سختکاری سطحی یک فرآیند متالورژیکی است که به ما امکان می‌دهد قطعات ویژه‌ای با خواص منحصر به فرد ایجاد کنیم. در این مقاله، به بررسی این که چیست، فرآیند آن و کاربردهای آن می‌پردازیم.
سخت کاری سطحی (Case Hardening) چیست؟
سختکاری سطحی یک فرآیند عملیات حرارتی است که سطح یک زیرلایه فلزی را سخت می‌کند در حالی که مغز آن نرم باقی می‌ماند و این امکان را می‌دهد که بهترین خواص یک فلز نرم و سخت را در یک قطعه ترکیب کنیم.
یک ماده نرم می‌تواند نیروهای ضربه‌ای را بهتر از یک ماده سخت تحمل کند. همچنین، چقرمه‌تر، انعطاف‌پذیرتر و قوی‌تر است اما مقاومت کافی در برابر سایش ندارد. مقاومت خوب در برابر سایش برای اطمینان از اینکه ماده به دلیل سایش یا اصطکاک از بین نرود، بسیار مهم است. با سخت کردن فقط سطح بیرونی، می‌توانیم سایش ماده را به طور قابل توجهی کاهش دهیم بدون اینکه سایر خواص را به خطر بیندازیم.
ما می‌توانیم سطح نازک سخت‌شده را از طریق روش‌های مختلفی مانند تغییر ساختار کریستالی و یا افزودن عناصر جدید به سطح به دست آوریم. اما بدون توجه به فرآیند، سختکاری سطحی تقریباً همیشه به دماهای بالا نیاز دارد.
کاربرد سخت کاری سطحی
ما از سختکاری سطحی زمانی استفاده می‌کنیم که نیاز به بهبود سختی سطح مواد نرم‌تری مانند آهن یا قطعات فولادی با کربن کم داریم. روش استاندارد این است که سختکاری سطحی پس از اتمام تمام عملیات ماشین‌کاری و شکل‌دهی انجام شود، زیرا این فرآیند قابلیت ماشین‌کاری قطعه را کاهش می‌دهد. اما ممکن است در مراحل اولیه فرآیند تولید نیز انجام شود. برخی از مواردی که در آن‌ها از سختکاری سطحی استفاده می‌شود عبارتند از:
- بودجه کم
تفاوت قیمت قابل توجهی بین فولاد کم‌کربن و فولاد ابزار مانند فولاد سرعت بالا وجود دارد. این تفاوت در برخی موارد می‌تواند بیش از 20 برابر باشد. بنابراین، هنگامی که بودجه محدود است، می‌توانیم از فولاد کم‌کربن سختکاری سطحی شده به جای فولاد ابزار استفاده کنیم.
همچنین، سختکاری سطحی نسبت به سختکاری عمقی نیاز به انرژی و زمان کمتری دارد، زیرا کل مقطع سخت نمی‌شود. بنابراین، علاوه بر کاهش هزینه مواد اولیه، می‌توانیم در منابع تولیدی نیز صرفه‌جویی کنیم.
- ویژگی های منحصر به فرد
ترکیب یک هسته داخلی نرم با یک لایه خارجی سخت ویژگی‌های منحصر به فردی ارائه می‌دهد که در بخش قبلی مورد بحث قرار گرفت. سختکاری سطحی به ما اجازه می‌دهد تا از این ویژگی‌ها استفاده کنیم. کوپلینگ‌های سختکاری سطحی شده مثال‌هایی از قطعاتی هستند که دوام و استحکام را به همراه دارند. این قطعات می‌توانند ناسازگاری‌های کوچک را بهتر از قطعات سختکاری شده عمقی تحمل کنند.
- عدم دسترسی به مواد
وقتی دسترسی به مواد مسئله‌ساز است، می‌توانیم از فولاد کم‌کربن سختکاری سطحی شده استفاده کنیم؛ به ویژه در کاربردهای غیر بحرانی. در بسیاری از مکان‌ها، درجات مورد نیاز فولاد ابزار در اندازه‌های مختلف موجود نیست. تنها راه برای دستیابی به آن، خرید به اندازه‌ای بسیار بیشتر از نیاز است. بنابراین، به جای خرید آن، می‌توانیم فولاد کم‌کربن بخریم و آن را برای کاربردهای خود سختکاری سطحی کنیم.
