بخشی از مقاله
در دورة كارآموزي در شركت سايپا واحد آزمايشگاه متالوژي علاوه بر كارهاي عملي و تجربي انجام شده در اين بخش ، براي هر كار آموز يك پروژه تحقيقاتي كه مرتبط با كاربرد متالوژي در صنعت خودروسازي مي باشد تعريف شد ، تا كارآموز در كنار كارهاي عملي با انجام كارهاي تحقيقاتي نيز آشنا شود.
پروژه اينجانب سخت كاري سطحي روشهاي آن ، بويژه نيتراسيون پلاسمايي و كاربرد آن در صنعت خودرو مي باشد كه با راهنمايي و مساعدت دكتر سلماني انجام گرفت .
سخت كاري سطحي ( موضعي ) فولاد
دو روش كاملاً متفاوت براي سختكاري سطحي يعني فرآيندي كه در آن سطح قطعات سخت شده و در مقابل سايش مقاوم باشند ولي در عين حال مغز آنها همچنان نرم و چقرمه باقي بماند وجود دارد . يكي اينكه فولادي را انتخاب كنيم كه كربن كافي داشته و با گرم و سرد كردن سخت شود . در اين فولاد ما مي توان قسمتهاي مورد نياز را با گرم و سرد كردن سريع سخت كنيم . دوم اينكه فولادي را انتخاب كنيم كه ذاتاً قادر نيست تا حد بالايي سخت شود . ولي با تغيير دادن تركيبات شيميايي لايه سطحي مي توان لايه مذبور را سخت كرد .
دسته بندي روشهاي سخت كاري سطحي :
روشهاي سخت كاري سطحي از نقطه نظر عملي به چهار گروه عمده شامل :
1 ـ كربن دهي ( كربو رايزينگ )
2 ـ كربن و ازت دهي ( كربو نيترايدينگ )
3 ـ ازت دهي ( نيترايدينگ )
4 ـ ازت دهي و كربن دهي ( نيتروكربورايزينگ )
تقسيم مي شوند .
سمانتاسيون با كربن دهي سطحي فولادها :
براي تعداد زيادي از محصولات صنعتي ، نظير چرخ دهنده ها . خار پيستون ، محورهاي انتقال و امثال اينها ، لازم است كه سطح قطعه سخت بوده و در عين حال قسمت مركزي آن ، چكش خواري خود را حفظ كرده و مقاومت به ضربه بالايي داشته باشد ، تا بتواند در مقابل نيروهاي ديناميك مقاومت نمايد . براي اين منظور سطح قطعه را با كربن سمانته مي كنند .
هدف از سمانتاسيون اشباع سطح قطعه فولادي از كربن مي باشد .
براي سمانتاسيون مي توان از سه نوع سمان استفاده كرد . به عبارت ديگر در سمان يا محيط كربن ده ، مي توان قطعات را به سه روش مختلف مورد سمانتاسيون با كربن قرار داد :
1 ـ سمانتاسيون با عناصر جامد كربن ده .
2 ـ سمانتاسيون گازي ( يا كربن دهي گازي )
3 ـ سمانتاسيون مايع .
هدف از سمانتاسيون به دست آوردن يك سطح سخت و مقاومت در برابر فرسايش مي باشد كه با پر كردن سطح قطعه تا حدود 0.8 الي 1.1 درصد و سپس آب دادن آن حاصل مي شود . اين عمل نيز حد خستگي را بالا مي برد .
سمانتاسيون ، عموماً بر روي فولادهاي كم كربن ، يا فولادهايي با 18/0 ـ 1/0 درصد انجام مي گيرد . براي قطعات بزرگ مي توان فولادهايي با كربن كمي بيشتر
( 0.2 – 0.3 درصد ) به كار برد. فولادهايي كه عمق نفوذ آب گيري در آنها كم است ، براي سمانتاسيون مناسب است . زيرا با سمانتاسيون اين فولاد ها ، قشرهاي مجاور زير قشر سطحي و نيز قسمت مركزي قطعه ، از كربن محيط سمانتاسيون اشباع نشده و چكش خواري خود را ، بعد از آب دادن سطح قطعه ، حفظ مي كنند . در موارد متعددي لازم است كه فقط قسمتهاي معيني از يك قطعه سمانته شود. در اين صورت بخشهايي را كه نبايد سمانته شوند را مي توان از يك رسوب الكتروليتيك مسي ( به ضخامت 04/0 تا 03/0 ) و يا لفافهاي مخصوص پوشانيد .
