اثر عملیات حرارتی بر خوردگی

قطعه فولادی تحت عملیات حرارتی بازپخت (تمپرینگ) قرار می گیرد. بدین ترتیب یک ساختار ماتنزیتی بازپخت شده (تمپر شده) به دست می آید. این فرآیند عملیات حرارتی مارتمپرینگ یا سریع سرد کردن ناپیوسته نامیده می شود، شکل (7-59). اندازه گیریها نشان می دهند که سختی فولادهایی که مارتنزیتی شده و سپس عملیات حرارتی بازپخت معمول روی آنها انجام گرفته برابر سختی فولادهایی است که تحت عملیات حرارتی مارتمپرینگ قرار گرفته اند، اما مقاومت به ضربه فولادهایی که مارتمپرینگ شده اند در حدود سه برابر بالاتر است.

7-13-2 روش دوم- آستمپرینگ

آستمپرینگ یک نوع عملیات حرارتی از نوع تبدیل همدما یا ایزوترمال است که برای کسب ساختار باینیتی در تعدادی از فولادهای کربنی ساده انجام می شود. در این فرآیند ابتدا فولاد آستنیتی شده و سپس در حمام نمک مذاب با دمایی درست بالای دمای شروع تبدیل مارتنزیت (M_S) سریع سرد شده و برای مدت زمان معینی در این دمای ثابت نگه داشته می شود. این مدت زمان به نوع فولاد و ابعاد آن بستگی دارد و باید به اندازه ای باشد که تبدیل آستنیت به باینیت به طول کامل انجام شود و سرانجام قطعه فولادی تا رسیدن به دمای اتاق در هوا سرد می شود، شکل (7-60). از مزایای این فرآیند در مقایسه با فرآیند سریع سرد کردن و بازپخت، افزایش مقاومت ضربه ای (در حدود دو برابر)، کاهش تنشهای داخلی و احتمال ترک برداشتن و تاب برداری است.

این فرآیند روش دومی را برای جایگزینی فرآیند سریع سرد کردن و بازپخت ارائه می دهد. از مزایای این روش یکی بهبود بیشتر مقاومت ضربه ای (تافنس) و انعطاف پذیری بعضی از فولادها در مقایسه با فرآیند سریع سرد کردن و بازپخت و دیگری کاهش تنشهای داخلی و نتیجتاً تاب و ترک برداری است. از معایب این فرآیند نیاز داشتن به حمام نمک مذاب و دیگری محدودیت این روش برای تعدادی از فولادهای خاص است.

 

 

شکل (7-60): نمودار فرآیند آستمپرینگ یک فولاد کربنی ساده برای کسب ریزساختار باینیت بدون نیاز به فرآیند بازپخت.

7-14 پیرسختی یا سخت کردن رسوبی

استحکام بخشی از طریق ایجاد رسوب از کریستال های محلول جامد فوق اشباع فرآیندی است که از اهمیت ویژه ای در صنعت برخوردار است. در این فرآیند عملیات حرارتی رسوب به صورت ریز و یکنواخت در فاز نرم زمینه پراکنده شده و منجر به افزایش استحکام آلیاژ می شود. شرط لازم برای تشکیل رسوب با توزیعی یکنواخت و ریز وجود محلول جامدی است که حلالیت آن با کاهش دما کاهش یابد. شکل (7-61) نمونه از کاهش حلالیت عنصر B (مانند Cu) را در عنصر B (مانند Al) نشان می دهد. آلیاژ Cu4%-Al نمونة متداولی از آلیاژی است که قابلیت پیرسختی شدن یا سختی رسوبی را دارد. فرآیند پیرسختی یا سخت کردن رسوبی شامل سه مرحلة عملیات حرارتی زیر است:

مرحلة اول- عملیات حرارتی به منظور حل سازی: در طی این عملیات ابتدا آلیاژ تا دمای بالای حلالیت حرارت داده می شود تا محلول جامد همگن a به دست آید. در این عملیات دما نباید به حداکثر دمای حلالیت برسد. زیرا حضور یک ریزساختار یوتکتیکی غیر تعادلی می تواند باعث ذوب موضعی شود. بنابراین این آلیاژ تا محدودة دمایی 500 تا Cْ548 (بین دمای حلالیت و یوتکتیک) حرارت داده می شود.

 

 

شکل (7-61): قسمتی از نمودار تعادلی دو عنصری A و B (Cu , Al) برای استفاده در عملیات حرارتی ست کردن رسوبی یا پیرسختی و ریزساختار حاصل

مرحلة دوم- سریع سرد کردن: بعد از عملیات انحلال یا حل سازی، آلیاژ، که فقط شامل محلول جامد همگن a است، سریع سرد می شود. در این موقعیت اتمهای عنصر B برای نفوذ و قرار گرفتن در محل های جوانه زنی برای شکل گیری فاز  فرصتی نداشته و محلول جامد a به صورت فوق اشباع از عنصر B در یک حالت ساختار غیر تعادلی به سر می برد.

مرحلة سوم- تشکیل رسوب و پیرسازی: سرانجام محلول جامدی فوق اشباع از B تا دمایی بسیار پایین تر از دمای انحلال حرارت داده می شود. از آنجا که محلول جامد فوق اشباع a ناپایدار است، تمایل خاصی جهت تشکیل فاز دوم (مانند ) و رسیدن به حالت تعادلی را دارد. با نگه داشتن این آلیاژ برای مدت زمان کافی در دمای پیرسازی، فاز دوم از طریق انجام پدیدة نفوذ شکل می گیرد. با تشکیل رسوبی از فاز دوم ساختار دوفازی به وجود می آید و ذرات رسوب به صورت ذرات ریزی در تمامی حجم شبکة a در صفحات کریستالی خاصی که ایجاد حداقل به هم خوردگی شبکه ای را سبب می شود (صفحات لغزشی با حداکثر فاصله از یکدیگر ارجحیت دارند) پراکنده می شود. پراکندگی و توزیع یکنواخت ذرات رسوبی موانعی را بر سر راه حرکت نابجاییها در صفحات لغزش ایجاد می کند و بدین ترتیب استحکام، حد تسلیم و سختی آلیاژ افزایش می یابد.

