انواع سخت کاری سطحی

عملیات حرارتی زمانی استفاده می شود که بخواهیم خواص یک ماده را تغییر دهیم، به خصوص زمانی که ماد مورد نظر فلز باشد. در حوزه متالورژی و در صنایعی که با تولید یا خالص سازی فلزات سرو کار دارند، عملیات حرارتی امری بسیار رایج است.

در عملیات حرارتی معمولاً خواص فیزیکی یا شیمایی ماده تغییر داده می شود تا به ویژگی های مطلوب برسیم.

عملیات حرارتی بسیار متنوع هستند؛ اما چهار نوع از آنها از همه معروف تر و رایج تر هستند: آنیل کردن، تمپرینگ، سخت کاری و نرماله کردن. سخت کاری، همانطور که از نام آن معلوم است به منظور افزایش سختی فلز و در نتیجه، افزایش استحکام و دوام آن انجام می شود. سخت کاری بر دو نوع است: سخت کاری سطحی و سخت کاری عمقی و هر کدام مصارف و تفاوت های مختلفی دارند. همچنین سخت کاری سطحی خود دو نوع است که در انگلیسی با نام های Case Hardening و Surface Hardening شناخته می شوند.

سخت کاری سطحی Case Hardening

Case Hardening یک روش ساده برای سخت کردن سطح ماده است و در طی آن عناصر خاصی را وارد ترکیب لایه های سطحی و بیرونی فلز می کنند. طی این روش لایه ای نازک از آلیاژ که سخت ترو مقاوم است بر روی فلز پایه تشکیل می شود. سخت کاری سطحی برای آلیاژ هایی بکار می رود که مقادیر کربن در آنها پایین باشد؛ زیرا خود کربن با توجه به استفاده ای که از فلز می شود، در عمق مشخصی از فلز گنجانده می شود. در کیس هاردنینگ، تغییرات ترکیبی انجام گرفته فقط بر روی سطح فلز می باشد و قسمت های داخلی فلز بدون تغییر باقی می ماند؛ زیرا نباید خواص آنها تغییر کند.

برای جعبه دنده های صنعتی، Case Hardening بسیاری از قطعات را محافظت می کند. این روش با ساختن لایه ای مقاوم تر در سطح قطعات، آنها را از سایش و شکستگی حفظ کرده و مانع از آسیب دیدن سریع آنها می شود.

مراحل فرایند Case Hardening

 این فرایند شامل گرم کردن یک فلز، مانند فولاد است. گرم کردن آلیاژ تا زمانی که رنگ آن سرخ شود ادامه می یابد، سپس آن را از کوره بیرون آورده و درون ماده سرد کننده می گذارند تا سرد شود. به این مرحله کوئنچ کردن گفته شده و کمک می کند تا سطح فلز برای تماس با عنصری که می خواهیم به آن بیفزاییم بیشتر در دسترس باشد. این مرحله تا جایی تکرار می شود تا بر روی سطح فلز، لایه ای سخت که تمام قسمت درونی را در بر بگیرد، تشکیل شود. ممکن است سخت کاری کیس هاردنینگ چندین بار انجام شود تا عمق لایه سخت، افزایش داده شود.

سخت کاری سطحی Surface Hardening

در سخت کاری Surface Hardening سختی سطح آلیاژ افزایش داده می شود اما در عین حال، درون آن نرم باقی می ماند. برای انجام این نوع سخت کاری سطحی بر روی آلیاژ، دو عملیات سخت کاری شعله ای و سخت کاری القایی به کار گرفته می شود.

در روش اول، فقط سطح فلز را تا زمانی که سرخ شود حرارت می دهند. در این بین، سعی می شود که دمای درون فلز کمتر از سطح آن باشد. سپس سطح فلز که به دمای مورد نظر رسیده، کوئنچ می شود. در این روش دمای سطح آلیاژ بوسیله مشعل اکسیژن بالا برده می شود.

در روش دوم، سخت کاری سطح فلز از طریق عملیات حرارتی القایی انجام می گردد؛ در واقع به جای استفاده از مشعل، از کویل های الکتریکی مخصوص برای دما دادن به سطح آلیاژ استفاده می کنند. این کویل ها یک میدان مغناطیسی تولید می کنند و این میدان یک جریان الکتریکی را به فلز القا می کند. جریان القا شده از درون فلز رد می شود و آن را گرم می کند؛ اینکار تا زمان رسیدن دمای سطح فلز به میزان دلخواه انجام شده و پس از به سرعت آلیاژ کوئنچ می شود. این روش بیشتر به منظور سخت کاری قطعات صنعتی کوچکتر بکار می رود.

سخت کاری سطحی موضعی

این فرایند به نام Differential Surface Hardening نیز شناخته می شود و دو روش را برای انجام آن بکار می گیرند. راه اول، فرایند کربن دهی بوده و در آن آلیاژ فلزی را در یک محیط پر از کربن قرار می دهند. این قطعه در دمای بالا و به مدت طولانی در چنین محیطی گذاشته می شود. با افزایش دما، امکان جذب کربن برای آلیاژ فراهم شده و کربن به آرامی بر روی سطح فلز قرار می گیرد.

روش دیگر فرایند نیتریده کردن است. در فرایند نیتریده کردن، آلیاژ با دمای بالا در مجاورت ترکیبات نیتروژن دار قرار می دهند. بسته به نوع فرایند نیتریده کردن ممکن است آلیاژ در مجاورت موادی مانند آمونیاک و نمک سیانید قرار بگیرد. بدین ترتیب همانند کربن دهی، نیتروژن جذب سطح آلیاژ شده و در دمای کمتری نسبت به کربوره کردن انجام می شود.

تفاوت Case Hardening و Surface Hardening

بزرگترین تفاوت این دو این است که در Case Hardening، لایه ای نازیک در سطح فلز تشکیل می شود. در حالی که Surface Hardening خود سطح فلز را سخت تر کرده و درون آن را تغییری نمی دهد. روش حرارت دهی به آلیاژ در این فرایند ها با یکدیگر متفاوت است، اما در هر دو بلافاصله پس از رسیدن آلیاژ به دمای مطلوب، آن را کوئنچ می کنند. به طور کلی هر دو فرایند در ایران با نام سخت کاری سطحی شناخته می شوند، اما سخت کاری سطحی انواعی داشته، هر کدام کاربرد متفاوتی دارند و به شیوه های متفاوتی نیز انجام می شوند.