اين لفانها معمولاً از مخلوطي از تالك با رس سفيد ( كائولن ) كه كاملاً نرم شده و با شيشه محلول ( چسب شيشه يا سيليكات سديم ) خمير گرديده است ، تشكيل شده اند . چون در هنگام سمانتاسيون اين خميرها به راحتي ترك برمي دارند ، لذا نمي توانند كاملاً در مقابل نفوذ كربن مؤثر باشند . روش مطمئن پوشش دادن با الكتروليت مس است .
عمق نفوذ كربن يا ضخامت قشر سمانته ، طبق تعريف ، فاصله از سطح سمانته تا صفحه‌اي است كه سختي آن به 550 ويكرز برسد .
( استاندارد SIS 11700 8 ) .
غلظت كربن در قشر سطحي فولادهاي كربني بايد به حدود 0.8 الي 1.1 درصد برسد .
اگر درصد كربن در قشر سطحي ، از مقدار فوق تجاوز نمايد . سمانتيت آزاد و درشت در سطح تشكيل شده و كيفيت سطح فولاد را پايين مي آورد .
در فولادهاي كربني عملاً تشكيل كربور، در فاز آستنيت در اثر ديفوزيون ، غير ممكن است در حالي كه در مورد فولادهاي حاوي عناصر آلياژي نظير V,MO,Mn,CN .
بر عكس ، در موقع سمانتاسيون تشكيل قشر دو فازه آستنيت + كربور ، به وفور ديده مي شود در اين حالت ، كربورهاي رسوب يافته عموماً يك شكل كروي دارند .
سمانتاسيون فولادهايكه كرم ، موليبدن با منگنز در خود دارند ، مي تواند غلظت كربن در سطح تا حدود 2 ـ 8/1 درصد برساند .
در جدول زير نوع و تركيب شيميايي چند نوع فولاد مورد مصرف براي سمانتاسيون آمده است :
Cr S P Mn Si C ASI
- 0.02-0.035 0.0-0.35 0.6-0.9 0.1-0.4 0.12-0.18 1015
0.35-0.65 0.03-0.05 - 0.6-0.8 0.15-0.4 0.17-0.23 8620
0.6-1 - - 0.7-1.1 0.15-0.4 0.13-0.18 A3115
- - - 0.7-1.1 0.15-0.4 0.18-0.23 A3120
1.8-1.2 - - 0.5-1.1 0.15-0.4 0.17-0.23 4720
فولادي كه به اندازه كافي اكسيد زدايي نشده است ، قابل آبدهي بعد از سمانتاسيون نيست .
كربن دهي معمولاً در محدودة حرارتي انجام مي گيرد .
ولي دماي حدود و يا نيز به كار رفته است . سرعت كربن دهي در دماي بالا حدود زياد است ، ولي دماي بالا روي طول عمر متعلقات كوره اثر منفي دارد . اين مسأله محدوديتي براي كربن دهي در دمائي بالا است .
كربن دهي گازي
منبع كربن در كربن دهي گازي معمولاً همراه با گاز حاصل كه فاقد خاصيت كربن دهي بوده و يا خاصيت كربن دهي بسيار ضعيفي دارد وارد كوره مي شود . عموماً كربن دهي گازي نسبت به دو روش ديگر راندمان بالاتري دارد . در اين روش كربن بيشتري جذب سطح شده و عمق نفوذ بيشتري بدست مي آيد :
كربن دهي گازي نسبت به دو روش ديگر براي توليد انبوه اقتصاديتر بوده و مي توان فرآيند را مكانيزه نمود اقتصادي بودن روش به اين دليل است كه عمق نفوذ معين در مدت زمان كوتاهتري بدست مي آيد .
گازهاي كربن دهي :
عمدتاً گاز متان است كه با درصد كمي گاز حامل ( گاز غير كربن دهي ) مخلوط مي شود .
كوره ها :
علاوه بر كوره هاي خلاء انواع كوره هاي رايج شامل كوره هاي گودالي ، گردان ، تك شارژ و مداوم براي كربن دهي به كار مي رود . انتخاب كوره به شكل و ابعاد قطعات ، حجم توليد برنامه توليد و فرآيندهاي عمليات حرارتي بستگي دارد .
