فصل اول: مقدمه‌ای بر عملیات حرارتی سطحی 1/1. عملیات حرارتی نفوذی یا عملیات حرارتی – شیمیایی کربن‌دهی نیتروژن‌دهی کربن و نیتروژن‌دهی همزمان بودهی روش‌های نفوذی دیگر 1/2. عملیات حرارتی انتخابی یا موضعی 1/3. روش‌های نوین سخت‌کردن سطحی 1-3-1. عملیات حرارتی سطحی به کمک لیزر 1-3-2. سخت‌کردن توسط پرتو الکترونیکی 1-3-3. عملیات حرارتی سطحی به روش کاشت یون فصل دوم: سخت‌کردن شعله‌ای 2/1. مقدمه 2/2. ویژگی‌ها 3/2. روش‌های سخت‌کردن شعله‌ای 2-3-1. سخت‌کردن کلی سطح توسط روش نوسانی 2-3-2. سخت‌کردن کلی سطح توس روش نقطه‌ای یا ساکن 2-3-3. سخت‌کردن کلی سطح به روش چرخشی 2-3-4. سخت‌کردن پیشونده 2-3-5. سخت‌کردن به روش پیشرونده لغزش 2-3-6. سخت‌کردن به روش پیشرونده چرخشی دوار 2/4. گازهای مصرفی و شعله 2/5. عمق یا ضخامت لایه سخت‌شده 2/6. مصرف گاز، زمان و سرعت حرکت مشعل 2/7. کنترل فرآیند 2/8. پیشگرم‌کردن 2/9. سختی و عمق سخت‌شده 2/10. تجهیزات و روش‌های سردکردن 2-10-1. سرکردن در روش سخت‌کردن پیشرونده 2-10-2. سردکردن در روش چرخشی 2/11. محیط‌های سردکننده 2/12. پازپخت‌دادن 2/13. انتخاب مواد برای سخت‌کردن شعله‌ای 2-13-1. فولادهای ساده کربنی 2-13-2. فولادهای آلیاژی 2-13-4. آلیاژهای دیگر 2/14. معایب در سخت‌کردن شعله‌ای و دلایل آن 2-14-1. گرم‌کردن اضافی 2-14-2. سختی کمتر از حد انتظار 2-14-3. سخت‌شدن نایکنواخت یا پراکنده 2-14-4. تاب‌برداشتن قطعه 2-14-5. ضخامت کم لایه سخت‌شده 2-14-6. ضخامت کم لایه سخت‌شده 2-14-7. پوسته‌شدن بیش از حد فصل سوم: روش‌های نوین عملیات سطحی 3/1. مقدمه 3/2. آلیاژسازی سطح توسط پرتوهای یونی، الکترونیکی و لیزر 3-2-1. مقدمه 3-2-2. جنبه‌های بنیادی 3-2-3. میکروساختارها 3-2-4. خواص مواد 3-2-5. کاربرد 3-2-6. جایگاه و آینده 3/3. رسوب شیمیایی بخار (CVD) 3-3-1. مقدمه 3-3-2. اصول رسوب شیمیایی بخار و مثال‌های کاربردی 3-3-3. ملاحظات ترمودینامیکی 3-3-4. ساختار رسوب و چسبندگی رسوب / زیر لایه 3-3-5. تجهیزات CVD 3-3-6. مزایا و محدودیت‌های CVD 3/4. روش‌های تبخیری و پراکنشی: رسوب فیزیکی بخار (PVD) 3-4-1. مقدمه 3-4-2. تبخیر در خلاء 3-4-3. روش پراکنشی 3-4-5. پوشش‌دهی یونی 3-4-6. کاربرد روش‌های PVD 3/5. تکنولوژی‌های پاششی و تفنک انفجاری، روش‌های تقویت‌شده با پلاسما 3-5-1. مقدمه 3-5-2. آماده‌سازی سطح 3-5-3. روش‌های پاششی و خواص پوشش 3/6. پوشش‌های الماسی و شبه الماسی 3-6-1. مقدمه 3-6-2. روش‌های تولید پوشش‌های الماسی / شبه الماسی مراجع پیشگفتار این حقیقت که درصد زیادی از قطعات مهندسی بر اثر پدیده‌های سطحی نظیر سایش، خوردگی، فرسایش، حرارت وخستگی در ضمن کار از بین رفته و یا منهدم می‌شوند، موجب گردید که در دهه 1980 میلادی، شاخه جدیدی از تحقیقات به صورت مشترک بین رشته‌های مختلف علمی موسوم به «مهندسی سطح» در دانشگاه‌های و مراکز تحقیقاتی – صنعتی پا به عرصه ظهور گزارد. به طور خلاصه، مهندسی سطح شامل کاربرد تکنولوژی‌های سنتی و نوین عملیات حرارتی و سطحی بر روی مواد و قطعات مهندسی، به منظور دستیابی به یک ماده مرکب با خواصی است که در هیچ یک از مواد تشکیل‌دهنده مغز و یا سطح قطعه به تنهایی وجود ندارد. اغلب دیده شده، که تکنولوژی‌های مختلف محتلف سطحی را بر روی قطعات مهندسی از پیش طراحی و ساخته شده اعمال می‌کنند. مع‌هذا، شایان ذکر است که، مهندسی سطح عبارت است از طراحی و ساخت قطعه با علم به اینکه چه نوع عملیات سطحی و یا عملیات حرارتی سطحی قرار است بر روی آن انجام گیرد. انگیزه برای توسعه و گسترش مهندسی سطح تا حدودی برمی‌گردد به پیشرفت‌های سریع و وسیع در تکنولوژی‌هایی نظیر؛ لیزر، پرتوی الکترونیکی، عملیات حرارتی – شیمیایی، تولید و به کارگیری پلاسما، نوآوری‌ها در رابطه با پوشش‌های مهندسی و همچنین کاشت یونی و روش‌های نوین دیگر. مع هذا، منشاء، مبانی و اصول مهندسی سطح را باید در تکنولوژی‌های سنتی عملیات حرارتی سطحی نظیر تبرید سریع به منظور سخت‌کردن، کربنـدهی، نیتروژین‌دهی و ... آلیاژهای آهنی جستجو کرد. در حقیقت، ده‌ها سال است که طراحان قطعات مهندسی در تمام بخش‌های تولیدی صنایع، با استفاده از استحاله کنترل‌شده تبدیل آستینت به مارتنزیت به طور موضعی بر روی سطح قطعات، توانسته‌اند آلیاژهای آهنی مرکب تهیه کنند، به نحوی که مجموعه خواص ویژه و منحصر به فرد این نوع آلیاژهای آهنی مرکب در هیچ یک از نواحی سطحی و یا حجمی به تنهایی قابل حصول نیست. ظهور تکنولوژی‌های نوین سطحی برای اولین بار این فرصت استثنایی را برای مهندسان فراهم کرد که بتوانند قطعات ساخته‌شده از آلیاژهای غیرآهنی و حتی مواد غیرفلزی را نیز تحت عملیات سطحی قرار دهند. بدین ترتیب، دامنه کاربرد مهندسی سطح گسترش یافته و نه‌تنها آلیاژهای آهنی، بلکه آلیاژهای غیرآهنی و حتی در مواردی مواد غیرفلزی را نیز در بر گرفت. گرچه گستره وسیعی از عملیات و یا فرآیندهای سطحی وجود دارند که به کمک آنها می‌توان خواص سطحی مواد و یا قطعات مهندسی را تغییر داد، و یا اصلاح کرد، مع هذا در این کتاب عمدتاً دو گروه از این فرآیندها ارائه شده‌اند؛ یکی عملیات حرارتی – شیمیایی و عملیات حرارتی که از قدمت تاریخی نسبتاً زیادی برخوردار بوده (فرآیندهای سنتی) و دیگری عملیات سطحی که ابداع و گسترش آنها محدود به سال‌های اخیر می‌شود (فرآیندهای نوین). در گروه اول به فرآیندهایی نظیر کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن‌دهی و نیتروژن‌دهی همزمان، سخت‌کردن شعله‌ای و ... می‌توان اشاره کرد. در حالی که رسوب شیمیایی بخار، رسوب فیزیکی بخاز، پاشش فلزی، پوشش‌های الماسی و ... مثال‌هایی از فرآیندهای نوین در گروه دوم هستند. فصل اول: مقدمه‌ای بر عملیات حرارتی سطحی عملیات حرارتی سطحی، فرآیندی است شامل دامنه وسیعی از روش‌ها (شکل 1-1) که برای افزایش سختی، بهبود مقاومت به سایش، افزایش استحکام خستگی و حتی افزایش مقاومت در برابر خوردگی، بدون اینکه خواص درونی قطعه نظیر نرمی مغز و چقرمگی تحت تأثیر قرار گیرد به کار می‌رود. این مجموعه خواص، مخصوصاً ترکیبی از سختی سطح و مقاومت در برابر نیروهای ضربه‌ای، در ارتباط با قطعاتی نظیر شافت‌ها و چرخ‌دنده‌ها که از یک طرف باید مقاوم در برابر سایش بوده و از طرف دیگر باید در برابر نیروهای ضربه‌ای اعمال شده در ضمن کار مقاوم باشند بسیار مفید است. به علاوه، مزیت عمده عملیات حرارتی سطحی در مقایسه با عملیات حرارتی حجمی این است که، ضخامت‌های زیاد فولادهای کم‌کربن و کربن متوسط که ممکن است در ضمن عملیات حرارتی حجمی ترک خورده و یا اینکه تاب بردارند را به راحتی و با