دوتا از ویژگی های مهم و قابل توجه انواع خاصی از فلزات، توانایی تحمل سایش و مقامت در برابر فرو رفتگی است. ملاک سنجش و اندازه گیری این دو ویژگی مهم، سختی نام دارد که باید در زمان خریدن آن فلزات به این ویژگی توجه خاص و ویژه ای شود. قاعدتا بیشترین میزان سختی فلزات باید در بیرونی ترین سطح آن وجود داشته باشد. چرا که این سطح فلز است که در برابر بیشترین ساییدگی و فشار مقاومت نشان می دهد و آن را متحمل می شود و محیط اطراف بر روی آن تاثیر مستقیم دارد. برای اینکه از مناسب بودن سختی سطح فلز اطمینان حاصل کنیم، در فرآیندی که به سخت کاری پوسته شناخته می شود، سختی سطح بعضی از فلزات دستخوش تغییراتی می شود.
سخت کاری پوسته چیست
سخت کاری پوسته یکی از روش های پردازش مواد است، که برای تقویت و افزایش سختی سطح یک فلز، انجام می شود. در نتیجه ی انجام عملیات یا فرآیند سخت کاری، لایه ای بسیار نازک ایجاد می شود که به طور قابل توجهی از بیشتر حجم فلزی که در زیر آن واقع شده، سخت تر است. برای اینکه عملیات یا فرآیند سخت کاری انجام شود، به درجه حرارت و دمای بالا نیاز است. سخت کاری از راه تغییر و تحول در ساختار کریستالی فلز یا اضافه کردن عناصر جدید به ترکیب سطح خارجی فلز همرا با عملیات یا فرآیند با درجه حرارت بالا، باعث تقویت و افزایش سختی سطح فلز می شود. فرآیند سخت کاری معمولا بعد از بقیه فرآیند های ساخت فلز انجام می شود. زیرا این عملیات، قابلیت تراش فلزات و شکل پذیری آنها را کاهش می دهد.
مطلب پیشنهادی : لوله مبلی
چرا فرآیند سخت کاری انجام می شود؟
دلایل بسیار متعددی برای انجام عملیات یا فرآیند سخت کاری پوسته، وجود دارد. حال می خواهیم به دو تا از مهم ترین آن ها اشاره کنیم:
– صرفه جویی در هزینه های تولید: برای حرارت دادن سطح خارجی فلز، زمان و انرژی کم تری نسبت به کل سطح مقطع آن، نیاز است. این موضوع باعث صرفه جویی بیشتری در هزینه های تولید در مقیاس های بالا و بزرگ تر می شود.
– عملکرد بهتر: فلزی که لایه ی خارجی آن سخت و هسته ای شگل پذیر دارد، عملکرد بهتری نیز خواهد داشت.
نکته: به طور کلی سخت کاری پوسته، نوعی عملیات و فرآیند حرارتی است که در دما و شرایط خاص به جهت سخت کردن سطح قطعه فلزی انجام می پذیرد؛ در صورتی که ترکیبات شیمیایی درون آن قطعه همچنان نیز بدون تغییر می ماند.
انواع روش های سخت کاری پوسته
سخت کاری پوسته از راه و روش های مختلفی انجام می پذیرد. یکی از رایج ترین این روش ها از راه گرم کردن و سرد کردن آن قطعه انجام می شود. روش اول به این صورت است که:
– در این روش از یک منبع حرارتی، مانند سیم پیچ مولد جرقه یا شعله اکسیژنی، به منظور گرم کردن سطح خارجی فولاد تا بالاتر از دمای بحرانی استفاده می شود((دمای بحرانی، دمایی است که درآن ریز ساختار های فولاد، شروع به تغییر کردن می کنند و عموما حدود 700 درجه سیلسیوس است.))
– بعد از مرحله حرارت دهی، سطح فلز با قرار گرفتن در ماده ی خنک کننده، سریعا سرد می شود و این ماده ی خنک کننده می تواند آب نمک، آب، روغن و یا هوا باشد((بسته به سرعت خنک کنندگی مورد نیاز، از مواد خنک کننده ی متعدد و مختلفی استفاده می شود.))
– عملیات یا فرآیند این سرمایش سریع باعث می شود که زیر ساختار مارتنزیت در فولاد تشکیل شود که مقاومت بسیار بالایی در مقابل سایش دارد.
روش دیگر سخت کاری پوسته نیتروژن دهی می باشد. دلیل اینکه به این فرآیند نام نیتروژن دهی را دادند، شکل گیری نیترید روی سطح فلز است. مراحل نیتروژن دهی به این صورت است که:
– در این عملیات، فلزات تا دمای بالایی حرارت میبینند و در معرض آمونیاک یا سایر مواد دارای نیتروژن قرار می گیرند.
– دلیل تشکیل نیترید ها این است که، فلزات در دمای بالا حرارت میبینند و در معرض نیتروژن قرار می گیرند. (( نیترید ها ذاتا در برابر سایش بسیار سخت و مقاوم هستند. ))
– تنها زمانی این فرآیند موثر است که فلز مورد نظر، دارای عناصری با قابلیت تشکیل نیترید باشد؛ مانند کروم و مولیبدن.
