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.
عملیات حرارتی سختکاری سطحی سمانتاسیون
عملیات حرارتی سختکاری سطحی سمانتاسیون یا کربن دهی با نفوذ کربن توسط محیط حاوی کربن اتمی به درون سطح فولاد سبب افزایش سختی سطح میشود. در طی این عملیات، در دمای آستنیته فولاد (که به طور معمول بین 870 تا 930 درجه است) کربن اتمی به درون سطح قطعه فولادی نفوذ کرده و مقدار کربن سطحی فولاد را به عمق 0.7 تا 1.5 میلیمتر افزایش می‌دهد. سپس قطعه فولادی در دمای بالا تا حدود 930 درجه سانتیگراد حرارت داده خواهد شد. قطعه فولادی گرمادیده در این دما (دمای آستنیته) ساختار آستنیتی پایداری دارد که حلالیت کربن درآن بالاست. بدین ترتیب کربن اتمی از ماده کربن ده آزاد شده و به سطح فولاد نفوذ پیدا می‌کند. در ادامه سختکاری سمانتاسیون، قطعه به سرعت کوئنچ میشود و یا در دماهای پایین‌تری فرآیند خنک کردن آن انجام می‌پذیرد. سپس، غلظت کربن بالا در سطح خارجی، به وسیله استحاله فاز از آستنیت به مارتنزیت تغییر پیدا کرده و سخت می‌گردد. در عین اینکه چقرمگی مناسب داخلی نیز خواهیم داشت. پس از انجام این فرآیند قطعه‌ای حاصل میشود که سطح آن از فولاد‌پرکربن تشکیل شده و مغزی آن را فولاد کم کربن تشکیل خواهد داد.
پس از کوئنچ فولاد ناحیه سطحی به فاز مارتنزیت سخت پر کربن استحاله می‌دهد و در تمپر نهایی فاز مارتنزیت تمپر میشود. از همین روی پس از عملیات سمانتاسیون، سطحی مقاوم به سایش ایجاد میشود.
روش های کربن دهی به فولاد
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.
