه) مورد نیاز بود مورد استفاده قرار گرفت، از جمله ساخت ورق‌های زرهی در کشتی‌های جنگی اولیه.

مقدمه
عملیات حرارتی افتراقی روشی است برای تغییر دادن خواص قسمت‌های مختلفی از یک شیء فولادی به صورت متفاوت و ایجاد مناطقی که سخت تر یا نرم تر از قسمت‌های دیگر باشد. این امر نرمی بیشتری در قسمت‌هایی از شیء که لازم است مثل زبانه یا پشت تیغه یک شمشیر ایجاد می‌کند، اما سختی بیشتری در لبه یا دیگر نواحی به وجود می‌آورد که مقاومت به ضربه، مقاومت به سایش و استحکام بیشتری نیاز است. این روش غالباً می‌تواند نواحی مشخصی را سخت تر از حدی کند که برای عملیات حرارتی یکنواخت یا در «عملیات حرارتی سراسری» فولاد امکان پذیر است. روش‌های مختلفی وجود دارد که برای عملیات حرارتی افتراقی فولاد استفاده می‌شود، اما می‌توان این روش‌ها را به دو دسته روش سخت کاری افتراقی و روش بازپخت افتراقی تقسیم نمود.
در حین عملیات حرارتی، وقتی فولاد تفتیده (معمولاً بین oF 1500) (oC 820) و (oF 1600) (oC 870) به سرعت سرد یا کوئنچ می‌شود، بسیار سخت می‌گردد، اما عمدتاً سختی زیاد باعث تردی زیاد مثل شیشه می‌شود.
فولاد کوئنچ شده عموماً به آرامی و به صورت یکنواخت (معمولاً بین oF 400) (oC 204) و (oF 650) (oC 343)در فرایندی به نام تمپرینگ حرارت دهی مجدد می‌شود تا فلز نرم گردد و در نتیجه چقرمگی افزایش یابد. به هر ترتیب، این گونه نرم کردن فلز گرچه شمشیر را کمتر در معرض شکستن قرار می‌دهد، اما لبه آن را مستعد آسیب‌هایی مثل کند شدن، کوبیده شدن یا انحنا پیدا کردن می‌کند.
سخت کاری افتراقی روشی است که در عملیات حرارتی شمشیرها و چاقوها برای افزایش سختی لبه بدون ترد ساختن کل تیغه استفاده می‌شود. بدین منظور، لبه بسیار سریع تر از پشت تیغه (از طریق افزودن یک عایق حرارتی به پشت تیغه قبل از کوئنچ) سرد می‌شود. خاک رس یا ماده دیگری برای عایق استفاده می‌شود. این امر همچنین از طریق پاشیدن دقیق آب (که به تازگی گرم شده) بر لبه تیغه نیز حاصل می‌شود، چنان که در مورد ساخت کوکری (kukri چاقوی بلند نپالی) به کار می‌رود. سخت کاری افتراقی از چین نشأت گرفته و سپس به کره و ژاپن بسط یافته‌است. این روش عمدتاً در جیان (Jian) چین و کاتانا (katana) شمشیر سنتی ژاپنی و کوکری (چاقوی سنتی نپالی) استفاده شده‌است. اغلب تیغه‌های ساخته شده به این روش خطوط بازپخت افتراقی نامیده می‌شود، اما این عبارت به صورت دقیق تر به روش دیگری اطلاق می‌شود که از قداره‌های اروپایی نشأت می‌گیرد.
مدل‌های جدید سخت کاری افتراقی وقتی توسعه یافت که منابع حرارت دهی سریع فلز ابداع شد؛ مثل حرارت دهی القایی یا تورچ اکسی استیلن. با استفاده از روش‌های سخت کاری شعله‌ای و سخت کاری القایی، فولاد به سرعت حرارت دهی و در نواحی مشخص تفتیده شده و سپس کوئنچ می‌گردد. این امر فقط بخشی از شیء را سخت می‌کند و مابقی بدون تغییر می‌ماند.
