کوره مادون قرمز چیست ؟

کوره مادون قرمز می‌تواند میزان بالای توان (12 تا 20 کیلووات) الکتریکی را به انرژی حرارتی تبدیل کند. كوره متشكل از بدنه فولادی، لامپ مادون قرمز،‌ محفظه واكنش از جنس كوارتز خالص ، فلنج های آببند جهت سیل بندی محفظه واكنشي، سيستم آبگرد خنك كننده، پمپ خلاء، گیج‌های كنترل فشار می‌باشد.

در حالت عمودی از کوره مادون قرمز می‌توان برای سخت کاری سطحی قطعات فولادی و در حالت افقی برای سایر کاربردهای عملیات حرارتی سطحی مانند لحیم کاری سخت مواد هم جنس و غیر هم جنس، سنتز و رشد نانو لوله‌ها و نانو پوشش‌ها، عملیات حرارتی سطحی آلیاژهای مختلف، آنالیز شک حرارتی، آنیلینگ سریع، ذوب و آلیاژ سازی سطح استفاده نمود.

عملیات حرارتی سطحی

گرما به معنای انرژی در حال انتقال است که تغییرات دمایی، سبب جریان آن می­شوند. بر خلاف عبور گرما از طریق انتقال یا هدایت حرارتی، گرمای تابشی می­تواند از محیط خلاء عبور نماید. عموماً، تمامی مایعات و گازها می­توانند امواج مادون قرمز را از خود عبور دهند. تابش مادون قرمز می­تواند به عنوان منبع حرارتی (مانند کوره) عمل کنند. از سیستم گرمایشی آن می­توان در انجام فرآیندهای صنعتی مانند عملیات پخت پوشش، آنیل کردن، جوشکاری و لحیم­کاری سخت^[1] فلزات و سرامیک‌ها بهره جست.

میزان بازدهی تابش مادون قرمز را می­توان با تطبیق دادن طول موج سیستم تولید کننده حرارت با خواص جذب ماده به دست آورد.

عملیات حرارتی سطحی

در صنعت، قطعاتي نظير چرخ‏دنده‏ها و محورهاي انتقال (شفت‌ها)، معمولاً بايد داراي دو ويژگي مشخص باشند: قسمت سطحي آن‌ها بايد سخت و قسمت مرکزي داراي انعطاف‏پذيري کافي باشد تا بتواند در مقابل نيروهاي ديناميکي مقاومت کند. از اين‏ رو، سطح چنين قطعاتي را به روش‏هاي مختلف سخت مي‏کنند. به ‏طور کلي «سختکاري سطحي» به دو روش عمده در کوره های مادون قرمز صورت مي‏گيرد:

این کوره قابلیت چرخش 180 درجه دارد و عملیات حرارتی بر روی قطعات را هم به صورت افقی و هم به صورت عمودی می توان انجام داد .

• همراه با تغيير ترکيب شيمايي سطح قطعه

در واقع اصطلاحي کلي براي فرايندهائي است که در آن‌ها از طريق جذب برخي عناصر به سطح فولاد توسط فرايند نفوذ ترکيب شيميايي سطح قطعه را تغيير مي‏دهند و نوعي شيب غلظتي به‏ وجود مي‏آورند. بسته به نوع عنصر مورد استفاده براي نفوذ به سطح فولاد، روش سختکاري سطحي را به نامي مشخص مي‏خوانند. مثلاً، در صورت استفاده از کربن به ‏عنوان عنصر نفوذ کننده در عمليات سختکاري، روش را کربن دهي يا سمنتاسيون مي‏گويند. (مانند فرآیندهای کربوراسیون، نیتراسیون و …)

• بدون تغيير ترکيب شيميايي سطح قطعه

این روش نوعي فرايند سختکاري سطحي است که تنها لايه سطحي يک قطعه کار از طريق حرارت مانند القایی، شعله یا امواج الکترومغناطیس تشعشعی (مانند مادون قرمز) حد بالاتر از دماي بحراني گرم و سپس در محیط‌های مختلف سريعاً سرد مي‏شود. مطابق شکل ‏3‑17 که نمودار تعادلي آهن – كربن را در شرايط گرمایش و سرمایش تعادلی نشان می‌دهد، عملیات حرارتی آنیل و نرماله عمدتاً 50-100 °C بالاتر از خطوط دمائی A_CM و A₃ صورت می­گیرد. قطعات اصلی گیربکس که می­توان برای آن‌ها مواد پیشنهادی ارائه نمود، عبارتند از:

