بخشی از مقاله
در عمليات حرارتي فولاد معمولاً يكي از اهداف زير دنبال مي‌شود:
تنش‌گيري حاصل از كار يا تنش گيري حاصل از سرد كردن ناهمگن
بهينه سازي ساختار دانه در فولادهايي كه بر روي آنها كار گرم انجام شده است
و ممكن است دانه‌هاي درشت داشته باشند.
كاهش سختي فولاد و افزايش قابليت شكل‌پذيري بهينه‌سازي ساختار دانه
افزايش سختي فولاد به منظور زياد شدن مقاومت سايشي و يا سخت كردن فولاد براي مقاومت بيشتر در شرايط كاري
افزايش چقرمگي فولاد به منظور توليد فولادي كه استحكام بالا و انعطاف‌پذيري خوبي دارد و افزايش مقاومت فولاد در برابر ضربه
بهبود قابليت ماشين‌كاري .
بهبود خواص برش در فولادهاي ابزار .
بهينه كردن خواص مغناطيسي فولاد .
بهبود خواص الكتريكي فولاد .
عنوان گزارش اول : عملیات حرارتی سخطی سطحی فولاد
تئوری
فولادهاي مناسب براي انواع عمليات حرارتي متداول
براي هر كدام از چهار عمليات حرارتي سطحي متداول در فولادها (كربن‌دهي، نيتروژن‌دهي، كربن- نيتروژن‌دهي و نيتروژن- كربن‌دهي)، يك‌سري از فولادها مناسب بوده و توسط عمليات حرارتي مورد نظر، خواص بهينه‌اي به دست مي‌آورند. در زير، فولادهاي مناسب براي هر عمليات سطحي با ذكر دليل معرفي شده است.
الف- فولادهاي مناسب براي كربن‌دهي
فولادهاي ساده كربني كه براي سخت كردن سطحي به روش كربن‌دهي انتخاب مي‌شوند، معمولاً كمتر از 2/0 درصد كربن دارند. اين ميزان كربن موجب مي‌شود كه فولاد پس از سخت شدن، حداكثر استحكام به ضربه و بيشترين انعطاف‌پذيري را داشته باشد. تحت شرايطي كه استحكام بيشتري نياز باشد، فولاد با درصد كربن اوليه تا حداكثر 3/0 درصد را نيز مي‌توان انتخاب كرد
.
منگنز باعث پايداري سمنتيت شده و تا حدود 4/1 درصد، به كربن‌دهي كمك مي‌كند. همچنين، كاربرد منگنز، ضخامت لايه سخت شده را افزايش مي‌دهد. بنابراين، ضمن سرد كردن سريع، امكان ترك برداشتن قطعه بيشتر مي‌شود كه اين امر بايد در نظر گرفته شود.
سيليسيم، عنصري گرافيت‌زاست و باعث تجزيه سمنتيت مي‌شود. لذا وجود آن در فولاد، كربن‌دهي را به تعويق مي‌اندازد. بنابراين در فولادهايي كه قرار است تحت عمليات كربن‌دهي قرار گيرند، مقدار سيليسيم كمتر از 35/0 درصد انتخاب مي‌شود.
كروم، باعث پايداري سمنتيت و افزايش سختي و مقاومت به سايش پوسته سخت شده مي‌شود. همچنين، حضور اين عنصر منجر به افزايش استحكام مغز قطعه (تا حدودي) مي‌شود، اما انعطاف‌پذيري آن را به ميزان اندكي كاهش مي‌دهد. با اين وجود، از آنجا كه كروم مقاومت به ضربه را كاهش مي‌دهد، مقدار آن در فولادهايي كه قرار است تحت عمليات سطحي كربن‌دهي قرار گيرد از 5/1 درصد نبايد بيشتر شود.
نيكل، باعث پيشگيري از رشد دانه‌ها به هنگام كربن‌دهي شده و با كاربرد آن معمولاً نيازي به عمليات نرماله كردن قطعه براي ريز كردن دانه‌ها نيست. لذا وجود آن در فولاد كربن‌دهي شده، مفيد است.
