بشر همواره درحال تغییر دادن منابع موجود در راستای رسیدن به اهداف دلخواه خود است. یکی از این تغییرات، انجام عملیات های مختلف مانند سخت کاری فولاد، برای به وجود آوردن خواص دلخواه در فلزات است. این فرآیند که در واقع نوعی از روش عملیات حرارتی فولاد به شکل سطحی به حساب می آید با هدف بالا بردن سختی و استحکام سطح فولاد انجام می شود.
به عبارتی می توان گفت طی این عملیات، فولاد از داخل هیچ تغییری نمی کند اما ویژگی های مختلف سطح آن از جمله ویژگی های مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی و متالورژیکی دستخوش تغییر می گردند.
بدیهی است که این تغییرات باید در جهت استفاده بهتر و کاربرد وسیع تر فولاد باشد تا بتوان از آن در صنایع مختلف، با بازده بیشتری بهره برد.
نحوه سخت کاری فولاد به چه صورت است؟
اگر بخواهیم به طور مختصر و ساده این عملیات را شرح دهیم باید بگوییم سخت کاری یعنی گرم کردن فولاد و حرارت دادن به آن تا دمای بسیار بالا (معمولاً بیش از دمای بحرانی فولاد) و سپس سرد کردن آنی آن. البته این فرآیند گرم کردن و سرد کردن باید طبق زمانبندی خاصی انجام شود تا نتیجه مطلوب و مورد نظر حاصل شود. در نهایت بعد از سخت کاری فولاد، به فلزی می رسیم که در برخی خواص مکانیکی خود قوی تر عمل می کند و در نتیجه می تواند مثمر ثمرتر باشد.
فرآیند سخت کاری فولاد چه تأثیری روی خواص مکانیکی آن می گذارد؟
همانطور که گفتیم، انجام سخت کاری، یعنی گرم و سرد کردن حساب شده ی فولاد، باعث بهبود برخی خواص آن می شود که در ادامه به چند مورد از این خواص اشاره خواهد شد:
- یکی از مهم ترین تغییراتی که بعد از سخت کاری در فولاد دیده می شود، سخت تر شدن آن و بالا رفتن مقاومت فولاد در برابر ضربه است. این خاصیت می تواند به کاربردهای وسیع تر و مهم تر فولاد در صنعت منجرشود.
- در عملیات سخت کاری فولاد، یک لایه کریستاله روی فلز ایجاد می شود که آن را در برابر سایش مقاوم تر می سازد.
- تجربه و علم نشان می دهد که خواص مغناطیسی و الکتریکی فولاد بعد از انجام سخت کاری تقویت می شود.
- خاصیت چکش خواری فولاد با انجام سخت کاری افزایش می یابد.
- قدرت و میزان جذب انرژی در فولاد پس از سخت کاری افزایش پیدا می کند.
- تنش های موجود در فلز رها و حذف می گردند.
- خصوصیات برش فولاد و قابلیت ماشین کاری آن با انجام فرآیند سخت کاری بهبود پیدا می کند.
• و …
وجود این ویژگی ها، خصوصاً سختی بالا و مقاومت نسبت به ضربه، باعث می شود صاحبان صنایع بتوانند از فولاد برای ساخت قطعاتی که تحت فشار و ضربه سنگین قرار می گیرند، مانند میل لنگ، چرخ دنده ها و … استفاده بهتری داشته باشند.
انواع روش های سخت کاری فولاد چیست؟
تا اینجا با تعریف کلی و مختصر سخت کاری آشنا شدیم. ولی اکنون می خواهیم درباره روش های گوناگون انجام آن بیشتر بدانیم. به طور کلی سخت کاری فولاد دو روش کلی دارد که عبارتند از: سخت کاری ترموشیمی و سخت کاری موضعی.
در روش ترموشیمی بعد از سخت کاری، خصوصیات شیمیایی سطح فولاد نیز تغییر پیدا می کنند. متدهایی مانند نیتروژن دهی، کربن دهی، نیتروژن کربن دهی و کربن نیتروژن دهی، در گروه سخت کاری ترموشیمی قرار می گیرند.
