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 یاتاقان های غلتکی
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.