اندازه و شکل رسوب که تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی آلیاژ قابل پیرسازی دارد، به دو عامل دما و زمان پیرسازی بستگی خواهد داشت. شکل (7-62). برای کسب خواص مورد نظر باید دما و مدت زمان حرارت دادن مرحلة سوم به دقت کنترل شود.

 

 

شکل (7-62): تأثیر دما و زمان پیرسختی بر استحکام تسلیم آلیاژ Cu4%-Al

چنانچه تشکیل رسوب در مرحلة سوم در دمای معمولی محیط انجام گیرد، چون جوانه زنی و رشد رسوب و افزایش خواص مکانیکی (استحکام، حد تسلیم و سختی) حاصل از آن با گذشت زمان صورت می گیرد، این فرآیند را "پیرشدن" و سختی حاصل از آن را "پیرسختی" می نامند. در صورتی که شرایط مساعدتری برای انجام فرآیند نفوذ و تشکیل رسوب فراهم شود، رسوب سریعتر تشکیل می شود و در نتیجه در مدت زمان کوتاهتری می توان به استحکام مورد نظر رسید. بدین منظور آلیاژ را برای مدت زمان معینی در دمای معینی نگه می دارند. از این رو این فرآیند را "پیرسازی مصنوعی" و سختی حاصل را "پیرسختی مصنوعی" می نامند. معمولاً در عمل از پدیدة پیرسختی مصنوعی برای دستیابی به خواص مورد نظر در مدت زمان مناسب استفاده می شود. شکل (7-62) نمایان می سازد که هرچقدر درجة حرارت پیرسازی بالاتر باشد، مدت زمان لازم برای حرارت دادن کوتاهتر خواهد بود. از طرف دیگر این شکل نشان می دهد که استحکام تسلیم (همچنین استحکام وسختی) با نگهداری در دماهای پایینتر به مقدار بالاتری خواهد رسید. این شکل همچنین نشان می دهد که با شکل گیری رسوب حد تسلیم به تدریج افزایش می یابد و پس از رسیدن به مقدار ماکزیممی مجدداً به مرور کاهش می یابد. این پدیده را "بیش از حد پیر شدن" می نامند. علت ظاهر گشتن این پدیده یا به عبارتی دیگر نرم شدن مجدد آلیاژ را می توان درشت تر شدن رسوبها پس از تجمع ذرات رسوب بر روی هم و رسیدن اندازة دانه های رسوب به حد بحرانی و افزایش فاصلة بین آنها دانست. در این موقعیت نابجایی ها از طریق حلقه زدن از رسوب ها عبور می کند و نتیجتاً استحکام، حد تسلیم و سختی کاهش می یابد. در این صورت آلیاژی که بیش از حد پیر شده باشد تقریباً شبیه آلیاژی است که بسیار آرام سرد شده باشد. بنابراین پیرشدن بیش از حد سبب کاهش مقاومت خزشی یا افزایش آهنگ (سرعت) خزش می شود.

این نکته قابل توجه است که با گذشت زمان در محلول جامد فوق اشباع، تغییراتی حاصل می شود و نسبت به دمای نگهداری آلیاژی و قبل از رسیدن به حالت تعادل از لحاظ تشکیل فاز دوم، فازهای میانی نیمة پایداری یکی پس از دیگری (با حالتهای مناسبتر از لحاظ انرژی تبدیل) با خواص متفاوتی شکل می گیرند. برای مثال در مورد آلیاژ آلومینیم- مس ابتدا اتم های مس روی صفحات {100} در زمینه a تجمع می یابند و رسوبات بسیار نازک  را موسوم به "مناطق گوینیر-پرتسون (GP-I) به وجود می آورند. همین که پیری ادامه می یابد، اتم های بیشتری از عنصر مس به رسوب نفوذ می کند و بدین ترتیب مناطق GP-I ضخیمتر شده و به شکل صفحه های نازکی در می آیند، که مناطق GP-II نامیده می شوند. با ادامة نفوذ، رسوبها به یک درجة بزرگتری می رسند که  نامیده می شود. سرانجام رسوب پایدار  تشکیل می شود.

در تعداد زیادی از محلول های جامد فوق اشباع رسوبهای غیرتعادلی GP-I، GP-II و  به شکلی که با فاز زمینه همخوانی دارند، یعنی به صورت "کوهرنت"، ظاهر می شوند. در این صورت شبکة ذرات رسوب با شبکة فاز زمینه کاملاً همخوانی دارد، شکل (7-63-الف). این بدین معنی است که فاز رسوبی دارای همان ساختار شبکة کریستالی است که فاز زمینه دارد و تنها اختلافی که با هم دارند در ترکیب شیمیایی است. فقط در حالتهای بسیار معدودی رسوبهای کوهرنت در رابطه با ترکیب شیمیایی و ساختار شبکة کریستالی با حالتهای تعادل، مطابقت می کنند و اغلب موقعیت های نیمه پایداری ایجاد می شود. همین که فازهای کوهرنت در مراحل اولیه تا حدودی رشد کردند استحکام آلیاژ، با گذشت زمان پیری، افزایش می یابد. شکل رسوبهای کوهرنت نسبت به آلیاژ موجود می تواند سطحی، صفحه ای، کروی یا سوزنی شکل باشد. شکل (7-64) ریزساختار آلیاژی پیرشده از Al-Cu را نشان می دهد.

