0
04136674922

سه فرایند مهم کربن دهی یا سمانتاسیون فولاد در صنعت ایران

سخت کاری سطحی:

 

در بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به قطعات فولادی است که دارای سطحی سخت بوده و در عین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه خوبی نیز برخوردار باشند. برای مثال قطعاتی مانند میل لنگ، میل بادامک و چرخ دنده باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش داشته باشند، ضمن آنکه دارای استحکام مکانیکی خوبی هم بوده و بسیار چقرمه و مقاوم در برابر ضربه های وارده در حین کار باشند. این خواص را در برخی قطعات فولادی می توان با عملیات حرارتی سخت کردن سطحی به وجود آورد. روش های مختلف عملیات حرارتی به منظور سخت کردن سطح قطعات عموماً به سه دسته زیر تقسیم می شود:

 

  • عملیات حرارتی – شیمیایی یا نفوذی که منجر به تغییر ترکیب شیمیایی سطح فولاد و یا نفوذ یک عنصر بین نشین یا جانشین به داخل قطعه می شود مانند کربن دهی، نیتروژن دهی، کربن نیتروژن دهی، بور دهی و غیره.

 

  • عملیات حرارتی موضعی بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح مانند سخت کردن القایی و شعله ای

 

  • سایر روش های سخت کردن سطحی مانند سخت کردن لیزری، پلاسمایی و پرتو الکترونی، عملیات حرارتی سطحی به روش القا یا کاشت یون

 

 

کربن دهی:

 

کربن دهی یا سمانتاسیون، فرایند اضافه کردن کربن به سطح فولاد کم کربن است که معمولاً در محدوده دمایی ۹۵۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد انجام می شود. در این محدوده دمایی، ساختار فولاد شامل آستنیت است که حد حلالیت زیادی نسبت به کربن دارد. هنگامی که فولاد در این محدوده دمایی برای مدت زمان مشخص در تماس با مواد کربن ده قرار می گیرد، کربن اتمی از مواد کربن ده آزاد شده، جذب سطح فولاد می شود و سپس به داخل آن نفوذ کند. به این ترتیب سطح قطعه را فولاد پر کربن و مغز آن را فولاد کم کربن تشکیل می دهد.

 

کربن دهی به فولاد معمولاً با روش های زیر انجام می شود:

 

  • کربن دهی جامد یا پودری (Pack Carburizing)

 

  • کربن دهی مایع یا کربن دهی در حمام نمک (Liquid or Salt Bath Carburizing)

 

  • کربن دهی گازی (Gas Carburizing)

 

  • کربن دهی در خلاء (Vacuum Carburizing)

 

  • کربن دهی پلاسما (Plasma Carburizing)

 

 

در بین این روش ها، روش های متداول در صنعت ایران سه روش کربن دهی جامد، مایع و گازی است. این دسته بندی بر اساس محیط کربن دهی و مواد کربن ده مورد استفاده در آن است. بر این اساس از سه گروه مواد جامد، مایع و گاز برای کربن دهی استفاده می شود.

 

 

کربن دهی پودری یا جامد

 

در کربن دهی پودری یا جامد، قطعات فولادی را همراه با مواد کربن ده جامد در یک جعبه فولادی معمولاً از جنس فولاد نسوز موسوم به جعبه سمانتاسیون بسته بندی می کنند. پس از بسته بندی، در جعبه را به کمک مواد نسوز مانند آزبست و یا خاک رس به نحوی می بندند که هیچ گونه تبادل هوا با خارج نداشته باشد. این جعبه را تا دمای کربن دهی (اغلب بین ۹۲۵-۸۷۵ درجه سانتیگراد) حرارت می دهند و برای مدت زمان مشخصی در این دما نگه می دارند. از واکنش های شیمیایی داخل جعبه، گاز منو اکسید کربن تشکیل می شود که این گاز در سطح فولاد تجزیه شده و تولید کربن اتمی می کند. در دمای بالا (ناحیه تک فازی آستنیت)، کربن اتمی جذب سطحی فولاد می شود و سپس به داخل آن نفوذ می کند.

