سخت کاری سطحی فولاد و فواید آن

<h2 dir="rtl">مقدمه ای بر سخت کاری فولاد</h2> <p dir="rtl">هنگامی که از فولاد صحبت می شود منظور آلیاژی از آهن و کربن است. البته علاوه بر کربن عناصر دیگری نیز به صورت خواسته یا ناخواسته نیز در فولاد وجود دارند. تغییر ترکیبات شیمیایی فولاد نقش بسیار مهمی در تغییر خواص و ویژگی های فولاد دارد. به عنوان مثال اضافه کردن حداقل ۱۰ درصد کروم به فولاد باعث می شود تا در برابر خوردگی و زنگ زدگی بسیار مقاوم شود. اما در کنار تغییر ترکیبات فولاد، عملیات حرارتی که روی آن انجام می شود نیز بر بسیاری از ویژگی ها وخواص فولاد تاثیرگذار است. در حقیقت عملیات حرارتی از تکنیک های بسیار موثری است که برای رسیدن به ویژگی های مورد نظر در فولاد به کار برده می شود.</p> <p dir="rtl">در عملیات حرارتی ترکیبات شیمیایی فولاد بدون تغییر باقی مانده اما با روش های عملیات حرارتی متنوعی مانند آنیل کردن، نرماله کردن، تمپر کردن و ... بسیاری از ویژگی های فلز همانند استحکام، سختی، چقرمگی و ... تغییر می یابد.</p> <p style="text-align: center;"><img class="content-image" title="en-heat-treatment-steel-surface-hardening-flame-hardening.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1653912691840-en-heat-treatment-steel-surface-hardening-flame-hardening.jpg" alt="heat-treatment-steel-surface"></p> <p style="text-align: center;">تصویر شماره ۱ - سخت کاری سطحی فولاد</p> <p dir="rtl">یکی از عملیات حرارتی که روی فولاد انجام می شود به نام سخت کاری سطحی شناخته می شود. این روش برای قطعاتی به کار برده می شود که باید سطح سخت داشته باشند و یا در معرض ضربه یا سایش قرار دارند. قطعاتی همانند چرخ دنده، یاتاقان، ابزارها و ... .&nbsp; یکی از روش هایی که می توان به کمک آن به سختی سطح بالایی رسید استفاده از عملیات حرارتی &ldquo;سخت کاری سطحی&rdquo;ست که در ادامه به معرفی کامل آن پرداخته ایم.</p> <h2 dir="rtl">سخت کاری فولاد چیست؟</h2> <p dir="rtl">سخت کاری به فرآیندی گفته می شود که با استفاده از تغییر ساختار کریستالی قطعه یا اضافه نمودن عناصر جدید با حرارت بالا، سختی لایه خارجی یا حتی کل فلز را افزایش می دهند. کربن یکی از موادی است که به سطح فلز با فولاد کم کربن یا فولاد آلیاژی، نفوذ می کند و سختی آن را افزایش می دهد؛ لازم به ذکر است میزان نفوذ کربن در ساختار بلوری فلز را در سخت کاری فولاد، می توان کنترل نمود، پس باید گفت خواص مکانیکی سطح فولاد هم قابل کنترل است.</p> <h2 dir="rtl">روش های سخت کاری فولاد</h2> <p dir="rtl">&nbsp;در کل عملیات سخت کاری فولاد بنا به کاربرد، شکل و ابعاد قطعه، میزان هزینه و خواص مکانیکی فولاد به دو روش زیر صورت می پذیرد:</p> <h3 dir="rtl">سخت کاری عمقی</h3> <p dir="rtl">&nbsp;در این روش فولاد به اندازه ای گرم می شود که هسته و لایه خارجی آن به یک اندازه سخت می شوند. قطعاتی که قرار است سخت کاری عمقی بر روی آن ها صورت گیرد توسط کربن در محیطی با گرمای بالا به طور یکنواخت گرم می شوند. البته استفاده از این روش ممکن است فلز را شکننده و ترد کند.</p> <h3 dir="rtl">سخت کاری سطحی</h3> <p dir="rtl">&nbsp;در سختی کاری سطحی، گرما به اندازه ای است که فقط توان سخت کردن لایه خارجی فولاد را دارد. در ادامه این مقاله پیرامون سخت کاری سطحی، انواع روش های آن، مزایا و مراحل انجام فرآیند سخت کاری صحبت خواهیم کرد.