 

 

 

 

شکل (7-63): شکل های مختلف رسوب در تجزیة محلولهای جامد فوق اشباع در ارتباط با ساختار شبکة کریستالی و رسوب نسبت به ساختار فاز زمینه، (الف) رسوب همخوان با زمین یا کوهرنت، (ب) رسوب ناهمخوان یا غیر کوهرنت، (ج) رسوب بخشی کوهرنت.

در مرحلة بعد رسوب به صورت بخشی کوهرنت یا نیمه کوهرنت ظاهر میشود. بدین معنی که رسوب حداقل در یک سطح مرزی یا فصل مشترک با شبکة فاز زمینه همخوانی دارد یا به صورت کوهرنت است، شکل (7-63-ج). در این حالت ذرات رسوب بیشتر فرم صفحه ای شکل دارند. ساختار رسوب نباید با ساختار زمینه همخوانی داشته باشد. در رسوبهایی که به صورت بخشی کوهرنت اند ساختار به سمت حالت تعادل نزدیک می شود، اما شبیه رسوبهای کوهرنت اغلب حالت تعادل پیش نمی آید، بلکه فازهای میانی نیمه پایدار تشکیل می شوند. همچنان که شکل (7-63-ب) به صورت شماتیکی نشان می دهد تمام صفحات شبکة مناطق رسوب بدون اینکه همخوانی کامل با شبکة زمینه داشته باشند، به داخل یکدیگر می روند و به هم خوردگی جزئی در نزدیکی مرز کوهرنت ظاهر می شود. مناطقی که ذرات رسوب تجمع یافته اند سبب تداخلهای خاصی در فیلمبرداری با اشعة X می شود. انرژی تشکیل جوانه در فازهایی که به صورت بخشی کوهرنت است به دلیل انرژی بالای صفحة مرزی بیشتر از حالت کوهرنت است.

چنانچه شرایط برای تشکیل سریع رسوب از محلول جامد فوق اشباع و رسیدن به فازهای تعادلی به ندرت مناسب باشد، باز هم این محلول جامد تمایل دارد تحت شرایط موجود تا حد امکان خود را به حالت تعادل نزدیک سازد، یعنی حالتی که از لحاظ ترمودینامیکی پایدار است. در این موقعیت فازهای میانی نیمة پایدار دیگری، مانند  و  رسوب می کنند. شکل (7-63-ب) تصویر شماتیکی این مرحله را که در آن تمام صفحات غیر کوهرنت است، نشان می دهد.

 

 

شکل (7-64): ریز ساختار Cu4%-Al پیرسختی شده. الف) آلیاژ تا دمای Cْ540 حرارت داده شده و پس از سرد کردن سریع در آب، مدت 16 ساعت در Cْ130 پیرسختی شده. مناطق GP به شکل لایه های موازی با صفحات {100} از شبکة Fcc زمینه شکل گرفته اند. (ب) این آلیاژ در Cْ540 به حالت محلول جامد درآمده و پس از سرد کردن سریع در آب به مدت 1 روز در Cْ130 پیرسختی شده است. ریز ساختار TEM میدانهای کرنش نسبت به مناطق کوهرنت GP2 را نشان می دهد. (ج) این آلیاژ بعد از حل سازی در دمای ْ540 سریع در آب سرد شده و مدت 3 روز در دمای Cْ200 پیرسختی شده است. ریزساختار TEM فاز غیرکوهرنت و ناپایدار  که با جوانه زنی ناهمگن شکل گرفته و رشد یافته است را نشان می دهد.

حداکثر سختی در این سیستم با شکل گیری ذرات رسوب نیمه پایدار است و وقتی فاز نیمه پایدار دوم یا فاز پایدار نهایی شکل می گیرد سختی کاهش می یابد.

وقتی شکل گیری رسوبها آغاز می شود، ابتدا رسوبها در محلهای معینی به صورت ناهمگن در مرز دانه ها، شکل می گیرند و سپس با سرعت ثابتی تمامی حجم دانه را فرا می گیرند، شکل (7-63-د). این نوع رسوبها خواص مکانیکی آلیاژ را بهبود می بخشند. در عملیات پیرسازی یک آلیاژ رسوبها می تواند به صورت ناهمگن و یا همگن به طور همزمان نسبت به شرایط انجام گرفته یکی پس از دیگری در کنار هم ظاهر شوند، شکل (7-65).

 

 

شکل (7-65): ریز ساختار a+ در آلیاژ Cu4%-Al با میکروسکوپ الکترونی

مثال (7-8)

اپراتور کوره ای در ساعت صرف نهار بدون اینکه آلیاژ Cu4%-Al را از داخل کوره پیرسازی خارج سازد، محل کار را ترک می کند. اثر طولانیتر شدن زمانی پیرسازی را برای دماهای پیرسازی ْ190 و Cْ269 بر روی استحکام تسلیم به دست آورید.

حل: چنانچه شکل (7-62) نشان می دهد در Cْ190، حداکثر استحکام تسلیم MN.m^-2400 بعد از گذشت 2 ساعت پدیدار می شود و بعد از 3 ساعت استحکام تسلیم به مقدار اولیه خود می رسد. در Cْ260 حداکثر استحکام تسلیم MN.m^-2340 بعد از گذشت 06/0 ساعت است. در هر صورت بعد از 06/1 ساعت استحکام تسلیم MN.m^-2250 کاهش می یابد. بنابراین هر چقدر دمای پیرسازی بالاتر باشد، حداکثر استحکام تسلیم پایینتری به دست می آید و استحکام را در مقابل زمان پیرسازی حساستر می کند.

