سخت کاری فولاد چیست و چه مراحلی دارد ؟

سخت کاری فولاد فرایندی است که بر روی قطعات فولادی مانند میل لنگ، چرخ دنده ها و… انجام می شود تا سختی و مقاومت آنها در برابر فشار و ضربه وارده افزایش یابد تا دیر تر و کمتر آسیب ببینند. در این مقاله سعی می کنیم اطلاعات بیشتری در خصوص سخت کاری ، مراحل و روش های آن خدمتتان ارائه کنیم. دعوت می کنیم در ادامه با فولاد نصر آذربایجان همراه باشید.

◾️سخت کاری فولاد چیست؟

سخت کاری فولاد (Hardening)  به فرآیندی گفته می‌ شود که طی آن، و در شرایط خاص، خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و متالوژیکی سطح رویی فولاد دچار تغییراتی ‌شده و بهبود می ‌یابد ولی بخش داخلی آن تغییر نمی ‌کند و می‌ توان از محصول به ‌دست ‌آمده در ساخت قطعات صنعتی استفاده نمود.

◾️مراحل سخت کاری فولاد

۱_  حرارت دهی

در این مرحله قطعه فولادی  تا دمایی بالاتر از دمای بحرانی انتقالی به ‌سرعت گرم می ‌شود. تا ساختاری به ‌صورت دانه ‌ریز به دست آید.

میزان دمای مورد نیاز نیز به نوع آلیاژ و فولاد، ابعاد و شکل قطعه بستگی دارد. هر چه قطعه مورد نظر نازک‌ تر و با شکل پیچیده ‌تر باشد دمای مورد نیاز پایین‌ تر است و برعکس، هر چه قطعه مورد نظر بزرگ ‌تر و با شکل ساده ‌تر باشد، دمای مورد نیاز بالاتر خواهد بود.

۲_ نگهداری دما

در مرحله دوم، به ازای هر اینچ ضخامت در قطعه آلیاژ مورد نظر، قطعه گرم شده یک ساعت در این دما نگه داشته می شود.

۳_ خنک کاری یا کوئینچینگ

در مرحله ی آخر قطعه گرم شده، در طی فرآیند خنک شدن سریع یا کوئینچ، به‌ جای اینکه در محیط‌ های باز و به ‌آرامی خنک شود، با غوطه‌ ور شدن در آب یا نیتروژن مایع، هوا، حمام نمک، آب ‌نمک یا غوطه ‌ور شدن در روغن به ‌سرعت خنک می ‌شود.

لازم به ذکر است برای فولادهای غیر آلیاژی عملیات سخت کاری با آب انجام می ‌شود. در حالی که برای فولادهای آلیاژ بالا توسط هوا و برای فولادهای آلیاژ پایین  با غوطه ‌ور شدن در روغن سخت کاری می‌ شود‌.

توجه داشته باشید سرعت خنک کردن یا همان کوئینچ کردن فولاد در فرآیند سخت کاری باید بیش ‌از حد بالا نباشد تا از میزان تنش‌ های پس‌ ماند کاسته شده و ترک‌ خوردگی در سطح سخت کاری شده رخ ندهد.

همچنین در صورتی که سرد کردن توسط غوطه ‌وری در مایعاتی مانند آب، روغن و … انجام شود؛ غوطه ‌وری باید به‌ صورت کامل و با سرعت انجام شود در غیر این صورت لایه‌ ای روی سطح کار ایجاد می‌ شود که مانع از سخت کاری فولاد می ‌شود.

گفتنی است سرعتی که برای سرد کردن فولادها در نظر گرفته می‌ شود به میزان عناصر آلیاژی که در آن‌ ها استفاده‌ شده است بستگی دارد.

◾️سرد کردن با آب

در صورت استفاده از آب برای سرد کردن بهتر است از آب نمک استفاده شود زیرا آب خالص باعث می شود یک لایه سد بخار روی قطعه فولادی ایجاد شود که باعث عدم سخت شدن بعضی از نقاط قطعه می شود، اما استفاده از آب ‌نمک باعث می شود کریستال های نمک روی قطعه رسوب کرده و بعد منفجر می ‌شوند و همین امر باعث عدم تشکیل سد بخار  شده و قطعه فولادی به‌ طور یکنواخت سرد می ‌شود.