اطمینان می‌توان عملیات حرارتی سطحی کرد. به طور کلی سه گروه کاملاً متفاوت از روش‌های مختلف عملیات حرارتی سطحی وجود دارد (شکل 1-1). این سه گروه عبارتند از روش‌هایی که شامل تغییر ترکیب شیمیایی سطح و یا نفوذ یک عنصر (بین‌نشینی و یا جانشینی) به داخل قطعه است. این روش‌ها به عملیات حرارتی – شیمیایی یا نفوذی موسوم‌اند. روش‌هایی که شامل اصلاح و یا تغییر میکرو ساختار سطحی بوده و به هیچ وجه ترکیب شیمیایی سطح عوض نمی‌شود. این روش‌ها به فرآیندهای سخت‌کردن انتخابی یا موضعی موسوم‌اند. روش‌های نوین که شامل به کارگیری تجهیزات جدید بوده و بستگی به نوع روش می‌تواند شامل اصلاح و تغییر میکرو ساختار سطحی، تغییر ترکیب شیمیایی سطح و یا هر دو باشد. در روش‌های نفوذی که اتم‌های عناصر بین‌نشینی، جانشینی و یا ترکیبی از آنها وارد سطح قطعه می‌شوند، و بدین ترتیب ترکیب شیمیایی سطح را اصلاح کرده و یا عوض می‌کنند، می‌توان تمام و یا بخشی از سطح را به موضعی سخت کرد. این فرآیندها معمولاً موقعی استفاده می‌شوند که تعداد زیادی از قطعات قرار است سختی سطحی شوند (تولید انبوه). از سوی دیگر، عملیات حرارتی گروه دوم ترجیحاً برای سخت‌کردن سطحی قطعات بزرگ و حجیم، برای تمام سطح و یا به طور موضعی، استفاده می‌شوند. در حقیقت مزیت عمده عملیات حرارتی گروه دوم، سخت‌کردن سطحی قطعاتی است که نتوان آنها را به روش حجمی سخت کرد. در این فصل فرآیندهای مختلف عملیات حرارتی سطحی که در این کتاب آورده شده‌اند، به طور مختصر بحث خواهند شد. 1-1: عملیات حرارتی نفوذی یا عملیات حرارتی – شیمیایی همانگونه که قبلاً اشاره شد، عملیات حرارتی نفوذی شامل تغییر یا اصلاح ترکیب شیمیایی سطح است. فرآیند اصلی در اینجا، از نوع حرارتی – شیمیایی است، زیرا برای نفوذ عنصر سخت‌کننده به داخل سطخ نیاز به حرارت‌دادن است. مشخص شده است که ضخامت لایه نفوذی (ضخامت پوسته) بستگی به دما و زمان عملیات دارد، نظیر: K(t ضخامت پوسته در این رابطه t زمان و k ثابت نفوذ است. ثابت نفوذ بستگی به دما، ترکیب شیمیایی قطعه و شیب غلظتی عنصر نفوذکننده دارد. اثر دما به این صورت است که، ثابت نفوذ یک تابع نمایی از دمای مطلق است. شیب‌های غلظتی بستگی به سینتیک سطخ و واکنش‌های فرآیند مورد نظر دارند. روش‌های نفوذی سخت‌کردن شامل چندین جزء سخت‌کننده یا نفوذکننده (نظیر کربن، نیتروژن، بور و ...) و چندین روش مختلف انتقال و رساندن این جزء یا اجزاء به سطح (نظیر جامد، مایع، گازی، یونی) است. طبیعتاً، متغیرهای یادشده بر روی سختی سطح، ضخامت پوسته و خواص دیگر اثر می‌گذارند (جدول 1-1). پارامترهای مؤثر برای انتخاب یک روش مناسب عملیات حرارتی نفوذی عبارت از نوع فولاد (شکل 1-2)، سختی سطح (شکل 1-3) و ضخامت پوسته (1-4) است. جدول 1-1 همچنین مهم و شایسته است که بین ضخامت کلی پوسته و ضخامت مؤثر پوسته تفاوت گذاشته شود. ضخامت مؤثر پوسته معمولاً در حدود دوسوم تا سه چهارم شخامت کلی پوسته است. ضخامت مؤثر مورد نیاز باید مشخص شده تا اینکه براساس آن، در فرآیند موردنظر زمان و دما انتخاب شود. 1-1-1 کربن‌دهی کربن‌دهی فرآیند اضافه‌کردن کربن به سطح فولاد کم کربن است که در دمایی معمولاً در محدوده حرارتی 850 – 950 درجه سانتیگراد، دمایی که استنیت با حد حلالیت زیاد کربن در آن فاز پایدار باشد، انجام می‌شود. این فرآیند همراه با سردکردن سریع و لذا تشکیل مارتنزیت پر کربن و مقاوم به سایش و خستگی در سطح بر روی مغزی نرم و مقاوم به شربه از فولاد کم کربن است. سختی سطح فولاد کربن داده شده عمدتاً تابع درصد کربن آن است. با افزایش درصد کربن بیشتر از 5/0 درصد، کربن اضافی اثر چندانی بر روی سختی نداشته ولی موجب افزایش سختی‌ناپذیری می‌شود. کربن بیشتر از 5/0 درصد ممکن است در استنیت حل نشود، مگر آنکه دمای عملیات به اندازه کافی بالا باشد. ضخامت پوسته کربن داده شده تابع زمان کربن‌دهی و کربن قابل دسترس (پتانسیل کربن) در سطح است. اگر به منظور دست‌یابی به عمق زیاد نفوذ کربن زمان کربن‌دهی افزایش داده شود، در حضور پتانسیل زیاد کربن امکان افزایش زیاد کربن سطح و لذا تشکیل استنیت باقیمانده یا کاربید آزاد در سطح وجود دارد. تشکیل استنیت باقیمانده و یا کاربید آزاد، هر دو اثرات سوء بر روی توزیع تنش‌های باقیمانده در پوسته دارند. لذا، گفته می‌شود که پتانسیل زیاد کربن، برای زمان کربن‌دهی کوتاه مناسب است. فولادهای مناسب برای کربن‌دهی معمولاً حدود 2/0 درصد کربن داشته و کربن پوسته را معمولاً در محدوده 8/0 – 1 درصد کنترل می‌کنند. مع هذا، به علت تشکیل استنیت باقیمانده و مارتنزیت ترد و شکنده ناشی از کربن زیاد، درصد کربن سطح را معمولاً در حد 8/0 درصد حفظ می‌کنند. به منظور جلوگیری از درشت‌شدن دانه‌ها در دماهای بالا اکثراً از فولادهای کشته (اکسیژن‌زدا شده توسط آلومینیم) برای کربن‌دهی استفاده می‌شود. گرچه از زمان ظهور کربن‌دهی اصول و مبانی آن یعنی نفوذ و تجمع کربن در سطح تغییری نکرده است، مع هذا روش کربن‌دهی همواره در حال تحول و تکامل ممتد بوده است. در کاربردهای اولیه، صرفاً قطعات را در محفظه‌های مناسب گذاشته، توسط پودری از یک عامل کربن‌زا پوشانده و حرارت می‌دادند (کربن‌دهی جامد). به علت آهسته‌بودن این فرآیند و نیاز به سرعت کربن‌دهی بیشتر، فرآیند جدید کربن‌دهی که در آن از یک اتمسفر گازی کربن‌زا استفاده می‌شد ابداع گردید (کربن‌دهی گازی). گرچه در این فرآیند سرعت کربن‌دهی به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافت، مع هذا روش گازی مستلزم استفاده از یک اتمسفر چند جزیی بوده که نیاز به کنترل دقیق اجرای تشکیل‌دهنده است. این امر به خاطر جلوگیری از اثرات سوء جنبی نظیر اکسیده‌شدن سطح و مرز دانه‌ها است. به علاوه جهت تهیه و کنترل گاز مورد استفاده نیاز به یک واحد جداگانه‌ای است. با وجود این مشکلات و پیچیدگی‌ها، کربن‌دهی گازی مؤثرترین و گسترده‌ترین روش کربن‌دهی قطعات در تولید انبوه درآمد. به منظور ساده و خلاصه‌کردن اتمسفر گازی مورد استفاده، کربن‌دهی در یک محیط عاری از اکسیژن و در فشار بسیار کم (کربن‌دهی گازی) ابداع و به عنوان یک فرآیند کربن‌دهی جایگزینی گسترش یافت. گرچه در این حالت تجهیزات و کوره مورد استفاده از برخی از جنبه‌ها پیچیده‌تر است ولی اتمسفر مورد استفاده به نحو قابل ملاحظه‌ای خلاصه و ساده‌تر است، مثلاً یک هیدروکربن ساده نظیر متان. از سوی دیگر، از آنجایی که قطعات در غیاب اکسیژن حرارت‌داده می‌شوند، بدون خطر اکسیده‌شدن می‌توان دمای عملیات را افزایش داد. افزایش دما نه‌تنها موجب افزایش حد حلالیت کربن استنیت می‌شود، بلکه نزخ نفوذ کربن را نیز افزایش می‌دهد و لذا زمان لازم برای کربن‌دهی جهت حصول ضخامت مشخصی از پوسته را کاهش خواهد داد. گرچه کربن‌دهی در خلاء برخی از مشکلات پیچیده کربن‌دهی را مرتفع کرد، مع هذا در این فرآیند مسائل جدید به وجود آمد. از آنجایی که کربن‌دهی در خلاء در فشارهای بسیار کم و تحت جریان بسیار کم گاز کربن دهنده انجام می‌شود، پتانسیل کربن در فرورفتگی‌ها و سوراخ‌های کور به طور سریع کاهش می‌یابد. تحت چنین شرایطی یک نایکنواختی زیاد در ضخامت لایه کربن داده شده به وجود می‌آید، مگر اینکه گاز درون کوره به طور مرتب و پیوسته عوض شود. اگر به منظور غلبه‌یافتن بر این مسئله، فشار گاز به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش داده شود تشکیل کربن آزاد یا دوده را روی سطح خواهیم داشت. در شرایط بحث‌شده، به منظور غلبه‌یافتن بر نایکنواختی ضخامت پوسته در قطعات با شکل‌های پیچیده، توصیه می‌شود که افزایش و کنترل فشار گاز به طور مرتب انجام گرفته، به نحوی که نایکنواختی ضخامت پوسته و خطر تشکیل دوده به حداقل ممکن رسیده و در عین حال نرخ کربن‌دهی مناسبی را داشته باشیم. روش دیگری که هر دو مشکل یادشده را مرتفع کرده و در عین حال ویژگی‌های خاص استفاده از اتمسفر ساده و به کارگیری دمای بالا را در بر دارد، کربن‌دهی پلاسمایی و یا یونی است. در یک آمارگیری از 800 کارگاه در آمریکا و کانادا مشخص شده که 70 درصد آنها تجهیزات و امکانات کربن‌دهی دارند. فرآیندهای مختلف کربن‌دهی در این کارگاه‌ها به صورت زیر بوده است: 48 درصد کربن‌دهی گازی 19 درصد کربن‌دهی جامد 13 درصد کربن‌دهی توسط حمام نمک (مایع) 5 درصد کربن‌دهی در بستر سیال 2 درصد کربن‌دهی در خلاء 1 درصد کربن‌دهی یونی 2-1-1 نیتروژن‌دهی نیتروژن‌دهی یک عملیات حرارتی نفوذی است که در آن، نیتروژن در محدوده حرارتی 500 – 550 درجه سانتیگراد (یعنی در محدوده حرارتی پایداری فریت) وارد سطح فولاد می‌شود. از آنجایی که نیتروژن‌دهی مستلزم حرارت‌دادن تا ناحیه استنیت و سردکردن سریع نیست، احتمال تاب‌برداشتن حداقل بوده و کنترل ابعاد بسیار عالی است. گرچه مکانیزم نیتروژن‌دهی کاملاً شناخته شده است، ولی واکنش‌های ویژه‌ای که در فولادهای مختلف و با محیط‌های نیتروژن‌دهی مختلف اتفاق می‌افتد همواره شناخته شده نیستند. نیتروژن به طور جزیی در فولاد حل شده و تا حداکثر 6 درصد نیتروژن امکان تشکیل محلول جامد وجود دارد. در درصدهای بیشتر نیتروژن به ترتیب فازهای ؟ با فرمول Fe4N (در N 6%) و ؟ با فرمول Fe3N (8% > N) و ؟ با فرمول Fe2N (11% = N) تشکیل می‌شود. از آنجایی که فازهای نترید یادشده در عین حالی که از سختی بالایی برخوردارند بسیار ترد و شکننده هستند، فولادهای ساده کربنی را معمولاً تحت عملیات نیتروژن‌دهی قرار نمی‌دهند. در واقع فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی، معمولاً فولادهای با کربن متوسط (در شرایط سخت و بازپخت شده) که حاوی عناصر نیترید ساز قوی نظیر آلومینیم، کرم، وانادیم و مولیبدن باشند هستند. مهمترین پارامترهای مؤثر بر روی سختی سطح و ضخامت لایه نیترید عبارت از نوع و درصد عناصر آلیاژی نیترید ساز و میکرو ساختار فولاد است. در واقع با افزایش درصد عناصر آلیاژی نیترید ساز، سختی سطح افزایش یافته ولی ضخامت لایه نیترید کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، زمینه فریتی و درصد کم کاربید شرایط را برای افزایش سختی پوسته و همچنین نفوذ کربن مستعد می‌نماید. در آمارگیری انجام شده از 800 کارگاه عملیات حرارتی در آمریکا و کانادا مشخص شده که 30 درصد، تجهیزات و امکانات درخواست نیتروژن‌دهی دارند. در این کارگاه‌ها درصدهای مربوط به فرآیندهای مختلف نیتروژن‌دهی به صورت زیر بوده است: 21 درصد نیتروژن‌دهی گازی 7 درصد نیتروژن‌دهی در حمام نمک 6 درصد نیتروژن‌دهی در بستر سیال 5 درصد نیتروژن‌دهی پلاسمایی مزایا و معایب هر یک از این روش‌ها مشابه با کربن‌دهی است. مع هذا، زمان نیتروژن‌دهی معمولاً طولانی است و بستگی به کاربرد دارد. به علاوه، ضخامت پوسته نسبتاً کم بوده و معمولاً کمتر از 5/0 میلیمتر است. 3-1-1 کربن و نیتروژن‌دهی همزمان در حالت کلی، سه روش وجود دارد که کربن و نیتروژن را به طور همزمان وارد سرح قطعه می‌کند، این سه روش عبارتند از: کربن – نیتروژن‌دهی نیتروژن – کربن‌دهی استنیتی نیتروژن – کربن‌دهی فریتی دو روش آخر براساس تشکیل لایه نازک سفیدرنگ کاربونیترید اپسیلن (؟) است، در حالی که در روش اول نیتروژن به عنوان عامل سخت‌کننده استنیت کربن داده شده استفاده می‌شود. گرچه دمای انجام هر سه فرآیند بیشتر از دمای نیتروژن‌دهی است (جدول 1-1)، مع هذا مزیت اصلی هر سه روش، امکان استفاده از آنها برای سخت‌کردن سطحی فولادهای ساده کربنی است. کربن – نیتروژن‌دهی فرآیندی است که کربن و نیتروژن در فاز استنیت فولاد وارد می‌شود. این فرآیند از این نظر مشابه با کربن‌دهی است که در ضمن آن ترکیب شیمیایی استنیت تغییر کرده و سختی زیاد سطح ناشی از سردکردن سریع و تشکیل مارتنزیت است. مع هذا، از آنجایی که نیتروژن سختی‌پذیری را افزایش می‌دهد، فرآیند کربن – نیتروژن‌دهی این امکان را فراهم می‌سازد که با استفاده از فولاد کم‌کربن و بدون نیاز به سردکردن سریع، بتوان همان سختی حاصل از کربن‌دهی فولادهای آلیاژی را به دست آورد. این امر موجب کاهش امکان تاب‌برداشتن و همچنین کاهش خطر ترک‌خوردن می‌شود. به علاوه، سخت‌شدن تا حدودی بستگی به تشکیل نیترید دارد. گرچه کربن – نیتروژن‌دهی را می‌توان در اتمسفر گازی و یا حمام‌های نمک انجام داد، مع هذا اغلب کربن – نیتروژن‌دهی به فرآیندی که در اتمسفر گازی انجام می‌شود اطلاق می‌گردد. اساساً کربن – نیتروژن‌دهی در حمام‌های نمک مشابه با همان سخت‌کردن سیانوری است. در هر دو فرآیند، نیتروژن سختی‌پذیری و سختی پوسته را افزایش داده ولی از نفوذ کربن ممانعت به عمل می‌آورد. مشابه با کربن، نیتروژن نیز یک عنصر پایدارکننده استنیت است. بنابراین، ممکن است مقدار قابل ملاحظه‌ای استنیت در قطعه سریع سردشده داشته باشیم. اگر میزان استنیت باقیمانده آنقدر زیاد باشد که موجب کاهش سختی و مقاومت به سایش شود، ممکن است بتوان کاهش آمونیاک آن زا کنترل کرد. برای این منظور، آمونیاک موجود در اتمسفر کربن – نیتروژن‌دهنده را در ضمن فرآیند و یا در مرحله نهایی عملیات کاهش می‌دهند. یک دیگر از نتایج حضور نیتروژن اضافی در پوسته کربن – نیتروژن داده شده، تشکیل حفره‌ها و خلل و فرج است. نیتروژن – کربن‌دهی استنیتی: گرچه به علت خطر انفجار و تشکیل ساختارهای ترد، از انجام فرآیند کرین – نیتروژن‌دهی