7-14-1 مواد کاربرد پیرسختی یا سختی رسوبی

پیرسازی یا سخت کردن رسوبی مهمترین روش برای افزایش استحکام فلزات غیرآهنی بوده و دارای اهمیت زیادی در صنعت است و بخصوص برای آلیاژهای آلومینم مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا می توان عملیات از قبیل شکل دادن را در جایی که جسم در فاصلة بین عمل تبرید و عمل رسوب به سر می برد و هنوز نرم است انجام داد. برای مثال می توان از پرچهای تولید شده از آلیاژهای آلومینیم (شامل عناصر Ni , Si , Zn , Mg , Cu و... ) که در هواپیماسازی به کار می روند، نام برد. این میخ پرچها را پس از تبرید برای جلوگیری از انجام عملیات رسوب (تا موقع کاربرد) در درجة حرارت پایین (مثلاً در یخچال) نگهداری می کنند. در نتیجه، هنگام پرچ کردن نرم بوده و به راحتی شکل داده می شوند و سپس می توانند به استحکام موردنظر برسند.

7-15 سخت کردن از طریق تبدیل نظم ساختاری

به غیر از فعل و انفعالات بیان شده در مبحث سختی رسوبی که در نتیجة نگهداری تعدادی از آلیاژها برای مدتی در درجة حرارت معمولی یا در درجة حرارتهای بالا انجام گرفته و سبب افزایش استحکام و سختی می شود، فرآیندهای دیگری هم وجود دارد که در بعضی از آلیاژها انجام می گیرد وباعث افزایش سختی و استحکام می شود. این نوع آلیاژها، آلیاژهایی هستند که در آنها امکان تبدیل نظم ساختاری، از یک فاز نامنظم به یک فاز منظم، وجود دارد. عملیاتی که بدین منظور انجام می شود مشابه عملیاتی است که در سختی رسوبی انجام می گیرد یعنی:

1- حرارت دادن به منظور انحلال در محدودة محلول جامد کریستالی نامنظم

2- سرد کردن سریع

3- حرارت دادن در محدودة محلول جامد منظم، شکل (7-66)

 

 

شکل (7-66): نمودار سخت کردن از طریق ایجاد نظم ساختاری، AB A₃B فازهای منظم است.

در حین نگهداری در محلول کریستالی نامنظم ناپایدار جوانه هایی از یک فاز منظم تشکیل می شود که باعث ایجاد تنشهایی در شبکة فاز زمینه در محدودة اطراف خود می شود. این جوانه ها تا از بین رفتن فاز نامنظم به رشد خود ادامه می دهند. همراه با رشد این فازها سختی تا موقع رسیدن به حد ماکزیممی افزایش می یابد. در صورتی که عملیات ادامه یابد مشابه با فعل و انفعالاتی که در سختی رسوبی انجام می گرفت سختی مجدداً رو به کاهش می رود. همچنین در مقاومت الکتریکی آلیاژ، با تغییر نظم ساختاری تغییراتی پدید می آید. بدین معنی که مقاومت الکتریکی همراه با برقراری نظم، شدیداً کاهش می یابد. برای مثال در سیستم طلا-مس مقاومت الکتریکی فازهای منظم شده تقریباً برابر مس خالص است. شکل (7-67) تغییرات سختی و مقاومت الکتریکی را در حین تبدیل فاز نامنظم به منظم در سیستم آلیاژ کبالت-پلاتین نشان می دهد. آلیاژهای فلزات غیرفعال از نظر تمایل به ایجاد ترکیب شیمیایی (نجیب)، که با تبدیل نظم ساختاری سخت می شود، (برای مثال کالاهای زینتی، مواد مورد استفاده در دندانپزشکی و اتصالات الکتریکی)، به کار خواهد رفت. برای مثال، استحکام در طلای 18 عیار به کمک سخت کردن ساده با تبدیل نظم ساختاری با تشکیل منظم AuCu افزایش می یابد. عملیات تبدیل نظم و همچنین عملیات تشکیل رسوب اهمیت بسزایی در سخت کردن آلیاژهای مقاوم در مقابل حرارت دارند (مانند آلیاژهای پرکبالت 816-S).

 

 

شکل (7-67): تغییرات سختی و مقاومت الکتریکی در حین برقراری نظم در آلیاژ کبالت-پلاتین، دمای حرارت دادن Cْ700.

7-166 پیری ناشی از کرنش

پیری بعد از تغییر شکل پدیده ای است که معمولاً در فولادهای کم کربن و موادی که دارای نقطة تسلیم بالایی و پایینی هستند پس از گذشت مدتی از عملیات تغییر شکل سرد ظاهر می شود. این پدیده را می توان در نمونه های فولادی کم کربن، که تحت تنشی بیش از حد تسلیم قرار گرفته (قسمت I) از شکل (7-68) و تحت شرایطی تا نقطه X تغییر شکل یافته اند، مشاهده کرد. اینجا در این نقطه (که البته باید قبل از رسیدن به تنش حداکثر باشد) نیرو را حذف و بدون هیچ تأخیر قابل ملاحظه ای مجدداً نمونه تحت تنش قرار می گیرد (قسمت II). در این حالت ادامة تغییر شکل پلاستیکی در امتداد قسمت I از منحنی بوده و نقطة تسلیم بالایی و پایینی ظاهر می شود. اکنون دوباره پس از مقدار کمی تغییر شکل، نیرو حذف و نمونه برای مدت طولانی (مثلاً چند روزی) در درجة حرارت محیط یا برای مدت کوتاهی در درجة حرارت بالاتری قرار می گیرد، به طوری که فعل و انفعال نفوذ بتواند به راحتی انجام پذیرد. سپس با وارد آوردن مجدد نیرو به نمونه، ملاحظه می شود که مجدداً نقطه تسلیم بالایی و پایینی ظاهر می شود. ظاهر شدن مجدد این پدیده به دلیل نفوذ قابل ملاحظة اتمهای کربن و ازت (بخصوص در درجة حرارتهای بالا پس از یک مدت زمان طولانی انبار شدن در دمای محیط) به محل نابجاییها و قفل کردن آنها در جای خود و نتیجتاً افزایش نامناسب حد تسلیم خواهد بود. این پدیدة ظاهر گشتن نقطة تسلیم بالایی و پایینی پس از تغییر شکل را پیری کرنش نامیده اند.

