عملیات حرارتی سطحی
عملیات حرارتی سطحی
اغلب اوقات قطعات فلزی در شرایط کاربردی متفاوت، نیاز به سختی و استحکام بالا در سطح و در عین حال استحکام و چقرمگی در بالک خود دارند که سخت‌کاری سطحی، مسیری برای رسیدن به این هدف می‌باشد. این عملیات حرارتی موجب سخت‌تر شدن سطح یک قطعه نبست به مغز آن می‌گردد. به عبارت دیگر هم سختی سطح افزایش یافته و هم هسته قطعه نرم و انعطاف‌پذیر باقی مانده است. این ویژگی‌های به دست آمده سبب مقاومت قطعه در برابر تنش‌های مکانیکی، خستگی و خوردگی شود، در حالی که هسته داخلی چقرمگی و انعطاف‌پذیری خود را حفظ می‌کند. همچنین لازم به ذکر است که این فرآیند باید به عنوان آخرین مرحله ساخت، پس از تمامی مراحل ماشین‌کاری و.. انجام گیرد.
روشهای مختلفی برای سخت‌کاری سطحی وجود دارد که می‌توان آن‌ها را به دو دسته تقسیم نمود: 1) روش نفوذ ترموشیمیایی (با ایجاد تغییر در ترکیب شیمیایی) ، 2) روش اعمال انرژی (عدم تغییر ترکیب شیمیایی).
انواع سخت‌کاری سطحی
نفوذ ترموشیمیایی
در این روش، عناصر آلیاژی مانند کربن، نیتروژن یا بور به سطح قطعه نفوذ کرده و با تشکیل ترکیبات سخت، سختی سطح افزایش می‌یابد. در حقیقت منجر به تغییر ترکیب شیمیایی سطح فولاد شده که شامل موارد ذیل می‌باشند:
کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربونیتروره کردن، بوردهی، فرآیندهای نفوذی جانشینی، سخت کردن پلاسمایی.
کربن‌دهی گازی
در این فرآیند، قطعه فولادی کم‌کربن در محیطی غنی از کربن (مانند گاز، مایع یا جامد) در دمای بالا قرار می‌گیرد. در این دما، اتم‌های کربن به داخل شبکه کریستالی فولاد نفوذ کرده و غلظت کربن در سطح را افزایش می‌دهند. پس از رسیدن به غلظت کربن موردنظر، قطعه کوئنچ می‌شود تا ساختار مارتنزیتی سخت و شکننده در سطح ایجاد شود. کربن‌دهی گازی نسبت به روشهای کربن‌دهی جامد و مایع، فناوری به روزتر بوده و به‌عنوان اقتصادی‌ترین و سریع‌ترین روش کربن‌دهی برای تولید انبوه شناخته شده است. هنگامی که ضخامت لایه سطحی کربوره شده کم مدنظر باشد، این روش حائز اهمیت است. علاوه بر این، کنترل دقیق‌تر و راحت‌تر بر کربن سطح، مزیت این روش است.
بدین ترتیب، قطعه فلزی که عملیات نشده، مغز آن را فولاد کم کربن و سطح آن را فولاد پر کربن تشکیل می‌دهد. پس از انجام کربوره‌سازی، در سطح مارتنزیت پر کربن تشکیل شده و بنابراین سختی سطح به میزان چشمگیری افزایش خواهد یافت؛ در حالی که مغز قطعه هنوز دارای همان درصد کربن اولیه است.
نیتروژن‌دهی
واردکردن نیتروژن اتمی به جای کربن در لایه سطحی فولاد و تشکیل نیترید فلزی تا یک لایه سخت و مقاوم به سایش در سطح حاصل شود. امکان نیتروژن‌دهی برای بسیاری از فولادها وجود دارد اما تنها زمانی می‌توان سختی زیاد در سطح را به دست آورد که قطعه مورد نظر از جنس فولادهای آلیاژی مخصوص شامل عناصر آلیاژی نظیر آلومینیوم، کروم، مولیبدن و یا وانادیم باشد. این عناصر تمایل زیاد به واکنش با نیتروژن داشته و نیتریدهای پایدار و سخت را تشکیل خواهند داد. فرآیند نیتروره کردن در دمای پایین‌تر از کربوره انجام گرفته و عمق لایه نیتروره‌شده نیز نسبت به کربوره کمتر می‌باشد.
کربونیتروره‌سازی
ترکیبی از دو فرآیند کربوره و نیتروره کردن است. کربن و نیتروژن به طور همرمان به سطح فولاد نفوذ کرده و یک لایه سخت و مقاوم به سایش و خوردگی را ایجاد می‌نمایند. در این روش سطح قطعه عمدتاً نیتروژن‌دهی شده ولی چون مقداری کربن نیز جذب می‌شود، سختی قطعه بیشتر از حالت تنها نیتروره‌شده است
اعمال انرژی
از انرژی به منظور تغییر ساختار سطحی قطعه استفاده شده و بدون تغییر در ترکیب شیمیایی سطح و تنها به کمک عملیات حرارتی که در لایه سطحی متمرکز شده، باعث سخت شدن سطح می‌شوند. این فرآیندها به عملیات حرارتی موضعی نیز معروف‌اند که شامل روشهای ذیل هستند:
سخت‌کاری شعله‌ای، سخت‌کاری القایی، سخت‌کاری به کمک لیزر، سخت‌کاری توسط پرتو الکترونی.