در دماهای پایین (700 – 760 درجه سانتیگراد) اجتناب می‌شود، مع هذا یک فرآیند کربن و نیتروژن‌دهی همزمان در دمای پایین‌تر ابداع و توسعه یافته است. دامنه حرارتی بهینه انجام این فرآیند، که گاهی به فرآیند نیتروژن – کربن‌دهی استنیتی خوانده می‌شود در حدود 675 – 775 درجه سانتیگراد است. برخلاف کربن – نیتروژن‌دهی، عامل سخت‌کننده در این فرآیند عمدتاً کاربونیترید اپسیلن (؟) تشکیل شده است. این امر می‌تواند نیاز به سردشدن سریع را حذف کند. نیتروژن – کربن‌دهی فریتی: شامل نفوذ کربن و نیتوژن در فاز فریت و تشکیل لایه نازکی از فاز سفیدرنگ کاربونیترید اپسیلن (؟) است. برای افزایش مقاومت خستگی، نفوذ نیتروژن در پوسته نیاز است. ضخامت پوسته تشکیل‌شده کم بوده (جدول 1-1) و در مقایسه با لایه سفیدرنگ تشکیل‌شده در فرآیند نیتروژن‌دهی، کاربونیترید تشکیل شده در این فرآیند تمایل کمتری به پوسته شده دارد. 4-1-1 بوردهی فرآیند بوردهی شامل نفوذ اتم‌های عنصر بور به داخل سطح فولاد به منظور افزایش سختی و مقاومت به سایش است. بوردهی معمولاً بر روی فولادهای ابزاری که قبلاً تحت عملیات حرارتی سخت‌کردن قرار گرفته باشند اعمال می‌گردد. روش‌های بوردهی شامل رسوب شیمیایی فاز بخار سمانتاسیون بوردی و فلزدهی است. 5-1-1 روش‌های نفوذی دیگر علاوه بر فرآیندهای سخت‌کردن سطحی یادشده، تعداد دیگری از روش‌های ویژه نفوذی (حرارتی – شیمیایی) وجود ندارد که موجب تغییر یا اصلاح ترکیب شیمیایی سطح می‌شوند. این دسته از فرآیندها مستلزم نفوذ یک یا چند عنصر همزمان از عناصر جانشینی نظیر آلومینیم، کرم، سیلیسیم، منگنز، تیتانیم، وانادیم و ... است. از بین این فرآیندها، تیتانیم‌دهی سختی سطح را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد، در حالی که فرآیندهای آلومینیم، سیلیسیم و کرم‌دهی عمدتاً برای افزایش مقاومت به خوردگی به کار می‌روند. از جمله فرآیندهای نفوذی دیگر «فرآیند تویوتا» یا «فرآیند رسوبی / نفوذی واکنشزای حرارتی» است. فرآیند دیگری که می‌توان در این رابطه بدان شااره کرد نفوذ همزمان تیتانیم و کربن و تشکیل یک لایه سطحی از کاربید تیتانیم به روش رسوب شیمیایی از فاز بخار است. این فرآیند که در محدوده حرارتی 900 الی 1010 درجه سانتیگراد انجام می‌شود و به فرآیند تشکیل کاربید تیتانیم موسوم است اکثراً بر روی فولادهای ابزار و فولادهای زنگ‌نزن سخت شونده اعمال می‌شود. از آنجایی که این عملیات در دمایی بالاتر از دمای آستینته‌شدن این نوع فولادها انجام می‌شود، با سردکردن سریع مغز قطعه صخت می‌شود. 1-2: عملیات حرارتی انتخابی یا موضعی گرچه هر یک از روش‌ها عملیات حرارتی – شیمیایی یا نفوذی ارائه شده در بخش 1-1 می‌تواند در تمام سطح قطعه انجام‌شده و یا اینکه به طور موشعی یا انتخابی انجام گیرد، مع هذا روش‌های انتخابی یا موضعی اصطلاحاً به فرآیندهای عملیات حرارتی سطحی شعله‌ای و القایی اطلاق می‌گردد. در این فرآیندها سختی موضعی و یا کلی سطح با حرارت‌دادن ناحیه انتخاب شده و سپس سردکردن سریع آن حاصل می‌شود. به بیان دیگر، در این حالت هیچگونه تغییر یا اصلاح ترکیب شیمیایی سطح را نخواهیم داشت. لذا، آلیاژ انتخاب‌شده برای این منظور باید ماهیتاً قابلیت سخت‌شدن داشته باشد. سخت‌کردن شعله‌ای شامل استنیته‌کردن سطح قطعه (فولادی یا چدنی) به کمک شعله حاصل از سوخت مخلوط یک گاز قابل احتراق و اکسیژن (یا هوا) و سپس سردکردن سریع آن است. حاصل است عملیات تشکیل یک پوسته سخت مارتنزیتی بر روی یک مغز نرم با ساختار فریتی – پرلیتی است. از آنجایی که ترکیب شیمیایی سطح در این روش تغییر نمی‌کند، فولاد مورد استفاده باید حاوی درصد کربن کافی باشد. اعتقاد بر ایت است که برای دست‌یابی به ضخامت پوسته مشخص، نرخ حرارت دادن و هدایت حرارت به داخل قطعه در مقایسه با سختی‌پذیری از اهمیت بیشتری برخوردار است. سخت‌کردن شعله‌ای را برای سخت‌کردن سطح قطعات بزرگ با شکل‌های پیچیده که به آسانی امکان عملیات حرارتی حجمی آنها نیست می‌توان به کار برد. با بهینه‌سازی‌هایی که در تجهیزات مخلوط‌کننده گاز، اندازه‌گیری و کنترل دما به روش مادون قرمز و طراحی مشعل انجام گرفته، سخت‌کردن شعله‌ای به عنوان یک فرآیند عملیات حرارتی قابل اطمینان برای سخت‌کردن موضعی یا کلی قطعات کوچک تا بزرگ استفاده می‌شود. حرارت دادن القایی یک روش حرارت‌دهی بسیار مناسبی برای دامنه وسیع و متنوعی از عملیات حرارتی نظیر سخت‌کردن تمام سطح، سخت‌کردن موضعی، سخت‌کردن حجمی و بازپخت قطعات سخت شده است. حرارت‌دهی توسط قراردادن قطعه فولادی در یک میدان الکترومغناطیسی تولید شده توسط یک جریان متناوب و با فرکانس زیاد که از یک القاگر عبور داده می‌شود انجام می‌گیرد. معمولاً القاگر مورد استفاده یک سیم پیچ مسی است که با آب خنک می‌شود. ضخامت گرم شده بستگی به فرکانس جریان متناوب دارد: به این صورت که هرچه فرکانس بیشتر باشد ضخامت پوسته گرم‌شده کمتر است. بنابراین، ضخامت‌های سخت‌شده زیاد و یا سختکردن سرتاسری توسط جریان‌ها با فرکانس‌های کمتر حاصل می‌شود. 1-3: روش‌های نوین سخت‌کردن سطحی این روش‌ها که نسبت به فرآیندهای مطرح‌شده در بخش‌های 1-1 و 1-2 از قدمت تاریخی بسیار کمتری برخوردارند، برای سخت‌کردن سطحی به صورت موضعی و یا گاهی کلی استفاده می‌شوند. در این روش‌ها، بستگی به نوع فرآیند ممکن است ترکیب شیمیایی سطح عوض‌شده و یا اینکه تغییر نکند. از جمله روش‌های نوین عملیات حرارتی سخت‌کردن سطحی عبارتند از: سخت‌کردن به کمک لیزر، سخت‌کردن توسط پرتوالکترونی و القا یا کاشت یونی (سخت‌کردن پلاسمایی). 1-3-1 عملیات حرارتی سطحی به کمک لیزر این فرآیند به طور گسترده‌ای برای سخت‌کردن موضعی قطعات فولادی و یا چدنی ماشین‌آلات استفاده می‌شود. حرارت تولیدشده، توسط جذب نور لیزر برای استنیته‌کردن موضعی سطح استفاده شده و به نحوی کنترل می‌شود که از ذوب‌شدن سطح مورد برخورد جلوگیری شود. با هدایت حرارت به سمت مغز قطعه، سردشدن سریع خود به خود انجام شده و ناحیه موردنظر به مارتنزیت تبدیل می‌شود. برای اختلاف‌گذاشتن بین این فرآیند و فرآیند ذوب سطحی توسط لیزر، این روش را گاهی به «سخت‌کردن استحاله‌ای توسط لیزر» معرفی می‌کنند. در این روش هیچگونه تغییر ترکیب شیمیایی سطح وجود نداشته و مشابه با فرآیندهای سخت‌کردن سطحی شعله‌ای و القایی، از این فرآیند به طور گسترده و مؤثر می‌توان برای سخت‌کردن سطحی موشعی آلیاژهای آهنی استفاده کرد. روش‌های دیگر عملیات سطحی لیزری عبارتند از: ذوب‌کردن سطحی و آلیاژسازی سطحی، ذوب‌کردن شطحی موضعی موجب پالایش ساختار در اثر سریع‌سردشدن از حالت مذاب می‌شود. در