 

مواد کربن ده جامد از یک عامل کربن زا (اغلب زغال چوب و یا کک) و حدود ۲۰-۶ درصد مواد انرژی زا مثل کربنات باریم، کربنات سدیم (سودا)، کربنات کلسیم (پتاس)، سود خشک و یا مخلوطی از آن ها تشکیل شده است. به دلیل محبوس شدن مقداری اکسیژن به همراه مواد کربن ده در جعبه سمانتاسیون، کربن دهی بدون حضور مواد انرژی زا نیز امکان پذیر است ولی به علت محدود بودن اکسیژن، به نحو مطلوبی صورت نمی گیرد. در غیاب مواد انرژی زا، با ترکیب اکسیژن با ذغال، گاز دی اکسید کربن (CO2) در دماهای پایین تشکیل می شود. با ادامه حرارت دادن و در دماهای بالاتر، این گاز با زغال ترکیب شده و تبدیل به گاز منو اکسید کربن (CO) می شود. با افزایش دما گاز CO بیشتری تولید می شود. گاز CO در سطح فولاد تجزیه شده و کربن اتمی تولید می کند. این کربن اتمی در دمای کربن دهی ابتدا جذب سطحی فولاد می شود و سپس به داخل آن نفوذ می کند. در غیاب مواد انرژی زا، سرعت کربن دهی پایین بوده و حداکثر درصد کربن سطح فولاد نیز پایین (در حدود ۰٫۶۵ درصد) است. در حضور مواد انرژی زا، درصد کربن سطح و سرعت کربن دهی افزایش می یابد. این مواد در ضمن گرم شدن و در دمای کربن دهی به تدریج تجزیه شده و گاز CO2 حاصل می شود. این گاز با ذغال ترکیب شده و گاز CO فعال تولید می کند. گاز CO در سطح فولاد تجزیه شده و کربن اتمی تولید می کند.

 

 

ویدیویی از فرایند کربن دهی جامد را اینجا از عصر مواد ببینید.

 

 

کربن دهی مایع:

 

در کربن دهی مایع، قطعات فولادی را در داخل حمام مذاب غنی از سیانید در دمایی بین ۹۵۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد وارد می کنند و برای مدت زمان مشخصی نگه می دارند. در این روش نیز، در اثر واکنش های شیمیایی مختلف، نیتروژن و منو اکسید کربن در سطح فولاد آزاد می شود. با تجزیه منو اکسید کربن به کربن اتمی، کربن و نیتروژن اتمی در سطح فولاد جذب و به صورت بین نشینی نفوذ می کنند.

 

کربن دهی مایع در حمام های سیانور انجام می شود. این حمام ها معمولاً متشکل از مخلوطی از مذاب نمک ها شامل ۱۰ تا ۵۰ درصد سیانور فلزات قلیایی نظیر سیانور سدیم و یا سیانور پتاسیم، تا حداکثر ۴۰ درصد کربنات سدیم و مقادیر متفاوتی از کلرید سدیم، کلرید پتاسیم و یا کلرید باریم در دمایی حدود ۹۵۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد انجام می گیرد. در این حمام ها، نمک های سیانور عامل فعال و کربن زا هستند. سیانور سدیم کارایی بهتری نسبت به سیانور پتاسیم دارد. نمک های خنثی نظیر کربنات سدیم، کلرید سدیم، کلرید پتاسیم و یا کلرید باریم را به منظور تنظیم غلظت سیانور، کنترل دمای ذوب، سیالیت و ترکیب مناسب حمام اضافه می کنند. در این حمام های مذاب، سیانور مذاب (NaCN) ابتدا در سطح حمام و در تماس با اکسیژن هوا تبدیل به سیانات سدیم (NaCNO) می شود. سیانات تولید شده در سطح تماس با فولاد تجزیه شده و منو اکسید کربن و نیتروژن اتمی آزاد می کند. منو اکسید کربن نیز در سطح فولاد تبدیل به کربن اتمی می شود. در نهایت، کربن و نیتروژن اتمی در سطح فولاد جذب شده و سپس در داخل آن نفوذ می کند.

