سخت‌کاری حدید به منظور افزایش سختی سطحی آن، انجام میشود. در بسیاری از کاربردها، قطعه‌ای نیاز است که دارای سختی سطحی و در عین حال چقرمگی و مقاومت به ضربه نسبتا مناسبی باشد.این روشها عبارتند از کوئنچ و تمپرینگ و نیتروژن و کربن دهی که هر کدام هدف منحصر به فردی را دنبال می‌کنند.کوئنچ یک فرآیند خنک کننده سریع است و تمپرینگ یک فرآیند گرمایش کنترل شده است. برای آشنایی بیشتر با سخت‌کاری حدید و روشهای آن ادامه این مطلب را مطالعه کنید.
سخت کاری چیست؟
سخت کاری یا هاردنینگ یک فرآیند عملیات حرارتی است که شامل قرار دادن آهن و فولاد در معرض گرمایش کنترل شده و متعاقب آن سرد شدن سریع است. هدف اصلی آن بهبود استحکام، سختی، دوام و خواص مکانیکی کلی این فلزات است. در طول فرآیند سخت کاری، ریزساختار فلزات دستخوش دگرگونی‌هایی مانند تشکیل مارتنزیت یا افزایش محتوای کربن میشود که منجر به افزایش خواص مواد میشود.
اهمیت سخت کاری در صنعت تولید به چند ترتیب است. آهن و فولاد سخت شده سختی بیشتری را نشان می‌دهند که مقاومت آنها را در برابر سایش، تغییر شکل و فرورفتگی بهبود می‌بخشد. این ویژگی باعث میشود آنها برای کاربردهای سخت که شامل بارهای زیاد، محیط‌های ساینده یا ضربه‌های تکراری هستند مناسب باشند.
سخت کاری باعث افزایش استحکام و دوام آهن و فولاد میشود. هاردنینگ با دستکاری ریزساختار ماده، استحکام کششی، چقرمگی و مقاومت آن در برابر شکست را افزایش می‌دهد. در نتیجه، قطعات آهن و فولاد سخت شده می‌توانند سطوح تنش بالاتری را بدون تجربه تغییر شکل یا شکست تحمل کنند و طول عمر و قابلیت اطمینان قطعات و سازه‌های مهم را تضمین کنند.
تبدیل فاز در سخت‌کاری حدید و فولاد
فرآیند سخت کاری آهن و فولاد شامل دگرگونی‌های فازی جذابی است که در تعیین خواص نهایی مواد بسیار مهم است. دگرگونی‌های فازی به تغییراتی اطلاق میشود که در ریزساختار این فلزات در نتیجه گرمایش و سرمایش ایجاد میشود. آهن و فولاد فازهای مختلفی دارند که مهمترین آنها فریت، آستنیت و مارتنزیت است. فریت اساساً آهن خالص است و ساختاری نسبتاً نرم و انعطاف پذیر دارد. آستنیت محلول جامدی از آهن و کربن است و ساختار کریستالی مکعبی (FCC) دارد. این ماده در دمای اتاق ناپایدار است و معمولاً با حرارت دادن فولاد بالاتر از دمای بحرانی آن تشکیل میشود.
سرعت سرد شدن و ترکیب آلیاژ بر تغییر فاز در آهن و فولاد در طول سخت کاری تأثیر عمیقی می‌گذارد. وقتی فولاد به سرعت سرد میشود، تبدیل آستنیت به مارتنزیت رخ می‌دهد. سرعت خنک کنندگی بالا به حفظ ساختار سخت و مارتنزیتی کمک می‌کند و در نتیجه باعث افزایش سختی و بهبود استحکام میشود. سرعت سرد شدن کندتر می‌تواند منجر به تشکیل فازهای دیگری مانند بینیت یا پرلیت شود که خواص ساختاری و مکانیکی متفاوتی دارند.
ترکیب آلیاژ نیز نقش مهمی در تبدیل فاز دارد. افزودن عناصری مانند کربن، منگنز وکروم به آهن، رفتار مواد را در طول سخت کاری تغییر می‌دهد. وجود عناصر آلیاژی بر دماهای بحرانی که در آن دگرگونی‌های فازی رخ می‌دهد تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال محتوای کربن تشکیل فازهای مختلف، با سطوح کربن بالاتر به نفع تشکیل مارتنزیت سخت تر را تسهیل می‌کند.