حالی که در آلیاژسازی سطحی، عناصر آلیاژی به حوضچه مذاب اضافه شده و بدین ترتیب ترکیب شیمیایی سطح عوض می‌شود. ساختار نجیب حاصل از ذوب و یا آلیاژسازی سطحی توسط لیزر رفتار الکتروشیمیایی را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. حتی در فولادها با سختی‌پذیری کم، سخت‌کردن استحاله‌ای توسط لیزر یک پوسته نازک متشکل از مارتنزیت بسیار ظریف در ناحیه حرارتی سطح ایجاد می‌کنند. این پوسته از سختی زیاد و مقاومت سایشی خوب برخوردار است. به علاوه امکان تاب‌برداشتن قطعه در ضمن تشکیل این پوسته بسیار کم است. روش لیزر از این جهت با فرآیندهای شعله‌ای و القایی متفاوت است که تجهیزات لیزر را می‌ـتوان در فاصله مشخصی از قطعه مستقر کرد. ضخامت‌های لایه مارتنزیت تولید شده توسط لیزر معمولاً در محدوده 250 الی 750 میکرون برای فولادها و در حدود 1000 میکرون برای چدن‌ها است. امکان کم تاب‌برداشتن، سختی زیاد سطحی، مقاومت به سایش و بهبود خواص خستگی موجب شده است که این فرآیند روش بسیار مناسبی برای سخت‌کردن سطحی موضعی قطعات ماشین‌آلات نظیر میل‌لنگ و میل بادامک باشد. 2-3-1 سخت‌کردن توسط پرتوالکترونی مشابه با عملیات لیزری، پرتوالکترونی نیز برای سخت‌کردن سطحی فولادها استفاده می‌شود. در این فرآیند یک پرتو متمرکزشده‌ای از الکترون‌ها با سرعت زیاد به عنوان منبع حرارتی جهت گرم‌کردن موضعی نواحی موردنظر قطعات فولادی استفاده می‌شود. الکترون‌های آزادشده از یک تفنگ الکترونی شتاب داده شده و مستقیماً بر روی سطح قطعه برخورد داده می‌شوند. برای تولید یک پرتور الکترونی، نیاز به یک خلاء زیاد (در حدود 5-10 تور) در محفظه است. این خلاء برای جلوگیری از اکسیدشدن المان ساطخ‌کننده الکترون و ممانعت از پراکنده‌شدن الکترون‌ها در ضمن حرکت نیاز است. مشابه با سخت‌کردن لیزری، در این فرآیند نیز نیازی به سردکردن سریع قطعه نیست. مع هذا، ابعاد قطعه باید در حدی باشد که سردشدن سریع خود به خود سرح امکانپذیر باشد. گفته شده که برای این منظور، وزنی در حدود 8 برابر ناحیه‌ای که قرار است سخت شود در زیر و اطراف منطقه گرم‌شده نیاز است. 3-3-1 عملیات حرارتی سطحی به روش کاشت یون فرآیند کاشت وزرنی برایی اصلاح ترکیب شیمیایی سطح بوده که در آن یون‌ها با انرژی بسیار زیاد به داخل سطح فرستاده می‌شوند. گفته شده که برای این منظور تقریباً یون‌های هر نوع ماده‌ای را می‌توان استفاده کرد، مع هذا یون‌های نیتروژن را به طور گسترده‌ای برای بهبود مقاومت به خوردگی و بهبود خواص تریبولوژیکی فولادها و آلیاژهای دیگر به کار می‌برند. گرچه در هر دو فرآیند؛ کاشت یون نیتروژن و نیتروژن‌دهی پلاسمایی میزان نیتروژن سطح قطعه افزایش می‌یابد، مع هذا، تفاوت‌های اساسی بین این دو فرآیند و چگونگی اصلاح ترکیب شیمیایی سطح وجود دارد. تفاوت اساسی در این رابطه این است که، بر خلاف نیتروژن‌دهی پلاسمایی، کاشت یون را می‌توان در دمای اتاق انجام داد. در تجهیزات کاشت یون، یون‌های آزادشده از منبع ویژه طراحی شده برای این منظور با انرژی بسیار زیاد (بین 10 تا 500 کیلو الکترون ولت) شتاب داده شده و در محل مورد نظر به سطح نمونه برخورد داده می‌شوند. برعکس، انرژی یون‌ها و اتم‌ها در نیتروژن‌دهی پلاسمایی بسیار کمتر (کمتر از 1 کیلو الکترون ولت) است. کاشت یون بر روی نمونه‌ها در دمای اتاق انجام می‌گیرد، لذا تشکیل رسوبات کنترل‌شده توسط دیفوزیون و خسن‌شدن ساختار به حداقل ممکن می‌رسد. از آنجایی که دمای عملیات پایین بوده وفرآیند در یک محفظه‌ای با خلاء خیلی خوب (بیشتر از 5-10 تور) انجام می‌گیرد، داشتن سطوح تمیز تضمین‌شده و واکنش‌های شیمیایی سطحی ناخواسته نظیر اکسیده‌شدن کاهش می‌یابد. در این فرآیند، تنها نواحی نسبتاً کوچک از سطح قطعه که مستقیماً در برخورد با پرتو یونی هستند، تحت تأثیر کاشت یون قرار می‌گیرند. برای پوشش‌دادن نواحی بیشتری از سطح، باید پرتور یونی و یا نمونه به طور کنترل‌شده حرکت داده شود. به خاطر عدم نفوذ در فرآیند کاشت یون، عمق نفوذ (ضخامت پوسته) در این روش کم است (کمتر از 25/0 میکرون). مع هذا، استحکام‌ها یا سختی‌های خیلی زیاد لایه‌های سطحی حاصل از کاشت یون نیتروژن، ضخامت کم پوسته در این فرآیند را جبران می‌کند. کاشت یون یک فرآیند پیچیده و غیرتعادلی است که در اثر آن خسارات شبکه‌ای زیاد در قالب جاهای خالی و معایب نقطه‌ای از نوع بین‌نشینی به وجود می‌آید. از سوی دیگر، غلظت اجزای کاشته‌شده در سطح می‌تواند به مراتب بیشتر از حد حلالیت در حالت تعادلی باشد. در حقیقت، جای‌گرفتن چگالی بالایی از اتم‌ها با اندازه‌های کاملاً متفاوت از اندازه اتم‌های شبکه زیر لایه می‌تواند منجر به تشکیل ساختارهای بی‌شکل و یا فازهای شبه‌تعادلی گردد. از آنجایی که در این فرآیند اصلاحاتی در خود سطح قطعه انجام می‌گیرد، مشکلات مربوط به چسبندگی پوشش‌های خیلی سخت که اغلب با آن روبرو هستیم را نخواهیم داشت. همچنین، نظر به اینکه کاشت یون معمولاً همراه با گرم‌شدن خیلی کم سطح است، پایداری ابعاد بسیار خوب است. مثال‌هایی در رابطه با کاربرد فرآیند کاشت یون عبارت‌اند از: سخت‌کردن سطحی لبه چاقوها، تیغ صورت تراشی، انواع کاربردهای فولاد ابزار و کاشت یونی باتاقان‌های c440 و 52100 با تیتانیم و یا نیتروژن جهت بهبود مقاومت خستگی تماسی. مشخص شده است که در کاربردهای اخیر، تیتانیم ضریب اصطکاک را کاهش داده و نیتروژن با تشکیل ترکیبات بین فلزی سختی را افزایش می‌دهد. فصل دوم: سخت‌کردن شعله‌ای 2-1: مقدمه سخت‌کردن شعله‌ای یک فرآیند عملیات حرارتی سطحی یا موضعی است که در آن یک لایه نازکی از سطح قطعه فولادی را توسط شعله حاصل از سوخت یک گاز قابل احتراق نظیر گاز طبیعی با دمایی بالاتر از دمای بحران A3 حرارت داده و 1س از استنیته‌شدن، آن را سریع سرد می‌کنند. بدین ترتیب سطح قطعه یا محل موردنظر مارتنزیت شده و از سختی و مقاومت به سایش خوبی برخوردار خواهد شد. از سوی دیگر مغز قطعه ساختار اولیه خود را حفظ کرده و لذا می‌تواند مقاومت به ضربه خوبی را داشته باشد. به علاوه، چنین فرآیندی استحکام خمشی و پیچشی و عمر خستگی قطعه را افزایش می‌دهد. سخت‌کردن شعله‌ای در ارتباط با دامنه وسیعی از قطعات و نیازهای آهنی و برای یک یا چند مورد از موارد زیر استفاده می‌شود. به دلیل اینکه قطعه آنقدر بزرگ است که عملیات حرارتی حجمی متداول غیرممکن بوده و یا اقتصادی نیست. به عنوان مثال چرخ‌دنده‌های بزرگ، قالب‌های بزرگ و غلطک‌ها. زیرا فقط یک قسمت یا ناحیه کوچکی از قطعه نیاز به عملیات حرارتی دارد و یا اینکه عملیات حرارتی حجمی کارکرد قطعه را کاهش می‌دهد. به عنوان مثال