عملیات سختکاری سطحی (case hardening heat treatments)، که شامل فرایندهای نیتروژن دهی، نیتروژن-کربن دهی، کربن دهی و کربن-نیتروژن دهی است، ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی سطوح قطعات را تغییر می دهد.این فرایندها در عملیات سختکاری سطحی، لایه های سطحی سخت شده ای را تا عمق مشخصی، بسته به زمان و دمای فرایند، ایجاد می کنند. ایجاد لایه های ضخیم تر نیازمند افزایش زمان و در نتیجه هزینه فرایند است؛ اما این افزایش هزینه به سرعت با افزایش عمر سایشی قطعات جبران می شود. اعمال این فرایندها توسط متخصصان مواد منجر به به صرفه شدن هزینه ساخت قطعات برای کاربردهای مختلف می شود.
کربن دهی در عملیات سختکاری سطحی
فرایند کربن دهی برای قطعاتی که نیاز به سختی بالا (مقاومت به سایش بالا) و درعین حال مغز نرم دارند، ایده آل است. این روش در عملیات سختکاری سطحی به‌کار می‌رود و در دمای بالا (900 تا 950 درجه سانتیگراد) انجام می شود و طی آن، کربن به درون سطح فولاد نفوذ می کند. دمای کربن دهی از دمای بحرانی فولاد بالاتر است. بنابراین، با انجام کوئنچ بعد از فرایند کربن دهی، لایه غنی از کربن به مارتنزیت تبدیل می شود، درحالی که زمینه به صورت فازهای نرم تر فریت و پرلیت باقی می ماند. عمق سختی در کربن دهی می تواند برحسب دما و زمان تا 6 میلی متر افزایش یابد.
همان طور که اشاره شد، نتیجه کربن دهی یک لایه سخت و مقاوم به سایش عمیق است که برای قطعاتی مانند چرخ دنده ها، پره ها، و برخی از ابزارهای برشی مناسب است. به وسیله کربن دهی، می توان از فولادهای ارزان قیمت ساده کربنی قطعاتی بادوام ساخت.برای آلیاژهایی با درصد کربن بالاتر (بیش از 0.3 درصد وزنی)، کربن دهی تاثیر مثبت چندانی ندارد و حتی می تواند مضر باشد.
در این فولادها کربن موجود در ساختار خود باعث سخت شدن حجمی قطعه و تبدیل ساختار کل به مارتنزیت می شود. شایان ذکر است که فرایند کربن دهی به دلیل دمای بالا و کوئنچ سریع، می تواند به تغییر ابعادی در قطعه منجر شود. این روش در عملیات سختکاری سطحی برای تولید قطعات بادوام از فولاد ساده بسیار رایج است.
کربن نیتروژن دهی در عملیات سختکاری سطحی
برای فولادهای کم کربنی که عناصر آلیاژی چندانی نداشته و به همین علت قابلیت سخت شدن خوبی ندارند، اضافه کردن نیتروژن به فرایند کربن دهی می تواند سبب افزایش سختی سطح شود.
به این فرایند کربن یتروژن دهی گفته می شود. کربن-نیتروژن دهی معمولاً در دماهای کمی پایین تر از کربن دهی (850 درجه سانتیگراد) انجام می شود، بنابراین در این فرایند نسبت به کربن دهی اعوجاج کمتری در قطعه به وجود می آید؛ اما از سوی دیگر به دلیل پایین تر بودن دما نسبت به کربن دهی در یک زمان مشخص، عمق نفوذ کمتر است.با این حال، سختی سطحی بالاتر و مقاومت بهتر در برابر تمپر از مزایای آن در عملیات سختکاری سطحی محسوب می‌شود.
نیتروژن دهی و تأثیر آن در عملیات سختکاری سطحی
نیتروژن دهی روشی مؤثر در عملیات سختکاری سطحی برای ایجاد لایه‌های سخت با دمای پایین است. نیتروژن دهی نیز مانند فرایندهای کربن دهی/کربن-نیتروژن دهی بر روی قطعه فولادی لایه سخت و مقاوم به سایش ایجاد می کند. این فرایند در دمای پایین تر از دمای بحرانی انجام می شود (معمولاً 450 تا 570 درجه سانتی گراد). در این دما نیتروژن به درون سطح قطعه نفوذ می کند. به دلیل پایین بودن دمای فرایند، می توان قطعاتی که ماشین کاری نهایی بر روی آن ها انجام شده است، با تغییر ابعادی اندک، سختکاری سطحی کرد.