– دمای به کار رفته در روش نیتروژن دهی، عموما پایین تر از روش حرارت دهی و خنک کردن است. به علاوه، مرحله ی خنک شدن ندارد؛ بنا بر این فلز دچار بد شکلی نمی شود.
فرآیند سخت کاری پوسته روی کدام فلزات انجام می شود؟
این فرآیند، معمولا روی فلزات دارای آهن انجام می شود. البته در بعضی موارد خاص، نیتروژن دهی روی آلیاژ های تیتانیوم و الومینیوم نیز صورت می گیرد. فلزات آهنی که معمولا سخت کاری پوسته می شوند، شامل موارد زیر است:
– فولاد کم کربن
– فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا
– چدن
– فولاد ابزار
– فولاد ضد زنگ
فرآیند سخت کاری معمولا برای کدام اشیاء انجام می شود؟
بعضی از رایج ترین اشیایی که سخت کاری پوسته می شوند، عبارتند از:
– چرخ دنده ها
– اتصال دهنده ها
– میل سوپاپ ها
– میله ها
– سنجاق ها
به گرم کردن یک نمونه فولادی تا دمای مشخص، نگهداری و سپس سرد کردن آن، عملیات حرارتی میگویند. در صنایع مختلف، گاهی به قطعاتی نیاز داریم که علاوه بر داشتن سطحی سخت، از چقرمگی مناسبی نیز برخوردار باشند. منظور از چقرمگی، توانایی ماده در برابر جذب انرژی و عدم تغییر شکل است. استفاده از عملیات حرارتی برای افزایش سختی سطح قطعه را سخت کاری میگویند. سخت کاری، آخرین فرایندی است که برای افزایش استحکام سطحی ماده انجام میگیرد. این نوع عملیات حرارتی به قطعه این امکان را میدهد تا خواص سختی و مقاومت به ضربه را درکنار هم داشته باشد. برای تولید برخی قطعات صنعتی مثل چرخ دنده، میل لنگ و … از سخت کاری استفاده میشود.
دمای مورد نیاز برای عملیات حرارتی به نوع آلیاژ فولاد و ابعاد قطعه وابسته است. هرچه ابعاد قطعه فولادی کوچکتر باشد، دمای مورد نظر کاهش پیدا میکند.
تشکیل مارتنزیت در فولادها موجب افزایش سختی، استحکام زیاد و مقاومت در برابر خستگی و سایش می شود. سختی حداکثر فولاد در ساختارهای کاملا مارتنزیتی ایجا میشود. برای ایجاد این ساختار بایستی نمونههای تحت عملیات حرارتی را با سرعت بالا سرد کرد. معمولا برای سریع سرد کردن از آب یا روغن استفاده میکنند.
مطلب پیشنهادی : هدبوشینگ
عوامل موثر بر سخت پذیری آهن
مقدار سختی پذیری آهن و مقاطع فولادی به عوامل زیر وابسته است:
– اندازه دانههای آستنیت
– درصد کربن
– عناصر آلیاژی
– ناخالصیهای نافلزی
– همگن بودن میکرو ساختار
روشهای سخت کاری
سخت کاری آهن با روشهای مختلفی صورت میگیرد. این روشها به دو دسته تقسیم بندی میشوند:
۱)عملیات ترموشیمی
دسته ای از روش های سخت کاری هستند که در آن ترکیب شیمیایی سطح، تغییر می کند. کربن دهی، نیتروژن دهی و کربن نیتروژن دهی روش هایی هستند که در این گروه قرار میگیرد.
۲) عملیات موضعی
روشهای مورد استفاده در این گروه، برخلاف گروه اول، ترکیب شیمیایی سطح را تغییر نمیدهند. دو روش سخت کردن شعلهای و سخت کردن القایی از جمله روش های عملیات حرارتی موضعی هستند.
در ادامه این مقاله با روش های سخت کاری آهن بیشتر آشنا خواهید شد.
روشهای سخت کاری
کربن دهی
قرار دادن قطعه فولادی در کنار یک ماده کربن ده مثل ذغال در دمای بالا، سختی سطح را افزایش میدهد. دمای بالا باعث آزاد شدن کربن از ماده کربن ده و نفوذ آن به سطح قطعه میشود. لازم به ذکر است که این فرایند زمان بر است. همچنین ضخامت لایه سطحی با زمان نگهداری رابطه مستقیم دارد. در پایان این فرایند، مغز قطعه فولاد کم کربن و سطح آن فولاد پر کربن خواهد بود.
بسته به حالت ماده کربن ده با سه نوع روش کربن دهی مواجه هستیم. این سه روش شامل کربن دهی جامد یا پودری، کربن دهی مایع و کربن دهی گازی میشود.