شافت‌ها و اهرم‌ها که باید سطوحی مقاوم در برابر سایش داشته باشند. زیرا حصول و یا کنترل دقت ابعاد مورد نیاز برای قطعه توسط عملیات حرارتی حجمی متداول غیرممکن و یا مشکل است. به عنوان مثال، یک چرخ‌دنده بزرگ با طراحی پیچیده که در این حالت سخت‌کردن شعله‌ای دنده‌ها اثری روی ابعاد چرخ‌دنده نمی‌گذارد. زیرا استفاده از سخت‌کردن شعله‌ای این امکان را فراهم می‌سازد که قطعه از مواد ارزانتری ساخته شده و لذا هزینه کلی ساخت قطعه کاهش یابد. این فرآیند موجب می‌شود که همان مجموعه خواص سایشی – ضربه‌ای فولاد آلیاژی به فولادهای ارزانتر داده شود. در چنین شرایطی، بدون اینکه در سطح قطعه اکسایش و با کربن‌زدایی رخ دهد، می‌توان قطعه مورد نظر را عملیات حرارتی کرد و لذا هزینه‌های سنگین تمیزکاری حذف شود. 2-2: ویژگی‌ها در سخت‌کردن شعله‌ای ناحیه‌ای که قرار است سخت شود را توسط یک شعله با ظرفیت حرارتی نسبتاً زیاد که از سوخت یک گاز قابل احتراق ماننده استیلن و اکسیژن حاصل شده باشد، حرارت می‌دهند. بدین ترتیب سطح قطعه در زمان کوتاهی گرم شده و به دمای سخت‌کردن می‌رسد. در حقیقت، در این روش یک تمرکز حرارتی در سطح قطعه به وجود می‌آید. به بیان دیگر، حرارت داده شده به سطح قطعه بیشتر از حرارتی است که می‌تواند به داخل قطعه نفوذ کند. سپس با سردکردن سریع قطعه در یک محیط مناسب مانند آب، بلافاصله پس از گرم‌شدن، از نفوذ بیشتر حرارت داخل قطعه جلوگیری کرده و تنها یک لایه سطحی مارتنزیت و سخت می‌شود. در این فرآیند، برخلاف عملیات حرارتی حجمی که تمام قطعه گرم می‌شود، مغز قطعه تحت تأثیر قرار نگرفته و همان ساختار اولیه خود را حفظ می‌کند. به علاوه، ترکیب شیمیایی قطعه در این حالت تغییر نخواهد کرد. بنابراین در فرآیند سخت‌کردن شعله‌ای: ترکیب شیمیایی باید طوری باشد که فولاد قابلیت سخت‌شدن داشته باشد. سطحی که قرار است سخت شود باید طوری باشد که امکان گرم‌کردن آن توسط مشعل وجود داشته باشد. از نقطه‌نظر کاربردی، این روش دارای مزایایی است که عبارت‌اند از: مشعل‌ها همواره آماده برای کار بوده و نیازی به گرم‌کردن اولیه ندارند. سرعت سخت‌کردن بسیار زیاد و هزینه‌های کارگر و سوخت کم است. همچنین چون عملیات حرارتی فقط در نواحی خاص موردنظر اعمال می‌شود، امکان اعوجاج و تاب‌برداشتن قطعه بسیار کم است. 2-3: روش‌های سخت‌کردن شعله‌ای به طور کلی دو روش مختلف سخت‌کردن شعله‌ای وجود دارد: در روش اول که به سخت‌کردن کلی سطح موسوم است، تمام سطح قطعه را تا دمای سخت‌کردن حرارت داده و سپس آن را سریع سرد می‌کنند. در روش دوم که به سخت‌کردن پیشرونده موسوم است، سطح قطعه به طور موضعی و پیشرونده گرم و بلافاصله سریع سرد می‌شود. در ادامه، روش‌های مختلف سخت‌کردن شعله‌ای توضیح داده خواهد شد. 1-3-2 سخت‌کردن کلی سطح توسط روش نوسانی در این روش که عمدتاً برای سطوح کوچک (مسطح و یا نامسطح) به کار می‌رود، سطح مورد نظر توسط حرکت نوسانی رفت و برگشتی یک مشعل جوشکاری و یا مشعل مناسب دیگر گرم شده تا اینکه به دمای یکنواخت و مناسب سخت‌کردن برسد. سپس سطح قطعه به طور سریع سرد می‌شود (به شکل 8-1 مراجعه شود). برای افزایش سرعت کار، حرکت نوسانی مشعل و عملیات گرم و سرد کردن را توسط سیستم‌های مکانیکی و الکتریکی کنترل می‌کنند. این روش برای سخت‌کردن سطحی قطعاتی نظیر، پینیون، هزارخار، چهارشاخ گاردن، سوپاپ‌های کوچک، پیچ‌های ضامن، دو شاخ کلاچ و قطعات مشابه استفاده می‌شود. 2-3-2 سخت‌کردن کلی سطح توسط روش نقطه‌ای یا ساکن این روش برای سطوح کوچک در قطعاتی که شکل منظم ندارند و یا لازم به سخت‌کردن در تمام سطوح نیست استفاده می‌شود. در این روش مشعل ثابت و بدون نوسان است (شکل 8-2). در این حالت، باید حرارت به طور یکنواخت روی تمام سطح مورد نظر وارد گردد و عمل سردکردن توسط غوطه‌وری و یا پاشیدن آب روی سطح استنیته‌شده انجام شود. این روش برای سخت‌کردن لبه تیغه‌های برش و تراش که در صنایع درودگری استفاده می‌شوند به کار می‌رود. 3-3-2 سخت‌کردن کلی سطوح به روش چرخشی این روش برای قطعات گرد یا نیمه‌گرد مانند چرخ‌دنده‌ها، چرخ‌ها، میل‌لنگ‌ها، شافت‌ها، پیچ‌ها و انواع محورها استفاده می‌شود. ساده‌ترین حالت در این روش، حرکت چرخشی – افقی یا چرخشی – عمودی قطعه کار است. در ضمن چرخش، قطعه کار توسط یک یا چند مشعل گرم‌‌شده و سپس توسط وسایل سردکننده مناسب، سریع سرد می‌شود (شکل 8-3). در این روش، سرعت چرخش بستگی به قطر قطعه دارد و بین 80 تا 120 دور در دقیقه است، ولی معمولاً سرعت خطی نباید کمتر از m/min 10 (ر چرخش) باشد. اگر شعله به نحو مناسبی تنظیم شده باشد، فاصله آن تا قطعه در حدود 5-6 میلیمتر توصیه می‌شود. شعله باید تحت زاویه 90 درجه برخورد کند و ناحیه داخلی شعله نزدیک سطح بوده ولی با سطح تماس نداشته باشد. برای قطعات بزرگ، تعداد مشعل‌ها را زیادتر می‌کنند. از سوی دیگر، زمان حرارت دادن بستگی به ظرفیت حرارتی مشعل، قطر قطعه و دمای سخت کردن دارد. 4-3-2 سخت‌کردن کلی سطح به روش پیشرونده این روش بیشتر برای سخت‌کردن قطعات بزرگ که توسط روش نقطه‌ای قابل سخت‌کردن نیستند به کار می‌رود. در این حالت، عامل گرم‌کننده (مشعل) و سردکننده (افشانک) در کنار یکدیگر بر روی سطح قطعه حرکت می‌کنند. بنابراین، در هر لحظه یک لایه نازک سطحی از قطعه تا دمای استنیته‌شدن گرم شده و بلافاصله سریع سرد می‌شود (شکل 8-4). مشابه با روش قبل، ناحیه میانی شعله باید نزدیک سطح بوده ولی با آن در تماس نباشد، در حدود 5 الی 6 میلیمتر از سطح فاصله داشته باشد. اگر قرار باشد که تمام سطح شخت شود، طول شعله باید کوتاهتر بوده و عملیات حرارتی از حدود 2 الی 3 میلیمتری لبه‌ها شروع شده و خاتمه یابد. اگر قرار باشد که فقط یک نوار باریکی روی سطح سخت شود، باید شعله در حدود 3 الی 4 میلیمتر از دو طرف این نوار را بپوشاند. به منظور رسیدن به دمای سخت‌کردن، پس از شروع عملیات (در ابتدا) باید مشعل را برای مدت زمان کوتاهی روی سطح قطعه نگه داشت. این زمان حرارت دادن اولیه اغلب کمتر از 10 ثانیه است. از سوی دیگر، در انتهای مسیر باید مشعل شتاب بیشتری داشته باشد. این امر به خاطر جلوگیری از گرم‌شدن بیش از حد و سوختن سطح قطعه است. در عمل، روش سخت‌کردن پیشرونده را به هر دو صورت افقی و عمودی استفاده می‌کنند. مع هذا، روش عمودی ترجیح داده می‌شود. 5-3-2 سخت‌کردن به روش پیشرونده لغزشی این روش برای قطعات استوانه‌ای یا گرد با قطر زیاد به کار می‌رود. در این روش مشعل همراه با سیستم سردکننده (افشانک) در کنار یکدیگر و در فاصله معینی از سطح قطعه نصب‌شده و با حرکت لغزشی در امتداد محور