روشهای عملیات سخت کاری
روشهای مختلف عملیات سخت‌کاری حدید برای دستیابی به سختی و استحکام مطلوب در آهن و فولاد استفاده میشود. دو روش اصلی عبارتند از کوئنچ و تمپرینگ که هر کدام هدف منحصر به فردی را دنبال می‌کنند. کوئنچ یک فرآیند خنک کننده سریع است که شامل غوطه ور کردن آهن یا فولاد گرم شده در یک محیط، معمولاً آب یا روغن است.
هدف این روش تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت و در نتیجه افزایش سختی و شکنندگی است. سرعت سرد شدن ناگهانی از انتشار اتم‌های کربن جلوگیری می‌کند و در نتیجه یک محلول جامد فوق اشباع ایجاد میشود. کوئنچ معمولاً در صنایعی مانند خودروسازی و تولید ابزار که سختی بالا و مقاومت در برابر سایش برای قطعاتی مانند چرخ دنده‌ها، میل لنگ و ابزارهای برش بسیار مهم است استفاده میشود.
تمپرینگ یک فرآیند گرمایش کنترل شده است که پس از کوئنچ انجام میشود. هدف از تمپرینگ کاهش شکنندگی مارتنزیت و افزایش چقرمگی و شکل پذیری است. در طی تمپر کردن، ماده تا دمای خاصی گرم میشود که اغلب کمتر از دمای بحرانی است و قبل از سرد شدن برای مدت معینی نگه داشته میشود. این فرآیند امکان تبدیل مقداری مارتنزیت به مارتنزیت تمپر شده یا سایر ریزساختارها مانند بینیت یا پرلیت را فراهم می‌کند. تمپرینگ در ساخت اجزای ساختاری مانند چرخ دنده، فنر و قطعات ماشین آلات که در آنها تعادل بین سختی و چقرمگی مورد نیاز است استفاده میشود.
فرآیند کوئنچ در سخت کاری
فرآیند کوئنچ با تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت نقش حیاتی در سخت کاری آهن و فولاد دارد. این روش شامل یک سری مراحل است که با گرم کردن مواد تا دمای خاص شروع میشود که اغلب به عنوان “دمای بحرانی” نامیده میشود. این دما بسیار مهم است زیرا به ریزساختار ماده اجازه می‌دهد تا از آستنیت، یک ساختار مکعبی محور، به یک محلول جامد فوق اشباع تبدیل شود.
آهن یا فولاد گرم شده پس از رسیدن به دمای بحرانی به سرعت در یک محیط خاموش کننده مانند آب، روغن یا هوا خنک میشود. انتخاب محیط کوئنچ مهم است و به خواص مواد مورد نظر بستگی دارد. آب یک رسانای عالی گرما بوده و سریع ترین سرعت خنک کننده را فراهم کرده و بالاترین سختی را ایجاد می‌کند. با این حال، سرد شدن سریع می‌تواند منجر به تنش‌های حرارتی شود که ممکن است باعث اعوجاج یا ترک خوردن در مواد شود. روغن یک محیط متداول کوئنچ است که سرعت خنک کنندگی کندتر و کنترل شده تری را ارائه می‌دهد و احتمال اعوجاج را کاهش می‌دهد.
سرعت سرد شدن سریع در طول فرآیند کوئنچ از انتشار اتم‌های کربن جلوگیری می‌کند و در نتیجه محلول جامد فوق اشباع به نام مارتنزیت ایجاد میشود. مارتنزیت با سختی و شکنندگی بالا مشخص میشود و برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش و لبه‌های برش تیز دارند مناسب است. با این حال، توجه به این نکته مهم است که مارتنزیت ذاتا شکننده و مستعد ترک خوردن است.
فرآیند تمپرینگ در سخت کاری
فرآیند تمپرینگ یک مرحله ضروری در سخت‌کاری حدید و فولاد به دنبال فرآیند کوئنچ است. این روش شامل گرم کردن مجدد مواد سخت شده تا دمای خاص و سپس سرد کردن آهسته آن است. برخلاف سرد کردن سریع کوئنچ، هدف تمپرینگ کاهش شکنندگی است که می‌تواند در نتیجه تشکیل مارتنزیت در طول فرآیند سخت شدن ایجاد شود. تمپرینگ بسیار مهم است زیرا به بهبود چقرمگی مواد کمک می‌کند و در عین حال سطح سختی مطلوبی را حفظ می‌کند.
هدف اصلی تمپرینگ کاهش شکنندگی ذاتی مواد سخت شده و افزایش چقرمگی یا سختی آن است. در طول کوئنچ، تبدیل آستنیت به مارتنزیت سختی بالایی ایجاد می‌کند اما مواد را مستعد ترک خوردن یا شکستگی نیز می‌کند. تمپرینگ با گرم کردن مجدد کنترل شده که تشکیل ریزساختارهای جدید را در مواد ممکن می‌کند به کاهش این مشکلات کمک می‌کند. این گرم کردن مجدد کنترل شده و خنک سازی بعدی باعث کاهش تنش‌های داخلی و ایجاد تغییرات ریزساختاری مطلوب مانند رسوب کاربیدهای ریز میشود.
