10 مزیت کلیدی سخت کاری سطحی فولاد (Case Hardening)

مقدمه عملیات حرارتی یکی از تکنیک های موثری است که پس از تولید فولاد، به جهت دستیابی به خواص مناسب از جمله سختی بالا بر روی آن انجام می شود. اما در بسیاری از موارد، نیاز به قطعاتی است که سطح سخت و مغز داشته باشند تا در مواجهه با سایش ها و تنش ها عملکرد مناسبی ارائه دهند. از جمله این قطعات می توان به چرخ دنده ها و یاتاقان های غلتکی اشاره کرد. در این موارد صحبت از نوعی عملیات حرارتی به نام «سخت کاری سطحی» به میان می آید که در این مقاله قصد داریم به بررسی آن بپردازیم ...

سخت کاری سطحی چیست؟

سخت کاری سطحی (Case Hardening)، فرایندی است که در آن سطح فلز با تشکیل یک لایۀ نازک از آلیاژ فلزی روی هستۀ نرم تر تقویت می شود. وقتی کربن از ماده حاوی کربن به سطوح فولاد کم کربن یا فولاد آلیاژی و به ساختار بلوری آن نفوذ می کند، مقاومت و سختی لایۀ خارجی به طور چشمگیری افزایش می یابد. عمق نفوذ کربن را می توان به خوبی کنترل کرد، بنابراین خصوصیات مکانیکی را نیز می توان تحت کنترل نگه داشت.

سخت کاری مواد آهنی از طریق دو روش اصلی انجام می شود:

  • سخت کاری عمقی (Through Hardening)
  • سخت کاری سطحی (Case Hardening)

در طی سخت کاری عمقی، قطعه به گونه ای گرم می شود که سطح و هستۀ داخلی هر دو به یک اندازه سخت می شوند. قطعاتی که به سخت کاری عمقی نیاز دارند، در محیطی با کربن بالا گرم می شوند تا از سخت شدن یکنواخت کل قطعه اطمینان حاصل شود. البته سختکاری عمقی می تواند کل تودۀ فلزی را ترد و شکننده کند. اما سخت کاری سطحی، گونه ای از عملیات حرارتی است که می تواند بر این مشکلات فائق آید. در ادامه به بررسی مزایای این روش سخت کاری می پردازیم.

سخت کاری سطحی قطعات فولادی

سخت کاری سطحی چه مزایایی به همراه دارد؟

1) بهبود دوام و عمر قطعات فولادی

یکی از مهمترین مزایای سخت کاری سطحی، دوام بالایی است که برای قطعات فولادی فراهم می کند. مقاومت مکانیکی و سختی سطحی حاصل از این عملیات حرارتی در کنار حفظ هستۀ نرم، مقاومت در برابر سایش و عمر خستگی قطعات را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. محبوس بودن یک هسته نرم‌تر توانایی جذب انرژی آزاد شده توسط بارهای ضربه ای را بهبود می بخشد. بنابراین به طول عمر و مزیت اقتصادی قطعات صنعتی کمک شایانی می کند.

2) امکان استفاده از فولاد با قابلیت تراش عالی برای کاربردهای سنگین

به طور معمول، آلیاژهای مورد استفاده برای کاربردهای سنگین و حساس دارای قابلیت ماشین کاری کمی هستند. زیرا لازم است از سختی و همچنین استحکام بیشتری برخوردار باشند. در این زمینه، فرایند سختکاری سطحی سبب می شود استفاده از فولاد کم کربن با قابلیت ماشین کاری دقیق، فراهم شود.

این فولادها برای تولید سلاح های جنگی سنگین (به خصوص سلاح های گرم) و سایر کاربردهای مشابه که نیاز به مقاومت مکانیکی، تمام کاری دقیق و هندسه ای مشخص دارند، به کار می روند. زمانی که سخت کاری سطحی پس از ماشینکاری انجام شود، مقاومت در برابر سایش و سختی بیشتری را در سطح قطعات با هندسۀ دقیق ایجاد می کند.

3) افزایش عملکرد غلتک های مخروطی

گفتیم که سختکاری سطحی یک هستۀ نرمتر ایجاد می کند. این موضوع برای بهبود ناسازگاری یاتاقان های غلتکی مخروطی که مشکلی شایع در این قطعات است، کاربرد زیادی دارد.