عمق نفوذ مؤثر و عمق نفوذ كل :
عمق نفوذ كل به آخرين نقطه لايه كربورايز شده مربوط مي شود . در صنعت عمق نفوذ مؤثر مطرح است . عمق نفوذ مؤثر ضخامت لايه است كه سختي آخرين نقطه آن پايين تر از 50HRC باشد .
كربن دهي مايع
كربن دهي مايع را نبايد با كربن دهي قطره اي اشتباه گرفت . كربن دهي مايع نوعي سختكاري سطحي فلزات آهني است كه در آن قطعات در حمام نمكي در دماي بالاتر از دماي استحاله فازي به مدت زمان معيني نگه داشته مي شوند . با تجزيه نمك كربن آزاد شده و داخل قطعه نفوذ مي كند . گاهي ممكن است كه ازت نيز به داخل قطعه نفوذ كند . اين عمل باعث مي شود تا بعد از كونچ سختي تا حد زيادي افزايش يابد . اين حالت در حمامهاي سيانيدي رخ مي دهد . نوع جديدي از حمامهاي سيانوري توسعه يافته است كه بسيار مورد توجه قرار گرفته اند اين حمامها تنها حامل عامل كربني بوده و در آنها فقط كربن داخل قطعه نفوذ مي كند .
مزايا و محدوديتهاي كربن دهي مايع:
دو مزيت اصلي اين نوع كربن دهي كاملاً مشهود است :
1 ـ كربن دهي موضعي بدون توقف روند عمليات است .
2 ـ كربن دهي قطعات مختلف بطور همزمان امكانپذير است .
يكي از معايب كربن دهي مايع ضرورت شستشوي بعد از كونچ است . ديگر اينكه نمك چسبنده به قطعات گرم موجب آلودگي حمام كوئنچ مي شود . براي قطعاتي كه داراي سوراخهاي كوچك و شيارهاي كوچك هستند به دليل مشكلاتي كه در تميز كرن آنها وجود دارد اين روي توصيه نمي شود .
كربن دهي جامد
كربن دهي جامد فرآيندي است كه در آن CO ناشي از تركيبات جامد در سطح فلز به C و CO2 تجزيه مي شود . كربن اتمي جذب سطح فلز شده و داخل آن نفوذ مي نمايد .
CO2 حاصله بلافاصله با تركيبات كربن براي توليد CO وارد واكنش مي شود . اين واكنش در حضور مواد كاتاليست Nuzno3 , Bao3 تقويت مي شود .
زمان عمليات :
كربن دهي جامد معمولاً در دماي (815-955 ) انجام مي گيرد ولي ممكن است در مواردي دما (1095 ) شود .
سرعت كربن دهي در ابتداي سيكل زياد است ، ولي همانند كربن دهي گازي در اينجا نيز با پيشرفت سيكل بتدريج از سرعت آن كاسته مي شود .
محدويتها :
محدوديت اصلي كربن دهي جامد در مقايسه با روشهاي ديگر در اين است كه در اين روش مصرف انرژي زياد است ، زيرا كه تمام مواد نياز به گرم شدن دارند .
روشهاي اندازه گيري عمق نفوذ در قشر سمانته :
روشهاي مختلفي براي اندازه گير عمق نفوذ در قشر سمانته متداول است . موقعي كه طرح يك قطعه طوري است كه احتياج به سمانتاسيون قطعه تا عمق معيني باشد ، مشخص كردن روش اندازه گيري عمق قشر سمانته مهم است .
روشهاي اندازه گيري عمق نفوذ سمانتاسيون شامل روشهاي شيميايي ، مكانيكي و متالوگرافي است .
در روشهاي شيميايي معمولاً عمق نفوذ را تا غلظت 4/0 درصد كربن در نظر مي گيرند و در روش مكانيكي ، سختي ميكروسكوپي را از سطح تا عمقي كه سختي آن حداقل 50HRC باشد تعيين مي كنند . عمق نفوذ به طريق متالوگراني ، پس از صيقل كاري و حكاكي نمونه در زير ميكروسكوپ ، يا به طور چشمي ارزيابي مي شود .
براي انجام سمانتاسيون اصولاً فولادهاي ذاتاً دانه ريز و يا فولادهاي مخصوص
( فولادهاي حاوي نيكل و كروم ) مورد استفاده قرار مي گيرند .
نمودار تأثير زمان و دما روي كربن دهي مايع فولاد 1020 .
