کربوره کردن یک فرآیند ترموشیمیایی سنتی و قابل اعتماد است که توسط کارگاه‌های کوچک و همچنین صنایع بزرگ برای سخت کردن قطعات فولادی با کربن کم استفاده می‌شود. این روش در طول سال‌ها به دلیل اتوماسیون و درک بهتر ترمودینامیک و سینتیک واکنش شیمیایی شاهد پیشرفت‌های چشمگیری بوده است.
در این مقاله، ما به بررسی این فرآیند می‌پردازیم تا نحوه کارکرد آن، مزایایی که ارائه می‌دهد و رایج‌ترین روش‌های آن را درک کنیم. بیایید با تعریف کربوره کردن شروع کنیم.
کربوره کردن چیست؟
کربوره کردن یک فرآیند عملیات حرارتی است که با اضافه کردن کربن به سطح فلز، خواص مکانیکی مانند سختی را بهبود می‌بخشد.
با توجه به اینکه افزودن کربن محدود به سطح است، این فرآیند یک لایه سخت در اطراف قطعه و بر روی سطح آن تشکیل می‌دهد. بنابراین، فرآیند کربوره کردن نوعی فرآیند سختکاری سطحی است. دیگر نمونه‌های فرآیندهای سختکاری سطحی شامل نیتریده کردن، کربونیتریده کردن، نیتروکربوره کردن فریتیک و غیره هستند.
چه زمانی از کربوره کردن استفاده می شود؟
کربوره کردن معمولاً برای سخت کردن سطوح خارجی قطعات فولادی پس از ماشین‌کاری آن‌ها به شکل نهایی استفاده می‌شود. مقدار کربن در ترکیب یک قطعه به طور مستقیم سختی نهایی را تعیین می‌کند. اگر محتوای اولیه کربن کم باشد، فقط حرارت دادن و خاموش کردن قطعه برای افزایش سختی کافی نیست.
برای چنین قطعاتی، ابتدا باید مقدار کربن ماده را افزایش دهیم. این کار از طریق کربوره کردن انجام می‌شود. با دستکاری عوامل در یک فرآیند کربوره کردن، می‌توانیم مقدار کربن را به غلظت‌ها و عمق‌های مورد نظر از سطح افزایش داده و سپس قطعه را به صورت لازم سخت کنیم.
این فرآیند برای فولادهای کم‌کربن که یا فولادهای کربنی ساده هستند یا فولادهایی با عناصر آلیاژی، ایده‌آل است.
مزایای کربوره کردن
فرآیند کربوره کردن دارای مزایای بسیاری است. در نتیجه، این روش در صنایع مختلف برای ارائه قطعات سختکاری شده سطحی به طور گسترده پذیرفته شده است. بیایید نگاهی به برخی از این مزایای آن بیندازیم:
- فرآیند ساده و چند منظوره
این فرآیند ساده است و در بسیاری از موارد می‌توان آن را در کوره‌های ابتدایی توسط کارگران غیرماهر انجام داد. این فرآیند با طیف وسیعی از فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی و چدن‌ها که حداکثر محتوای کربن آن‌ها 0.4٪ است، کار می‌کند.
همچنین می‌تواند با طرح‌های بسیار پیچیده کار کند، به شرطی که نرخ‌های خنک‌سازی نابرابر بخش‌های مختلف مد نظر قرار گیرند. در غیر این صورت، ماده تنش زیادی پیدا کرده و می‌شکند.
- کم هزینه
کربوره کردن می‌تواند قطعاتی با سختی مشابه با فولاد ابزار فراهم کند بدون اینکه هزینه‌های بالای آن را داشته باشد. البته، محدودیت‌هایی وجود دارد، مانند دمای کاری مجاز و دوام، اما فولاد کربوریزه شده می‌تواند در بسیاری از کاربردها بدون ایجاد مشکلات ایمنی یا عملکردی جایگزین فولادهای گران‌قیمت شود.
- تولید تیراژی و انبوه
کربوره کردن برای تولید در حجم بالا مناسب است زیرا این فرآیند می‌تواند خودکار شده و به طور مداوم دسته‌های بزرگی از محصولات سختکاری شده سطحی را تولید کند.
- کنترل ابعادی خوب
قطعات تقریباً همیشه تحت تغییر شکل‌های جزئی قرار می‌گیرند، اما در مقایسه با سایر عملیات‌های حرارتی، تغییرات کوچکتر و قابل مدیریت‌تر هستند.