 

 

 

کربن دهی گازی:

 

در کربن دهی گازی، قطعات فولادی را در حدود ۹۰۰ درجه سانتیگراد برای مدت زمان مشخص در محیطی شامل گاز یا مخلوطی از گازهایی که بتوانند در سطح فولاد تجزیه شده و تولید کربن اتمی کنند قرار می دهند.

برای کربن دهی گازی از یک کوره با اتمسفری شامل مخلوطی از گازهای کربن زا و گاز اندوترمیک موسوم به گاز حامل استفاده می شود. گاز کربن زا گاز طبیعی (متان) است ولی می توان از سایر هیدروکربن ها مثل اتان و یا پروپان هم استفاده کرد. گاز حامل برای رقیق کردن اتمسفر و واکنش با هیدروکربن های گازی استفاده می شود و یک مخلوط گازی از نوع اندوترمیک است که در یک واحد تولید کننده مجزا تهیه شده و سپس با متان مخلوط می شود. برای تهیه اتمسفر اندوترمیک مخلوط فشرده هوا و گاز طبیعی با نسبت تقریبی سه حجم هوا و یک حجم متان را در حالی که در محدوده ۱۲۰۰-۱۰۴۰ درجه سانتیگراد گرم شده است از روی بستری از نیکل به عنوان کاتالیزور عبور می دهند. واکنش اندوترمیک صورت گرفته بین اجزای مخلوط منجر به تولید اتمسفری شامل گازهای نیتروژن، هیدروژن و منو اکسید کربن می شود. بر اساس درصد گازهای موجود در این ترکیب، گازهای حامل به انواعی چون ۱۰۲، ۲۰۱، ۲۰۲، ۳۰۲ و ۴۰۲ تقسیم می شود. از بین این مخلوط گازها، گاز حامل نوع ۳۰۲ بیشترین کاربرد را در کوره های کربن دهی گازی دارد. ترکیب این نوع گاز حامل شامل حدود ۴۰ درصد گاز نیتروژن، حدود ۴۰ درصد گاز هیدروژن، حدود ۲۰ درصد گاز منو اکسید کربن و مقدار جزئی گاز متان است. گاز نیتروژن در این مخلوط یک گاز خنثی بوده و به عنوان عامل رقیق کننده اتمسفر کوره استفاده می شود.

 

با این توضیحات، اتمسفر کوره کربن دهی گازی مخلوطی از گازهای متان (و یا اتان یا پروپان)، نیتروژن، هیدروژن، منو اکسید کربن و مقدار کمی دی اکسید کربن و بخار آب است. برای جلوگری از احتمال نفوذ هوا به داخل کوره باید فشار گاز داخل کوره در ضمن کربن دهی بیشتر از فشار اتمسفر باشد. در آغاز کار، فقط توسط گاز حامل، هوای کوره را در دمای ۹۳۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد تخلیه می کنند. سپس اتمسفر کوره را در نقطه شبنم ۴- تا ۶- درجه سانتیگراد تنظیم می کنند. پس از اینکه قطعات فولادی را در داخل کوره گذاشتند و دما نیز به دمای کربن دهی رسید، در حدود ۱۰-۵ درصد متان به اتمسفر کوره اضافه می شود. پس از گذشت ۵۰ تا ۷۵ درصد زمان کربن دهی، جریان متان به داخل کوره قطع می شود. واکنش هایی که در داخل کوره منجر به تولید کربن اتمی و در نتیجه جذب سطحی کربن و نفوذ آن به داخل فولاد می شود از این قرار هستند:

 

  • تجزیه گاز CO در سطح قطعه کار و تشکیل کربن اتمی

 

  • تجزیه گاز متان در سطح قطعه کار و تشکیل کربن اتمی

 

  • واکنش گازهای CO و H2 در سطح قطعه کار و تشکیل کربن اتمی

 

 

ویدیویی از فرایند کربن دهی گازی را اینجا از عصر مواد ببینید.

ارسال دیدگاه