سخت کاری آهن و فولاد چیست؟ آشنایی با روش‌های مختلف افزایش سختی آهن

سخت کاری فولاد به منظور افزایش سختی سطحی آن، انجام می‌شود. در بسیاری از کاربردها، قطعه‌ای نیاز است که دارای سختی سطحی و در عین حال چقرمگی و مقاومت به ضربه نسبتا مناسبی باشد. به عنوان مثال، میل لنگ، میل بادامک، چرخ‌دنده و قطعاتی مشابه آن‌ها، لازم است که سطحی سخت و مقاومت به سایش داشته و در عین چقرمگی و مقاومت به ضربه آن‌ها بالا باشد.
به‌طورکلی، سخت کاری از جمله روش‌های عملیات حرارتی سطحی است. به کمک این عملیات، سختی سطح نمونه‌های فولادی افزایش پیدا می‌کند. برای آشنایی بیشتر با سخت کاری و روش‌های آن ادامه این مطلب را مطالعه کنید.

سخت کاری فلزات چیست؟

گرم کردن یک نمونه فلزی تا دمای مشخص، نگهداری و سپس سرد کردن، عملیات حرارتی می‌گویند. یک قطعه صنعتی به روش‌های مختلفی مثل فورج تولید می شود. در پایان خط تولید توقع داریم قطعه تولیدی خواص مکانیکی مشخصی داشته باشد. عملیات حرارتی از جمله روش‌هایی است که به بهبود خواص مکانیکی و ساختار ماده کمک می‌کند. همان طور که مقاله عملیات حرارتی فولاد ها مطالعه کردید، این عملیات به روش‌های مختلفی صورت می‌گیرد.

در صنایع مختلف، گاهی به قطعاتی نیاز داریم که علاوه‌بر داشتن سطحی سخت، از چقرمگی مناسبی نیز برخوردار باشند. منظور از چقرمگی، توانایی ماده در برابر جذب انرژی و عدم تغییر شکل است که به کمک سخت کاری انجام می‌گیرد. استفاده از عملیات حرارتی برای افزایش سختی سطح قطعه را سخت کاری می‌گویند. این نوع عملیات حرارتی به قطعه این امکان را می‌دهد تا خواص سختی و مقاومت به ضربه را درکنار هم داشته باشد. در حقیقت، آخرین عملیاتی که در مرحله پایانی ساخت قطعه و پس از انجام تمام مراحل مربوط شکل‌دهی مانند ماشین‌کاری، انجام می‌شود سخت کاری سطحی است. سخت کاری فولاد، از جمله فرایندهای بسیار مهم تولید قطعات ساخته شده از این آلیاژ بسیار مهم و محبوب است.

واضح است که قیمت آهن سخت کاری شده و نشده، با هم تفاوت دارد. اما برای افزایش سختی آهن چه باید کرد؟ در ادامه این مطلب به‌طور کامل درباره این موضوع صحبت خواهیم کرد.

عوامل موثر بر سختی پذیری آهن

مقدار سختی پذیری آهن و مقاطع فولادی به عوامل زیر وابسته است:

• اندازه دانه‌های آستنیت
• درصد کربن
• عناصر آلیاژی
• ناخالصی‌های نافلزی
• همگن بودن میکرو ساختار

دمای سخت کاری آهن

دمای سخت کاری آهن و فولاد، با توجه به نوع آلیاژ و ابعاد و شکل قطعه مشخص می‎شود. قطعات نازک‌تر با شکل پیچیده‌تر، به دمای پایین‌تری نیاز دارند درحالی‌که هر چه قطعه بزرگ‌تر بوده و شکل ساده‌تری داشته باشد، دمای سخت کاری آن نیز بالاتر خواهد بود.

روش های سخت کاری فولاد

در پاسخ به سوال چگونه اهن را سخت کنیم، باید گفت چندین روش وجود دارد که در ادامه آن‌ها را بررسی خواهیم کرد. این روش‌ها به دو دسته عملیات ترموشیمی و عملیات حرارتی موضعی تقسیم می‌شوند.:

عملیات ترموشیمی برای افزایش سختی آهن

دسته‌ای از روش‌های سخت کاری فولادها که در آن‌ها ترکیب شیمیایی سطح تغییر می‌کند، به عملیات حرارتی – شیمیایی یا عملیات ترموشیمی معروفند. کربن دهی، نیتروژن دهی و کربن نیتروژن دهی روش‌هایی به شمار می‌روند که در این گروه قرار می‌گیرد.
در ادامه این مقاله با این روش های سخت کاری آهن که برای انواع فولاد کربنی قابل استفاده است، بیشتر آشنا خواهید شد.