بنابراین، معمولاً نیاز به ماشین کاری بعد از فرایند نیتروژن دهی وجود ندارد. همچنین به دلیل پایین بودن دمای فرایند، خواص و ساختار مغز قطعه در طول نیتروژن دهی تغییر نمی کند. نکته ای که باید پیش از نیتروژن دهی در نظر گرفته شود این است که دمای فرایندهایی مانند تمپر، تنش زدایی، و پیرسازی که قبل از نیتروژن دهی انجام شده اند، به اطلاع واحد انجام دهنده نیتروژن دهی رسانده شود.
برخلاف کربن دهی که به فولادهای کم کربن محدود می شود، می توان محدوده وسیعی از آلیاژهای فولادی را به وسیله نیتروژن دهی به سختی 600 تا 1200 ویکرز رساند. باوجوداین، در عملیات سختکاری سطحی با نیتروژن دهی آلیاژهایی که حاوی مقادیری از عناصر کروم، وانادیوم، تیتانیوم، و آلومینیوم باشند، شرایط بهتری برای نیتروژن دهی دارند. نیتروژن دهی می تواند برای فولادهای زنگ نزن و فولادهای ابزار که حاوی مقادیر بالایی کروم هستند، بسیار مفید باشد.
این فولادها می توانند به وسیله نیتروژن دهی به سختی بیش از 70 راکول سی دست یابند که عمر سایشی طولانی را برای آن ها تضمین می کند. فولادهای کم کربن نیز می توانند به خوبی نیتروژن دهی شوند. حین نیتروژن دهی، علاوه بر لایه سخت ایجاد شده به صورت نفوذی، یک لایه ترکیبی نیز روی سطح قطعه ایجاد می شود.
لایه ترکیبی ناحیه غنی از نیتروژن بر روی سطح است که بسیار سخت بوده (بیش از ۶۰ HRC) و مقاومت به سایش و خوردگی بالایی دارد. وجود لایه ترکیبی سبب می شود بتوان فولادهای کم کربن و کم آلیاژ را برای کار در شرایط محیطی سخت استفاده کرد.
عمق سختی در نیتروژن دهی/ نیتروژن کربن دهی برحسب دما و زمان فرایند، بین 0.1 تا 0.7 میلی متر است. ایجاد لایه های ضخیم تر نیازمند مدت زمان بیشتری است. ضخامت لایه ترکیبی برحسب زمان فرایند، دمای فرایند، و نوع آلیاژ می تواند تا 50 میکرومتر باشد.
نیتروژن کربن دهی
در مقایسه با نیتروژن دهی، نیتروژن کربن دهی در دمای بالاتری انجام می شود و نیز یک منبع کربن در اتمسفر کوره وجود دارد. اضافه کردن کربن باعث می شود که لایه ایجاد شده سخت تر باشد، و نیز مقاومت به سایش بالاتر و قابلیت روانکاری بیشتری داشته باشد. همچنین نسبت به نیتروژن دهی در فرایند نیتروژن کربن دهی، لایه سفید ضخیم تری تشکیل می شود.
به عنوان مقایسه، حتی لایه ایجاد شده در فرایند نیتروژن دهی با اتمسفر نیتروژن خالص نسبت به لایه ایجاد شده در فرایند نیتروژن کربن دهی سختی و مقاومت به سایش کمتری دارد.افزایش کربن به اتمسفر فرایند باعث افزایش تخلخل سطح می شود که این موضوع برای قطعاتی که حین کار تنش زیادی به سطوح آن ها وارد می شود، مناسب نیست. همچنین، لایه ایجاد شده در فرایند کربن دهی چقرمگی پایینی دارد.
برای هر قطعه با توجه به شرایط کاری، می توان تشخیص داد که کدام یک از فرایندهای نیتروژن دهی یا نیتروژن کربن دهی مناسب تر است.