بازپخت افتراقی به صورت متداول برای ساخت ابزارهای برش استفاده می‌شود، گرچه گاهی برای چاقو و شمشیر نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. بازپخت افتراقی از طریق کوئنچ یکنواخت شمشیر و سپس بازپخت قسمتی از آن مثل پشت تیغه یا بخش مرکزی تیغه‌های دو لبه، به وسیله یک تورچ یا دیگر منابع مستقیم حرارت حاصل می‌شود. بخش حرارت یافته فلز با این روش نرم شده و لبه در سختی بالاتر باقی می‌ماند.

سخت کاری افتراقی
سخت کاری افتراقی (که با نام‌های کوئنچ افتراقی، کوئنچ انتخابی، سخت کاری انتخابی یا سخت کاری موضعی نیز خوانده می‌شود) معمولاً در آهنگری برای افزایش چقرمگی تیغه و در عین حال حفظ سختی و استحکام خیلی بالا در لبه استفاده می‌شود. این امر به تیغه کمک می‌کند که در برابر شکست بسیار مقاوم باشد، چرا که پشت تیغه بسیار نرم و قابل خمش است، اما لبه امکان دارد که بسیار سخت تر باشد نسبت به حالتی که تیغه به صورت یکنواخت کوئنچ و بازپخت شود. این امر کمک می‌کند که تیغه نرمی ایجاد شود که لبه بسیار تیز و مقاوم در برار سایش خود را حتی در حین استفاده‌های خشن مثل مبارزه و جنگیدن حفظ کند. یک تیغه سخت کاری شده به روش افتراقی همواره با یک لایه عایق مثل خاک رس پوشیده می‌شود، اما لبه بدون پوشش می‌ماند. وقتی تیغه تا مرحله تفتیدگی حرارت می‌یابد و کوئنچ می‌شود، لبه به سرعت سرد شده و سختی زیادی پیدا می‌کند، اما بقیه آن به آرامی سرد می‌شود و نرم تر می‌شود.
سخت کاری افتراقی اغلب شامل پوشش پشت تیغه با یک لایه عایق است. این لایه معمولاً مخلوطی است از خاک‌های رس، خاکسترها، پودر سنگ براق و نمک‌های طبیعی که پشت تیغه را از سرد شدن بسیار سریع در حین کوئنچ محافظت می‌کند. خاک رس معمولاً به صورت رنگ پاشی اعمال می‌شود که اطراف مرکز و پشت تیغه را به طور ضخیمی پوشانده و لبه را باقی می‌گذارد. این امر به لبه امکان می‌دهد که بسیار سریع سرد گردد و به ریزساختار بسیار سختی به نام مارتنزیت تبدیل شود و بقیه تیغه به آرامی سرد شود و به ریزساختار نرمی به نام پرلیت مبدل شود. این روش لبه‌ای به وجود می‌آورد که به صورتی استثنایی سخت و ترد است، اما توسط فلزی نرم تر و چقرمه تر پشتیبانی می‌شود. البته این لبه معمولاً زیادی سخت است، بنابراین پس از کوئنچ کردن، معمولاً تمام تیغه در دمای حدود oF 400 )oC 204) به مدت کوتاهی بازپخت می‌گردد تا سختی لبه را تا حدود ۶۰ HRC در مقیاس سختی راکول پایین بیاورد.
