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 .
(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)
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 .
فولاد های 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