توانایی مقاومت در برابر خراشیدگی و تورفتگی یک خاصیت بسیار مهم به شمار می رود و لازم است تا در گروهی خاصی از فلزات موجود باشد. سختی معیاری است که با اندازه گیری آن، تا حد زیادی می توان به وجود مقاومت در برابر خاصیت گفته شده در فلزات پی برد. 

این معیار، هنگام انتخاب نمودن فلز مناسب، از اصلی ترین معیار ها به شمار می رود. 

 احتمالاً مهم ترین قسمت فلز که باید سختی کافی را دارا باشد، سطح بوده و دلیل آن هم بدیهی است. سطح فلز قسمتی است که در معرض بیشترین آسیب های فرسایشی، خراش، ضربه، خوردگی، حرارت و غیره قرار می گیرد. به منظور اطمینان از اینکه سطح فلز مورد نظر مقاومت کافی دارد، بر روی آن فرایند مخصوصی انجام می شود که سختی آن را تغییر می دهد. به این فرایند، عملیات سخت کاری سطحی یا Case Hardening گفته می شود. این فرایند در صنایع فلز بسیار رایج است. در حقیقت بر روی بعضی از آلیاژ ها حتماً باید سخت کاری سطحی انجام شود تا بتوان آنها را در حوزه مورد نظر استفاده نمود.

سخت کاری سطحی چیست؟ 

در این فرایند بر روی مواد قسمتی از فلز عملیاتی انحام می گیرد تا سختی سطح بیرونی آن افزایش یابد. نتیجه عملیات سخت کاری سطحی، تشکیل شدن لایه ای نازک از فلز دیگری است که نسبت به فلز اصلی، تا حد قابل توجهی سخت تر است. این فرایند معمولاً در دما های بالا انجام می گردد. به کمک حرارت دادن، سختی فلز از طریق تغییر دادن ساختار کریستالی فلز یا اضافه کردن عناصر جدید به ترکیبات بیرونی ترین سطح فلز، افزایش خواهد یافت. به دلیل آنکه این فرایند انعطاف پذیری فلز برای عملیات دیگری چون ماشین کاری، چکش کاری و غیره را کاهش می دهد، اغلب زمانی انجام می گیرد که بیشتر فرایند های تغییر شکل فلز بر روی آن انجام شده باشد. 

چرا فقط سطح فلز را سخت می کنند؟ 

همانطور که گفتیم، برای افزایش مقاومت یک آلیاژ یا فلز، سخت کاری سطحی بر روی آن انجام می شود. این فرایند فقط به سطح بیرونی یک قطعه فلزی و نه کل ساختار آن مقاومت بیشتری می دهد که این امر دلایلی هم دارد. 

 اولین دلیل به صرفه بودن عملیات است. برای گرم کردن بیرونی ترین سطح فلز، انرژی و زمان کمتری نیاز داریم. قطعاً این مورد در مقایسه با اینکه بخواهیم قسمت های دیگر فلز و بخش های درونی آن که زمان و انرژی فوق العاده زیادی می طلبد را گرم کنیم بسیار به صرفه به حساب می آید. انجام فرایند، تنها بر روی سطح فلز، صرفه جویی بسیار زیادی در هزینه های بعدی را به دنبال خواهد داشت. اهمیت این نکته زمانی که بخواهیم تولید را در مقیاس بزرگی انجام دهیم، به چشم می آید.

دلیل دوم، عملکرد خود فلز است. در اکثر صنایع، فلزاتی مورد نیاز هستند که دارای سطح سخت، اما بدنه نرم و شکل پذیری باشند. اگر بخواهیم تمام یک قطعه فلزی را سخت کاری کنیم، درست است که به سختی بیشتری دست پیدا خواهیم کرد، اما شکل پذیری قطعه بسیار کاهش می یابد؛ تا حدی که نتوان بر روی آن عملیات ماشین کاری و غیره را انجام داد. می توان به اهمیت دیگری هم برای نوع ساختار فلز اشاره کرد. آلیاژی که در ساخت تجهیزات مقاوم به خراش به کار رفته باشد، باید توانایی ایستادگی در برابر ضربه را نیز دارا باشد. در اینصورت در صورت ضربه دیدن در ساختار آن مشکلاتی مانند ترک و شکستگی بوجود نخواهد آمد. این امر فقط در صورتی میسر است که سطح فلز سخت، و درون آن نرم تر باشد. این فرایند را به چند طریق می توان انجام داد. 