◾️سرد کردن با روغن

در صورت استفاده کردن از روغن برای سرد کاری بهتر است از روغنی استفاده شود که نقطه اشتعال لحظه ‌ای بالاتری دارد زیرا این کار باعث کاهش احتمال آتش ‌سوزی می‌ شود.

همچنین در طول مدت سرد شدن قطعه، باید روغن درون مخزن را هم زد تا تمام قسمت ‌های قطعه فولادی به‌ طور یکسان حرارت خود را از دست بدهند و سرد شوند.

◾️انواع سخت کاری فولاد

۱- عملیات حرارتی-شیمیایی ( ترموشیمی)

در طی این عملیات، ترکیبات شیمیایی روی سطح فولاد تغییر پیدا می‌ کند. مانند نیترو کربوره کردن، نیتریده کردن، کربوره کردن و کربو نیتریده کردن. که رایج ترین آنها کربوره کردن یا همان کربن ‌دهی کردن می باشد.

۲- عملیات حرارتی موضعی:

درطی این عملیات، ترکیبات شیمیایی روی سطح فولاد هیچ تغییری نمی کند بلکه عملیات حرارتی روی سطح بیرونی فولاد متمرکز می‌ شود و آن را سخت ‌تر می ‌کند. این نوع از فرآیند سخت کاری فولاد به دو نوع سخت کردن القایی و سخت کردن شعله‌ ای تقسیم می شود :

سخت کردن القایی

در این روش قطعه فولاد توسط یک میدان مغناطیسی بزرگ خیلی سریع گرم می‌ شود تا به دمای بحرانی انتقالی برسد. جریان نیز به‌ صورت دایره ‌های کوچک ایجاد شده و نمی‌ تواند به عمق قطعه فلزی نفوذ کند. سپس قطعه فولاد به سرعت خنک می ‌شود و این امر باعث می‌ شود که در لایه بیرونی قطعه فولادی کریستال ‌هایی ایجاد شود که تنها سطح ‌رویی قطعه فولادی سخت کاری می شود و قسمت زیرین و هسته مرکزی نرم می ماند و باعث می شود فلز خاصیت خود را از دست ندهد.

از قطعات تولید شده به روش سخت کردن القایی در ساخت شفت ‌ها، میله ‌های سیلندرهای هیدرولیک، میل ‌لنگ ماشین که اجزای انتقال قدرت در خودروها هستند و یاتاقان‌ ها استفاده می‌ شود.

سخت کردن شعله ای

در این روش به وسیله ی شعله حاصل از سوخت یک گاز قابل‌ احتراق مانند گاز طبیعی، لایه‌ نازکی از سطح قطعه فولاد  تا رسیدن به دمای بحرانی انتقال گرم می شود و سپس کل قطعه خنک می ‌شود. به عبارتی در سخت کاری شعله ‌ای، فقط بخشی از یک قطعه توسط حرارت بسیار بالا و سریع داغ می ‌شود و این باعث سخت کاری در همان نقطه از قطعه شده و باقی نقاط تغییری نمی‌ کند.

سخت کاری شعله‌ ای باعث افزایش عمر خستگی قطعه و افزایش استحکام خمشی و پیچشی می‌ شود. ‏ ‏از این روش در مواردی استفاده می ‌شود که قطعه مورد نظر به ‌قدری از نظر اندازه بزرگ باشد که انجام عملیات حرارتی حجمی رایج، امکان ‌پذیر یا مقرون‌ به ‌صرفه نباشد.

◾️روش های سخت کاری فلزات

روش های مختلفی برای سخت کاری فلزات وجود دارد که بسته به نوع فلز ، نوع استفاده و شرایط انجام پروسه های سخت کاری متفاوت می باشد . در ادامه به معرفی مهمترین روش های سخت کاری می پردازیم :

۱- آبدهی مستقیم ( کوئنچ معمولی)

ساده ترین و رایج ترین روش برای سخت کاری آبدهی مستقیم یا آبدهی معمولی است. در این روش، قطعه پس از رسیدن به دمای سخت کاری و نگهداری دما، درون محیط کوئنچینگ قرار می گیرد و پس از رسیدن دمای قطعه به دمای محیط خنک‌کننده، از آن خارج می‌شود.