• دنده‌های محرک، متحرک، پینیون، کرانویل، قطعه کشوئی دنده، شفت‌های ورودی و خروجی، هماهنگ کننده دنده‌ها
• میل ماهک
• اهرم میله کنترل تعویض دنده و پایه نگهدارنده بست پلاستیکی

سخت کاری سطح چرخ دنده

غالب‌ترین ماده مصرفی در گیربکس، انواع فولادهای کربنی و کم آلیاژی می­باشند که این مواد براساس آلیاژ و آنالیز شیمیایی آن‌ها درجه بندی می­گردند. بنابراین مقدار کربن معادل فولادهای مصرفی بین 0.7-0.4 می‌باشد که برای عملیات حرارتی آن‌ها نیاز به محدوده دمائی 800-920 °C می­باشد که با استفاده از کوره عمودی مادون قرمز فوق می­توان به این محدوده با نرخ گرمایش و سرمایش سریع دست یافت.

به علت نرخ گرمایش و سرمایش بسیار سریع در کوره‌های مادون قرمز (تا 200 °C/min)، لذا خطوط تعادلی هم دما مانند A_CM و A₃ تغییر کرده و در اثر سرمایش و گرمایش به ترتیب کاهش و افزایش می‌یابند که محدوده تغییرات آن در حد 30-40 °C می­باشد. مزيت عمده سخت‏کاري با استفاده از امواج مادون قرمز، زمان کوتاه عمليات حرارتي قطعه و امکان اتوماسيون آن است، به طوری که هر چه نرخ گرمایش افزایش پیدا کند، ضخامت لایه سخت شده به علت تمرکز حرارت تشعشی رو سطح فولاد، کمتر خواهد بود.

امواج مادون قرمز چیست ؟

امواج فروسرخ يا به عبارتي اشعه مادون قرمز در علم فيزيک به قسمي از پرتوهاي الکترومغناطيسي اطلاق مي‌گردد که دامنه طول موج آنها از بالاي نور سرخ مرئي آغاز می­شود و تا امواج غيرمرئي ريزموج يا مايکروويو ادامه دارد (شکل ‏1)

شکل ‏1‑ طیف امواج الکترومغناطیس به همراه نمایش منطقه مادون قرمز.

دامنه طول اين­گونه امواج تقريبا بين 1000 میکرومتر تا 740 نانومتر (حد نور مرئی) متغير بوده، بنابراين کوتاه تر از امواج راديوئي مرسوم طبقه بندي مي‌گردند. فرکانس (تواتر) امواج فروسرخ حداکثر 400 تريلون بار در ثانيه (در محدوده بسيار نزديک به رنگ سرخ قابل ديد) تا 800 بيليون بار در ثانيه (نزديک به محدوده پاياني پرتوهاي مايکروويو) اندازه­گيري مي‌گردند. وجود طول موجي بلندتر از رنگ سرخ (بلند ترين طول موج در عرصه نور مرئي) و بسامد کمتر و يا کوتاه­تر از آن را مي­توان علت اين نام­گذاري آن­ها دانست. (امواج فرو سرخ طول موج­شان پائين تر از دامنه موج مرئي مي‌باشد). اشعه مادون قرمز یا فرو سرخ، انرژی الکترومغناطیسی است که برای چشم انسان، نامرئی است. استانداردها و منابع مختلف، امواج مادون قرمز را بر حسب طول موج آن­ها (مهم­ترین مشخص) تقسیم بندی کرده­ اند ولی یکی از پرکاربردترین آن­ها، این امواج را بصورت جدول ‏1 طبقه بندی کرده است.

جدول ‏1‑ تقسیم بندی امواج مادون قرمز بر حسب طول موج، انرژی فوتون و خواص.

طول موجهایی می­ توانند اثر تابش حرارتی و نرخ گرمایش بالایی داشته باشند که محدوده آنها 1-10 µm باشد. به همین علت، عمده ­ترین منبع تابش حرارتی امواج مادون قرمز استفاده از رشته سیم تنگستنی یا الیاف کربن قرار گرفته در یک محفظه حبابی شکل شیشه ­ای است که جهت افزایش مساحت سطحی، از آن به شکل فیلامت استفاده می­شود. معمولا از سیلیس ذوب شده (کوارتز) شناخته شده بعنوان شیشه کوارتز که دمای ذوب بالایی دارد، بعنوان محفظه حباب در لامپهای هالوژنی استفاده می­ شود. منابع تابش حرارتی دیگر که دمای کمتری تولید می­کنند، الیاف کربن یا آلیاژ آهن – کروم – آلومینیوم (نام تجاری: کانثال) هستند. هر لامپ مادون قرمز از اجزای مختلفی تشکیل شده است که در  شکل ‏2 طبق معرفی شده است.