فولادهای سمانته یا سمانتاسیون – قسمت اول

فولادهای سمانته یا سمانتاسیون:

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

فولادهای سمانتاسیون فولادهای ساده کربنی و یا کم آلیاژ کم کربنی هستند که می توان مقدار کربن در سطح آن ها را به روش کربن دهی به حدی افزایش داد که ساختار سطح آن ها پس از سرد شدن سریع از دمای آستنیته شدن، به زمینه ی مارتنزیتی پر کربن با سختی بالا تبدیل شود. در این صورت سطحی مقاوم به سایش و خستگی از میکروساختار مارتنزیت سخت پر کربن بر روی مغزی نرم و مقاوم به ضربه با میکروساختار مارتنزیت کم کربن یا پرلیت و فریت تشکیل می شود.

فولادهای سمانتاسیون دارای کربن پایین به مقدار ۰٫۰۷ تا ۰٫۲۵ درصد هستند. این درصد کربن موجب می شود تا مغز قطعه کربن داده شده از چقرمگی و انعطاف پذیری خوبی برخوردار باشد. فولادهای سمانته آلیاژی دارای عناصر آلیاژی منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن و … هستند که استحکام و سختی پذیری آن ها را افزایش می دهد.

کربن دهی به سطح فولاد:

کربن دهی 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. 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.

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.

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.

فولاد سمانتاسیون ۱٫۷۱۳۱

سخت کاری سطحی فولادهای سمانته:

پس از کربن دهی به فولادهای سمانته، با فولادی سر و کار خواهیم داشت که سطح آن پر کربن و مغز آن کم کربن است. برای عملیات حرارتی فولادهای کربن داده شده به منظور دستیابی به سختی مورد نیاز سطحی از روش های زیر استفاده می شود:

سخت کردن مستقیم:

در این روش، قطعه را بلافاصله پس از کربن دهی و از همان دمای کربن دهی به محیط سخت کننده یا کوئنچ که معمولاً روغن است انتقال می دهند. از این روش موقعی استفاده می شود که شکل قطعه ساده باشد و سریع سرد شدن فولاد از دامنه حرارتی کربن دهی باعث خسارت دیدن قطعه نشود. برای استفاده از سخت کاری مستقیم، باید عمق نفوذ کربن در فولاد نسبتاً کم (کمتر از ۰٫۵ میلی متر) و درصد کربن پوسته خارجی حداکثر در حدود کربن یوتکتویید باشد. همچنین نباید دما و زمان کربن دهی در حدی بوده باشد که دانه های آستنیت درشت شده باشند.

سخت کردن یک مرحله ای:

در این روش، قطعه را پس از کربن دهی، در هوا یا جعبه سمانتاسیون تا دمای اتاق به آرامی سرد می کنند. سپس با توجه به درصد کربن سطح، آن را در دمای مناسب آستنیته کرده و در محیط سرد کننده مناسب (ترجیحاً روغن) سرد می کنند.

سخت کردن دو مرحله ای:

این روش شامل دو مرحله سخت کردن به صورت سیکل های زیر است:

سیکل ۱:

سرد کردن سریع و مستقیم قطعه بلافاصله پس از کربن دهی و از همان دما

پس از سرد شدن قطعه از سخت کاری مرحله قبلی، آستنیته کردن قطعه در دمایی پایین تر از دمای کربن دهی و سرد کردن سریع مجدد

سیکل ۲:

قطعه را پس از کربن دهی، به آرامی در هوا یا جعبه سمانتاسیون تا دمای اتاق سرد می کنند.

قطعه را در محدوده دمایی ۹۰۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد آستنیته کرده و سپس سریع (معمولاً در روغن) سرد می کنند (مرحله اول سخت کردن)

قطعه را در محدوده دمایی ۸۲۰-۷۸۰ درجه سانتیگراد مجدداً آستنیته کرده و سپس سریع (معمولاً در آب) سرد می کنند (مرحله دوم سخت کردن)

از روش سخت کردن دو مرحله ای به دلیل گران و غیر اقتصادی بودن آن معمولاً استفاده نمی شود.