- استفاده مبتنی بر کاربرد
گاهی اوقات در یک کاربرد فقط نیاز به سطح سخت می باشد. در چنین مواردی، به جای سختکاری عمقی، می‌توانیم فقط به سختکاری سطحی بپردازیم. مثال‌های مناسب این مورد شامل سوهان‌ها، پیچ‌ها و چرخ‌دنده‌ها هستند. برای مثال، در یک سوهان، دندانه‌ها تمام کار را انجام می‌دهند. بنابراین منطقی است که از فولاد کم‌کربن استفاده کنیم و فقط سطح را سخت کنیم. این کار ارزان‌تر از استفاده از فولاد ابزار یا حتی سختکاری عمقی است.
بیایید به مثال یک چرخ‌دنده بپردازیم. یک چرخ‌دنده نیاز به سختی بالایی در دندانه‌ها دارد تا مقاومت در برابر سایش داشته باشد. اما نیاز به سختکاری عمقی ندارد. در واقع، توصیه می‌شود هسته را نرم نگه داریم تا از شکست ناگهانی تحت بار جلوگیری شود. یک چرخ‌دنده سختکاری سطحی شده به ما امکان می‌دهد تا انعطاف‌پذیری و سختی سطح بالا را در یک قطعه ادغام کنیم.
فرآیند و روش های سخت کاری سطحی
اصل سختکاری سطحی بسیار ساده است. ما می‌خواهیم سطح یک ساختار سخت به نام مارتنزیت را تشکیل دهد. اما این ساختار تنها زمانی شکل می‌گیرد که قطعات فولادی در دماهای بالا کوئنچ شوند و به شرطی که محتوای کربن آلیاژ فولاد به اندازه کافی بالا باشد.
اگر محتوای کربن کافی باشد، فقط نیاز است که قطعه را گرم کرده و سریع سرد کنیم. اما اگر محتوای کربن کم باشد یا اگر نیاز به سختی بسیار بالا داشته باشیم، باید عناصری مانند کربن و نیتروژن به سطح ماده اضافه شوند. اکنون به فرآیندهای مختلفی که برای رسیدن به سختکاری سطحی بر اساس اصول ذکر شده استفاده می‌شوند، می‌پردازیم.
- گرم کردن و کوئنچ کردن (Heating & Quenching)
در این روش، قطعه فولادی تا دمای بالا گرم می‌شود و سپس به سرعت در محیطی مانند آب، روغن یا هوا سرد می‌شود. این فرآیند باعث تشکیل مارتنزیت در سطح قطعه می‌شود که سختی و مقاومت در برابر سایش را افزایش می‌دهد. برای قطعاتی که دارای محتوای کربن کافی هستند، این روش می‌تواند به تنهایی مورد استفاده قرار گیرد.
- کربوره کردن (کربن دهی _ Carburising)
اگر سطح کربن زیر 0.3% باشد، باید قبل از اعمال فرآیند گرم کردن و کوئنچ کردن، کربن بیشتری به قطعه اضافه کنیم. یکی از راه‌های انجام این کار، گذراندن قطعه از فرآیند کربوره کردن است.
در کربوره کردن، قطعه فولادی در حضور یک منبع کربن خارجی به مدت زمان مشخصی گرم می‌شود. در دماهای بالا، کربن از ماده کربن‌دار به داخل فلز نفوذ می‌کند. دماهای بالاتر و زمان‌های گرمایش طولانی‌تر باعث جذب عمیق‌تر کربن به سطح فلز می‌شود.
سه روش اصلی وجود دارد: کربوره کردن بسته‌ای، کربوره کردن مایع و کربوره کردن گازی. در مقایسه با کربوره کردن بسته‌ای، کربوره کردن مایع و گازی بهتر می‌توانند کربن را به داخل ماده نفوذ دهند. کربوره کردن معمولاً در حدود 930 درجه سانتی‌گراد (1700 درجه فارنهایت) انجام می‌شود.
پس از افزایش محتوای کربن در لایه سطحی فولاد توسط کربوره کردن، ما آن را تحت فرآیند سخت کردن شعله یا سخت کردن القایی قرار می‌دهیم تا سختی را افزایش دهیم.
