تحقیق مقاله عملیات حرارتی سطحی

مقدمه ای بر عملیات حرارتی سطحی

عملیات حرارتی سطحی ، فرایندی است شامل دامنه وسیعی از روشها  که برای افزایش سختی ، بهبود مقاومت به سایش ، افزایش استحکام خستگی و حتی مقاومت در برابر خورگی ، بدون ایتکه خواص درونی قطعه نظیر نرمی مغز و چقرمگی تحت تاثیر قرار گیرد به کار می رود . این مجموعه خواص ، مخصوصاً ترکیبی از سختی سطح و مقاومت در برابر نیروهای ضربه ای ، در ارتباط با قطعاتی نظیر شافتها و چرخ دنده ها که از یک طرف باید مقاوم در برابر سایش بوده و از طرف دیگر باید در برابر نیروهای ضربه ای اعمال شده در ضمن کار مقاوم باشن بسیار مفید است . به علاوه ، مزیت عمده عملیات حرارتی سطحی در مقایسه با عملیات حرارتی حجمی این است که ، ضخامتهای زیاد فولاد کم کربن و کربن متوسط که ممکن است در ضمن عملیات حرارتی حجمی ترک خوردن و یا اینکه تاب بردارند را به راحتی و با اطمینان می توان عملیات حرارتی سطحی کرد .

به طور کلی سه گروه کاملاً متفاوت از روشهای مختلف عملیات حرارتی سطحی وجود دارد . ( شکل 1 ) این سه گروه عبارتند از :

روشهایی که شامل تغییر ترکیب شیمیایی سطح و یا نفوذ یک عنصر ( بین نشینی و یا جانشینی ) به داخل قطعه است . این روشها به عملیات حرارتی – شیمیایی یا نفوذی موسوم اند .

روشهایی که شامل اصلاح و یا تغییر میکرو ساختار سطحی بوده و به هیچ وجه ترکیب شیمیایی سطح عوض نمی شود . این روشها به فرایندهای سخت کردن انتخابی یا موضعی موسوم اند .

- روشهای نوین که شامل به کارگیری تجهیزات جدید بوده و بستگی به نوع روش می تواند شامل اصلاح و تغییر میکروساختار سطحی ، جانشینی و یا ترکیبی از آنها وارد سطح قطعه می شود ، و بدین ترتیب ترکیب شیمیایی سطح را اصلاح کرده و یا عوض می کنند  می توان تمام و یا بخشی از سطح را به طور موضعی سخت کرد .

این فرایند ها معمولاً موقعی استفاده می شوند که تعداد زیادی از قطعات قرار است سختی سطحی شوند ( تولید انبوه ) از سوی دیگر عملیات حرارتی گروه دوم ترجیحاً برای سخت کردن قطعات بزرگ و حجیم ، برای تمام سطح و یا به طور موضعی ، استفاده می شوند . در حقیقت مزیت عمده عملیات حرارتی گروه دوم ، سخت کردن سطحی قطعاتی است که نتوان آنها را به روش حجمی سخت کرد .

عملیات حرارتی جهت سخت کردن سطح

عملیات نفوذی با عملیات حرارتی – شیمیایی      عملیات حرارتی انتخابی یا موضعی    روشهای نوین سخت کردن سطحی

نفوذ عناصر بین نشینی      نفوذ عناصر جانشینی         سخت کردن شعله ای                      سخت کردن لیزری

                                                                              سخت کردن القایی                        سخت کردن پلاسمایی

                                                                                               سخت کردن توسط پرتوی الکترونی القا یا کاشت یونی

کربن دهی                             آلومینیوم دهی

نیتروژن دهی                          کرم دهی

کربن – نیتروژن دهی              سیلسیم دهی

نیتروژن – کربن دهی              منگنز دهی

بوردهی                                 نفوذ همزمان دو یا چند عنصر   

شکل 1 : روش های مهندسی برای عملیات حرارتی سطحی

کربن دهی

کربن دهی فرایند اضافه کرددن کربن به سطح فولاد کم کربن است که در دمایی معمولاً در محدوده حرارتی 850-950 درجه سانتی گراد ، دمایی که آستنیت با حد حلالیت زیاد کربن در آن فاز پایدار باشد ، انجام می شود . این فرایند همراه با سرد کردن سریع و لذا تشکیل مارتنزیت پر کربن و مقاوم به سایش و خستگی در سطح بر روی مغزی نرم و مقاوم به ضربه از فولاد کم کربن است . سختی سطح فولاد کربن داده شده عمدتاً تابع درصد کربن آن است . با افزایش درصد کربن بیشتر از 5/0 درصد ، کربن اضافی اثر چندانی بر روی سختی نداشته ولی موجب افزایش سختی ناپذیری می شود .