كربن دهي در دماي
كربن دهي در دماي
سمانتاسيون به روش پلاسمايي
براي افزايش سرعت سمانتاسيون، پژوهش هايي در جهت رفع محدوديتهاي ديفوزيون كربن در فولاد انجام گرفته است . يكي از روشهاي بكار گرفته شده براي افزايش سرعت سمانتاسيون ، استفاده از سمانتاسيون پلاسمايي است . با استفاده از روش سمانتاسيون پلاسمايي ، سرعت كربن دهي بالا مي رود . زيرا با استفاده از اين فرآيند ، چندين مرحله اوليه كه در روشهاي ديگر براي ايجاد كربن اتمي انجام مي شد حذف مي شود .
• امتياز ديگر اين روش ، امكان استفاده از دماي بالاتر ، در انجام اين عمليات مي باشد ، زيرا اين فرايند در محيط خلاء و در غياب اكسيژن انجام مي شود .
• در مقايسه با روش سمانتاسيون در خلاء داراي برتري است با توجه به اينكه سمانتاسيون در خلاء تحت فشار بسيار كمي صورت مي گيرد و سرعت جريان گاز كربن ده در داخل كوره خلاء خيلي كم است .
• از مقايسه نتايج حاصله از سمانتاسيون پلاسمايي يك فولاد ، ASI1020 با سمانتاسيون گازي همان فولاد در 900 درجه سانتيگراد مشاهده گرديد كه زمان لازم براي رسيدن به غلظت معين در سمانتاسيون پلاسمايي . نصف زمان با سمانتاسيون گازي است .
• يكنواختي عمق نفوذ در سمانتاسيون پلاسمايي خيلي بهتر از ساير روشها است .
• سمانتاسيون پلاسمايي به تغييرات تركيب شيميايي حساسيت ندارد .
• سمانتاسيون پلاسمايي به تغييرات نوع گاز كربوره حساس نيست .
• از نظر حفظ محيط زيست نيز استفاده از روش سمانتاسيون پلاسمايي بسيار تميزتر و ايمن تر اي روش سمانتاسيون گازي بوده و خطر آتش سوزي يا توليد CO را ندارد .
• اگر دماي عمليات از 900 درجه به حدود 1040 درجه افزايش يابد قابليت انحلال كربن در آستنيت از 2/1 درصد وزني به 6/1 درصد وزني افزايش مي يابد در حوالي 6/1 درصد كربن ، به دو برابر مقدار آن براي انحلال 1 درصد كربن مي رسد .
نيتراسيون
فرآيند نيتراسيون از جمله عمليات ترموشيمي است كه روي قطعات مختلف نظير چرخ دنده ها ، محور ها براي افزايش مقاومت به سايش و فرسودگي انجام مي شود .
به طور كلي نيتراسيون عبارتست از اشباع سطح فولاد از ازت . عمل نيتراسيون بر روي فولادهاي آلياژي و معمولاً در دمائي بين 495 تا 565 صورت مي گيرد . در فرآيند نيتراسيون علاوه بر افزايش مقاومت به سايش و فرسودگي ، سختي ، حد خستگي و مقاومت به خوردگي نيز افزايش مي يابد .
در حالي كه سختي يك قشر سمانته تا دماي حدود 200-220 درجه سانتيگراد حفظ مي شود سختي قشر نيتروژه تا دماهاي بالاتر يعني حدود 650-600 ثابت مي ماند . عمل نيتراسيون در مقياس وسيعي بر روي محور ماشين ها ، ابزارهاي اندازه گيري سيلندرهاي موتورهاي قوي ، رينگ و پيستون ، ميل لنگ و امثال آنها انجام مي شود .
امكان نيتروژن دهي بسياري از فولادها وجود دارد ، اما تنها هنگامي مي توان سختي بالايي در سطح بدست آورد كه قطعه مورد نظر از جنس فولادهاي مخصوص شامل عناصر آلياژي نظير V,CN,AL Ti باشد . اين عناصر در سطح قطعه نيتريدهاي آلياژي پايداري تشكيل مي دهند كه سختي سطح را تا حدود VHN 1150 بالا مي برد . اگر فولادهاي ساده كربني نيتروژن دهي شوند . سختي سطح در حد متوسط ( حدود 400 تا 500 ويكرز ) افزايش مي يابد .
جدول زير فولادهاي مخصوص نيتراسيون را نشان مي دهد كه اين فولادها پس از سخت كاري و تميز نيتريده مي شوند .
