سخت کاری به فرآیندی گفته می شود که طی آن و در شرایطی خاص، سطح رویی فولاد دچار تغییر شده و خواص مکانیکی، متالوژیکی، شیمیایی و فیزیکی فولاد دچار تغییراتی می شود و بهبود می یابد ولی بخش داخلی آن تغییر نمی کند و می توان از قطعات به دست آمده در ساخت قطعات صنعتی استفاده کرد. در این مقاله سعی بر این است که فرآیند سخت کاری فولاد، علل و نحوه انجام آن و مواردی از این دست را بررسی کنیم.
در سخت کاری فلزات، آلیاژ موردنظر را آن قدر گرم می کنند تا به بالاتر از دمای بحرانی انتقالی برسد، سپس تا اندازه مشخصی به سرعت سرد می کنند. فولاد نیز آلیاژ آهن و کربن است. فولاد طی عملیاتی که به سخت کاری فولاد معروف است به طور زمان بندی شده گرم و سپس سرد می شود و دچار تغییر در خواص مکانیکی خواهد شد که برخی از این تغییرات عبارت اند از:
فرآیند سخت کاری فولاد به این علت انجام می گیرد که در صنعت و تولید قطعات صنعتی برای مثال تولید چرخ دنده ها، میل لنگ و غیره نیاز است که فولاد به سطح سختی بالاتری برسد تا بتواند فشار وارده حین کاربرد را تحمل کند و دیرتر و کمتر آسیب ببیند و در برابر ضربات ایجاد شده در حین استفاده، مقاوم و در عین حال چقرمه باشد.
قطعات فولادی حرارت دیدهسخت کاری فولاد معمولاً به دو روش انجام می گیرد:
طی این عملیات، ترکیب شیمیایی روی سطح فولاد تغییر پیدا می کند، مانند نیترو کربوره کردن، نیتریده کردن، کربوره کردن و کربو نیتریده کردن. از بین تمام این ها کربوره کردن یا همان کربن دهی جزو رایج ترین شیوه ها می باشد. جهت اطلاعات بیشتر در خصوص عملیات حرارتی فولاد می توانید به مقاله مربوطه مراجعه نمایید.
طی این عملیات، ترکیب شیمیایی روی سطح فولاد هیچ تغییری نکرده و فقط 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 بندی می شود.
در سخت کاری القایی، قطعه فولاد را خیلی سریع توسط یک میدان مغناطیسی بزرگ گرم می کنند. این میدان مغناطیسی با تولید کردن یک جریان الکتریکی باعث گرم شدن فولاد تا رسیدن به دمای بحرانی انتقالی می شود. جریان به صورت دایره های کوچک ایجاد شده و نمی تواند به عمق قطعه فلزی نفوذ کند. سپس قطعه فولاد را به سرعت کوئینچ یا خنک می کنند 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 خواهد ماند، به همین ترتیب فلز خواص خود را از دست نمی دهد. از قطعات حاصله در شفت ها، میله های سیلندرهای هیدرولیک، میل لنگ ماشین که اجزای انتقال قدرت در خودروها هستند و یاتاقان ها استفاده می شود. برای سخت کردن قطعات در این روش، از مایعات با پایه پلیمر استفاده می شود که این مایعات خاصیت چسبندگی ندارند و خاصیت مهارکننده خوردگی دارند.
در سخت کاری شعله ای، توسط شعله حاصل از سوخت یک گاز قابل احتراق نظیر گاز طبیعی، لایه نازکی از سطح قطعه فولاد را تا رسیدن به دمای بحرانی انتقال حرارت می دهند و سپس کل قطعه کوئینچ یا خنک می شود. در اغلب موارد در سخت کاری شعله ای، فقط بخشی از یک قطعه یا شی توسط حرارت بسیار بالا و سریع داغ می شود و این باعث سخت کاری در همان نقطه از شی‌ء شده و باقی نقاط تغییری نمی کنند.