- مقاومت به سایش و انعطاف پذیری بالا
مقاومت به سایش و انعطاف‌پذیری معمولاً در مواد متناقض هستند. یک سطح مقاوم به سایش از طریق سختکاری یک قطعه کار به دست می‌آید. اما سختکاری همچنین یک ماده را شکننده می‌کند، که به معنای از دست دادن انعطاف‌پذیری و به همراه آن، مقاومت به ضربه است. سختکاری سطحی به ما قطعاتی می‌دهد که در سطح سخت هستند اما دارای یک هسته نرم و مقاوم هستند. این امکان را فراهم می‌کند که قطعات همزمان دارای مقاومت به سایش بالا و انعطاف‌پذیری باشند.
بنابراین، یک قطعه می‌تواند بارهای ضربه‌ای را تحمل کرده و همچنین به خوبی در برابر سایش مقاومت کند.
- مقاومت به خستگی بالا
قطعات کربوریزه شده مقاومت به خستگی بالایی دارند به دلیل ساختار منحصربه‌فرد آن‌ها. هسته مقاوم به همراه لایه سخت خارجی به آن اجازه می‌دهد تا بارهای خستگی بالاتری را تحمل کند. همانطور که در مورد فولاد 18 CrNiMo7-6 سختکاری شده دیده می‌شود، حد خستگی پس از کربوره کردن حدود 60٪ بیشتر از قبل است.
علاوه بر این، سختی سطح بالاتر مانع از شروع ترک‌های خستگی شده و حالت شکست خستگی را از شکست سطحی به شکست داخلی تغییر می‌دهد.
فرآیند های کربوره کردن
فرآیند کربوره کردن کربن را به سطح فلز اضافه می‌کند. این کار با حرارت دادن فلز در یک اتمسفر غنی از کربن انجام می‌شود. در دماهای بالاتر، کربن یا به محلول جامد ماده نفوذ می‌کند یا کاربیدها را تشکیل می‌دهد. برای هر دو فرآیند، دماهای بالا ضروری است.
اگر کربن فقط وارد محلول جامد شود، باید عملیات حرارتی بیشتری انجام دهیم تا سختی فلز را به حداکثر برسانیم. سطح باید عاری از هرگونه آلودگی مانند روغن یا لایه اکسیدی باشد تا نفوذ آسان به سطح امکان‌پذیر باشد. کاربیدها، از طرف دیگر، مواد طبیعی سخت با نقطه ذوب بالا هستند. برای افزودن کربن به سطح فلز، می‌توان از چهار مکانیزم مختلف استفاده کرد. تفاوت در نحوه قرار گرفتن ماده پایه در معرض ماده غنی از کربن است.
کربوره کردن جامد یا بسته ای
یکی از قدیمی‌ترین و ارزان‌ترین روش‌های کربوره کردن، کربوره کردن بسته‌ای است. در این روش، قطعه کار فلزی در حضور مواد کربنی جامد مانند ذغال زنده خرد شده، به عنوان مثال، قرار می‌گیرد. به همین دلیل این روش به عنوان کربوره کردن جامد نیز شناخته می‌شود.
حالا بیایید بیشتر به کربوره کردن بسته‌ای پرداخت کنیم و فرآیند آن را برای فولاد کربن 1018 شرح دهیم. این فرآیند شامل سه مرحله اصلی است:
افزودن کربن
حرارت‌دهی
تسکین تنش یا تمپرینگ
افزودن کربن
فولاد در تماس با مواد کربنی بر روی همه طرف‌ها در یک جعبه فولادی محکم مهر و موم می‌شود. مواد گچی مقاوم به حرارت مانند خاک آتش‌سوزی می‌تواند برای مهر و موم جعبه استفاده شود. پس از مهر و موم، جعبه در کوره قرار داده می‌شود و در دمای حدود 925 درجه سانتی‌گراد (حدود 1700 درجه فارنهایت) حدود 8 تا 10 ساعت گرم می‌شود. در کوره، دی‌اکسید کربن از مواد کربنی جدا شده به کربن مونواکسید و کربن عنصری تبدیل می‌شود. کربن به فلز نفوذ می‌کند. در طول زمان، این فرآیند باعث افزایش ترکیب کربن لایه‌های سطحی می‌شود. نرخ جذب و عمقی که کربن به آن می‌رسد، به زمان، دمای کوره و جو بستگی دارد.
بعد از اینکه قطعه کافی کربن جذب کرد، جعبه از کوره خارج شده و قطعه از جعبه فولادی خارج می‌شود. در این مرحله، فلز هنوز نرم است اما دارای پتانسیل کربن بالاتری است.
