یکی از روش های موثری که پس از فرآیند تولید فولاد برای دست یابی به خواص بهتر به کار میرود عملیات حرارتی است. در برخی مواقع به قطعاتی نیاز داریم که دارای سطح سختی باشند تا در برابر انواع تنش ها و سایش ها مقاومت مناسبی از خود نشان دهند. از میان این قطعات میتوان یاتاقان های غلتکی و چرخ دنده ها را نام برد. در اینگونه موارد از نوعی عملیات حرارتی با عنوان سخت کاری سطحی فولادها استفاده می کنند که در این مطلب قصد داریم این فرآیند را مورد بررسی قرار دهیم.
همجنین بخوانید: عملیات حرارتی آنیلینگ
سخت کاری سطحی فولاد چیست؟
سخت کاری سطحی پروسه ای است که طی آن سطح فلز یک لایه نازک از آلیاژ فلزی را روی هسته ای که نرم تر است تشکیل میدهد و این موضوع باعث تقویت آن میگردد. زمانی که کربن از ماده ای که دارای کربن است به سطوح فولادهای کم کربن نفوذ میکند باعث میشود مقاومت و سختی لایه خارجی تا حد زیادی افزایش یابد. میزان عمق نفوذ کربن به سادگی قابل کنترل است و همین موضوع باعث میشود که بتوان ویژگی های مکانیکی را نیز کنترل نمود.
فرآیند سخت کاری سطحی مواد آهنی به دو صورت زیر انجام میپذیرد:
سخت کاری سطحی
سخت کاری عمقی
در روش سخت کاری عمقی قطعه مورد نظر به شکلی گرم میشود که هسته داخلی و سطح به طور یکسان سخت میگردند. چنانچه قطعه ای به سخت کاری عمقی احتیاج داشته باشد در محیطی که دارای کربن بالایی است گرم میشود تا قطعه به شکل یکنواخت سخت شود. البته این فرآیند میتواند تمام یک توده فلزی را شکننده کند. در مقابل سخت کاری سطحی فرآیندی است که دیگر چنین مسائلی در آن وجود ندارد.
مزایای سخت کاری سطحی فولادها
افزایش دوام و عمر قطعات فولادی
از مهم ترین مزایای سخت کاری سطحی فولادها میتوان به افزایش دوام و عمر این قطعات اشاره کرد.این فرآیند تا حد زیادی مقاومت در برابر عواملی مانند سایش و عمر خستگی قطعات را افزایش میدهد. زمانی که هسته نرم تر محبوس میشود باعث افزایش توانایی جذب انرژی آزاد شده به وسیله بارهای ضربه ای میگردد. همین موضوع موجب میشود تا طول عمر قطعات تا میزان زیادی افزایش پیدا کند.
ایجاد خاصیت تراش عالی برای فولادها در کاربردهای سنگین
آلیاژهایی که برای کاربردهای سنگین مورد استفاده قرار میگیرند عموما قابلیت ماشین کاری کمی دارند.این موضوع به علت سختی و استحکام بالای آن ها می باشد. سخت کاری سطحی فولادها باعث میشود تا امکان بهره گیری از فولاد کم کربن با قابلیت ماشین کاری بسیار دقیق فراهم باشد. از این نوع فولادها میتوان در جهت ساخت سلاح های سنگین جنگی و دیگر مواردی که به مقاومت مکانیکی بالا نیاز دارند بهره برد. وقتی که عملیات سخت کاری بعد از ماشین کاری صورت بگیرد مقاومت در برابر سایش بیشتری را ایجاد میکند.
بهبود عملکرد یاتاقان های غلتکی
همانطور که اشاره کردیم سخت کاری سطحی باعث ایجاد یک هسته نرم تر میگردد. این موضوع موجب بهبود عملکرد یاتاقان های غلتکی میشود. غلتک های نورد و چرخ دنده ها برای اطمینان حاصل کردن از دوامشان در برابر بارهای ضربه ای سخت کاری میشوند.