به‌طور كلي از مباحث فوق نتيجه مي‌شود كه فولادهاي ساده كربني كه براي كربن‌دهي انتخاب مي‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد كربن و كمتر از 35/0 درصد سيليسيم دارند. فولادهاي آلياژي مناسب براي كربن‌دهي علاوه‌بر عناصر فوق، مي‌توانند داراي 5/4 درصد نيكل، 5/1 درصد كروم و 3/0 درصد موليبدن باشند. نقش عناصر آلياژي ياد شده، افزايش استحكام بدون كاهش انعطاف‌پذيري و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهاي مناسب براي نيتروژن‌دهي
به‌طور كلي، فولادهاي زير را مي‌توان براي كاربردهاي خاص تحت عمليات حرارتي نيتروژن‌دهي قرار داد:
1. فولادهاي كم آلياژ آلومينيم‌دار
2. فولادهاي كم‌آلياژ كروم‌دار با كربن متوسط (بيش از 25/0 درصد كربن) از گروه‌هاي 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست اين گروه‌ها كه بيانگر صدم درصد كربن است، بايد بيشتر از 25 باشد)
3. فولادهاي قالب گرم كار حاوي 5 درصد كروم نظير11 H13، H 12، H.
4. فولادهاي زنگ نزن فريتي و مارتنزيتي از گروه 400.
5. فولادهاي زنگ نزن آستنيتي از گروه 300.
6. فولادهاي زنگ نزن سخت‌شونده رسوبي نظير
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهاي ساده كربني براي نيتروژن‌دهي مناسب نيستند. اين امر تشكيل يك لايه سطحي بسيار ترد است كه به سادگي از سطح جدا مي‌شود. به علاوه، افزايش سختي در ناحيه نفوذ نيتروژن در اين نوع فولادها كم است.
پ- فولادهاي مناسب براي كربن- نيتروژن‌دهي
سختي‌پذيري كه معياري براي سهولت تشكيل مارتنزيت و تشكيل آن در آهنگ‌هاي سرد شدن كمتر است، به هر اندازه كه بيشتر شود، مفيد خواهد بود. براي تشكيل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نياز به آهنگ سرد شدن كمتري وجود دارد. لايه كربن- نيتروژن داده شده، داراي سختي‌پذيري بيشتري در مقايسه با لايه كربن داده شده به تنهايي است. بنابراين، فولادهاي كربن- نيتروژن داده شده را مي‌توان با سرد كردن در روغن و يا حتي توسط گاز (در برخي موارد) و در نتيجه، كاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداكثر سختي مورد نظر رساند. از سويي ديگر، در اين فرايند با هزينه كمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهيم رسيد.
فولادهايي كه معمولاً كربن- نيتروژن‌دهي مي‌شوند، عبارتند از:
گروه‌هاي 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد كربني حداكثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرايطي كه در آنها، به مجموعه‌اي از خواص نظير سخت شدن سرتاسري با تافنس قابل قبول و سطحي سخت با مقاومت به سايش زياد، نظير شافت‌ها و دنده‌ها نياز باشد، مي‌توان سطح بسياري از فولادهاي گروه‌هاي ياد شده را با درصد كربني بين 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 ميلي‌متر تحت عمليات كربن- نيتروژن‌دهي قرار داده و سخت كرد. براي دستيابي به پوسته‌اي نازك با سختي و مقاومت به سايش بيشتر در مقايسه با شرايط سخت كردن حجمي مرسوم،
اغلب فولادهاي كربني آلياژي با كربن متوسط را در اتمسفر كربن- نيتروژن‌دار حرارت داده و سپس سريع سرد مي‌كنند. در مورد فولادهايي نظير: 4140، 5140، 8640 و 4340 كه براي كاربردهايي مانند چرخ‌دنده‌هاي سنگين مورد استفاده قرار مي‌گيرند مي‌توان عمليات حرارتي مشابهي انجام داد. دماي عمليات حرارتي براي اين منظور حدود 845 درجه سانتي‌گراد (دماي آستنيته كردن) است.
ت- فولادهاي مناسب براي نيتروژن- كربن‌دهي
به‌طور كلي از عمليات حرارتي نيتروژن كربن‌دهي، در مواردي استفاده مي‌شود كه نياز به افزايش مقاومت در برابر سايش و خستگي و يا هر دو باشد. مثال‌هايي در اين زمينه عبارتند از: چرخ‌دنده‌هاي ماشين‌آلات نساجي، ميل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه. بيشترين افزايش مقاومت در برابر خستگي و خراشيدگي در اثر اين فرايند، در مورد فولادهاي ساده كم كربن گزارش شده است.