عملیات ترموشیمی برای افزایش سختی آهن
دسته‌ای از روشهای سخت کاری فولادها که در آنها ترکیب شیمیایی سطح تغییر می‌کند، به عملیات حرارتی – شیمیایی یا عملیات ترموشیمی معروفند. کربن دهی، نیتروژن دهی و کربن نیتروژن دهی روش‌هایی به شمار می‌روند که در این گروه قرار می‌گیرد.
کربن دهی، از انواع سخت‌کاری حدید
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 پرکربن خواهد بود. در کربن زدایی، بر خلاف کربن دهی، کربن از سطح فولاد حذف میشود.
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 قطعه 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. در دیاگران آهن کربن می‌توانید فازهای مختلف فولاد را مشاهده نمایید. روش کربن دهی گازی در مقایسه با دو روش دیگر جدیدتر می‌باشد. هم‌چنین برای تولید انبوه، این روش سریع و اقتصادی خواهد بود.
برای کربن دهی، یک قطعه فولاد کم کربن در مواد کربن دهی چون ذغال و تحت حرارت تا دمای بالا (مثلا ۹۲۵ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. با آزاد شدن اتم کربن از ماده کربن ده و نفوذ آن به سطح قطعه، سخت کاری انجام میشود. در صورتی که این روش تا چندین ساعت ادامه یابد، سطح کربن می‌تواند به ۱/۲ درصد نیز برسد، به‌طوری که مغز فولاد کم کربن و سطح آن پرکربن شود.
افزایش سختی فولاد به روش نیتروژن دهی
نیتروژن اتمی با ایجاد ترکیب نیترید فلزی در سطح، سختی را افزایش می‌دهد. این روش برای سخت‌کاری حدید مناسب می‌باشد. اما نیتروژن دهی انواع فولاد آلیاژی با عناصری مثل آلومینیوم، کرم، مولیبدن و وانادیم سختی بیشتری ایجاد می‌کند چرا که این عناصر پس از تماس با نیتروژن اتمی، ترکیبات نیتریدهای پایدار و سخت تشکیل می‌دهند.
این روش در مقایسه با روش کربن دهی، در دماهای کمتری انجام می‌گیرد. به‌طوری‌که کربن دهی باید در گستره دمایی پایداری آستنیت و در محدوده ۸۷۵ تا ۹۲۵ درجه سانتی‌گراد انجام شود درحالی‌که دمای نیتروژن دهی باید در گستره پایداری فریت یعنی محدوده دمایی ۵۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد باشد. قطعه سخت کاری شده فولاد با نیتروژن، نیازی به سرد کردن سریع ندارد و 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، حضور نیتروژن سختی سطح کربن‌داده‌شده را افزایش می‌دهد. حضور این عناصر در سطح، باعث تفاوت ترکیب شیمیایی سطح و مغز قطعه میشود. این روش عموما در محیط‌های گازی انجام می‌گیرد. این فرایند، در گستره دمایی ۸۰۰ تا ۸۷۵ درجه سانتی‌گراد در مخلوطی از منواکسیدکربن و هیدروکربنی که ۳ تا ۸ درصد آمونیاک دارد صورت می‌گیرد. دما و غلظت آمونیاک، عوامل مهم تعیین کننده درصد کربن و نیتروژن سطح نهایی محسوب می‌شوند.
عوامل موثر بر سختی 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
دمای سخت کاری آهن
دمای سخت‌کاری حدید فولاد، با توجه به نوع آلیاژ و ابعاد و شکل قطعه مشخص میشود. قطعات نازک‌تر با شکل پیچیده‌تر، به دمای پایین‌تری نیاز دارند درحالی‌که هر چه قطعه بزرگ‌تر بوده و شکل ساده‌تری داشته باشد، دمای سخت کاری آن نیز بالاتر خواهد بود.
بطور خلاصه سخت‌کاری حدید به یک سری مراحلی گفته می شود که طی آن خواص مکانیکی و فیزیکی و حتی شیمیایی فولاد بهبود بخشیده می شود. این مراحل شامل گرم کردن و سرد کردن هدفمند قطعه فولادی و تحت شرایط و مدت زمان تعیین شده است. این عمل با کوئنچ کردن و کربن دهی و نیتروژن دهی انجام میشود.