کاهش صدا و صرفه جویی در مصرف انرژی چرخ دنده های توربین بادی
فولادهایی که از سطح سختی برخوردار هستند در جهت بهبود مقاومت شکست در مقابل بار ضربه ای گزینه ای مناسب محسوب میشوند. این فولادها در جهت تولید قطعاتی مانند میل بادامک و اتصالات یونیورسال به وفور استفاده میشوند. این قطعات در زمینه ساخت کامیون ها، کشتی ها و خودروهای مسابقه ای نیز نقش مهمی را ایفا می کنند.
قطعات فولادی که تحت فرآیند سخت کاری سطحی قرار میگیرند قادر به تحمل تنش های چرخه ای هستند به همین دلیل از این قطعات به منظور ساخت چرخ دنده های توربین در نیروگاه های برق- آبی استفاده می کنند.
اگر در این فرآیند متریال مناسبی انتخاب شود و در پروسه سخت کاری سطحی اصلاحاتی صورت بگیرد صداهای به وجود آمده از عملکرد جعبه دنده را تا حد زیادی کاهش میدهد. در مواقعی ممکن است میزان صدا به دلیل سایش دندانه های موجود در دنده ها دچار افزایش شود. از این جهت برای افزایش میزان مقاومت در برابر سایش فولادهایی انتخاب میشوند که دارای قابلیت سخت شدن عمیق هستند. واضح است که کم شدن سایش و صداها حرارت تلف شده به وسیله چرخ دنده ها را کاهش میدهد و کمک شایانی به صرفه جویی در مصرف انرژی در حین کار توربین میکند.
همچنین بخوانید: فرآیند همگن کردن
به وجود آوردن تنش های پسماند فشاری در چرخ دنده ها
بر طبق تحقیقات انجام شده اگر چرخ دنده ها را سخت کاری سطحی کنند تنش های فشاری پسماند در عمق و در سطح ایجاد میگردند.این تنش ها مانع از تشکیل ترک شده و باعث خنثی شدن تنش های خمشی نیز میشوند. متدهای پیشرفته ای در سخت کاری القایی وجود دارند که موجب میشوند سخت کاری سطحی دقیق چرخ دنده های مارپیچی و چرخ دنده های هیپوئید به سادگی انجام شود. از دیگر مزیت های سخت کاری القایی میتوان به مواردی مانند طول عمر طولانی و بهره وری صحیح از انرژی اشاره کرد.
ایجاد مقاومت بینظیر در برابر شکست در یاتاقان ها
یاتاقان هایی که از این نوع فولادها ساخته میشوند در برابر شکست مقاومت زیادی از خود نشان میدهند و چقرمگی بالاتری نیز دارند. سخت شدن سطحی تا حد زیادی از خرابی بلبرینگ ها جلوگیری میکند. غلتک هایی که در تجهیزات نورد مورد استفاده قرار میگیرند باعث بهبود توانابیی جذب بارهای ضربه ای سخت کاری سطحی میگردند. همچنین این پروسه میتواند روی قسمت های خارجی و داخلی یاتاقان های غلتکی مخروطی با ابعاد بزرگ نیز قابل اجرا باشد. این کار باعث میشود که پذیرش بارهای شعاعی نیز بیشتر شود.
افزایش مقاومت در برابر خستگی چرخ دنده ها
سخت کاری سطحی در فولادها تا حد زیادی باعث افزایش مقاومت در برابر خستگی چرخ دنده ها میگردد و تاثیر زیادی در کنترل هزینه ها و مصرف انرژی دارد.
بهبود توانایی جوشکاری فولادها
یکی از مهم ترین مزایای سخت کاری سطحی در فولادها این است که توانایی جوشکاری آن ها را تا حد زیادی بهبود میبخشد که در جهت برخی کاربردهای مهندسی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
سخن آخر
برای ساخت قطعاتی که تحت فشار بارهای شوکی یا شرایط نامناسب قرار میگیرند عموما از فولاد سخت شده استفاده می کنند. سخت کاری سطحی فولاد باعث افزایش استحکام آن ها و ایجاد یک سطح بسیار مقاوم در برابر سایش میگردد. این موضوع موجب فرآهم آمدن دوام بالا و قابلیت اطمینان بیشتری میشود.
همچنین بخوانید: عملیات نرماله کردن فولادها