کربن بیشتر از 5/0درصد ممکن  است در آستنیت حل نشود مگر آنکه دمای عملیات به اندازه کافی بالا باشد . ضخامت پوسته کربن داده شده تابع زمان کربن دهی و کربن قابل دسترس ( پتانسیل کربن ) در سطح است . اگر به منظور دست یابی به عمق زیاد نفوذ کربن زمان کربن دهی افزایش داده شود در حضور پتانسیل زیاد کربن افزایش زیاد کربن سطح و لذا تشکیل آستنیت باقیمانده یا کاربید آزاد در سطح وجود دارد . تشکیل آستنیت باقیمانده و یا کاربیدآزاد هر دو اثرات سوء بر روی توزیع تنشهای باقیمانده در پوسته دارند . لذا گفته می شود که پتانسیل زیاد کربن برای زمان کربن دهی کوتاه مناسب است .

فولادهای مناسب برای کربن دهی  معمولاً حدود 2/0 درصد کربن داشته و کربن پوسته را معمولاً در محدوده 8/0 -1 درصد کنترل  می کنند . مع هذا به علت خطر تشکیل آستنیت باقی مانده و مارتنزیت ترد و شکننده ناشی از کربن زیاد ، درصد کربن سطح را معمولاً در حد 8/0 درصد حفظ می کنند . به منظور جلوگیری از درشت شدن دانه ها در دماهای بالا اکثراً از فولادهای کشته ( اکسیژن زدا شده توسط آلومینیوم ) برای کربن دهی استفاده می شود.

اگر چه از زمان ظهور کربن دهی اصول و مبانی آن یعنی نفوذ و تجمع کربن در سطح تغییری نکرده است ، مع هذا روش کربن دهی همواره در حال تحول و تکامل ممتد بوده است . در کاربردهای اولیه، صرفاً قطعات را در محفظه های مناسب گذاشته ، توسط پودری از یک عامل کربن زا پوشانده و حرارت می دادند ، ( کربن دهی جامد ) به علت آهسته بودن  این فرایند و نیاز به سرعت کربن دهی بیشتر ، فرایند جدید کربن دهی که در آن از یک اتمسفر گازی کربن زا استفاده می شد ابداع گردید ( کربن دهی گازی ) . گرچه در این فرایند سرعت کربن دهی به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافت . مع هذا روش گازی مستلزم استفاده از یک اتمسفر چند جزیی بوده که نیاز به کنترل دقیق اجزای تشکیل دهنده است . این امر به خاطر جلوگیری از اثرات سو جنبی نظیر اکسیده شدن سطح و مرز دانه ها است . به علاوه جهت تهیه و کنترل گاز مورد استفاده نیاز به یک واحد جداگانه ای است . با وجود این مشکلات و پیچیدگیها ، کربن دهی گازی موثرترین و گسترده ترین روش کربن دهی قطعات در تولید انبوه درآمد . به منظور ساده و خلاصه کردن اتمسفر گازی مورد استفاده ، کربن دهی در یک محیط عاری از اکسیژن و در فشار بسیار کم ( کربن دهی گازی ) ابداع و به عنوان یک فرایند کربن دهی جایگزینی گسترش یافت . گرچه در این حالت تجهیزات و کوره مورد استفاده از برخی از جنبه ها پیچیده تر است ولی اتمسفر مورد استفاده به نحو قابل ملاحظه ای خلاصه و ساده تر است . مثلاً یک هیدروکربن ساده نظیر متان ، از سوی دیگر از آنجایی که قطعات در غیاب اکسیژن حرارت داده می شوند ، بدون خطر اکسید شدن می توان دمای عملیات را افزایش داد . افزایش دما نه تنها موجب افزایش حد حلالیت کربن در آستنیت می شود بلکه نرخ نفوذ کربن را نیز افزایش می دهد و لذا زمان لازم برای کربن دهی جهت حصول ضخامت مشخصی از پوسته را کاهش خواهد داد .

گرچه کربن دهی در خلاء برخی از مشکلات پیچیده کربن دهی گازی را مرتفع کرد ، مع هذا در این فرایند مسایل جدیدی به وجود آمد . از آنجایی که کربن دهی در خلاء در فشارهای بسیار کم و تحت جریان بسیار کم گاز کربن دهنده انجام می شود پتانسیل کربن در فرورفتگیها و سوراخهای کور به طور سریع کاهش می یابد . تحت چنین شرایطی یک نایکنواختی زیاد در ضخامت لایه کربن داده شده بهوجود می آید . مگر اینکه گاز درون کوره به طور مرتب و پیوسته عوض شود .

 اگر به منظور غلبه یافتن بر این مسئله ، فشار گاز به طور قابل ملاحظه ای افزایش داده شود تشکیل کربن آزاد یا دوده را روی سطح خواهیم داشت . در شرایط بحث شده ، به منظوزر غلبه یافتن بر نا یکنواختی ضخامت پوسته در قطعات با شکلهای پیچیده توصیه می شود که افزایش و کنترل فشار گاز به طور مرتب انجام گرفته ، به نحوی که نایکنواختی ضخامت پوسته و خطر تشکیل دوده به حداقل ممکن رسیده و در عین حال نرخ کربن دهی  مناسبی را داشته باشیم . روش دیگری که هر دو مشکل یاد شده را مرتفع کرده و در عین حال ویژگی های خاص استفاده از اتمسفر ساده و به کارگیری دمای بالا را در بردارد ، کربن دهی پلاسمایی و یا یونی است .

