دانلود تحقیق 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 .

(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 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 .

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% 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 .

کربن – نیتروژن دهی : فرایندی است که کربن و نیتروژن در فاز آستنیت فولاد وارد می شود .

این فرایند از این نظر مشابه با کربن دهی است که در ضمن آن ترکیب شیمیایی آستنیت تغییر کرده و سختی زیاد سطح ناشی از سرد کردن سریع و تشکیل مارتنزیت است .

مع هذا از آنجایی که نیتروژن سختی پذیری راافزایش می دهد فرایند کربن – نیتروژن دهی این امکان را فراهم می سازد که با استفاده ز فولاد کم کربن و بدون نیاز به سرد کردن سریع بتوان همان سختی حاصل از کربن دهی فولادهای آلیاژی را به دست آورد .

این امر موجب کاهش امکان تاب برداشتن و همچنین کاهش خطر تک خوردن می شود .

به علاوه سخت شدن تا حدودی بستگی به تشکیل نیترید دارد .

گرچه کربن – نیتروژن دهی را می توان در اتمسفر گازی و یا حمامهای نمک انجام داد .

مع هذا اغلب کربن – نیتروژن دهی به فرایندی که در اتمسفر گازی انجام می شود اطلاق می گردد .

اساساً کربن - نیتروژن دهی در حمامهای نمک مشابه با همان سخت کزردن سیانوری است .

در هر دو فرایند ، نیتروژن سختی پذیری و سختی پوسته را افزایش داده ولی از نفوذ کربن ممانعت به عمل می آورد .

مشابه با کربن نیتروژن نیز یک عنصر پایدار کننده آستنیت است .

بنابراین ممکن است مقدار قابل ملاحظه ای آستنیت در قطعه سریع سرد شده داشته باشیم .

اگر میزان آستنیت باقی مانده آنقدر زیاد باشد که موجب کاهش سختی و مقاومت به سایش شود ممکن است بتوان با کاهش آمونیاک آن را کنترل کرد .

برای این منظور آمونیاک موجود در اتمسفر کربن – نیتروژن دهنده را در ضمن فرایند و یا در مرحله نهایی عملیات کاهش می دهند .

یکی دیگر از نتایج حضور نیتروژن اضافی در پوسته کربن – نیتروژن داده شده تشکیل حفره ها و خلل و فرج است .

نیتروژن – کربن دهی آستنیتی : گرچه به علت خطر انفجار و تشکیل ساختارهای ترد از انجام فرایند کربن – نیتروژن دهی در دماهای پایین ( 700-760 درجه سانتی گراد ) اجتناب می شود .

مع هذا یک فرایند کربن – نیتروژن دهی همزمان در دماهای پاین تر ابداع و توسعه یافته است .

دامنه حرارتی بهینه انجام این فرایند که گاهی به فرایند نیتروژن – کربن دهی آستنیتی خوانده می شود در حدود 675 – 775 درجه سانتی گراد است .

بر خلاف کربن – نیتروژن دهی عامل سخت کننده در این فرایند عمدتاً کاربونیترید اپسیلن ( ε ) تشکیل شده است .

این امر می تواند نیاز به سرد شدن سریع را حذف کند .

نیتروژن – کربن دهی فریتی : شامل نفوذ کربن و نیتروژن در فاز فریت و تشکیل لایه نازکی از فاز سفید رنگ کاربونیترید اپسیلن ( ε ) است .

برای افزایش مقاومت خستگی نفوذ نیتروژن در پوسته نیاز است .

ضخامت پوسته تشکیل شده کم بوده و در مقایسه با لایه سفید رنگ تشکیل شده در فرایند نیتروژن دهی کاربونیترید تشکیل شده در این فرایند تمایل کمتری به پوسته شدن دارد .

بوردهی : فرایند بوردهی شامل نفوذ اتمهای عنصر بور به داخل سطح فولاد به منظور افزایش سختی و مقاومت به سایش است .

بوردهی معمولاً بر روی فولادهای ابزاری که قبلاً تحت عملیات حرارتی سخت کردن قرار گرفته باشند اعمال می گردد .

روش های بوردهی شامل رسوب شیمیایی فاز بخار ، سمانتاسیون پودری و فلز دهی است .