در بین فرآیندهای اشاره شده، کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربونیتروره، سخت‌کاری شعله‌ای و سخت‌کاری القایی دارای قدمت بیشتری می‌باشند.
سخت‌کاری شعله‌ای
با اعمال شعله‌ای با دمای بالا به سطح قطعه، آن ناحیه تا دمای آستنیته شدن گرم شده و بلافاصله سریع سرد می‌شود. این سردسازی سریع باعث ایجاد ساختار مارتنزیتی در سطح شده و سختی سطح را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. معایب عمده این روش، اکسایش سطح و یا کاهش درصد کربن سطح قطعه است. این امر ناشی از تماس مستقیم قطعه گرم شده با اکسیژن هوا بوده که ان را تا حدودی می‌توان کاهش داد و یا حذف نمود.
سخت‌کاری سطحی القایی
سخت‌کاری القایی یک روش گرمایش الکتریکی بوده که با قراردادن قطعه فلزی موردنظر در داخل یک میدان مغناطیسی با هدف ارتقای سختی و استحکام، عمر مفید قطعه و نیز بهبود مقاومت به سایش انجام می‌شود. به طوری که با اعمال میدان مغناطیسی در داخل یک کویل توسط جریان‌های متناوب، حرارت موردنیاز تولید می‌گردد. این روش به صورت حرارت‌دهی القایی برای آستنیته‌شدن سطح فولاد در کمترین زمان، سپس سردسازی سریع آن با قرارگیری یا انداختن قطعه در آب و در نهایت تشکیل یک لایه سخت با عمق متغیر وابسته به فرکانس، انجام می‌گیرد. لازم به ذکر است که به دلیل اینکه همه فلزات خواص رسانایی الکتریکی را دارا می‌باشند، فرآیند فوق به خوبی برای تمامی فلزات در قطعات خودروسازی همچون شافت‌ها، ابزارهای برش و ابرازآلات صنعتی و نیز قطعات ماشین‌آلات مورد استفاده قرار گرفته است.
عملیات حرارتی سطحی به کمک لیزر
سخت‌کاری سطحی به کم لیزر روشی پیشرفته بوده که به‌طور گسترده برای سخت‌کاری موضعی قطعات فولادی و یا چدنی ماشین‌آلات استفاده می‌شود. در این روش، با تاباندن پرتوی لیزر به سطح قطعه، ناحیه کوچکی به سرعت تا دمای بسیار بالا گرم شده و این حرارت به منظور جلوگیری از ذوب‌شدن سطح، به نحوی کنترل می‌گردد. با هدایت حرارت به سمت مغز قطعه، سردشدن سریع خودبه‌خود انجام شده و ناحیه مورد نظر به مارتنزیت تبدیل می‌شود. این شوک حرارتی موجب ایجاد تغییرات میکروساختاری در سطح شده ودر نتیجه سختی و مقاومت به سایش را به طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. این فرآیند روش بسیار مناسب برای سخت‌کاری سطحی موضعی قطعات ماشین‌آلات نظیر میل‌لنگ و میل بادامک می‌باشد.
سخت‌کاری توسط پرتوی الکترونی
مشابه با عملیات لیزری، پرتوی الکترونی نیز روشی پیشرفته برای سخت‌کاری سطحی فولادهاست. در این روش، از یک انرژی متمرکز پرتوی الکترونی برای افزایش به منظور تولید حرارت و در نهایت بهبود سختی و مقاومت به سایش سطح قطعات فلزی استفاده می‌شود. برای تولید یک پرتو الکترونی، به خلأ زیاد به منظور جلوگیری از اکسایش المان ساطع‌کننده الکترون و جلوگیری از پراکنده‌شدن الکترون‌ها در حین حرکت در محفظه نیاز است. مشابه با سخت‌کاری لیزری، در این فرآیند نیز نیازی به سردسازی سریع قطعه نیست اما ابعاد قطعه باید در حدی باشد که سردشدن سریع خودبه‌خودی سطح امکان‌پذیر شود.
برای انتخاب بهترین روش سخت‌کاری سطحی در یک قطعه خاص، باید عوامل مختلفی همچون جنس قطعه، ابعاد، شکل هندسی، کاربرد و شرایط کاری آن در نظر گرفته شود. شرکت سخت‌افزا با تخصص و تجهیزات پیشرفته خود، خدمات با کیفیت در حوزه عملیات حرارتی و سخت‌کاری سطحی ارائه می‌دهد که منجر به بهبود عمکرد، بهبود خواص سطحی و طول عمر قطعات مشتریان می‌شود.