 

 

شکل (7-68): نمودار تنش-تغییر طول نسبی برای یک فولاد کم کربن با پدیدار شدن پیرسختی، قسمت I: حالت کشش اولیه، قسمت II، پس از حذف نیرو مجدداً سریع نیرو وارده شده و قسمت III: پس از حذف نیرو برای مدت زمان طولانی انبار شده و سپس مجدداً تحت تنش قرار گرفته است.

معمولاً برای کاهش این پدیدة نامطلوب می توان از عناصری استفاده کرد که با اتمهی کربن و ازت محلول (به صورت بین نشینی) تشکیل کاربیدها با نیترایدهای پایدار را داده و آنها را از محلول خارج سازند. بدین ترتیب برای کاهش مقدار کربن و ازت محلول می توان از عناصری مانند B , Nb , Ti , V, Al استفاده کرد. اما در عمل بدین دلیل که پدیدة پیری کرنشی بعد از عملیات تغییر شکل سرد به علت وجود کربن و ازت حتی به مقدار بسیار جزئی در فولادهای کم کربن پدیدار می شود، باید ورقهای فولادی بعد از عملیات نورد نهایی (نورد سطحی یا پوسته ای) بلافاصله تحت عملیات بعدی تغییر شکل، از قبیل پرسکاری و کشش عمیق قرار گیرد. اما در صورت نگهداری در انبار، قبل از شروع به عملیات نهایی بعدی ورق باید، تحت تغییر شکل پلاستیکی بسیار جزئی (در حدود 1 تا 2%) یعنی تا حدود نقطة X قرار داده شود و سپس در اسرع وقت، یعنی قبل از انجام فعل و انفعال نفوذ، تحت عملیات تغییر شکل نهایی قرار گیرد.

در بعضی مواقع پیری کرنشی به صورت دندانه هایی در منحنی تنش-کرنش برای تعدادی از مواد ظاهر می شود، شکل (7-69). این پدیده نشانة تسلیم شدنهای متوالی یعنی در واقع ظاهر گشتن همان پدیدة پیری در نمونه، با سرعت بالاتر در حین آزمایش است. این پدیده "رفتار دینامیکی پیری کرنشی" یا "اثر پرتوین-لوشاتلیه" نامیده می شود. اگر سرعت تغییر شکل به اندازه ای کم و سرعت نفوذ اتمهای بین نشینی به اندازه زیاد باشد که ابرکاترل بتواند همچنان با نابجایی متحرک حرکت کند، دیگر حد تسلیم بالایی و پایینی ظاهر نمی شود. این سرعت یا آهنگ کرنش بحرانی  لازم برای جداساختن نابجاییها از ابرکاترل طبق رابطة زیر به دست می آید (به پدیده نقطة تسلیم در فصل پنجم مراجعه شود):

(7-13)         

در این رابطه  آهنگ کرنش بحرانی، =b بردار برگرز، چگالی نابجاییها، V_c= سرعت بحرانی حرکت نابجاییها، =D ضریب نفوذ عناصر محلول، r شعاع ابرکاترل و چون  است، لذا آهنگ کرنش بحرانی () تقریباً برابر  خواهد شد. در صورتی که نابجایی با سرعت بیشتری حرکت کند در این صورت از ابرکاترل جدا شده و کاهش حد تسلیم صورت می گیرد. اما از آنجایی که تحرک اتمهای محلول، در درجة حرارتی که حد تسلیم ناپیوسته در آن انجام می گیرد، زیاد است. لذا اتمهای جدیدی به سمت نابجاییها حرکت کرده و سدی را برای آنها به وجود می آورند. این فعل و انفعالات به دفعات متعددی تکرار می شود و سبب دندانه دار شدن منحنی تنش-کرنش می شود.

برای فولاد کم کربن حد تسلیم ناپیوسته در محدودة درجة حرارتهای حدود 230 تا Cْ370 ظاهر می شود. این محدودة دمایی به عنوان محدودة شکست آبی معروف شده است، زیرا فولادی که در این محدودة دمایی حرارت داده می شود کاهشی در انعطاف پذیری کششی و همچنین مقاومت در برابر ضربه از خود نشان می دهد. در این محدودة حرارتی فولاد حداقل حساسیت را در برابر آهنگ کرنش و حداکثر سرعت پیری کرنشی را از خود ظاهر می سازد. بنابراین تردی آبی پدیده ای جدا از پدیدة پیری کرنشی نیست و تنها در عمل پیری تسریع شده است. این پدیده در بعضی از آلیاژهای آلومینیم در حین آزمایش کشش در درجة حرارت معمولی محیط ظاهر می شود.

 

 

شکل (7-69): پدیدة رفتار دینامیکی پیر شدن کرنشی یا اثر پرتوین-لوشاتلیه در آهن.