کربن دهی، از انواع سخت کاری آهن

قرار دادن قطعه فولادی در کنار یک ماده کربن ده مثل ذغال در دمای بالا، سختی سطح را افزایش می‌دهد. دمای بالا باعث آزاد شدن کربن از ماده کربن ده و نفوذ آن به سطح قطعه می‌شود. لازم به ذکر است که این فرایند زمان بر است. هم‌چنین ضخامت لایه سطحی با زمان نگهداری رابطه مستقیم دارد. در پایان این فرایند، مغز قطعه فولاد کم کربن و سطح آن فولاد پرکربن خواهد بود. در کربن زدایی، بر خلاف کربن دهی، کربن از سطح فولاد حذف می‌شود.

بسته به حالت ماده کربن ده با سه نوع روش کربن دهی مواجه هستیم. این سه روش شامل کربن دهی جامد یا پودری، کربن دهی مایع و کربن دهی گازی می‌شود.

در کربن دهی جامد و مایع، برای سرد کردن از روغن استفاده می‌کنند. البته در روش جامد، در صورت غوطه وری ناگهانی در روغن، امکان شکست قطعه وجود دارد. به همین دلیل، خنک کردن سطح طی دو مرحله صورت می‌گیرد. در مرحله اول پس نشستن گرافیت بر روی سطح، نمونه در مجاورت هوا خنک می‌شود. در مرحله بعد مجددا نمونه را حرارت داده و این بار در روغن سرد می‌کنند. این کار به رشد ساختارهای مارتنزیت و سختی سطح منجر می‌گردد. در دیاگرام آهن کربن می‌توانید فازهای مختلف فولاد را مشاهده نمایید. روش کربن دهی گازی در مقایسه با دو روش دیگر جدیدتر می‌باشد. هم‌چنین برای تولید انبوه، این روش سریع و اقتصادی خواهد بود.

برای کربن دهی، یک قطعه فولاد کم کربن در مواد کربن دهی چون ذغال و تحت حرارت تا دمای بالا (مثلا ۹۲۵ درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. با آزاد شدن اتم کربن از ماده کربن ده و نفوذ آن به سطح قطعه، سخت کاری انجام می‌شود. در صورتی که این روش تا چندین ساعت ادامه یابد، سطح کربن می‌تواند به ۱/۲ درصد نیز برسد، به‌طوری که مغز فولاد کم کربن و سطح آن پرکربن شود.

در ویدئوی زیر می‌توانید نمونه‌ای از سخت کاری آهن به روش کربن دهی را مشاهده کنید:

افزایش سختی فولاد به روش نیتروژن دهی

نیتروژن اتمی با ایجاد ترکیب نیترید فلزی در سطح، سختی را افزایش می‌دهد. این روش برای سخت کاری اکثر فولادها مناسب می‌باشد. اما نیتروژن دهی انواع فولاد آلیاژی با عناصری مثل آلومینیوم، کرم، مولیبدن و وانادیم سختی بیشتری ایجاد می‌کند چرا که این عناصر پس از تماس با نیتروژن اتمی، ترکیبات نیتریدهای پایدار و سخت تشکیل می‌دهند.
این روش در مقایسه با روش کربن دهی، در دماهای کمتری انجام می‌گیرد. به‌طوری‌که کربن دهی باید در گستره دمایی پایداری آستنیت و در محدوده ۸۷۵ تا ۹۲۵ درجه سانتی‌گراد انجام شود درحالی‌که دمای نیتروژن دهی باید در گستره پایداری فریت یعنی محدوده دمایی ۵۵۰ تا ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد باشد. قطعه سخت کاری شده فولاد با نیتروژن، نیازی به سرد کردن سریع ندارد و در پایان عملیات حرارتی، در مجاورت هوا سرد می‌شود.
قیمت ورق ck45 به عنوان یکی از ورق‌های با سختی بالا و مقاومت به سایش عالی را از آیرومارت استعلام بگیرید.

کربن – نیتروژن دهی

در این روش نیتروژن و کربن به طور همزمان جذب سطح شده و به این ترتیب، حضور نیتروژن سختی سطح کربن‌داده‌شده را افزایش می‌دهد. حضور این عناصر در سطح، باعث تفاوت ترکیب شیمیایی سطح و مغز قطعه می‌شود. این روش عموما در محیط‌های گازی انجام می‌گیرد. این فرایند، در گستره دمایی ۸۰۰ تا ۸۷۵ درجه سانتی‌گراد در مخلوطی از منواکسیدکربن و هیدروکربنی که ۳ تا ۸ درصد آمونیاک دارد صورت می‌گیرد. دما و غلظت آمونیاک، عوامل مهم تعیین کننده درصد کربن و نیتروژن سطح نهایی محسوب می‌شوند.