عمق و مقدار سختی سطح فولادهای سمانته:

سختی سطح فولاد سمانته عمدتاً تابع درصد کربن آن است. با افزایش درصد کربن به بیش از ۰٫۵ درصد، کربن اضافی اثر چندانی بر روی سختی ندارد ولی موجب افزایش سختی پذیری می شود. کربن سطح را در محدوده ی ۱-۰٫۸ درصد و معمولاً ۰٫۹ درصد نگه می دارند. در صورت افزایش درصد کربن سطحی، خطر تشکیل آستنیت باقیمانده، کاربید آزاد و ماتنزیت ترد و شکننده ناشی از کربن زیاد وجود دارد. تشکیل این فازها اثرات سوء بر روی توزیع تنش های باقیمانده در پوسته داشته و باعث افت سختی (در اثر آستنیت باقیمانده زیاد) یا تردی زیاد قطعه و مشکلات ماشینکاری و فرایندهای بعدی بر روی قطعه می شود.

سختی سطح و مغز قطعه کربن دهی شده تابعی از عوامل مختلف همچون نوع فولاد، مقدار کربن، عناصر آلیاژی و سختی پذیری آن، دمای سخت کردن، سرعت سرد کردن، روش کربن دهی، ابعاد قطعه و غیره است. در حالت کلی، سختی سطح فولاد سمانتاسیون در حدود ۶۵-۵۰ راکول C و سختی مغز آن در فاصله ۱٫۶ میلی متری از سطح در حدود ۵۰ راکول C و در فاصله ۱۰ میلی متری از سطح یک میله به قطر ۵۰ میلی متر معمولاً کمتر از ۲۲ راکول C است.

عمق سخت شده بستگی به عوامل مختلفی چون نوع فولاد و سختی پذیری آن، میزان کربن سطحی، ضریب نفوذ کربن در آستنیت، زمان و دمای کربن دهی، محیط کوئنچ، سرعت سرد شدن، اندازه و ابعاد قطعه و غیره دارد. تحت شرایطی که در ضمن سرد کردن سریع در لایه کربن داده شده فقط مارتنزیت تشکیل شود، ضخامت لایه سخت شده معادل فاصله سطح تا محلی در داخل نمونه است که میزان کربن آن برابر با ۰٫۴ درصد (سختی ۵۵۰ ویکرز یا حدود ۵۲ راکول C) باشد. ضخامت لایه سخت شده با مقطع زدن نمونه و سختی سنجی و یا بررسی سطح مقطع شکست نمونه با بزرگنمایی حداقل ۱۰ برابر می تواند مشخص شود. ضخامت لایه سخت شده برای کاربردهای معمول صنعتی در حدود ۱٫۵ میلی متر است.

میکروساختار فولادهای سمانته:

قبل از عملیات حرارتی سخت کاری، سطح قطعات کربن دهی شده بسته به نوع فولاد، زمان کربن دهی و مقدار کربن سطح معمولاً شامل میکرو ساختاری چون پرلیت خالص، پرلیت و فریت در زمینه آستنیت اولیه و یا پرلیت و سمنتیت (کاربید) در زمینه آستنیت اولیه است. پس از عملیات حرارتی سخت کاری، میکرو ساختار فولاد شامل مارتنزیت به همراه آستنیت باقیمانده است. در صورتی که آستنیت باقیمانده بیشتر از ۳۰ درصد نبوده و به صورت ریز و پراکنده در ساختار توزیع شده باشد، معمولاً مخرب به حساب نمی آید. وقتی که درصد کربن در سطح از ۰٫۸۵ درصد فراتر رود، حضور کاربیدهای آزاد در میکروساختار تقریباً اجتناب ناپذیر است. در لایه های سطحی پر کربن به دلیل تشکیل تیغه های مارتنزیتی خشن (مارتنزیت بشقابی) و برخورد این تیغه ها به یکدیگر در ضمن رشد، ترک های ریزی به وجود می آید. احتمال تشکیل این ترک ها با ریز شدن دانه های فولاد، کاهش درصد کربن و در نتیجه تغییر مورفولوژی مارتنزیت به لایه ای و همچنین با بازپخت کردن مارتنزیت به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.

با حرکت از سطح به مغز قطعه، یک تغییر تدریجی در میکروساختار به سمت محصولات استحاله با درصد کم کربن به وجود می آید. در برخی فولادها، فقط یک تغییر ساختار از مارتنزیت پر کربن به مارتنزیت کم کربن دیده می شود ولی در فولادهای دیگر، تغییر ساختاری از پرلیت با سمنتیت پرویوتکتویید به پرلیت و بعد پرلیت و فریت پرویوتکتویید و در نهایت به طور عمده فریتی مشاهده می شود.