کربورایزینگ چیست و آشنایی با روش های کربورایزینگ

روش های کربورازینگ از پرکاربردترین فرایندهایی هستند که به‌منظور سخت‌کاری سطحی فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرند که به‌دنبال بالابردن میزان کربن، تاثیر خوبی روی افزایش مقاومت محصول نهایی دارند.

با توجه به اینکه تغییر در ترکیب شیمیایی آلیاژ موجب ایجاد ویژگی‌های ساختاری متفاوتی در آن می‌شود، زمانی که هدف اصلی، افزایش استحکام و مقاومت فولاد باشد می‌توان از عملیات‌های حرارتی استفاده کرد که در این مطلب می‌خواهیم به‌صورت جامع درباره این موضوع بحث کنیم.

آنچه باید درباره فرایند کربورایزینگ بدانید

سمانتاسیون یا کربوریزه‌کردن نوعی عملیات حرارتی است که در صنایع فولاد کاربرد زیادی دارد و به‌طور کلی برای ایجاد تغییر در ترکیب شیمایی آلیاژهای کم‌کربن (سمانته) به‌کار می‌رود.

در صنایع مختلف از آلیاژهایی با میزان مقاومت متغیر استفاده می‌شود که برای ایجاد چنین ویژگی خاصی می‌توان در زمان تولید، تغییراتی را در درصد عناصر موجود در فولاد ایجاد کرد.

در این فرایند به‌طور معمول دمای مواد اولیه را به محدوده‌ای بین 870 تا 930درجه سانتی‌گراد افزایش داده، سپس آن‌ها را در معرض ترکیبات کربن‌زا قرار می‌دهند تا این عنصر با گذشت زمان به عمق حدود 1.5 میلی‌متری قطعه نفوذ کند، این کار در نهایت منجر به تولید محصولی با عنوان فولاد سمانته می‌شود.

به‌دنبال اجرای این عملیات می‌توان انتظار داشت که قسمت سطحی فولاد سمانته دارای سختی بالایی باشد که موجب مقاومت در برابر سایش می‌شود، درحالی‌که قسمت میانی قطعه نر‌م‌تر است و چقرمگی بیشتری دارد.

استفاده از انواع روش های کربورایزینگ که هرکدام براساس عملیات‌های خاصی اجرا می‌شود، میزان کربن در قطعات فولادی را به 0.8 تا 1.2 درصد افزایش می‌دهد که در مقایسه با مقدار پایه (0.2)، رقمی قابل توجه است.

شناخت انواع روش های کربورایزینگ

فرایند کربن‌دهی دارای روش‌های زیادی است که براساس نیازهای خاص هر صنعتی، یکی از آن‌ها برای سخت‌کردن سطحی فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد که شامل موارد زیر هستند.

سمانتاسیون به روش پودری یا جامد

برای اجرای این روش که با نام کربورایزینگ جامد نیز شناخته می‌شود، در ابتدا تعدادی از قطعات فولادی و مواد کربن‌ده را به فاصله حدود 50 میلی‌متری از هم درون یک جعبه نسوز قرار می‌دهند.

یکی از مهم‌ترین شرایطی که باید برای انجام این کار در نظر داشت، مربوط به این است که قطعات فولادی و مواد کربن‌ده باید حداقل تبادل را با اتمسفر محیطی داشته باشند تا بهترین عملکرد را ارائه دهند.

در این فرایند که یکی از مهم‌ترین روش های کربورایزینگ محسوب می‌شود، در جعبه با استفاده از مواد عایق و نسوز به‌خوبی پوشش داده خواهد شد تا از تبادل هوای محیط با محتویات داخلی جلوگیری کند.

در نهایت دمای جعبه را به اندازه‌ای افزایش می‌دهند تا مقدار کربن لازم به درون قطعات فولادی نفوذ کند، تعیین زمان لازم برای این کار نیز با توجه به ضخامت کربن مورد نیاز تعیین می‌شود.

سمانتاسیون به روش مایع

یکی دیگر از روش های کربورایزینگ که به‌دلیل هزینه به‌صرفه و سرعت بالا توجه صنعت‌گران را به خود جلب می‌کند، کربن‌دهی مایع نام دارد که در این حالت آماده‌سازی نمک‌های مذاب با حرارت زیاد یکی از گام‌های ضروری به‌شمار می‌رود.

ازآنجایی‌که ظرفیت حرارتی نمک‌های مذاب زیاد است، می‌توان انتظار داشت که روند انتقال حرارت در هنگام سخت‌کاری فولاد، به‌صورت یکنواخت و در مدت‌زمان سریع‌تری انجام شود.

مایعی که برای انجام سمانتاسیون به این روش به‌کار می‌رود شامل ترکیبی از نمک‌های سدیم‌کربنات، باریم‌کلرید و سدیم‌سیانید است که به‌دنبال فعل‌وانفعال‌های شیمیایی باعث آزادشدن کربن می‌شود.

برای اینکه مقدار مناسبی کربن روی فولاد را بپوشاند، در این روش قطعات را بین 1 تا 5 دقیقه درون مایع مذابی از نمک‌های مختلف غوطه‌ور می‌کنند تا عمق نفوذ افزایش پیدا کند. از سمانتاسیون مایع برای ساخت قطعاتی با اندازه کوچک استفاده می‌شود که نیاز به ضخامت کمی از کربن سطحی دارند.