مشخص شده است كه براي بهره‌گيري از حضور لايه سفيد رنگ (حاوي فاز كاربونيتريد اپسيلن به علاوه نيتريدها و اكسيدهاي ديگر) براي افزايش مقاومت در برابر خراشيدگي، تنش‌هاي تماسي نبايد آن‌قدر زياد باشد كه از استحكام تسليم فلز در زير لايه نيتريد بيشتر شود. تحت شرايطي كه تنش‌هاي تماسي بسيار زياد باشند، اگر از روي سختكاري سطحي نيتروژن- كربن‌دهي استفاده شود، استحكام فلز زير لايه بايد افزايش داده شود. براي اين كار افزايش ضخامت پوسته سخت شده در اين روش الزامي است. در غير اين صورت، استفاده از روش سخت كردن سطحي كربن- نيتروژن‌دهي توصيه مي‌شود.
روش اول سختکاري: در واقع اصطلاحي کلي براي فرايندهائي است که در آنها از طريق جذب برخي عناصر به سطح فولاد توسط فرايند نفوذ ترکيب شيميايي سطح قطعه را تغيير ميدهند و نوعي شيب غلظتي بهوجود مي‌آورند. بسته به نوع عنصر مورد استفاده براي نفوذ به سطح فولاد، روش سختکاري سطحي را به نامي مشخص ميخوانند . مثلاً، درصورت استفاده از کربن بهعنوان عنصر نفوذکننده در عمليات سختکاري، روش را «کربن دهي» يا سمنتاسيون ميگويند.
روش دوم، نوعي فرايند سختکاري سطحي است که تنها لايه سطحي يک قطعه کار از طريق گرم کردن القايي يا شعله يا ... تا حد بالاتر از دماي بحراني گرم و سپس سريعاً سرد مي‌شود.
سختکاري سطحي به روش القايي
در اين روش، با القاي جريان، دماي سطح قطعه را در مدتي کوتاه به حدي مناسب مي‌رسانند و سپس آنرا سريعاً سرد8 ميکنند. درصد کربن فولادهاي مناسب براي اين نوع عمليات سخت کردن، معمولاً در حد 5/0– 35/0 درصد است که در نهايت، سختي RCا60 – 50 را بهدست مي‌دهد. فولادهاي 1035، 1045، 1050، 1055، 5140، 4140، مطابق استاندارد AISI/SAE براي سختکاري سطحي به روش القايي، مناسب هستند. فولادهايي که براي آب دادن به اين روش، در مورد
قطعات نازک در نظر مي‌گيرند، بايد داراي قابليت سختي‌پذيري9 يا عمق نفوذ آبدهي اندکي باشند تا تمام قطعه سخت نشود. ضخامت قشر سخت شده در اين روش، ثابت نيست چرا که سرعت گرم کردن قطعه بسيار زياد است (درحد چند ثانيه). موضوع اساسي که در گرم کردن قطعه به روش القايي بايد در نظر گرفت، احتراز از بهوجود آمدن قشري ضعيف با تنش‌هاي کششي بسيار بالاست. اين امر، تابعي از شرايط مختلف نظير روش گرم کردن و نوع قطعه است. معمولاً براي سخت کرد
ن دندانه محورهاي دندانهدار، از گرم و سرد کردن متوالي استفاده مي‌شود. در مورد اين نوع قطعات، القاي جريان با فرکانسهاي بالا باعث سوختن10 قسمت تيز دندانهها شده و در پاي دنده‌ها نيز تنش‌هاي باقيمانده زيادي ايجاد ميکند که حد خستگي را بشدت پايين مي‌‌آورد.
مزيت عمده سختکاري سطحي به طريق القايي، زمان کوتاه عمليات حرارتي قطعه و امکان اتوماسيون آن است.
سختکاري سطحی به روش شعله ای
در این روش با استفاده از شعله سطح خارجی ، قطعه فولادی مورد نظر را حرارت داده می شود. درجه حرارت با اندازه ای انتخاب می شود که لایه خارجی فولاد به آستنیت تبدیل شود و سپس با سریع سرد کردن فاز آستنیت به فاز سخت مارتنزیت تبدیل شود.در این روش قطعات فولادی باید در حدود 35/0 تا 50/0 درصد کربن داشته باشند. ضخامت لایه سخت شده و سختی آن را می توان توسط زمان و درجه حرارت کنترل کرد. اگر درجه حرارت از مقدار لزوم بالا تر رود باعث می شود که دانه های آستنیت بیشتر رشد کنند و در نتیجه قطعه در هنگام سرد کردن شکست بردارد.بعد از حرارت دادن تا درجه حرارت مورد نظر می توان قطعه را به چند روش سرد کرد که یکی از آن روش ها پاشیدن آب روی قطعه است یا قطعه فولادی را کاملا در آب یا روغن سرد می کنیم تا سختی مورد نظر بدست آید . در روش دیگر سرد کرد قطعه فو لادی را در هوا سرد می کنیم که درجه حرارت معمولی آن 200درجه سانتیگراد است در این روش سختی به اندازه قابل توجهی کاهش پیدا می کند.