انواع سخت کاری 

1.کونئنچ کردن (Quenching) 

یکی از رایج ترین روش ها برای فولاد هایی با مقادیر کربن بالاتر یا فلز هایی که قرار است بر روی آنها عملیات حرارتی انجام شود، روش کوئنچ کردن (Quenching) است. در این روش، به کمک یک منبع گرمایی مانند سیم پیچ های القایی یا مشعلی که سوخت آن گاز اکسیژن است، سطح فولاد را تا دمایی که ریز ساختار آن شروع به تغییر کند، گرم می نمایند. به این دما، دمای بحرانی گفته شده و نزدیک به 700 درجه سانتی گراد می باشد. پس از رسیدن به این مرحله، باید قطعه را سریعاً سرد نمود. به این منظور قطعه داغ شده را در محیطی مخصوص به کوئنچ کردن (کلمه کوئنچ خود به معنای سرد کردن سریع می باشد) قرار می دهند. ماده سرد کننده در این محیط می تواند آب شور، روغن، هوا یا آب معمولی باشد. بسته به نوع استفاده از فلز، مواد متنوع و روش های سرد کردن گوناگونی را می توان به کار برد. این سرد کردن سریع، باعث تشکیل فولاد مارتنزیتی می شود. مارتنزیت یکی از ریز ساختار های فوق العاده محکم و مقاوم به خراش فولاد بوده و غیر از آن ریز ساختار های دیگری همچون آستنیتیک، فریتیک و دوپلکس وجود دارند که در مقاله دیگری درباره آنها توضیح داده ایم. 

2. نیتریده کردن (Nitriding) 

این اسم نام خود را از ترکیبات نیتریدی که بر روی سطح فلز تشکیل می شود می گیرد. برای اجرا فرایند نیتریده کردن، فلز را تا دمای بالایی حرارت داده و آن را در معرض آمونیاک یا ترکیبات دیگری که دارای نیتروژن باشند، قرار می دهند. قرار داشتن در مجاورت گرمای زیاد و نیتروژن، بر روی سطح فلز لایه ای از نیترید تولید می نماید که خود این مواد نسبت به انواع خراش و فرسایش بسیار مقاوم هستند. البته این فرایند زمانی به درستی انجام می شود که عناصری که در سطح فلز وجود دارند، بتوانند با نیتروژن واکنش داده و نیترید تولید کنند. عناصری چون کروم و مولیبدن از این دست مواد می باشند. نیتریده کردن معمولاً دمای کمتری را نسبت به کوئنچ کردن می طلبد و علاوه بر آن نیاز به سرد کردن سریع فلز پس از اتمام فرایند هم نیست، بنابراین انجام آن بسیار راحت تر خواهد بود. 

3. کربوره کردن (Carburizing) 

این فرایند نیز به منظور بهبود خواص مکانیکی زیر لایه های یک فولاد بکار می رود. در هنگام کربن دهی، یک آلیاژ فولاد حرارت داده شده و سطح داغ شده آن در معرض مقادیر زیادی از کربن قرار می گیرد. کربنی که در اطراف فلز وجود دارد می تواند جامد، مایع یا گاز باشد. اینکه حالت فیزیکی کربن مصرفی به چه صورت باشد، بستگی به نوع استفاده فلز دارد. کربن هایی که در اطراف فولاد هستند، سپس بر روی سطح آن شروع به تشکیل کاربید هایی از عناصر سطح آن می نمایند. این کاربید ها مقاومت فولاد را در برابر فرسایش و خوردگی افزایش می دهند. همانند نیتریده کردن، کربوره کردن نیز، به انرژی کمتری نیازمند است. همین امر این دو فرایند را از نظر مصرف انرژی نسبت به کوئنچ کردن بهتر می سازد. 

سطح چه نوع فلزاتی را می توان سخت کاری نمود؟ 

فلزاتی که عملیات سخت کاری سطحی بر روی آنها انجام می شود معمولاً محدود به مواد آهنی هستند. البته در بعضی مواقع آلیاژ های تیتانیومی و آلومینیوم را هم می توان سخت کاری سطحی نمود. آلیاژ های آهنی که می توان بر روی آنها این فرایند را انجام داد شامل موارد زیر هستند: 

• فولاد کربن پایین
• فولاد کربن بالا
• فولاد مارایجینگ
• فولاد کم آلیاژ با استحکام بالا
• فولاد ابزاری
• فولاد ضد زنگ 

البته بعضی از قطعات را نیز می توان سخت کاری سطحی نمود: 

• چرخ دنده ها
• پیچ ها
• میل سوپاپ (میل بادامک)
• میله ها