حرارت‌دهی
حالا زمان آن است که فرآیند حرارت‌دهی برای افزایش سختی انجام شود. فولاد به طور مستقیم در کوره قرار می‌گیرد و در حدود 790 درجه سانتی‌گراد (حدود 1450 درجه فارنهایت) نگه داشته می‌شود. این اجازه می‌دهد تا ساختار میکروسکوپی پرلیت به طور کامل به آستنیت تبدیل شود.
قطعات از کوره خارج شده و به سرعت در آب تبرید می‌شوند. سرد شدن سریع اجازه تبدیل معکوس به آستنیت را نمی‌دهد و به جای آن، ساختار میکروسکوپی مارتنزیتی تشکیل می‌دهد که بسیار سخت است.
تسکین تنش یا تمپرینگ
سریع خنک شدن ممکن است منجر به تشکیل تنش‌های داخلی در قطعه شود. توصیه می‌شود که این تنش‌ها را با تمپرینگ کاهش دهیم - گرم کردن به دمای پایین‌تر حدود 205 درجه سانتی‌گراد (حدود 400 درجه فارنهایت) به مدت حدود یک ساعت و این بار قطعه را در هوا سرد کنیم.
بعد از این تمام مراحل، ما یک قطعه فولاد 1018 با قابلیت هاردکیس نتیجه‌گرفته‌ایم که تا شش برابر سختی قطعه بدون درمان است. با وجود مزایای آشکار آن، روش کربوره کردن بسته‌ای امروزه به دلیل آهستگی آن نسبت به برخی از روش‌های مدرن، در استفاده‌های تجاری رایج نیست. اما هنوز در کارگاه‌های کوچک کاربرد دارد که فرآیند برای تقویت سطحی دنده‌های بزرگ، چاقوها، شفت‌ها و غیره استفاده می‌شود.
کربوره کردن در وکیوم
در روش کربوره کردن در واکیوم، انتشار کربن در یک کوره واکیوم یا با فشار پایین اتفاق می‌افتد. قطعه فلزی با پروپان تماس می‌گیرد که به سرعت به عناصر کربن و هیدروژن تجزیه می‌شود. کربن به راحتی جذب می‌شود و در دماهای پایین‌تر نسبت به روش‌های دیگر اتفاق می‌افتد که هم زمان صرفه‌جویی در زمان و پول می‌کند.
این فرآیند همچنین هیچ گاز مضری را انتشار نمی‌دهد. بنابراین، در کربوره کردن در واکیوم، ما یک فرآیند سریع، پایدار و با هزینه مناسب داریم که می‌توانیم آن را به دقت کنترل کنیم. به همین دلیل از کربوره کردن در وکیوم برای تولید ابزارهای دقیق، دنده‌ها و قطعات پیچیده که نیاز به درجه بالای دقت دارند، استفاده می‌شود.
کربوره کردن مایع (سیانیدینگ)
همانطور که از نامش پیداست، کربوره کردن مایع در حمام‌های نمکی ذوب شده انجام می‌شود. نمک‌ها نمک‌های مبتنی بر کربن هستند. از آنجا که اغلب از نمک سیانید سدیم استفاده می‌شود، این فرآیند همچنین به نام سیانیدینگ شناخته می‌شود.
این فرآیند در دماهای 850 تا 900 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود و سریع‌ترین از تمام فرآیندهای کربوره کردن است. با این حال، حین انجام این فرآیند نیاز به احتیاط فراوان است زیرا سیانید بسیار سمی برای انسان‌ها است.
دنده‌ها و مهره‌ها و پیچ‌ومهره‌ها معمولاً با استفاده از فرآیند کربوره کردن مایع هاردن می‌شوند.
کربوره کردن گازی
وقتی که جو غاز منبع کربن برای فرآیند کربوره کردن است، به آن کربوره کردن گازی گفته می‌شود. غازهای معمول استفاده شده برای کربوره کردن پروپان و متان هستند. زمانی که این غازها به فولاد گرم در حضور مقدار محاسبه‌شده‌ای از هوا و کاتالیست‌ها انعطاف می‌کنند، در سطح فلزی به کربن عنصری تجزیه می‌شوند که سپس در سطح جذب می‌شود.
دمای کربوره کردن معمول برای این فرآیند حدود 925 درجه سانتی‌گراد (1700 درجه فارنهایت) است. با کنترل دما و جو، می‌توانیم این فرآیند را به خوبی کنترل کنیم. این باعث می‌شود که برای تولید انبوه مناسب باشد. معمولاً شافت‌های موتور با استفاده از روش کربوره کردن گازی کربوریزه می‌شوند.