ترکیب دقیق مخلوط خاک رس، ضخامت پوشش و حتی دمای آب معمولاً به عنوان اسرار مدارس آهنگری مختلف به دقت محفوظ داشته می‌شد. در رابطه با مخلوط خاک رس هدف اصلی پیدا کردن مخلوطی بود که دمای بالایی را تاب بیاورد و به تیغه بچسبد بدون این که منقبض شود، ترک بخورد یا در اثر خشک شدن پوسته شود. گاهی اوقات پشت تیغه با خاک رس پوشانده می‌شد و لبه باقی می‌ماند. گاهی نیز کل تیغه پوشانده می‌شد و سپس خاک رس از لبه زدوده می‌شد. روش دیگر اعمال خاک رس با ضخامت زیاد روی پشت تیغه و با ضخامت کم روی لبه برای تامین عایق کمتر بود. با کنترل ضخامت پوشش لبه به همراه دمای آب، سرعت خنک سازی هر قسمت از تیغه برای ایجاد سختی مناسب در کوئنچ بدون نیاز به بازپخت قابل حصول است.
با خشک شدن پوشش، تیغه به آرامی به صورت یکنواخت گرم می‌شود تا از ترک خوردن یا افتادن پوشش جلوگیری شود. پس از این که تیغه تا دمای مناسب گرم شد، که با رنگ قرمز براق آلبالویی تیغه (تابش جسم سیاه) شناخته می‌شود، تیغه در یک خمره آب یا روغن غوطه ور می‌شود تا حرارت به سرعت از لبه خارج گردد. در عوض خاک رس پشت تیغه را عایق می‌کند که باعث می‌شود بسیار آهسته تر از لبه سرد شود.
وقتی لبه سریع سرد می‌شود، یک انتقال بدون دیفوزیون اتفاق می‌افتد که لبه را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند. از آن جا که تیغه به آهستگی سرد می‌شود، کربن در فولاد زمان دارد تا رسوب کند و به پرلیت نرم تبدیل شود. انتقال بدون دیفوزیون لبه را به صورت ناگهانی در یک حالت منبسط شده در اثر حرارت، فریز می‌کند، اما به پشت تیغه امکان انقباض می‌دهد، چرا که این قسمت خیلی آهسته تر سرد می‌شود. این امر نوعاً منجر به خم شدن یا انحنای تیغه در حین کوئنچ می‌شود، چرا که پشت تیغه بیشتر از لبه منقبض می‌شود. این عمل شکل منحنی خاصی را به شمشیرهایی مثل کاتانا و واکیزاشی (wakizashi) می‌دهد.
تیغه معمولاً در حین گرم شدن صاف است اما در حین سرد شدن قوس پیدا می‌کند. این مسئله برش را در شمشیرهای نوع اسلش (slashing-type: ضربه سریع) تسهیل می‌کند، اما احتمال ترک خوردن در حین عمل را نیز افزایش می‌دهد. شمشیر ممکن است نیاز به شکل دهی بیشتری پس از کوئنچ و بازپخت داشته باشد تا انحنای مطلوب را به دست آورد. شمشیرهای صاف مثل نینجاتو (ninjato) معمولاً قبل از حرارت به صورت خاصی انحنا می‌یابند تا با کوئنچ صاف گردند.
سخت کاری افتراقی دو نوع منطقه مختلف سختی ایجاد می‌کند که واکنش‌های متفاوتی نسبت به ساییدن، شکل دهی و صیقل کاری نشان می‌دهند. پشت و مرکز تیغه بسیار سریع تر از لبه ساییده می‌شود، بنابراین صیقلکار نیاز به کنترل دقیق زاویه لبه خواهد داشت، که بر هندسه تیغه تاثیرگذار خواهد بود. یک صیقلکار بی تجربه ممکن است به سرعت تیغه را به خاطر فشار بیش از حد به مناطق نرم تر از بین ببرد و به سرعت شکل تیغه را بدون تغییر زیاد در ناحیه سخت شده عوض کند.
گرچه پرلیت و مارتنزیت هر دو را می‌توان به صورت آینه‌ای صیقلی کرد، اما معمولاً این دو فاز سطح پرداخت ماتی دارند که اختلافی را در مقدار سختی آن‌ها ایجاد می‌کند. این امر منجر به ریزساختارهای مختلفی می‌شود که وقتی از زاویه‌های مختلف دیده می‌شوند، نور را به میزان‌های مختلفی منعکس می‌کنند.