در این نوع سخت کاری هم مانند انواع دیگر سخت کاری فولاد، فقط لایه بیرونی کریستاله و سخت خواهد شد و مغز فلز نرم باقی می ماند. 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 است که انجام عملیات حرارتی حجمی رایج، امکان پذیر یا مقرون به صرفه نیست. از این روش برای ساخت غلتک ها و قالب های بزرگ، چرخ دنده های صنعتی و لبه تیز چاقوها استفاده می شود.
سخت کاری القایی قطعات فولادیمراحل سخت کاری فلزات سه مرحله عمده دارد که عبارت اند از:
عمل گرم کردن آلیاژ باعث می شود که عناصر موجود در آلیاژ به حالت محلول جامد تغییر شکل دهند و مرحله سرد کردن ناگهانی که همان کوئینچ کردن نام دارد، در ماده تنش ایجاد می کند پس توصیه اکید می شود که 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.
وقتی که کوئینچ کردن توسط غوطه وری در مایعات مانند آب، روغن و … انجام می شود باید توجه داشت که غوطه وری به صورت کامل و با سرعت انجام شود چون در غیر این صورت لایه ای روی سطح کار ایجاد می شود که مانع از سخت کاری فولاد می شود. سرعتی که برای سرد کردن فولادها در نظر گرفته می شود به میزان عناصر آلیاژی که در آن ها استفاده شده است بستگی دارد. باید به این نکته توجه کنیم که عملیات سرد سازی یا همان کوئینچ برای قطعات یک محموله تولیدی به طور یکسان انجام شود و قطعه کوئینچ شده نباید برای زمان طولانی در دمای محیط نگه داشته شود و باید سریع به مرحله تمپرینگ فرستاده شود. تمامی این مراحل را می توانید در مقاله تمپر کردن فولاد مشاهده نمایید.
بهتر است از روغنی استفاده شود که نقطه اشتعال لحظه ای بالاتری دارد زیرا این کار باعث کاهش احتمال آتش سوزی می شود. چون سرعت سرد شدن قطعه فولاد در این حالت پایین تر از سرد شدن با آب و سایر مواد است، میزان تنش های پس ماند کمتر خواهد بود. در طول تمام مدت سرد شدن قطعات، 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. بهترین دما برای روغن کوئنچ چیزی بین 32-540 سانتی‌گراد است. عمق سخت کاری در فولادهایی که با روغن کوئینچ یا خنک می شوند بالاتر از آن هایی است که با آب کوئینچ می شوند و همین طور قطعات فولادی که توسط هوا کوئینچ و سخت کاری می شوند، تقریباً مغز قطعه فولاد هم چقرمه نمی ماند و سخت کاری می شود.
کوئنچ فولاد توسط مایعات
بهتر است از آب نمک به جای آب خالی در این مرحله استفاده شود زیرا در هنگام استفاده از آب خالص یک لایه سد بخار روی قطعه فولادی ایجاد می شود که باعث عدم سخت شدن بعضی از نقاط به طور مطلوب خواهد شد، ولی در هنگام استفاده از آب نمک کریستال های نمک روی قطعه رسوب کرده سپس منفجر می شوند و همین امر باعث عدم تشکیل سد بخار خواهد شد و قطعه فولادی مورد نظر به طور یکنواخت سرد می شود.
نکته:
در عملیات سخت کاری فولاد، میزان دمای مورد نیاز بستگی به نوع آلیاژ و فولاد، ابعاد قطعه مورد نظر و شکل قطعه 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. باید بدانیم که هر چه دما بالاتر باشد، فولاد حاصله دانه درشت می شود و هر چه دما پایین تر باشد، فولاد حاصله نرم تر می شود.
همان طور که اشاره شد سخت کاری فولاد به یک سری مراحلی گفته می شود که طی آن خواص مکانیکی و فیزیکی و حتی شیمیایی فولاد بهبود بخشیده می شود. این مراحل شامل گرم کردن و سرد کردن هدفمند قطعه فولادی و تحت شرایط و مدت زمان تعیین شده است. نکته دیگر اینکه از عملیات حرارتی برای مواد غیر فلزی هم می توان مانند سرامیک و شیشه ها به کار گرفت.