7-17 سخت کردن سطحی

یکی از عملیات حرارتی که در صنعت اهمیت خاصی دارد، سخت کردن سطحی است. عملیات سخت کردن سطحی به منظور بالا بردن سختی لایة خارجی قطعه و مقاومت آن در مقاب سایش و در نتیجه بالا بردن طول عمر آن انجام می گیرد. با این عملیات، سطح قطعة موردنظر سخت می شود، در حالی که قسمت های داخلی آن با سفتی یا چقرمگی (تافنس) نسبتاً خوب باقی خواهد ماند، به طوری که می تواند مقاومت خوبی در مقابل تنشهای پیچشی و ضربه ای داشته باشد.

به طور کلی روشهای مورد استفاده برای سخت کردن سطحی را می توان به دو گروه تقسیم بندی کرد:

1- روش هایی که با تغییر ترکیب شیمیایی لایة خارجی همراه بود و به نام عملیات نفوذ دادن حرارتی- شیمیایی یا به عبارت کوتاهتر عملیات حرارتی-شیمیایی معروف است. در این روش عملیات حرارتی شیمیایی منجر به نفوذ دادن اتمهای خارجی به داخل لایة خارجی قطعه می شود. برای فولادها این عناصر نفوذی عمدتاً عناصر کربن (در کربن دهی)، ازت (در ازت دهی)، کربن و ازت (در کربونیتریده کردن و نیتروکربونیزه کردن) است. شعاع اتمی این عناصر بسیار کوچکتر از آهن بوده و بدین ترتیب می تواند در فضاهای خالی مناسب بین شبکة کریستالی آهن (ترجیحاً در فضاهای خالی بین هشت وجهی) قرار گرفته، به طوری که یک محلول جامد کریستالی از آهن به وجود آید.

2- روش هایی که با تغییر ترکیب شیمیایی همراه نیست. از جملة این روشها سخت کردن شعله ای و سخت کردن القایی است. در این دو روش فولاد باید قابلیت سختی پذیری داشته باشد، بدین ترتیب مقدار کربن فولاد باید حدود 3/0 تا 6/0% باشد.

7-17-1: کربن دهی (کربونیزه کردن):

این روش یکی از قدیمی ترین و ارزان ترین عملیات حرارتی است. در قدیم بدین ترتیب انجام می گرفت که کربن به وسیلة گازهای کربن دار حاصل از ذغال چوب در کوره های قدیمی به داخل قطعات آهنی نفوذ داده می شد و سپس با سرد کردن سریع، سطح آنها را سخت می کردند. امروزه برای کربونیزه کردن قطعات فولادی کم کربن، آنها را در یک محیط کربن دار (اعم از جامد، مایع، گاز) در درجة حرارتهای بالاتر از دمای آستنیتی (Ac₃ مربوط به آلیاژ) قرار داده و برای مدت زمان معینی حرارت داده و سپس آن را با سرعت معینی سریع سرد می کنند.

7-17-1-1 کربن دهی جامد

در کربن دهی جامد قطعة فولادی کم کربن (معمولاً حدود 2/0% کربن یا پایینتر) را درون یک جعبة فولادی مقاوم در مقابل گرما قرار داده و اطراف قطعه را با یک ترکیب کربن زا مانند ترکیباتی از ذغال چوب (3%-1) و مواد انرژی زای دیگر نظیر کربنات باریم (18%-10)، کربنات کلسم (3%-1) و کربنات سدیم (تا1%) کاملاً پر می کنند. سپس درب جعبه را بسته و لبه های جعبه را با خاک نسوز یا موادی از این قبیل برای جلوگیری نفوذ هوا به درون آن و یا همچنین خارج شدن گاز ایجاد شده از داخل به خارج کاملاً مسدود می کنند. سپس جعبه را در کوره قرار داده و در درجة حرارتی حدود Cْ950-800 برای مدت معینی (این مدت بستگی به درجة حرارت و عمق نفوذ یا ضخامت لایة سخت شدة موردنظر دارد) حرارت می دهند. در این عملیات مادة کربن زا ابتدا گاز مونواکسید کربن (Co) تولید می کند که در درجة حرارت عملیات، ناپایدار بوده و هنگام تماس با سطح فولاد طبق واکنش  تجزیه می شود و کربن آزاد شده (به صورت اتمی) در سطح فولاد نفوذ می کند. به دنبال فعل و انفعالات نفوذ، کربن داخل لایة خارجی قطعه (که در درجة حرارت بالا آستنیتی شده است) شده و حل می شود. مقدار کربن حل شده را می توان از نمودار آهن-سمنتیت در امتداد خط A_cm تعیین کرد. بدین ترتیب در حالی که داخل قطعة فولاد کم کربن است مقدار کربن در لایة خارجی قطعه افزایش می یابد. سرعت نفوذ کربن در آستنیت به ضریب نفوذ و غلظت کربن بستگی داشت.

چنانچه بعد از این عملیات حرارتی تغییرات ایجاد شده در ساختار میکروسکوپی لایة خارجی را مشاهده کنیم شکل (7-70) لایه های متفاوتی از نظر ساختار دانه ای دیده می شود، در سطح خارجی ابتدا منطقه ای از هیپریوتکتویید شامل پرلیت با یک شبکة سمنتیت سفید رنگ دیده می شود، سپس منطقة یوتکتویید دیده می شود که تنها شامل پرلیت است. بالاخره منطقة هیپویوتکتویید که شامل پرلیت و فریت با افزایش مقدار فریت در جهت داخل قطعه است.

شکل (7-71) نمودار تغییرات غلظت کربن را نسبت به عمق لایة سخت شده نشان می دهد.