از مزایای این روش می توان به آن اشاره کرد که برای قطعات طویل که امکان حرارت دادن موضعی در کوره نیست می توان از این روش استفاده کرد و یک مزیت دیگر آن قابلیت کاربرد آن در محل کار است.
از معایب عمده سخت کردن شعله ای اکسید شدن یا دی کربوره شده سطح قطعه است. که اکسیده و دی کربوره شدن سطحی ناشی از تماس مستقیم قطعه گرم شده با اکسیژن هوا است. البته با انتخاب نوع شعله از نظر میزان اکسد کنندگی و یا احیا کنندگی می توان تا حدودی این عیب را کاهش داد.
یکی دیگر از معایب این روش مقدار کربن توصیه شده و مناسب برای فولاد هایی که قرار است به روش سخت کردن شعله ای سخت شوند در حدود 4/0 تا 5/0 است.
سختکاري سطحي به روش کربن‌دهي
عمليات سمنتاسيون، عبارت است از اشباع قشر سطحي فولاد از کربن، توسط فرايند نفوذ. از آنجا که در اين روش، تغيير ترکيب شيمايي توسط نفوذ رخ مي‌دهد؛ فرايند عمليات، تابعي از دما و مدت زمان قرار گرفتن قطعه در محيط عمليات است. سمنتاسيون برروي فولادهاي کم کربن با حد کربن1/0- 18/0 درصد براي قطعات نازک و 3/0- 2/0 درصد براي قطعات بزرگ انجام مي‌گيرد. محيط عمليات سمنتاسيون مي‌تواند جامد، گاز يا مايع باشد.
سمانتاسيون در دماي بالاي AC3 يعني 910 تا 950 درجه سانتي‌گراد انجام مي‌شود، به اين ترتيب که کربن، در آستنيت حل مي‌شود و وقتي به حد اشباع رسيد، شرايط ايجاد فاز سمانته آماده مي‌شود. زمان عمليات سمانتاسيون، معمولاً چند ساعت است. فولادهاي 1015، 8620، A3115، A3120 و 4720 برطبق استاندارد AISI/SAE براي عمليات سمنتاسيون مناسب هستند. با عمليات سمنتاسيون، علاوه‌بر افزايش سختي و استحکام، حد خستگي قطعه بهبود مييابد. دگرگوني مارتنزيتي11 بر اثر سريع سرد کردن به نحوي است که قطعه را در مقابل پذيرش تنشهايي بيشتر و وسيعتر مستعد ميسازد.
کربوره کردن : به سه روش جامد ،مایع و گاز انجام می گیرد که دارای مراحل زیر می باشد.
الف ) انتخاب فولاد مبنا ( 2/0 – 15/0 ) : دلیل انتخاب 2/0 الی 15/0 این است که یکی از اهداف ، انعطاف پذیری قطعه است فولادهایی با این درصد کربن دارای انعطاف پذیری بالایی می باشند و مقاومت به ضربه بالایی دارند و دلیل دوم اینکه چون کربن سطحی کمتر باشد کربن خارجی راحتر به سطح نفوذ می کند.
ب) اساس کار ( تغییرات حاصله در حین کربن دهی ) : اگر یک قطعه کم کربن را در یک محیط کربن ده بگذاریم از سطح تا مرکز این تغییرات را داریم .
کربن دهی جامد
دراین روش قطعات مورد نظر را همراه با مواد کربوره کننده که معمولا زغال چوب و یک ماده انرژی زا است در یک ظرف فولادی از جنس فولاد نسوز قرار می دهند. درجه حرارت کربوره کردن 875-925 درجه سانتیگراد می باشد.