یک لایۀ سطحی مستحکم، با یک هستۀ داخلی نرم، مقاومت در برابر شکست را در یک محیط کاری که شامل عدم تنظیم درست، لرزش های مداوم و ضربات شدید است، تضمین می کند. چرخ دنده ها و غلتک های نورد، به منظور اطمینان از دوام آن ها در برابر بارهای ضربه ای و محوری، با عملیات کربوره کردن «Carburizing» سخت کاری می شوند.

4) کاهش صدا و صرفه جویی مصرف انرژی در چرخ دنده های توربین بادی

امروزه فولاد با سطح سخت شده، برای بهبود مقاومت شکست در شرایط بار ضربه ای، انتخابی شایسته محسوب می شود. فولادهای با سطح سخت شده، برای قطعات مهندسی مانند میل بادامک، اجزای پیوند و اتصال، پینیون های رانش و اتصالات یونیورسال ترجیح داده می شوند. این قطعات در تولید کشتی ها، کامیون ها، ماشین آلات زمینی و اتومبیل های مسابقه ای نقش عمده ای ایفا می کنند.

از آن جا که اجزای فولادی با سختکاری سطحی، می توانند تنش های چرخه ای (Cyclic Stresses) را تحمل کنند، از این قطعات برای تولید چرخ دنده های توربین در نیروگاه های برق-آبی (Hydroelectric) و نیروی بخار (Steam Power) استفاده می شود.

همچنین به دلیل مقاومت خستگی و مقاومت در برابر سایش بسیار مطلوب، از این نوع اجزای فولادی در خطوط نورد فلزی، جرثقیل های سنگین، ماشین آلات استخراج و سایر کاربردهای مهندسی مکانیک نیز استفاده می شود.

6
دقیــقه مطالعه

آشنایی با دستگاه های سنگ شکن صنعتی

هر واحد تولیدی که با سنگ های معدنی و استخراج سر و کار داشته باشد، در کنار خط تول...

برای چرخ دنده های توربین بادی، فرایند سختکاری سطحی تکامل فنی بیشتری پیدا کرده است. این تکامل فنی، غالبا در مسیر حل چالش تنش های شدید ناشی از افزایش ناگهانی سرعت باد شکل گرفته است.

انتخاب مواد مناسب و اصلاحات فرایند سخت کاری سطحی، باعث کاهش قابل توجه صدای تولید شده توسط عملکرد جعبه دنده می شود، اما سطح صدا به دلیل سایش دندانه های موجود در دنده ها به طور ذاتی افزایش می یابد. از این رو، برای افزایش مقاومت در برابر سایش و عمر خستگی بالاتر، فولادهای آلیاژی با قابلیت سخت شدن عمیق انتخاب می شوند. افزایش محتوای مولیبدن فولاد، سختی پذیری آن را بهبود می بخشد.

بدیهی است که کاهش سایش، صدا و لرزش های ساینده، باعث کاهش حرارت اتلاف شده توسط چرخ دنده ها می شود. بنابراین به صرفه جویی در انرژی در هنگام کار توربین کمک می کند. لازم به ذکر است که سختکاری سطحی باعث بهبود عملکرد میل بادامک (Cam Shafts) می شود. این قطعات در کاربرد های مهندسی تحت فشارهای شدیدی قرار می گیرند.

سخت کاری سطحی چرخ دنده های فولادی

5) تشکیل تنش های پسماند فشاری در چرخ دنده ها

بر طبق پژوهش های صورت گرفته، سختکاری سطحی چرخ دنده ها باعث ایجاد تنش های فشاری پسماند هم در عمق سختکاری شده و هم در سطح می شود. این تنش های پسماند، از تشکیل ترک جلوگیری کرده و تنش های خمشی (Bending Stress) را هم خنثی می کنند.

روش های پیشرفتۀ سختکاری القایی (Induction Hardening) سبب شده تا سخت کاری سطحی دقیق چرخ دنده های مارپیچی، پینیون ها و چرخ دنده های هیپوئید عملی شود. از دیگر مزایای سخت کاری القایی پیشرفته می توان به عمر طولانی، بهره وری انرژی، سخت کاری دقیق و به حداقل رساندن تغییر شکل قطعات به دلیل کنترل گرمایش اشاره کرد.