سخت کاری موضعی در مقابل روش ترموشیمی قرار دارد. یعنی در این روش سخت کاری فولاد، خصوصیات شیمیایی سطح فلز تغییری نمی کنند. متدهای سخت کاری القایی و سخت کاری شعله ای در این دسته قرار دارند.
حال با تک تک این متدها آشنا خواهیم شد:
سخت کاری ترموشیمی – کربن دهی:
در این متد، فولاد در دمای بالا، در کنار یک ماده کربن ده قرار داده می شود. این ماده می تواند زغال باشد. طی این فرآیند، کربن از زغال جدا شده و به سطح فولاد می پیوندد و سختی آن را افزایش می دهد. در واقع در این روش سطح فولاد پرکربن و سخت تر می شود در حالی که بخش داخلی آن کم کربن است. لازم به ذکر است که فرآیند کربن دهی نیاز به زمان زیادی دارد و ضخامت لایه سطحی پرکربن فولاد، به مقدار زمان فرآیند بستگی دارد.
سخت کاری ترموشیمی-نیتروژن دهی:
در این روش سخت کاری فولاد، از اتم نیتروژن برای بالا بردن سختی سطح فولاد استفاده می شود. در واقع یک ترکیب نیترید فلزی در سطح فولاد ایجاد می شود که همین باعث افزایش سختی می گردد. هر چند نیتروژن دهی تقریباً برای تمام انواع فولاد به کار می رود اما برای برخی فولادهای آلیاژی نتیجه بهتری در پی دارد؛ مانند آلیاژهایی که حاوی عناصری مانند کروم، آلومینیوم، وانادیوم و مولیبدن هستند. در سخت کاری به روش نیتروژن دهی، دمای فرآیند پایین تر از کربون دهی است و پس از حرارت دادن، فولاد با قرار گرفتن در هوای آزاد سرد می شود.
سخت کاری ترموشیمی – کربن نیتروژن دهی:
در عملیات سخت کاری فولاد به این روش، کربن و نیتروژن هر دو در سطح فولاد نفوذ می کنند و به افزایش سختی در سطح فلز منجر می شوند. این فرآیند در محیط گازی انجام می گردد.
سخت کاری ترموشیمی – نیتروژن کربن دهی:
این روش دو تفاوت با روش قبلی دارد؛ اولاً این که هم در محیط گازی و هم به صورت مایع انجام می شود. تفاوت دوم در میزان حرارت است. این فرآیند در دمای پایین تری صورت می گیرد.
سخت کاری موضعی – سخت کردن شعله ای:
این روش سخت کاری فولاد در واقع یک عملیات حرارتی سه مرحله ای است. در مرحله اول، به وسیله شعله گازی (مانند گاز طبیعی،پروپان و یا استیلن) و مشعل اکسیژن، دمای فولاد بالا برده می شود.
مرحله دوم در واقع نگه داشتن فولاد در در دمایی خاص است به شکلی که ساختار فولاد به طور کامل آستینی شود. مرحله سوم نیز، سرد کردن قطعه در آب است. این فرآیند یک ویژگی منفی دارد و آن کاهش کربن سطح فولاد و اکسید کردن آن است. البته برای پیشگیری از این عیب، از شعله های احیا کننده یا اکسید کننده (از نوع ضعیف) استفاده می شود که تا حدی می تواند این مشکل را برطرف سازد.
سخت کاری موضعی – سخت کردن القایی:
سخت کاری فولاد به روش القایی شباهت بسیاری به روش شعله ای دارد با این تفاوت که در این روش، حرارت لازم برای بالا بردن دمای فولاد، به کمک یک میدان مغناطیسی تأمین می گردد. با قرار گرفتن فولاد در سیم پیچ میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی درون آن ایجاد می شود که دمای آن را بالا می برد. در مرحله آخر سخت کاری فولاد با روغن یا آب سرد می شود.