نکته : نقش مواد انرژی زا افزایش سرعت کربوره کردن می باشد که می تواند به مواد همچون BaCO3 - Na2CO3 - CaCO3 اشاره کرد. عامل اصلی کربوره کردن منواکسید کربن (CO ) است.
2C + O2 >> 2CO BaCO3 >> BaO + CO2
( زغال )CO2 + C >> 2CO (اتمی )2CO >> CO2 + C
اگر نیاز باشد که قسمتهایی از سطح قطعه کربوره نشود نواحی فوق را می توانتوسط یک یایه مسی به زخامت 1/0 تا 75/0 میلیمتر پوشاند. چون در درجه حرارت کربوره کردن کربن در مس غیر محلول است . از مخلوط گل رس و آزبست نیز میتوان استفاده کرد.
قطعات فولادی را معمولا بعد از کربوره کردن مستقیما کوئنچ نمی کنند زیرا امک
چنانچه بعد از عملیات حرارتی تغییرات ایجاد شده در ساختار میکروسکوپی لایه خارجی را مشاهده کنیم لایه های متفاوت از نظر دانه بندی مشاهده می شود.در سطح خارجی ابتدا منطقه ای از هیپر یوتکتویید شامل پرلیت با یک شبکه سمنتیت سفید رنگ دیده می شود. سپس منطقه یوتکتویید دیده میشود که تنها شامل پرلیت است.با لاخره منطقه هیپو یوتکتویید که شامل پرلیت و فریت باافزایش مقدتر در جهت داخل قطعه است
.
کربن دهی مایع
در این روش عملیات کربن دهی با غوطه ور ساختن قطعه فولادی کم کربن در وان حاوی نمک مذاب انجام می گیرد. این عمل در مذاب مخلوط نمکهای سیاتید سدیم ( 20 تا 50 درصد ) ، کربنات سدیم ( 40 درصد) و مقادیر متناهی از کلرید سدیم و کلرید باریم انجام می گیرد. مخلوطی غنی از سیاتید فوق را در بوته هایی با پوشش شیمیایی آلومینیم ذوب کرده و در دمایی بین 870 تا 950 درجه سانتیگراد نگه می داریم. زمان حرارت دادن حدود 30 دقیقه تا 4 ساعت است . کربن دهی طبق واکنش زیر انجام می گیرد:
2NA2CO3 + SIC >> Na2SIO3 + Na2O +2CO + C
چون انتقال حرارت از مایع به قطعه سریعتر از حالت جامد است لذا این روش نسبت به کربوره کردن جامد سریعتر و اقتصادی تر است. مزایای اصلی کربن دهی مایع یکی گرم شدن یکنواخت قطعه و دیگری افت قابل توجه وزن قطعه غوطه ور شده در محیطی با وزن مخصوص زیاد ( نمک ) است که سبب کاهش تاب برداری قطعه ( یعنی برطرف شدن عیب روش قیل ) می شود. این روش برای سخت کردن سطحی قطعات با ابعاد کوچک و متوسط به کار می رود.
در این روش قطعه پس از کربونیزه شدن خواص مورد نظر را ابتدا پس از سخت کرد
ن و در مواردی برعلاوه بر آن با فرایند بازپخت کسب خواهد کرد. فرایند سخت کردن یا مستقیما بلافاصله بعد از خاتمه عملیات کربونیزه کردن و یا پس از انجام عملیات مانند براده برداری و صاف و تسطیح کردن قطعه کربونیزه شده انجام می گیرد. عموما در سخت کردن سطحی به روش کربن دهی موقعی می توان به مناسبترین نتایج ممکن رسید که لایه خارجی شامل مارتنزیت ریز با ناخالصیهایی از قبیل ذرات ریز سمنتیت باشد.
کربن دهی گازی
در کربن دهی گازی از گازهای CH4 و C3 H8 اتفاده می شود وگازهای تولید منوکسیدکربن می کنند. در این روش قطعه فولادی مورد نظر را در کوره ای قرار داده و گازهای نامبرده شده را به عنوان هیدروکربورهای کربن زا وارد کوره می کنند. روش کار در این حالت سوختن گازهای یاد شده و تبدیل به گازهای منوکسید کربن است. همراه با گازهای حامل H2 – CO – N2 وارد کوره می کنند.