 

 

 

شکل (7-70): فازهای مختلف به دست آمده در لایة خارجی فولادی با C20/0، کربونیزه شده در درجة حرارت Cْ925 به مدت 6 ساعت، سپس در کوره خنک شده است. در محلول 2% نیتال اچ شده (بزرگنمایی * 30)

 

 

 

شکل (7-71): تغییرات غلظت کربن در یک قطعة فولادی کربونیزه شده نسبت به عمل لایة سخت شده

موارد استعمال عمل کربن دهی در سخت کردن لایة خارجی (پوسته ای) چرخ دندانه ها، بادامکها، میل لنگها، کاسه ساچمه ها، زنجیرها وبرخی از ابزار سادة دیگر است. عملیات کربن دهی جامد کند است و علاوه بر آن عملیات تمیزی نبوده و بدین جهت جای خود را تا حدی به روشهای دیگر داده است.

روش کربن دهی جامد در مواردی که عمق لایة سخت شده باید کمتر از mm7/0 و تلرانس حداقل mm2/0 باشد به دلیل وجود اختلاف عمق لایة سخت شده در نقاط متفاوت سطح خارجی و هزینة زیاد بسته بندی استفاده نمی شود. شکل (7-72) مدت زمان لازم برای عمق لایة سخت شدة مورد نظر را در درجة حرارتهای مختلف نشان می دهد. در این روش چنانچه قسمتهایی از سطح قطعه نیاز به سخت شدن نداشته باشد، در این صورت آن مواضع را می توان به وسیلة ورق نازک مسی و یا با مخلوطی از گل رس و مادة نسوز دیگری پوشانید.

7-17-1-7 کربن دهی گازی

در کربن دهی گازی قطعة فولادی مورد نظر را در کوره ای قرار داده و گازهایی از قبیل متان، پروپان، بوتان یا گاز خنثی را به عنوان هیدروکربورهای کربن زا وارد کوره می کنند. زمان کربن دهی به درجة حرارت کوره و عمق کربن دهی موردنظر بستگی دارد. این روش سریعتر از روش قبل انجام می گیرد و کنترل آن بسیار ساده تر و سطح به دست آمده تمیزتر است. این روش بیشتر در تولید انبوه (سری سازی) استفاده می شود. عموماً کربن موجود در سطح قطعه بر حسب زمان کربن دهی بین 7/0 تا 2/1 درصد تغییر می کند. باید توجه داشت که چنانچه سطح نتواند تمامی کربن را جذب کند این کربن به صورت دوده در سطح قطعه نمایان می شود. لذا در این صورت باید سرعت ورود گاز و ترکیب شیمیایی آن به طور دقیق کنترل شود. عمق لایة پرکربن را می توان بین چند صدم میلیمتر تا چندین میلیمتر تغییر داد. یکی از معایب این روش کربن دهی تاب برداری یا به عبارتی کج و معوج شدن قطعه به سبب نگهداشتن آن برای مدت طولانی در درجة حرارتهای نسبتاً بالا است. این مشکل را می توان در مواردی با نگهداشتن قطعه به صورت آویزان در کوره تا حدود زیادی کاهش داد.

7-17-1-3 کربن دهی مایع

در این روش عملیات کربن دهی با غوطه ور ساختن قطعة فولادی کم کربن در وان حاوی نمک مذاب انجام می گیرد. ترکیب شیمیایی این مذاب شامل کربنات سدیم (80%-75)، نمک طعام (15%-10)، و سیلیسم کاربید (10%-6) است. درجة حرارت وان نمک حدود Cْ850 و مدت زمان حرارت دادن حدود 30 دقیقه تا 4 ساعت است. کربن دهی طبق واکنش زیر انجام می گیرد:

2Na₂CO₃+SiCàNa₂SiO₃+Na₂O+2CO+C

مزایای اصلی کربن دهی مایع یکی گرم شدن یکنواخت قطعه و دیگری افت قابل توجه وزن قطعة غوطه ور شده در محیطی با وزن مخصوص زیاد (نمک) است که سبب کاهش تاب برداری قطعه (یعنی برطرف شدن عیب روش قبلی) می شود. این روش برای سخت کردن سطحی قطعات با ابعاد کوچک و متوسط به کار می رود.

در این روش قطعه پس از کربونیزه شدن خواص مورد نظر را ابتدا پس از سخت کردن و در مواردی علاوه بر آن با فرآیند بازپخت کسب خواهد کرد. فرآیند سخت کردن یا مستقیماً بلافاصله بعد از خاتمة عملیات کربونیزه کردن و یا پس از انجام عملیاتی ماننده براده برداری و صاف و تسطیح کرن قطعة کربونیزه شده انجام می گیرد. عموماً در سخت کردن سطحی به روش کربن دهی موقعی می توان به مناسبترین نتایج ممکن رسید که لایة خارجی شامل مارتنزیت ریز با ناخالصیهایی از قبیل ذرات ریز سمنتیت باشد. در این روش به دو دلیل ترجیح داده می شود که از تشکیل منطقة هایپریوتکتوییدی جلوگیری به عمل آید. دلیل اول آن ایجاد شبکة سمنتیت سخت در مرز دانه ها است، بخصوص اگر فولاد در درجة حرارتی پایینتر از A_cm حرارت داده شود، زیرا در نتیجة این چنین سخت کردن مقداری از سمنتیت در مرز دانه ها رسوب می کند که می تواند دلیلی برای شکست باشد. دلیل دوم اینکه در این منطقه مقدار آستنیت باقی مانده افزایش می یابد که موجب بروز اشکالاتی در لایة سخت شده می شود، بدین صورت که در اثر مقاومت پایین آن حفره یا فرورفتگیهای ریزی به وجود می آید که سبب پایین آمدن مقاومت ساییدگی لایة خارجی می شود.