</p> <p dir="rtl">سخت کاری فولاد با روغن:&nbsp;روغن X45 کوئنچ، یکی از روغن هایی است که مخصوص عملیات جوشکاری می باشد و به عنوان یک سیال خنک کننده در عملیات کوئنچینگ مورد استفاده قرار می گیرد. عملیات کوئنچینگ همان مرحله آبکاری است که پس از گرم کردن فولاد وارد محیطی خنک می گردد. مزایای عملیات روغن کاری شامل موارد زیر است:</p> <p dir="rtl">&middot; انجام گرفتن عملیات آبکاری و خنک شدن فولاد به طور کنترل شده</p> <p dir="rtl">&middot; توزیع دما به صورت یکنواخت و به طور سریع&nbsp; در سیال</p> <p dir="rtl">سخت کاری شعله ای:&nbsp;در این روش، مقطع فولادی با استفاده از شعله حرارت دهی می شود سپس بعد از آستنیته شدن، فولاد را به سرعت سرد می کنند. این عملیات سبب می گردد سختی و مقاومت فولاد در برابر سایش اضافه شود و هسته مرکزی ساختار اصلی و اولیه خود را حفظ نماید. بعد از انجام این عملیات قطعه به خوبی می تواند در برابر ضربه از خود مقاومت نشان دهد. علاوه بر این، فرآیند سخت کاری شعله ای فولاد می تواند میزان استحکام کششی، پیچشی و نهایتاً عمر قطعه را افزایش دهد.</p> <p dir="rtl">سخت کاری القایی:&nbsp;این فرآیند شباهت زیادی با سخت کاری شعله ای دارد با این تفاوت که در روش قبلی گرمایش توسط گاز طبیعی انجام می شد ولی در این روش گرمادهی، توسط جریان الکتریکی با فرکانس بالا صورت می گیرد. بنابراین میزان عمقی که گرما پیش روی می کند به میزان فرکانس، سرعت انتقال حرارت و طول چرخه گرمایش وابسته است.</p> <p dir="rtl">سختی کاری با نیتروژن:&nbsp;یکی دیگر از روش هایی که برای ایجاد سختی سطحی به کار برده می شود نیتروژن دهی (Nitriding) است. در این فرایند بر سطح فولاد نیترید شکل می گیرد. این کار با حرارت دهی فولاد و سپس قرار گرفتن در معرض آمونیاک یا ماده ای دیگر حاوی نیتروژن انجام می شود. تشکیل نیترید بر سطح فولاد سبب سخت شدن و مقاومت آن در برابر سایش می شود. اما باید دقت داشت این فرایند تنها زمانی قابل اجراست که در ساختار فولاد عناصری مانند کروم و مولیبدن وجود داشته باشد که می تواند نیترید تشکیل دهد.</p> <p dir="rtl">نیتروژن دهی معمولا در دمایی کمتر از حرارت دهی و کوئنچینگ انجام می گیرد و نیاز به فرایند کوئنچ ندارد.</p> <h3 dir="rtl">مزایای سخت کاری سطحی</h3> <p dir="rtl">دلایل بسیار زیادی وجود دارد که ما بخواهیم به جای اینکه کل یک قطعه را سخت کنیم تنها به سخت کردن سطح آن اکتفا کنیم. یکی از مهمترین این دلایل نیز افزایش بهره روی ست. هنگامی که تنها سطح ماده را سخت می کنیم زمان کمتری صرف می شود و همچنین انرژی کمتری نیز مورد نیاز است. همین مساله در ابعاد بزرگ می تواند باعث کاهش چشمگیر هزینه ها شود. دلیل دیگر، عملکرد این روش است. از جهات مختلف داشتن قطعه ای که سطح آن سخت اما مغز آن نشکن است مزیت دارد. از جمله کاربردهای این قطعات در مواردی ست که قطعه در معرض سایش قرار دارد اما از طرفی نیاز است تا بتواند ضربه هایی که به آن وارد می شود را نیز به خوبی جذب کند. از دیگر فواید سخت کاری سطحی می توان به موارد زیر اشاره کرد.</p> <ul> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">افزایش عمر و استحکام قطعات</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">داشتن استحکام سطحی بالا در عین قابلیت ماشین کاری خوب</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">کاهش مصرف انرژی در تولید قطعات</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">کاهش زمان تولید قطعات سخت</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">ایجاد مقاومت در برابر شکست</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">افزایش مقاومت در برابر خوردگی</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">افزایش مقاومت در برابر خستگی</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">افزایش قابلیت جوشکاری قطعه سخت کاری شده</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">افزایش چکش خواری فولاد</p> </li> </ul> <h3 dir="rtl">معایب سختی کاری فولاد</h3> <p dir="rtl">&middot; سخت کاری انواع فولاد امکان پذیر نیست و فرآیندی زمان بر به حساب می آید.</p> <p dir="rtl">&middot; این فرآیند سبب سخت کاری فولاد در ماشینکاری شده و می تواند شکل دهی آن را با مشکل روبه رو کند.</p> <p dir="rtl">&middot; با توجه به وجود مراحل پردازش اضافی، هزینه های ساخت افزایش پیدا می کند.