زمان کربن دهی به درجه حرارت کوره و عمق کربن دهی مورد نظر بستگی دارد. این روش سریعتر از روش قبل انجام می گیرد و کنترل آن بسیار ساده تر و سطح آمده تمیز تر است. چون اکسیژن در کوره وجود ندارد ، گازها ناقص می سوزند وتبدیل به CO می شوند و زمان عملیات حداکثر 3 ساعت می باشد. دمای کاری در کربوره کردن گازی 900 درجه سانتیگراد است.
سختکاري سطحي به روش نیتریده کردن ( نیتراسیون )
در این روش با وارد کردن ازت یا نیتروژن اتمی در لایه بسیار نازکی از سطح فولاد انجام می گیرد. در نیتروژن دهی هدف نفوذ نیتروژن به سطح قطعه می باشد ، برای این منظور از فولادهای با درصد کربن کم با عناصر نیترو ساز استفاده می شود. نیتروژن در درصد های کمتر محلول است.
در ازت دهی سطح خارجی فولاد توسط ازت اشباع می شود. سخت شدن در ازت دهی به تشکیل نیترایدها در فولاد توسط واکنش ازت با عناصر آلیاژی موجود در فولاد بستگی دارد . بنا براین در یک درجه حرارت و محیط مناسب تمام فولادهایی که دارای عناصری از قبیل آلومینیم ،
کرم ، مولیبدن ، تیتانیم و وانادیم با شند با ازت تشکیل ترکیبات نیترایدی از نوع AIN و Cr2N و MO2N و TIN و VN می دهد.برای تشکیل این ترکیبات ،ازت بایدبه صورت اتم آزاد و نه به صورت مولکولی باشد. این فرایند پس از مدت زمان طولانی نگهداشتن قطعه در دمای 480 تا 550 درجه سانتیگراد در محیط که دارای گاز آمونیاک باشد صورت می گیرد. بخار آمونیاک طبق واکنش زیر در اثر حرارت دادن به گازهای ازت و هیدروژن تجزیه می شود:
2N + 3N2 2NH3 >>
تفاوت کربن دهی با نیتروژن دهی
1- سختی بدست آمدهاز نیتروژن دهی بیشتر از کربن دهی است.
2- کربوره کردن در دمای (875 -925 ) درجه که منطقه پایداری آستنیت است انجام می شود ولی نیتریده کردن را می توان در محدوده حرارتی پایدار فریت ( 550-650 ) درجه انجام داد .
3- قطعات نیترو
ژن دهی به خاطر وجود فازهای Fe2 N و Fe3 N از مقاومت شیمیایی خوبی برخوردارند.
سختکاري سطحي به روش نیتروکربونیزه کردن
نیتروکربونیزه عملیات سخت کردن سطحی است که در آن نیتروژن و کربن هر دو جذب سطح فولاد می شوند و به این ترتیب نیتروژن جذب شده سختی سطح کربوره شده را بیشتر افزایش می دهد لغت نیتروکربونیزه کردن معمولا به سخت کردن سطحی که در آن از اتمسفر گازی استفاده می شود اطلاق می گردد. این عملیات به دلیل که عنصر ازت پیش از کربن استفاده می شود به
نیتروکربونیزه کردن موسوم است. و در حالی که عنصر کربن بیش از ازت نفوذ داده شود فرایند کربونیتروژن دهی نامیده می شود. این عملیات در محیطهای جامئ ، مایع ،گاز و همچنین در محیط پلاسما انجام می گیرد.
در پایین عملیات حرارتی یک نوع فولاد بررسی شده است.
عمليات حرارتي بهينه براي فولاد 27CD4
براي ساخت دنده‌هاي گيربكس خودرو مي‌توان از فولاد 27CD4 استفاده كرد. درصد كربن فولاد 27CD4 به‌طور ميانگين 27/0 درصد است. در بررسي قطعات گيربكس، ملاحظه مي‌شود كه عمق پوسته سخت شده در دنده‌هاي گيربكس و شافت ورودي و خروجي (در صورتي كه در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 ميلي‌متر است. از آنجا كه لايه كربن-
نيتروژن داده شده، داراي سختي‌پذيري بيشتري در مقايسه با لايه صرفاً كربن داده شده است، براي تشكيل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن كمتري نياز خواهد بود. بنابراين، اگر در عمليات حرارتي سطحي، كربن و نيتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهيم، بهتر است. علاوه‌بر مزيت ذكر شده، سطوح كربن- نيتروژن داده شده، داراي مزاياي زير هستند:
1. مقاومت سطوح كربن- نيتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بيشتر از سطوح كربن داده شده تنهاست.