طولی قطعه حرکت می‌کنند. از سوی دیگر، قطعه حول محور خود یک حرکت دورانی دارد (شکل 8-5). در این روش سرعت عمل زیاد است، به نحوی که در یک دور چرخش قطعه کار یک نوار به اندازه طول مشعل سخت می‌شود. مزیت دیگر این روش این است که، در ضمن استنیته‌شدن هر لایه، لایه سخت شده قبلی بازپخت می‌شود. این امر به خاطر مسئله انتقال حرارت از مشعل به نواحی مجاور است. در چنین شرایطی، آلیاژهایی که در ضمن بازپخت تمایل به تردشدن دارند، مستلزم دقت و توجه خاص هستند. تحت شرایطی که ضخامت لایه سخت‌شده بیشتری نیاز باشد، از مشعل‌های پیشگرم‌کننده نیز استفاده می‌کنند. مشعل‌های پیشگرم و استنیته‌کننده به نحوی تنظیم می‌شوند که، ابتدا فقط مشعل پیشگرم‌کننده روشن می‌شود. به مجرد اینکه ناحیه پیشگرم شده به موقعیت مشعل استنیته‌کننده رسید، این مشعل نیز روشن می‌شود و عملیات گرم‌کردن به منظور سخت‌کردن شروع می‌شود. به منظور حفاظت از لایه سخت‌شده قبلی، یک افشانک در جلوی مشعل پیشگرم‌کننده تعبیه می‌کنند. چند میلیمتر قبل از اینکه لایه سخت‌شده به مشعل پیشگرم‌کننده برسد، این مشعل خاموش می‌شود. به همین ترتیب قبل از رسیدن لایه سخت شده به مشعل استنیته کننده، این مشعل نیز خاموش می‌شود. استفاده از مشعل‌های پیشگرم‌کننده هم ضخامت لایه سخت شده و هم سرعت عملیات را افزایش می‌دهد. این فرآیند عمدتاً برای طقعات گرد و با قطر زیاد به کار می‌رود. 6-3-2 سخت‌کردن به روش پیشرونده چرخشی دوار در این روش که برای سخت‌کردن شافت‌های بلند استفاده می‌شود، مشعل‌های حلقه‌ای با سگمنتی همراه با سیستم سردکننده از یک انتها به انتهای دیگر شافت که در حال دوران است حرکت می‌کند (شکل 8-6). بدین ترتیب پس از یک بار عبورکردن، قطعه تماماً سخت می‌شود. هر یک از انواع مشعل‌ها، یعنی حلقه‌ای و یا سگمنتی دارای مزایای خاص خود هستند. با استفاده از مجموعه‌ای از هر دو نوع مشعل، شافت‌ها با قطرهای مختلف را می‌توان به نحو موفقیت‌آمیزی سخت کرد. همچنین با استفاده از روش پیشرونده چرخشی دوار، سطوح خارجی و یا داخلی سوراخ‌ها را می‌توان به راحتی سخت کرد. در هر حالت برای جلوگیری از سخت‌شدن سرتاسری، ضخامت دیواره باید حداقل برابر با 5 میلیمتر باشد. از سوی دیگر، برای سخت‌کردن همزمان سطوح خارجی و داخلی و در عین حال جلوگیری از سخت‌شدن سرتاسری، ضخامت دیواره باید حداقل برابر با 7 میلیمتر باشد. این امر موجب می‌شود که در هر سطح، لایه سخت‌شده‌ای به ضخامت 5/1 میلیمتر و مغزی نرم با حجم کافی داشته باشیم. با استفاده از روش پیشرونده چرخشی، قطرهایی در محدوده 20 الی 1500 میلیمتر را می‌توان به راحتی سخت کرد. حداقل قطر سوراخ قابل سخت‌شدن در این روش 25 میلیمتر است. برای سوراخ‌ها با قطر کمتر، مخصوصاً سوراخ‌های عمیق، عمر مشعل محدود می‌شود. 2-4: گازهای مصرفی و شعله در سخت‌کردن شعله‌ای انواع مختلف گازهای قابل احتراق نظیر استیلن، گاز شهر، متان و گاز طبیعی و پروپان را می‌توان استفاده کرد. مع هذا، برای انتخاب یک گاز برای کاربرد مشخص موارد زیر باید در نظر گرفته شوند: نرخ گرم‌کردن مورد نیاز هزینه گاز هزینه‌های اولیه تجهیزات هزینه‌های نگهداری تجهیزات اگر سخت‌کردن شعله‌ای به نحو صحیح انجام گیرد، ترکیب شیمیایی فلز پایه تغییر نخواهد کرد. به طور کلی شعله حاصل از سوختن یک گاز قابل احتراق می‌تواند احیاکننده (کربن‌دهنده) اکسیدکننده و یا خنثی باشد. اینکه شعله کدام یک از حالات یادشده را داشته باشد، بستگی به نسبت اکسیژن به گاز قابل احتراق دارد. از طرفی با توجه به شکل ظاهری شعله امکان تشخیص نوع شعله وجود دارد (شکل 8-7). شعله احیاکننده آرام بوده و در انتهای آن دوده مشاهده می‌شود. شعله اکسیدکننده متلاطم بوده و انتهای شعله پخش می‌شود، شعله خنثی حالتی بین شعله اکسیدکننده و احیاکننده دارد. شعبه اکسیدکننده از اکسیژن غنی بوده و می‌تواند مخرب باشد، زیرا در این حالت دمای شعله بسیار بالاست و امکان اکسایش و / یا کربن‌زدایی سطح و یا گرم‌شدن بیش از حد سطح وجود دارد. یک شعله احیاکننده از اکسیژن فقیر بوده و می‌تواند از کربن‌زدایی سطح جلوگیری کند ولی در این حالت دمای شعله پایین‌تر بوده و امکان نفوذ کربن ناخواسته در سطح قطعه وجود دارد. بهترین نتیجه موقعی حاصل می‌شود که از شعله خنثی و یا کمی متمایل به احیاکننده استفاده شود. با داشتن خواص مشخصی از مخلوط گازهای قابل احتراق و اکسیژن‌، نرخ‌های حرارت‌دهی گازهای یادشده را می‌توان با یکدیگر مقایسه کرد. از جمله پارامترهایی که با نرخ واقعی حرارت‌دهی ارتباط خوبی دارند، شدت احتراق است. این پارامتر برابر با حاصل ضرب سرعت طبیعی سوختن در ارزش خالص حرارتی مخلوط اکسیژن و گاز قابل احتراق است. بنابراین، با داشتن این دو پارامتر، مناسب‌ترین گاز برای سرعت سخت‌کردن و ضخامت لایه سخت‌شده مشخص می‌توان انتخاب کرد. سوخت‌های مختلف را با توجه به شدت احتراق از نظر اهمیت به این صورت‌ها طبقه‌بندی می‌کنند: استیلن، پروپان و متان. مشخصه‌های مختلف این سوخت‌ها در جدول 8-1 ارائه شده است. در صورتی که متغیرهای دیگر ثابت باشند، زمان لازم برای نفوذ حرارت به داخل قطعه معیار خوب دیگری برای قضاوت درباره کیفیت حرارتی سوخت مورد استفاده است. شکل 8-8 زمان حرارت‌دادن و اثر آن بر روی ضخامت لایه سخت‌شده برای سوخت‌های متیلن استیلن پروپادین (MAPP)، استیلن و پروپان را نشان می‌دهد. همان‌گونه که ملاحظه می‌شود با استفاده از سوخت MAPP ، در زمان کوتاهتر ضخامت لایه سخت‌شده بیشتری را می‌توان به دست آورد. برای داشتن حداکثر بازده حرارتی سوخت، نسبت اکسیژن به سوخت بسیار مهم است. مع هذا، نسبت اکسیژن به سوخت نباید با نرخ‌های مصرف اکسیژن و سوخت اشتباه شود. نرخ‌های مصرف اکسیژن و سوخت بستگی به سرعت شعله، اندازه سری مشعل و زمان حرارت‌دادن دارد. از نظر استوکیومتری، برای احتراق کامل یک مول استیلن نیاز به 5/2 مول اکسیژن است. در حالی که یک مول MAPP و یا پروپان به ترتیب نیاز به 4 و 5 مول اکسیژن برای احتراق کامل دارند. مع هذا، به هنگام استفاده از استیلن، فقط 1 الی 5/1 حجم اکسیژن مستقیماً تأمین می‌شود و بقیه آن از محیط اطراف جذب می‌گردد. هیچ کدام از سوخت‌های MAPP و یا پروپان حرارت لازم برای سخت‌کردن شعله‌ای را ندارند، مگر آنکه اکسیژن بیشتر (معمولاً 4 قسمت اکسیژن و یک قسمت سوخت) تأمین گردد. شایان توجه است که، MAPP در یک دامنه وسیعی از نسبت‌های اکسیژن به سوخت می‌سوزد. بنابراین، در حالی که این سوخت قادر است حرارت زیاد مورد نیاز را تأمین کند، گستره وسیع‌تر حرارتی را می‌توان داشته باشد. استفاده از MAPP مصرف اکسیژن را افزایش داده ولی