در یک آمارگیری از 800 کارگاه در امریکا و کانادا مشخص شده که 70 درصد آنها تجهیزات و امکانات کربن دهی دارند . فرایندهای مختلف کربن دهی در این کارگاه ها به صورت زیر بوده است :

48 درصد کربن دهی گازی

19 درصد کربن دهی جامد

13 درصد کربن دهی توسط حمام نمک ( مایع )

5 درصد کربن دهی در بستر سیال

2 درصد کربن دهی در خلاء

1 درصد کربن دهی یونی

نیتروژن دهی

نیتروژن دهی یک عملیات حرارتی نفوذی است که در آن ، نیتروژن در محدوده حرارتی 500-550 درجه سانتی گراد ( یعنی در محدوده حرارتی پایداری فریت ) وارد سطح فولاد می شود . از آنجایی که نیتروژن دهی مستلزم حرارتدادن تا ناحیه آستنیت و سرد کردن سریع نیست ، احتمال تاب برداشتن حداقل بوده و کنترل ابعاد بسیار عالی است . گرچه مکانیزم نیتروژن دهی کاملاً شناخته شده است ولی واکنشهای ویژه ای که در فولادهای مختلف و با محیط های نیتروژن دهی مختلف اتفاق می افتد همواره شناخته شده نیستند  . نیتروژن به طور جزیی در فولاد حل شده و تا حداکثر 6 درصد نیتروژن امکان تشکیل محلول جامد وجود دارد . دردرصدهای بیشتر نیتروژن به ترتیب فازهای ′ γ با فرمول Fe4N   ( در N 6%  ) و ε با فرمول Fe3N   (8% < N ) و ζ با فرمول Fe2 N (11% ~ N ) تشکیل می شود .

از آنجایی که فازهای نیترید یاد شده در عین حالی که از سختی بالایی برخوردارند بسیار ترد و شکننده هستند فولادهای ساده کربنی را معمولاً تحت عملیات نیتروژن دهی قرار نمی دهند . در واقع فولادهای مناسب برای نیتروژن دهی ، معمولاً فولادهای با کربن متوسط ( در شرایط سخت و باز پخت شده ) که حاوی عناصر نیترید ساز قوی نظیر آلومینیوم ، کرم ، وانادیم و مولیبدن باشند هستند . مهمترین پارامترهای موثر بر روی سختی سطح و ضخامت لایه نیترید عبارت از نوع و درصد عناصر آلیاژی نیترید ساز و میکرو ساختار فولاد است . در واقع با افزایش درصد عناصر آلیاژی نیترید ساز ، سختی سطح افزایش یافته ولی ضخامت لایه نیترید کاهش می یابد . از سوی دیگر زمینه فریتی و درصد کم کاربید شرایط را برای افزایش سختی پوسته و همچنین نفوذ کربن مستعد می نماید . در آمارگیری انجام شده از 800 کارگاه عملیات حرارتی در امریکا و کانادا مشخص شده که 30 درصد تجهیزات و امکانات درخواست نیتروژن دهی دارند . در این کارگاهها درصدهای مربوط به فرایندهای مختلف نیتروژن دهی به صورت زیر بوده است :

21 درصد نیتروژن دهی گازی

7 درصد نیتروژن دهی در حمام نمک

6 درصد نیتروژن دهی در بستر سیال

5 درصد نیتروژن دهی پلاسمایی

مزایا و معایب هر یک از این روش ها مشابه با کربن دهی است . مع هذا ، زمان نیتروژن دهی معمولاً طولانی است و بستگی به کاربرد دارد . به علاوه ضخامت پوسته نسبتاً کم بوده و معمولاً کمتر از 5/0 میلیمتر است .

کربن و نیتروژن دهی همزمان

در حالت کلی سه روش وجود دارد که کربن و نیتروژن را به طور همزمان وارد سطح قطعه می کند ، این سه روش عبارتند از :

کربن – نیتروژن دهی

نیتروژن – کربن دهی ستنیتی

نیتروژن – کربن دهی فریتی

دو روش آخر بر اساس تشکیل لایه نازک سفید رنگ کاربونیترید اپسیلن ( ε ) است در حالی که در روش اول نیتروژن به عنوان سخت کننده آستنیت کربن داده شده استفاده می شود . گر چه دمای انجام هر سه فرایند بیشتر از دمای نیتروژن دهی است مع هذا مزیت اصلی هر سه روش امکان استفاده از آنها برای سخت کردن سطحی فولادهای ساده کربنی است .