2. سطوح كربن- نيتروژن داده، استحكام ضربه‌اي (تافنس) و مقاومت خستگي بهتري در سختي يكسان دارند. (در مقايسه با سطوح كربن داده شده)
3. مقاومت به پوسته شدن در سطوح كربن- نيتروژن داده شده نسبت به سطوح كربن داده شده بيشتر است.
4. سطوح كربن- نيتروژن داده شده مقاومت به سايش بيشتري دارند.
5. الگوي تنش پسماند در سطوح كربن- نيتروژن داده شده به علت كاهش نرخ سرد كردن سريع آنها از سطوح كربن داده شده بهتر است.
در نتيجه، احتمال ايجاد اعوجاج در قطعه به حداقل ممكن مي‌رسد كه نتيجه آن حذف يا به حداقل رسيدن لقي در چرخ‌دنده‌هاي گيربكس به علت وجود تمامي مزاياي گفته شده است.
عمليات حرارتي كربن- نيتروژن‌دهي يا نيتروژن- كربن‌دهي، بر عمليات كربن‌دهي در مورد فولاد 27CD4، ارجحيت دارد. عمليات نيتروژن‌دهي در مورد اين فولاد توصيه نمي‌شود. زيرا اولاً با توجه به درصد كربن نسبتاً كم اين فولاد نيتروژن‌دهي ممكن است سختي لازم براي سطح را تأمين نكند و ثانياً خطر ترك خوردن و يا پوسته شدن لايه نيتريد وجود دارد. حال بايد ديد كه از دو فرايند كربن-
نيتروژن‌دهي و نيتروژن كربن‌دهي، كدام يك مناسب‌تر است. تحت شرايطي كه تنش‌هاي تماسي بسيار زياد باشد، مانند چرخ‌دنده‌هاي گيربكس، استحكام فلز در زير لايه سخت شده بايد افزايش داده شود. براي تأمين اين منظور اگر از عمليات حرارتي نيتروژن- كربن‌دهي استفاده كنيم بايد ضخامت لايه سفيد حاوي نيتريدها افزايش داده شود كه اين امر هزينه و وقت زيادتري لازم دارد. بنابراين بهتر است كه روش كربن- نيتروژن‌دهي را براي سخت كردن سطح اين فولاد انتخاب كنيم. محيط خنك‌كننده هم مي‌تواند روغن داغ انتخاب شود.
روش‌هايي مناسب براي به حداقل رساندن اعوجاج قطعه
1. گرم و يا سرد كردن قطعات به طور يكنواخت
2. استفاده از روش صحيح براي فرو بردن قطعات در محيط سردكننده
3. عدم انتخاب دماي بسيار بالا براي آستنيته كردن
4. آرام سرد كردن قطعه در زير نقطه MS (دماي آغاز تشكيل مارتنزيت)
5. كاربرد عمليات حرارتي مارتمپرينگ در صورت امكان
6. تميز كردن سطح قطعات قبل از كوئنچ كردن
7. طراحي قطعات مورد عمليات حرارتي حتي‌الامكان به صورت قرينه
8 . استفاده از روش كوئنچ تحت فشار
9. تثبيت ابعاد قطعه با ضربه مكانيكي
از بين 9 روش مورد اشاره، توضيح دو مورد آخر ضروري به‌نظر مي‌رسد.
الف- تثبيت ابعاد با ضربه مكانيكي
براي تأمين ثبات اندازه‌ها مي‌توان بعد از عمليات حرارتي ضربه مكانيكي را به‌كار برد. اين عمل به منظور به وجود آوردن تغيير شكل جزئي ماندگار، انجام مي‌گيرد. در نتيجه با تكرار تغيير شكل الاستيكي، تنش‌هاي باقيمانده برطرف مي‌شوند. در شكل (1) تغيير طول فولاد W1 سخت شده به اضافه برگشت ديده، تحت شرايط ساچمه‌زني و بدون ساچمه‌زني، مشاهده مي‌شود.
شكل 1: تأثير ضربه بر تثبيت ابعاد فولاد W1
ب- كوئنچ تحت فشار
براي به حداقل رساندن اعوجاج به هنگام عمليات كوئنچ قطعات حساس نظير چرخ‌دنده‌ها، به جاي كوئنچ معمولي تحت فشار پتك به اندازه 10-7اT در روغن به‌كار برده مي‌شود. در اين روش، تغيير ابعاد اتفاق مي‌افتد اما پيچيدگي، در حدي بسيار پايين است.