مصرف سوخت را کاهش می‌دهد. 2-5: عمق یا ضخامت لایه سخت‌شده عمق یا ضخامت لایه سخت‌شده کم (کمتر از 2/3 میلیمتر) را فقط با استفاده از شعله حاصل از احتراق مخلوط اکسیژن – گاز می‌توان به دست آورد. شعله‌های حاصل از احتراق مخلوط اکسیژن – گاز دارای دمای بالایی بوده و اتفاق سریع حرارت مورد نیاز برای تمرکز حرارتی مؤثر برای عمق سخت شده کم را به راحتی تأمین می‌کنند. عمق گرم شده بیشتر را با استفاده از شعله‌های حاصل از احتراق مخلوط اکسیژن – گاز، موجب تمرکز حرارتی نسبتاً زیادی شده و لذا در استفاده از آنها برای حصول عمق زیاد باید دقت کرد. در غیر این صورت ممکن است با پدیده گرم‌شدن اضافی سطح مواجه شویم. شعله‌های حاصل از احتراق مخلوط هوا – گتاز از نرخ کمتر انتقال حرارت برخوردار بوده (دمای شعله کمتر است) و لذا امکان گرم‌شدن اضافی سطح کاهش یافته و یا حذف می‌شود. مع هذا، در چنین حالتی منطقه گرم شده گسترده‌تر از ناحیه مورد نظر برای سخت‌کردن خواهد بود. به همین دلیل، شعله‌های حاصل از احتراق هوا – گاز صرفاً برای سخت‌کردن سطحی فولادها با سختی‌پذیری کم استفاده می‌شود. بدین ترتیب، طیف سختی توسط مجید سردکننده کنترل می‌شود، نه توسط حرارت دادن. به دلیل احتمال تاب‌برداشتن بیش از حد که می‌تواند ناشی از عمق گرم شده زیاد باشد، استفاده از شعله‌های حاصل از احتراق مخلوط هوا – گاز محدود شده است. به علاوه، استفاده از این نوع شعله‌ها بستگی به شکل قطعه نیز دارد. 2-6: مصرف گاز، زمان و سرعت حرکت مشعل در سخت‌کردن شعله‌ای، مصرف گاز بستگی به ضخامت لایه‌ای دارد که قرار است سخت شود. افزایش و یا کاهش ضخامت لایه سخت‌شده، به ترتیب موجب افزایش و کاهش مقدار گاز مصرفی می‌شود. قطعات حجیم مصرف گاز را افزایش می‌دهند. این امر به خاطر اثرات سردکنندگی داخلی بیشتر این نوع قطعات است. به منظور استفاده از حداکثر دمای شعله، فاصله انتهای ناحیه درونی شعله تا سطح قطعه باید در حدود 6/1 میلیمتر باشد. سرعت حرکت مشعل بر روی قطعه در روش پیشرونده و همچنین زمان حرارت دادن در روش‌های نقطه‌ای و چرخشی بستگی به ضخامت لایه سخت‌شده مورد نظر و ظرفیت سری مشعل دارد. در روش‌های پیشرونده و پیشرونده چرخشی، سرعت‌ها برای اکثر کاربردها معمولاً بین 8/0 الی 1/5 میلیمتر در ثانیه تغییر می‌کند. مع هذا، برای جلوگیری از گرم‌شدن اضافی و یا سوختن قطعه، روش‌های پیشرونده و پیشونده چرخشی می‌شود. رابطه بین زمان حرارت دادن، دمای شعله و عمق یا ضخامت لایه گرم شده برای روش‌های نقطه‌ای (یا ساکن)، چرخشی و پیشرونده به ترتیب در شکل‌های 8-9 ، 8-10 و 8-11 نشان داده شده است. مجموعه نمودارهای ارائه‌شده در روش نقطه‌ای (شکل 8-9)، از روش محاسباتی و با فرض انتقال حرارت در سه بعد از محل برخورد شعله با سطح قطعه به دست آمده است. محاسبات براساس منابع حرارتی با قدرت‌های مختلف انجام گرفته است. شایان توجه است که، ظرفیت حرارتی شعله بستگی به شدت احتراق گاز مصرفی (استیلن، پروپان و یا گاز طبیعی) دارد. همچنین مشخص شده است که، قدرت منبع حرارتی بستگی به پارامترهایی نظیر اندازه سری مشعل، سری مشعل از سطح قطعه، حجم کلی گاز و نسبت اکسیژن به گاز دارد. بنابراین، می‌توان گفت که نمودارهای یادشده صرفاً چگونگی رابطه بین زمان – دمای شعله و ضخامت لایه گرم شده را نشان می‌دهد و بیان کننده مقادیر عملی در کاربرد ویژه‌ای نیست. نمودارهای ارائه‌شده در شکل 8-10 از روش محاسباتی و با فرض انتقال حرارت به داخل یک قطعه استوانه‌ای از یک منبع حرارتی که به طور یکنواخت سطح قطعه را گرم کند به دست آمده است. در اینجا فرض بر این است که تمام سطح قطعه به طور همزمان گرم شده و هیچ افزایش دمای موضعی روش سطح ایجاد نمی‌شود. از آنجایی که در این روش، پس از آنکه دمای سطح به دمای مشخص از پیش تعیین‌شده رسید قطعه سریعاً سرد می‌شود، در زمان‌های حرارت‌دادن طولانی افت دمای سطح ملاحظه نمی‌شود. نمودارهای ارائه‌شده در شکل 8-11 نیز از روش محاسباتی به دست آمده است. در اینجا، فرض شده که از یک منبع حرارتی خطی که در طول سطح مسطح یک قطعه حرکت می‌کند، حرارت به طور یکنواخت به داخل قطعه انتقال می‌یابد. در این حالت، اگر پهنای منطقه شعله مشخص باشد، زمان حرارت‌دادن و سرعت حرکت شعله را می‌توان نسبت به یکدیگر تنظیم کرد. به عنوان مثال، یک شعله با پنهای 25 میلیمتر و سرعت 5/1 میلیمتر در ثانیه پس از 15 ثانیه از یک نقطه روی سطح نمونه عبور خواهد کرد. در واقع، پهنای شعله معیاری از احتمال وجود چندین ردیف شعله در کنار یکدیگر است. بدین ترتیب اگر منبع حرارتی از همان قدرت حرارت فرض‌شده در محاسبات منحنی‌ها برخودار باشد، سطح قطعه خسارت خواهد دید. لذا یک سرعت حرکت بیشتر مشعل استفاده می‌شود. به عنوان مثال سرعت 5/2 میلیمتر در ثانیه می‌تواند یک نقطه بر روی سطح قطعه را در مدت 10 ثانیه گرم کند و در نتیجه تا عمق 5/2 میلیمتری را سخت نماید. افت سریع دما در زمان‌های زیاد ناشی از سردشدن سریع توسط افشانک و یا روش‌های دیگر در این فرآیند است. 2-7: کنترل فرآیند موفقیت در بسیاری از کاربردهای سخت‌کردن شعله‌ای عمدتاً بستگی به مهارت اپراتور دارد. این امر مخصوصاً در مواردی که به علت کم‌بودن حجم کار و یا متنوع بودن آن استفاده از سیستم خودکار اقتصادی نبوده و از سیستم دستی استفاده می‌شود صادق است. در این رابطه متغیرهای اساسی عبارت‌اند از: فاصله سطح قطعه کار از ناحیه درونی شعله حاصل از احتراق اکسیژن – گاز یا فاصله سطح قطعه کار از مشعل هوا – گاز


سایت ما حاوی حجم عظیمی از مقالات دانشگاهی است . فقط بخشی از آن در این صفحه درج شده شما می توانید از گزینه جستجو متن های دیگری از این موضوع را ببینید 

کلمه کلیدی را وارد کنید :


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Related Posts

دسته‌بندی نشده

2 (2487)

فصل اول: مقدمه‌ای بر عملیات حرارتی سطحی 1/1. عملیات حرارتی نفوذی یا عملیات حرارتی – شیمیایی کربن‌دهی نیتروژن‌دهی کربن و نیتروژن‌دهی همزمان بودهی روش‌های نفوذی دیگر 1/2. عملیات حرارتی انتخابی یا موضعی 1/3. روش‌های نوین Read more…

دسته‌بندی نشده

2 (2485)

کارخانه کشت و صنعت شمال (( هیدروژناسیون روغن نباتی )) استاد مربوطه : جناب آقای مومنی محقق : هادی جمالی – محمدرضا شیرزاد فرد >> پائیز 83 << مقدمه : روغنها و چربیها از زمانهای Read more…

دسته‌بندی نشده

2 (2486)

بخش اول 1-خط عضو اصلی یک راه آهن به سه زبان مهم بین المللی (انگلیسی- آلمانی و فرانسه) به ترتیب راه آهن را (EISEN bahn)- Rail road- Rail way کو Chemin de fer می نامند. Read more…

background