نیتروژن دهی (Nitriding)
برای یک آلیاژ فولادی که حاوی عناصری مانند آلومینیوم، کروم و مولیبدن است، می‌توانیم از نیتروژن‌دهی برای سختکاری سطحی استفاده کنیم. قطعه در حضور گاز نیتروژن و آمونیاک تجزیه شده گرم می‌شود تا نیتریدها تشکیل شوند. نیتریدها همچنین سختی ماده را افزایش می‌دهند. سه نوع اصلی فرآیند نیتروژن‌دهی وجود دارد: نیتروژن‌دهی در حمام نمک، نیتروژن‌دهی گازی و نیتروژن‌دهی پلاسما.
نیتروژن‌دهی عموماً با دماهای پایین‌تر کار می‌کند زیرا قطعه تا دمای 620 درجه سانتی‌گراد (1150 درجه فارنهایت) گرم می‌شود. هر چه مدت زمان بیشتری در این دما نگه داشته شود، نفوذ و سخت شدن بیشتر خواهد بود.
سیانید کردن (Cyaniding)
سیانید کردن نوعی فرآیند سختکاری سطحی است که کربن و نیتروژن را در حضور نمک مبتنی بر سیانید نفوذ می‌دهد. قطعه ابتدا تا دمای 950 درجه سانتی‌گراد (1750 درجه فارنهایت) برای مدت زمان معینی گرم می‌شود.
پس از جذب کافی کربن و نیتروژن، قطعه کوئنچ شده و سپس شسته می‌شود تا بقایای سیانید از بین برود. این مرحله بسیار مهم است زیرا سیانید یک ترکیب سمی است و باید با دقت مورد استفاده قرار گیرد.
کربوریزه کردن (Carbonitriding)
کربوریزه کردن به افزودن کربن و نیتروژن به یک لایه نازک از سطح فولاد اشاره دارد. این روش مشابه کربوره کردن گازی است اما با محیط آمونیاکی. حضور آمونیاک، نیتروژن را برای فرآیند فراهم می‌کند. دمای کربوریزه کردن حدود 840 درجه سانتی‌گراد (1550 درجه فارنهایت) است که بین دماهای نیتروژن‌دهی و کربوره کردن قرار دارد. سپس ماده در روغن یا گاز کوئنچ می‌شود.
دمای پایین‌تر منجر به کاهش تغییر شکل در هنگام کوئنچ می‌شود. ماده حاصل می‌تواند سختی تا 60 HRC داشته باشد. این سختی بیشتر از چیزی است که با فرآیند کربوره کردن قابل دستیابی است.
قطعات کربونیز شده همچنین عملکرد بهتری در دماهای بالا ارائه می‌دهند. در حالی که قطعات فولادی کربوره شده بالای 200 درجه سانتی‌گراد شروع به از دست دادن سختی می‌کنند، قطعات کربونیز شده به دلیل ترکیب نیترید پایدار در ماتریس، سختی خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند.
بیشتر تولیدکنندگان میل‌لنگ موتور را از طریق فرآیند کربوریزه کردن سختکاری سطحی می‌کنند.
نیتروکربوره کردن فریتی (Ferritic Nitrocarburising)
نیتروکربوره کردن فریتی کربن و نیتروژن را به فولاد اضافه می‌کند در حالی که هنوز در فاز فریتی است. در فرآیندهای فوق، با گرم کردن ماده بالاتر از دمای بحرانی، ساختار میکرو از فریت به آستنیت تغییر می‌کند.
در نیتروکربوره کردن فریتی، ما به این دما نزدیک نمی‌شویم. ماده را در معرض محیط غنی از کربن و نیتروژن قرار می‌دهیم در حالی که هنوز در فاز فریتی است. سه نوع اصلی فرآیند وجود دارد: نیتروکربوره کردن فریتی در حمام نمک، نیتروکربوره کردن گازی و نیتروکربوره کردن یونی.
نتیجه گیری
فولاد سختکاری سطحی شده یک فرآیند سطحی پرکاربرد در صنعت امروز است. این فرآیند به ویژه در کاربردهایی که ارتعاشات، بارهای ضربه‌ای و عدم تطابق وجود دارد، بسیار مفید است. سختکاری سطحی در این کاربردها سختی عالی را فراهم می‌کند بدون اینکه تردی را افزایش دهد.