سمانتاسیون به روش گازی

یکی از جدیدترین روش های کربورایزینگ که برای ایجاد پوشش سطحی روی آلیاژها به‌کار گرفته می‌شود، کربن‌دهی گازی است که سرعت خیلی بالایی دارد و ازنظر اقتصادی نیز به‌صرفه خواهد بود.

دقت زیاد این روش برای اعمال کربن روی سطح قطعات و همچنین فرایندهای ساده‌تری که در مقایسه با روش‌های مایع و پودری دارد، موجب محبوبیت بیشتر آن در حوزه صنایع فولادی می‌شود.

برای شروع فرایند کربن‌دهی با استفاده از این روش کاربردی، لازم است که قطعات را در محیطی حرارت داد که گازهای حاوی کربن تولید می‌کند تا در با قرارگیری در کنار فولاد تجزیه شود.

زمان مورد نیاز برای اجرای کربوراسیون گازی چیزی بین 3 تا 4 ساعت طول می‌کشد که احتمال ایجاد دانه‌های آستنیت روی فولاد را افزایش می‌دهد و این مسئله تا حدودی باعث کاهش کیفیت محصول نهایی می‌شود.

در همین راستا به‌دنبال اتمام مراحل لازم برای کربن‌دهی گازی و همچنین کوئنچ‌کردن فولاد، باید آنالیزهای آزمایشگاهی به‌طور دقیق پیگیری شوند تا میزان سختی و عمق نفوذ مناسب مورد تایید قرار گیرد.

شرایط لازم برای اجرای کربن‌دهی گازی

هیدروکربنی که امکان ایجاد شیب نفوذ مناسب را در محیط گازی دارد، از بین موادی همچون متان، اتان، پروپان و بوتان انتخاب می‌شود که در نهایت یکی از آن‌ها را با ماده دیگری تحت عنوان گاز اندوترمیک یا حامل ترکیب می‌کنند.

یکی از مهم‌ترین دلایل برای استفاده از گاز حامل در هنگام اجرای این فرایند، مربوط به این است که به‌کارگیری هیدروکربن به‌تنهایی دوده زیادی تولید می‌کند و کیفیت سطحی قطعه را کاهش می‌دهد.

در واقع هدف اصلی برای استفاده از روش های کربورازینگ، تولید قطعه‌ای با استحکام بالا است که قابلیت مقاومت در برابر فشارهای بیرونی را داشته باشد، اما درصورت نشت دوده این امر محقق نمی‌شود.

مسئله حائز اهمیت دیگر، دررابطه‌با جلوگیری از نفوذ هوا به درون محفظه سمانتاسیون در هنگام کربن‌دهی به روش گازی است که در این حالت باید فشار گاز داخل کوره را نسبت به فشار اتمسفر افزایش داد.

علاوه‌بر تمامی فرایندهایی که به آن‌ها اشاره شد، درحال‌حاضر روش های کربورایزینگ با خلا و پلاسما نیز برای این کار در نظر گرفته می‌شود که تنها در محیط آزمایشگاهی قابل اجرا خواهد بود.

مزایای استفاده از روش های کربورایزینگ

مواد اولیه فولادی که به‌منظور ساخت قطعاتی برای گیربکس، غلطک، شفت دنده و کرانویل مورد استفاده قرار می‌گیرند، نیاز به مشخصات فنی منحصربه‌فردی دارند که می‌توان با استفاده از کربن‌دهی آن را تولید کرد.

بر همین اساس مزایای متعددی وجود دارد که لزوم به‌کارگیری روش‌های کربن‌دهی برای تولید قطعات فولادی را بیشتر نشان می‌دهد که تعدادی از مهم‌ترین موارد عبارت‌اند از:

• ارتقای مقاومت سایشی
• ایجاد شوک‌پذیری و بالابردن میزان استحکام قطعه در برابر ضربه
• افزایش سطح مقاومت قطعات فولادی در برابر رشد ترک
• امکان سخت‌کاری قطعاتی با شکل‌های پیچیده

عوامل موثر بر قیمت فولاد سمانته

به‌دنبال اجرای فرایند سمانتاسیون نوعی فولاد مخصوص تولید می‌شود که امکان دارد به‌دلیل تاثیرپذیری از عوامل متعددی، قیمت خرید آن تغییر کند و شما باید تمامی آن‌ها را مد نظر داشته باشید.

انواع مختلفی از گریدهای آلیاژ سمانته در دسترس صنعت‌گران قرار می‌گیرد که این مورد از مهم‌ترین معیارهای تغییردهنده قیمت فولاد سمانته است. ازطرفی بررسی هزینه‌های حمل‌ونقل نیز در زمان برآورد قیمت این محصول اهمیت دارد.

دیگر مواردی که امکان دارد در طول سال هزینه لازم برای خرید فولاد سمانته را با نوسان‌های زیادی روبه‌رو کند شامل انتخاب هرکدام از روش های کربورایزینگ، فرایندهای مورد استفاده، میزان دما و نوسان ارز است.

جمع‌بندی

انواع روش های کربورایزینگ که برای بالابردن میزان کربن نفوذی در قطعات فولادی کاربرد دارد شامل مواردی همچون گازی، جامد و مایع است که هرکدام در شرایط ویژه‌ای انجام می‌شود.

در هر روش معمولا قطعات فولادی را در معرض دمایی بین 870 تا 930درجه سانتی‌گراد قرار می‌دهند تا مقدار مشخصی کربن به عمق حدود 1.5 میلی‌متری آن‌ها نفوذ کند.