پرلیت در زمان‌های طولانی تری تشکیل شده، خراش‌های عمیق تری دارد و بسته به زاویه دید صیقلی و روشن یا گاهی تاریک دیده می‌شود. مارتنزیت در مقابل خراش سخت تر است و در نتیجه ساییدگی‌های میکروسکوپی آن کوچک تر هستند. مارتنزیت همواره روشن تر و در عین حال تخت تر از پرلیت دیده می‌شود و این امر کمتر بستگی به زاویه دید دارد. وقتی تیغه صیقلی شده یا با اسید اچ می‌شود تا این جنبه‌های آن نشان داده شود، یک مرز دانه مشخص بین بخش مارتنزیتی و پرلیت آن دیده می‌شود. این مرز معمولاً خط بازپخت خوانده می‌شود و گاهی نیز به اسم عبارت ژاپنی آن یعنی هامون (hamon) نامیده می‌شود. بین لبه سخت شده و هامون یک ناحیه میانی نیز وجود دارد که به ژاپنی نیوی (nioi) نامیده می‌شود و تنها در زاویه طولی قابل مشاهده است. نیوی خطی است به پهنای حدود یک یا دو میلیمتر در کنار هامون که از دانه‌های مارتنزیتی منفرد (نایه niye) تشکیل شده که در زمینه‌ای پرلیتی احاطه شده‌است.
در ژاپن از زمان افسانه‌ای آهنگر معروف آماکانی (Amakuni)، هامون‌ها در اصل صاف و موازی با لبه تیغه بودند، اما از قرن دوازدهم قبل از میلاد آهنگرانی مثل شینتوگو کانیمیتسو (Shintogo Kunimitsu) شروع به تولید هامون‌هایی با اشکال غیر منظم نمودند. از قرن ششم قبل از میلاد، آهنگران ژاپنی عموماً شمشیرهایشان را قبل از کوئنچ به آرامی گرمای بیشتری می‌دادند تا نایه‌های بزرگتر و زیباتری تشکیل شوند، گرچه اندازه دانه بزرگتر شمشیر را کمی ضعیف تر می‌کرد. در این زمان، توجه زیادی در ژاپن به ساخت هامون‌های زینتی معطوف شد که از طریق شکل دهی دقیق خاک رس میسر بود. در این دوره بسیار متداول شد که شمشیرهایی با هامون‌های موجی، رسم گل یا میخک در خط بازپخت، پای موش، درخت یا دیگر اشکال ساخته شوند. در قرن هیجدهم، هامون‌های تزیینی اغلب با روش‌های تزیینی تا شدن ترکیب شد تا چشم انداز کاملی ایجاد شود مثل جزیره‌های خاص، موج‌های شکسته، تپه، کوه، رودخانه و گاهی نقاط کوتاهی از خاک رس جدا می‌شد تا نایه دور از هامون تشکیل شود و آثاری مثل پرنده در آسمان ایجاد گردد.
گرچه سخت کاری افتراقی لبه بسیار سختی ایجاد می‌کند اما مابقی شمشیر نرم باقی می‌ماند که می‌تواند در برابر بارهای سنگین مثل دفع حمله سنگین حریف، تمایل به انحنا پیدا کند. همچنین لبه می‌تواند به ترک یا تراشه شدن مستعدتر شود. جنگجویان سامورایی ژاپن یاد می‌گرفتند که با کناره‌های شمشیرشان دفاع و مبارزه کنند تا لبه برنده شمشیر را حفظ کنند. این نوع شمشیرها قابلیت تیز شدن مجدد را تنها قبل از رسیدن به فلز نرم تر زیر لبه به تعداد کمی دارا بودند. اما اگر به خوبی محافظت و نگهداری می‌شدند می‌توانستند به مدت زمان زیادی لبه‌شان را نگاه دارند، حتی پس از عبور از بین استخوان و گوشت یا آدمک‌های نمادین تمرینی.