در کربن دهی جامد و مایع برای سرد کردن از روغن استفاده میکنند. البته در روش جامد، در صورت غوطه وری ناگهانی در روغن، امکان شکست وجود دارد. به همین دلیل خنک کردن سطح طی دو مرحله صورت میگیرد. در مرحله اول پس نشستن گرافیت بر روی سطح، نمونه در مجاورت هوا خنک میشود. در مرحله بعد مجددا نمونه را حرارت داده و این بار در روغن سرد میکنند. این کار به رشد ساختارهای مارتنزیت و سختی سطح منجر میگردد. روش کربن دهی گازی در مقایسه با دو روش دیگر جدیدتر میباشد. همچنین برای تولید انبوه، این روش سریع و اقتصادی خواهد بود.
نیتروژن دهی
نیتروژن اتمی با ایجاد ترکیب نیترید فلزی در سطح، سختی را افزایش میدهد. این روش برای سخت کاری اکثر فولادها مناسب میباشد. اما نیتروژن دهی فولادهای آلیاژی با عناصری مثل آلومینیوم، کرم، مولیبدن و وانادیم سختی بیشتری ایجاد میکند. این روش در مقایسه با روش کربن دهی، در دماهای کمتری انجام میگیرد. علاوهبر آن قطعه در پایان عملیات حرارتی، در مجاورت هوا سرد میشود.
کربن – نیتروژن دهی
در این روش نیتروژن و کربن به طور همزمان جذب سطح شده و به این ترتیب سختی افزایش پیدا میکند. حضور این عناصر در سطح، باعث تفاوت ترکیب شیمیایی سطح و مغز قطعه میشود. این روش عموما در محیطهای گازی انجام میگیرد.
نیروژن – کربن دهی
تفاوت این روش در مقایسه با روش قبلی در دماهای کمتری انجام میشود. نیتروزن کربن دهی به دو صورت گازی و مایع امکان پذیر است.
سخت کردن شعله ای
یک ماده طی سه مرحله عملیات حرارتی میشود. مرحله اول که حرارت دادن برای رسیدن به دمای مشخص است. در این روش، به کمک مشعل اکسیژن در کنار یک شعله گازی مثل استیلن، پروپان یا گاز طبیعی سطح قطعه حرارت داده میشود. پس از نگهداری سطح در دمایی مشخص، ساختار فولاد کاملا آستنیتی خواهد شد. در نهایت تمام قطعه درون آب غوطه ور شده و سرد میشود. لازم به ذکر است که سخت کاری سطحی با استفاده از این روش سطح را اکسید و درصد کربن را کم میکند. به کمک شعلههای اکسید کننده ضعیف یا احیا کننده میتوان تا حدی از بروز این عیب جلوگیری کرد.
سخت کردن القایی
سخت کردن القایی (به انگلیسی: Induction hardening)، نوعی سخت کاری سطحی است. این عملیات به منظور افزایش مقاومت در برابر سایش و خوردگی و سختی لایه خارجی است، که هدف همهٔ این عملیات افزایش طول عمر ماده مورد نظر است.
بهطور کلی روشهای مورد استفاده برای سخت کردن سطحی به دو گرو عمده تقسیم میشوند:
در روش نوع اول تلاش بر تغییر ترکیب شیمیایی لابه خارجی بوده که با استفاده از نفوذ صورت میگیرد که به عملیات حرارتی-شیمیایی معروف است. در این روش سعی بر آن است که اتمهای خارجی با ویژگیهای مورد نیاز سطح به لایه خارجی سطح نفوذ میدهند تا سختی لایه خارجی را افزایش بدهند. برای مثال به منظور افزایش مقاومت سطحی آهن میتوان ازاتمهای کربن یا ازت یا بهطور همزمان از هر دو استفاده کرد.
توجه شود که در این عملیات اتمهای نفوذی باید شعاع اتمی بسیار کوچکی در مقابل اتمهای سطح نفوذ داشته باشند تا بتوانند به راحتی و با انرژی کمی بین اتمهای سطح نفوذ کنند و ساختار کریستالی جدیدی به وجود آورند.
در روش دوم مبنا بر این است که ترکیب شیمیایی تغییر نکند پس با عملیاتی روبرو هستیم که همراه با تغییرات فیزیکی ماده است.
از جمله مثالهای روش دوم میتوان به سخت کردن سطح توسط شعله حرارتی یا سخت کردن القایی اشاره کرد. حال سراغ روش اول رفته و فرایندهای سختی کردن همراه با تغییر ترکیب شیمیایی را مورد بررسی قرار میدهیم.
نتیجه گیری نهایی
همان طور که گفته شد، فرآیند سختکاری برای سختکردن سطح قطعه است بدون آن که ساختار شیمیایی آن، دستخوش تغییراتی شود. در بسیاری از کاربردهای صنعتی به قطعاتی نیاز است که دارای سطحی سخت باشند و در عین حال از چقرمگی خوبی نیز برخوردار باشند. به عنوان مثال، قطعاتی مانند میل لنگ، بادامک و چرخدندهها علاوه بر این که باید سطحی بسیار سخت در برابر سایش داشته باشند، باید در برابر ضربات حین کار نیز مقاوم باشند.