۲- کوئنچ در چند مرحله و محیط مختلف

در آبدهی در چند مرحله و محیط مختلف؛ قطعه پس از رسیدن به دمای سخت کاری و نگهداری دما، در یک محیط خنک‌کننده قوی مانند آب قرار می‌گیرد سپس در یک محیط خنک‌کننده دیگر مانند روغن یا هوا منتقل می‌شود تا به دمای اتاق برسد. این روش تنش‌های داخلی بسیار کمتری نسبت به روش مستقیم به وجود می‌آورد.

۳- آبدهی با اسپری

یکی از بهترین روش ها  برای سخت کاری قسمت خاصی از یک قطعه آبدهی با اسپری است.

در این روش، قطعه پس از رسیدن به دمای سخت کاری و نگهداری دما، به صورت پیوسته با یک ماده خنک‌کننده مانند  آب خنک می شود. همچنین نرخ کاهش دمای قطعه در آبدهی با اسپری بسیار بالا است. زیرا با بخار شدن ماده خنک‌کننده و آزاد شدن آن در هوا، بر خلاف آبدهی معمولی، هیچ لایه بخار-مایع در اطراف قطعه تشکیل نمی‌شود.

۴- آبدهی با سلف تمپرینگ

در آبدهی با سلف تمپرینگ یا آبدهی زمانی ؛ قطعه پس از رسیدن به دمای سخت کاری و نگهداری، درون محیط خنک‌کاری قرار میگیرد. و پس از گذشت یک زمان مشخص، قبل از خنک شدن کامل از درون محیط خنک‌کننده بیرون آورده و به درون یک محیط خنک‌کننده ملایم دیگر مانند روغن یا هوا منتقل می‌شود

به عبارتی مرحله آبدهی اولیه، منجر به تشکیل مارتنزیت و آبدهی ثانویه، باعث یکنواختی دمای تمام بخش‌های قطعه می‌شود.

۵- آس پخت یا آبدهی هم‌دما

در روش آس‌پخت ، آستمپرینگ یا آبدهی هم دما ابتدا دمای قطعه به ۷۰۰ تا ۹۰۰ درجه می رسد. سپس قطعه برای چند دقیقه در این دما باقی می‌‌ماند و بعد درون نمک نیتریت-نیترات قرار می‌گیرد. از این روش برای تقویت خواص آلیاژهای آهنی مانند فولاد و چدن نشکن استفاده می شود.

از مزایای آب پخت  می توان به بهبود خواص مکانیکی مانند (شکل‌پذیری، سختی، مقاومت ضربه‌ای، مقاومت خستگی) و کاهش اعوجاج ناشی از سخت کاری اشاره کرد.

۶- مارت پخت ( آبدهی منقطع )

مارت‌پخت ،مارتمپرینگ یا آبدهی منقطع یکی دیگر از روش‌های سخت کاری فلزات و مشابه روش آس پخت است.

در این روش، پس از اعمال حرارت سخت کاری و نگهداری دما، قطعه به درون محیط آبدهی شامل نمک، روغن یا سرب با دمای ۱۸۰ تا ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد منتقل می شود.و پس از رسیدن دمای قطعه به دمای محیط سرمایش، از آن خارج و در معرض هوا قرار می‌گیرد.

◾️مزایای سخت کاری

• افزایش دوام و طول عمر قطعه
• افزايش سختي و مقاومت در برابر ضربه
• افزايش چکش ‌خواری
• افزایش مقاومت در برابر سايش
• سهولت در جوشکاری
• افزایش انعطاف‌پذیری
• بهبود خواص مغناطی
• بهبود خواص الکتریکی
• افزایش قدرت و میزان جذب انرژی در فولاد
• حذف تنشهای موجود در فلز ها

◾️معایب سخت کاری

سخت کاری فلزات اگر در هر یک از مراحل حرارت‌دهی،کوئنچینگ وتمپرینگ به درستی انجام نشود موجب عیوب و نقایصی چون موارد زیر در فلزات می شود.

• نرم شدن
• سختی غیر یکنواخت
• سختی بیش از حد
• اعوجاج
• ترک‌خوردگی

در این مقاله از وبلاگ فولاد نصر آذربایجان سعی کردیم که اطلاعاتی کامل و جامع در مورد فرایند سختکاری فولاد بیان کنیم . سعی خواهد شد در دیگر مقالات سایت به بررسی بیشتر سخت کاری و مزایا و معایت آن بپردازیم .