6) ایجاد مقاومت در برابر شکست فوق العاده در یاتاقان ها

یاتاقان های ساخته شده از فولاد با سطح سخت شده (مانند یاتاقان غلتکی مخروطی و استوانه ای) دارای مقاومت در برابر شکست و چقرمگی بالاتری هستند. سخت شدن سطحی از خرابی فاجعه بار بلبرینگ جلوگیری می کند، زیرا مقاومت در برابر خستگی بهبود پیدا می کند.

قطعاتی مانند رولبرینگ (Roller Bearing) استوانه ای و مخروطی که تحت عملیات سختکاری سطحی قرار می گیرند، به طور گسترده در تجهیزات متحرک زمینی، بیل های مکانیکی، تجهیزات حفاری، پمپ های مکش، پرس ها و ماشین های لباسشویی استفاده می شوند.

6
دقیــقه مطالعه

پمپ وکیوم (پمپ خلا)

اگر تاکنون گذرتان به آزمایشگاه های شیمیایی افتاده باشد، حتما پمپ وکیوم یا خلاء ر...

غلتک های مورد استفاده در تجهیزات نورد به منظور تقویت توانایی جذب بارهای ضربه ای سخت کاری سطحی می شوند. همچنین این فرایند، روی بخش های داخلی و خارجی یاتاقان های غلتکی مخروطی بزرگ نیز اجرا می شود تا پذیرش بارهای شعاعی (Radial) و رانشی (Thrust) افزایش یابد.

7) بهبود مقاومت در برابر خوردگی و سایش با سخت کاری سطحی (نیتریدینگ) و داپلکس

نیتروژن دهی سطحی (Case Nitriding) که با سخت کاری مارتنزیتی (Duplex Hardening) همراه می شود، منجر به افزایش چشمگیر مقاومت به خوردگی و مقاومت در برابر سایش در فولادها می شود. یاتاقان هایی که تحت این عملیات قرار می گیرند، حتی می توانند در شرایط بدون روانکاری کار کنند و در کاربردهای با سرعت بالا مانند موتور هواپیما مورد استفاده قرار گیرند.

8) بهبود قابلیت جوشکاری فولاد

سخت کاری سطحی قابلیت جوشکاری فولاد را بهبود می بخشد که برای برخی از کاربردهای مهندسی بسیار حائز اهمیت است.

9) به حداقل رسیدن اعوجاج در چرخ دنده ها با نیتروژن دهی سطحی

نیتروژن دهی چرخ دنده های فولادی باعث ایجاد سطوح مقاوم در برابر سایش با کمترین اعوجاج (Distortion) می شود. سطوح نیتروژن دهی شده، مانند سطوح کربن دهی شده، سختی خود را در مجاورت دمای 150 درجۀ سلسیوس (302 درجۀ فارنهایت) از دست نمی دهند.

10) بهبود مقاومت در برابر خستگی چرخ دنده ها

بر اساس ضرورت، تقریبا در تمامی موارد، دندانه های تحت بار در چرخ دنده های انتقال قدرت سنگین سخت می شوند. در تولید چرخ دنده با یک سناریوی معمولی، هزینۀ عملیات حرارتی تقریباً 30٪ از کل هزینه را تشکیل می دهد. یک فرایند سخت کاری سطحی که به درستی انتخاب شده باشد، به صرفه جویی در انرژی، کنترل هزینه، اطمینان، قابلیت نگهداری و سرویس دهی قطعه کمک شایانی می کند. برای دستیابی به مقاومت خمشی و خستگی بالا در چرخ دنده، کنترل سختیِ سطح و تنش های فشاری پسماند حاصل از سختکاری سطحی اهمیت بالایی دارد.

جمع بندی

برای کاربردهایی که قطعات تحت بارهای شوکی، لرزشی و شرایط نامناسب قرار می گیرند، فولاد سخت شده ترجیح داده می شود. سختکاری سطحی علاوه بر افزایش استحکام بدون ایجاد تردی منجر به ایجاد یک سطح مقاوم در برابر سایش می شود که دوام و قابلیت اطمینان بالایی را فراهم می کند.

منبع

www.corrosionpedia.com

آیا مقاله برای شما مفید بود ؟
5/ raterateraterate
3.88
0 نظر ثبت شده
پسورد فایل ها www.iran-mavad.com
دانلود جزوه سخت کاری سطحی
758KB PDF
دوره زمستانه

مطالب مرتبط

دیدگاه کاربران