</p> <h2 dir="rtl">چه فلزاتی می توانند سخت کاری شوند؟</h2> <p dir="rtl">فلزاتی که می توانند تحت عملیات سخت کاری سطحی قرار بگیرند، به فلزات آهنی محدود هستند. البته مواردی استثنایی مانند برخی آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم نیز می توانند تحت سخت کاری سطحی قرار گیرند.</p> <p dir="rtl">فلزات آهنی که معمولا تحت سخت کاری سطحی قرار می گیرند عبارتند از:</p> <ul> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">فولاد کم کربن</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">فولاد پر کربن</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">چدن</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">فولاد کم آلیاژ استحکام بالا</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">فولاد ابزار</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">فولاد ضد زنگ (استنلس استیل)</p> </li> </ul> <p dir="rtl">موارد استفاده فولاد سخت کاری شده سطحی ساخت قطعاتی مانند موارد زیر می باشد:</p> <ul> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">چرخ دنده</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">بست ها</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">شفت ها</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">یاتاقان</p> </li> <li dir="rtl" aria-level="1"> <p dir="rtl" role="presentation">بلبرینگ</p> </li> </ul> <h2 dir="rtl">نحوه سخت کاری فولاد</h2> <p dir="rtl">مراحل مختلفی باید طی شود تا سختی کاری با نتایج مطلوب به پایان برسد، این مراحل شامل بازپخت، تمپر کردن، کونچینگ و ... می باشد.</p> <p dir="rtl">در مرحله اول آنیل کردن فولاد انجام می گیرد به این صورت که فولاد برای رسیدن به دمای بالا، گرم شده و سپس به آن اجازه خنک شدن می دهند. نتیجه حاصل از این فرآیند، نرم شدن فولاد است. بعد از آن عملیات تمپرینگ انجام می شود که شامل حرارت دادن به فولاد در دمای پایین تر از مرحله قبلی و خنک سازی سریع آن می باشد. نتیجه این عملیات هم، افزایش سختی فولاد و مقاومت در برابر سایش است.</p> <p dir="rtl">در این مرحله، فرآیند کوئنچینگ باید انجام شود، کوئنچینگ همانطور که پیش تر هم به آن اشاره شد یعنی اینکه فولاد در محیطی خنک همانند حمام آب یا روغن سریعا سرد می شود و در مرحله پایانی، فولاد سخت شده مجدداً برای افزایش مقاومت در برابر سایش و پارگی تمپر می شود. عملیات تمپرینگ همان گرم شدن در دمای کمتر و سرد شدن آهسته است.</p> <p style="text-align: center;">تصویر شماره ۲ - خنک کاری فولادی گداخته</p> <p style="text-align: center;"><img class="content-image" title="einsatzstahl_zahnrad_getrieb_dummy_image_w668_h375.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1653912744625-einsatzstahl_zahnrad_getrieb_dummy_image_w668_h375.jpg" alt="6541"></p> <h2 dir="rtl">دمای سخت کاری فولاد</h2> <p dir="rtl">میزان دمایی که فولاد را برای سخت شدن حرارت می دهند بسته به ابعاد و شکل قطعه، نوع آلیاژ فولاد و سایر پارامتر ها بستگی دارد. به طوری که هرچه قطعه نازک تر و شکل پیچیده تری داشته باشد، حرارت کمتری می بیند و در مقابل هرچه قطعه بزرگ تر و از شکل ساده تری برخوردار باشد، دمای بیشتری احتیاج است. به عنوان نکته اضافی بدانید، هرچه فولاد گرمای بیشتری ببیند، دانه درشت و هر چه حرارت کمتری به فولاد دهند، نهایتاً فولاد حاصله&nbsp; نرم تر می شود.</p> <p dir="rtl">کلام نهایی</p> <p dir="rtl">سخت کاری فولاد، فرآیندی است که سخت شدن و افزایش مقاومت فولاد در برابر سایش و پارگی را به همراه دارد. از فولاد سخت کاری شده اغلب در ساخت ابزارآلات، ماشین ها، تولید زره و سلاح های جنگی استفاده می شود بنابراین سختی کاری سطحی فولاد، امری ضروری است.</p> <p>&nbsp;</p>