در شكل 2، دستگاه آبدهي فشاري براي چرخ‌دنده‌هاي شيب‌دار با ظرفيت 7 تا 10 تن ديده مي‌شود. هنگام وارد آوردن فشار، قطعه با روغن خنك
جدول 1: انواع روش‌هاي آبدهي تحت فشار
شكل 2: آبدهي فشاري براي چرخ‌دنده‌ها
سخت گرداني : ممكن است از طريق كربن‌دهي ، قطعه سخت گرداني سطحي شود .اغلب آن را با كروبنيتروژه كردم و يا استفاده از موارد قطعاتي كه از اين نوع انتخاب شده‌اند يا آهنگري مي‌شوند و يا آهنگري يكنواخت سازي مي‌شوند .
سخت گرداني پس از كربن‌دهي : معمولاً با يكي از روش‌هاي زير انجام مي‌گيرد :
1ـ قطعه را از دماي كربن‌دهي در آب يا آب نمك تندسرمايي مي‌كنند .
2ـ پس از اينكه عمل كربن‌دهي كامل شد براي كامل شدن دوره‌ي نفوذ دماي كوره را كاهش ميدهند و يا اينكه در كوره‌هاي پيوسته دما را به دماي oF1550 (oC845) مي‌رسانند. سپس قطعه را در آب يا آب نمك تندسرمايي مي‌كنند .
3ـ پس از كربن‌دهي قطعه را تا دماي معمولي ، آهسته سرد مي‌كنند و مجدداً تا دماي oF1500 (oC815) دوباره گرم مي‌كنند . سپس آن را در آب يا آب نمك سريع سرد مي‌كنند. سخت گرداني كامل در قطعاتي كه ضخامت آنها كمتر از 4/1 تا in8/3 ميدهند (35/6 تا mm53/9) باشد با تندسرمايي در روغن به دست مي‌آيد قطعه كربونيتروره شده با تندسرمايي در درون روغن سختي كامل را به دست مي‌‌آورد . رسيدن به عمق سختي مورد نظر در فولادهاي 1020 و مشابه ، با كربن‌دهي مايع در حمام مذاب امكان‌پذير است.
درصنعت، قطعاتي نظير چرخ‌دنده‌ها، خارپيستونها و محورهاي انتقال، معمولاً بايد داراي دو ويژگي مشخص باشند: قسمت سطحي آنها بايد سخت و قسمت مرکزي داراي انعطاف‌پذيري کافي باشد تا بتواند در مقابل نيروهاي ديناميکي مقاومت کند. از اين رو، سطح چنين قطعاتي را به روش‌هاي مختلف سخت ميکنند.
به‌طور کلي «سختکاري سطحي»1 به دو روش عمده صورت مي‌گيرد:
1.همراه با تغيير ترکيب شيمايي سطح قطعه2
2. بدون تغيير ترکيب شيميايي سطح قطعه
توضيح مختصري درباره دگرگوني مارتنزيتي
مارتنزيت، محلول جامد فوق اشباع آهن است. قابليت انحلال کربن در دماي محيط در آهن (مزيت) در حد 0025/0 درصد است. با بالا رفتن دما و رسيدن به دماي آستنيته که عمليات سمنتاسيون در آن انجام مي‌شود، کربن با حل شدن در فاز آستنيت ( ) اشباع مي‌شود. با سريع سرد کردن تا دماي محيط، فرصت تجزيه تعادلي آستنيت به فريت و سمنيت گرفته مي‌شود. لذا در دماي محيط، محلول
جامد فوق اشباع آهن وجود خواهد داشت که مارتنزيت نام دارد. به همين دليل، دگرگوني مارتزيتي بدون فرايند نفوذ صورت مي‌گيرد (Diffusionless) . مشخصه ويژه دگرگوني مارتنزيتي، تغيير حجم قشر سخت شده براثر سرد شدن سريع است. اين تغيير حجم، با توجه به ضريب فشردگي ساختارهاي بلوري فازهاي فريت (
، آستنيت
و مارتنزيت
توجيه مي‌شود. ساختار بلوري مزيت bcc است، ضريب فشردگي 68 درصد، آستنيت fu، ا74 درصد و مارتزيت bet ، افزايش حجم قشر سمانته براثر تبديل آستنيت به مارتنزيت، 27/4 درصد است.