نیتروژن – کربن دهی

تفاوت این روش در مقایسه با روش قبلی در دماهای کمتر و در گستره دمایی پایداری فاز فریت انجام می‌شود به همین دلیل، به آن نیتروژن – کربن دهی فریتی نیز می‌گویند. نیتروژن کربن دهی به منظور سخت کاری فولاد در محیط‌های گازی و مایع قابل انجام است.

عملیات موضعی

روش‌های مورد استفاده در این گروه، برخلاف گروه اول، ترکیب شیمیایی سطح را تغییر نمی‌دهند. به کمک این روش‌ها، با عملیات حرارتی که در لایه سطحی متمرکزشده، سخت کاری آهن انجام می‌شود. با توجه به اینکه کربن کافی باید در سطح باشد تا سخت کاری فولاد انجام گیرد، این نوع عملیات را به‌طور معمول برای فولادهای کربنی که محتوای کربن آن‌ها ۰/۳۵ تا ۰/۵ درصد است، استفاده می‌کنند. این شیوه، برای فولادهای کم آلیاژی که حدود ۱ درصد کروم، ۰/۲۵ درصد مولیبدن و ۰/۵ درصد نیکل باشند نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در پیش از سخت کاری، ابتدا سطح قطعه باید مارتنزیت شده و سپس بازپخت و یا نرماله گردد. سپس با عملیات موضعی سطح آن آستنیته و سریعا سرد می‌شود.
دو روش سخت کردن شعله‌ای و سخت کردن القایی از جمله روش های عملیات حرارتی موضعی انواع آلیاژهای آهنی محسوب می‌شوند.

سخت کاری شعله ای، از راه‌های سخت کاری فلزات

یک ماده طی سه مرحله عملیات حرارتی می‌شود. مرحله اول که حرارت دادن برای رسیدن به دمای مشخص است. در این روش، به کمک مشعل اکسیژن در کنار یک شعله گازی مثل استیلن، پروپان یا گاز طبیعی سطح قطعه حرارت داده می‌شود. پس از نگهداری سطح در دمایی مشخص، ساختار سطح فولاد کاملا آستنیتی خواهد شد. در نهایت تمام قطعه درون آب غوطه ور شده و به سرعت سرد می‌شود.

لازم به ذکر است که سخت کاری سطحی با استفاده از این روش سطح را اکسید و درصد کربن را کم می‌کند چرا که قطعه گرم شده مستقیما با اکسیژن در تماس است و از شعله نیز استفاده می‌شود. به کمک شعله‌های اکسید کننده ضعیف یا احیا کننده می‌توان تا حدی از بروز این عیب جلوگیری کرد.

توصیه می‌‌شود از این روش برای سخت کاری فولاد های با کربن حدود ۰/۴ تا ۰/۵ درصد استفاده می‌شود. اگرچه، برای فولادهای با کربن بیشتر نیز می‌توان از این روش استفاده کرد اما نیاز به دقت زیادی دارد چرا که احتمال شکسته شدن یا ترک برداشتن قطعه وجود دارد. فولاد ضد سایش، از جمله فولادهایی است که سختی سطحی بسیار بالایی دارد.

سخت کاری فولاد به روش شعله ای

سخت کردن القایی

این روش کاملا مشابه روش قبلی است، با این تفاوت که منبع حرارتی مورد استفاده متفاوت است. در روش سخت کردن شعله ای به کمک سیم پیچ میدان مغناطیسی بزرگی ایجاد می‌گردد. داخل قطعه فولادی به دلیل قرار گرفتن در مجاورت این میدان، جریان الکتریکی برقرار می‌شود. جریان برقرار شده دما نمونه را افزایش می‌دهد. در پایان به کمک آب یا روغن نمونه را سرد می‌کنند. در ویدئوی زیر فرایند سخت کردن القایی را مشاهده نمایید:

خرید مقاطع ضد سایش از آیرومارت

در بسیاری از کاربردها، سختی سطحی در عین داشتن چقرمگی و مقاوم به ضربه مناسب، لازم است. قیمت ورق ضد سایش به عنوان یکی از فولادهای آلیاژی بسیار مهم در صنعت، در وبسایت آیرومارت قابل مشاهده است. هم‌چنین برای آگاهی از قیمت مواد اولیه فولادی مثل قیمت میلگرد، با مشاوران ما در آیرومارت تماس حاصل فرمایید. خرید ورق از آیرومارت، در کوتاه‌ترین زمان ممکن و به سادگی برای شما ممکن است.