برای سخت کردن سطحی به دلیل بالا بودن مقدار کربن لایة خارجی (حدود 6/0 تا 7/0%)، لازم است قطعه را پس از حرارت دادن در درجة حرارت حدود 780 تا Cْ860 سرد کرد. سرعت سرد کردن به ساختار میکروسکوپی مطلوب بستگی خواهد داشت. البته عوامل دیگری از قبیل شکل، ابعاد قطعه و اثر متفاوت وسیلة خنک کننده (روغن، آب، هوا) هم باید مورد توجه قرار گیرند.

تصمیم گیری برای انتخاب نوع روش سخت کردن عمدتاً به جنس قطعه، درجة حرارت کربن دهی، خواص مطلوب برای کاربرد مورد نظر، تکنولوژی تولید و هزینه های تولید بستگی خواهد داشت. در سخت کردن مستقیم به دلیل اینکه درجة حرارت کربن دهی بالاتر از درجة حرارت لازم برای سخت کردن است، می توان در پایان عملیات کربن دهی بلافاصله یا پس از مقداری کاهش حرارت قطعه را تا دمای لازم (حدود A_C1 یا A_C3) بر حسب سختی مورد نظر سریع سرد کرد.

این روش از لحاظ اقتصادی (هزینة پایینتر انرژی) مزیت ویژه ای خواهد داشت و بعد ا عملیات کربونیزه کردن مایع و گازی و همچنین کربونیتریده کردن به کار می رود. باید توجه کرد که در عملیات سرد کردن سریع از درجة حرارت کربونیزه کردن، موقعی که تنها فاز آستنیت وجود دارد، چنانچه سرعت سرد کردن بیش از سرعت بحرانی باشد هم لایة خارجی و هم قسمت داخلی قطعه سخت می شود. از طرفی سخت کردن مستقیم و سریع فولاد دانة درشت اغلب باعث شکست قطعه می شود. بنابراین عملیات سخت کردن مستقیم در کربونیزه کردن فقط برای فولادهای دانه ریز یا هنگامی که کاهش در خواص مکانیکی مسئله ساز نباشد، استفاده می شود. سخت کردن مستقیم برای فولادهای آلیاژی به ندرت به کار می رود، زیرا مقدار زیادی آستنیت در لایة خارجی سخت شده، باقی می مانند و سبب بروز اشکالاتی در عمل می شود. سخت کردن مستقیم پس از کربن دهی در درجة حرارتهای بالاتر از Cْ950 و مدت زمان طولانی برای فولادهای دانه ریز توصیه نمی شود. لذا در این گونه موارد پس از عملیات کربن دهی قطعات طوری سرد خواهد شد که تبدیل به فاز سخت صورت نگیرد. بدین ترتیب قطعات در صورت لزوم می تواند آسانتر تحت عملیات مکانیکی (برای مثال پرداختکاری یا صاف و تسطیح کردن) قرار گیرد و سپس مجدداً تا دمای آستنیتی مناسبی حرارت داده می شود و بر حسب ساختار میکروسکوپی و سختی مورد نظر در آب یا روغن سریع سرد می شود.

کربونیزه کردن، مقاومت سایشی را در مقابل نیروهای فشاری بالا و نیروهای ضربه ای افزایش می دهد، در صورتی که مقاومت ضربه ای را کاهش خواهد داد. بدین جهت قطعاتی که در عمل تحت تأثیر نیروهای ضربه ای قرار می گیرند، بخصوص قطعات شیاردار، نباید از طریق کربونیزه کردن سختی سطحی شوند. به همین دلیل پیچهایی که از طریق سختی سطحی شده است رفتاری بحرانی خواهند داشت.

از طرفی قابل توجه است که افزایش حجم بعد از عمل سخت کردن در صورت تشکیل فاز مارتنزیت، تغییرات درجة حرارت بین لایة خارجی و قسمت داخلی قطعه در موقع گرم و سرد کردن تبدیل های متفاوت فولاد، در نتیجة تغییرات قابل ملاحظة مقدار درصد کربن در هر قسمت از مقاطع همگن سبب خواهند شد که از لحاظ زمانی و مکانی تغییرات حجمی متفاوتی در قطعه انجام گیرد. در نتیجة این تغییرات تنشهایی در قطعه ایجاد می شود. زمانی که این تنشها از حد تسلیم فراتر رود تغییر شکل پلاستیکی انجام می گیرد. این تغییر شکل پلاستیکی سبب تغییراتی در ابعاد می شود که به صورت تاب برداری نمایان می شود. همچنین تنشهایی که در داخل قطعه از موقع تولید یا ماشین کاری در آن برجای مانده است تأثیر نامناسبی بر روی قطعه خواهد داشت، زیرا این تنشها می تواند با دیگر تنشهای به وجود آمده در عملیات سخت کردن افزوده شود. در عمل سعی می شود به کمک گرم و سرد کردن مرحله ای، با کاهش درجة حرارت عملیات از طریق کربونیتریده کردن (کربونیتروژن دهی) یا نیتروکربونیزه کردن، کاهش دادن عمق لایة سخت شده تا حد امکان از ایجاد تنش و تاب خوردگی کاسته شود.

7-17-2 ازت دهی (نیتروژن دهی)

ازت دهی یا نیتروژن دهی عبارت اند از وارد کردن ازت یا نیتروژن اتمی در لایة بسیار نازکی از سطح فولاد. ازت دهی نوعی از عملیات حرارتی است که برای بالا بردن سختی سطحی فولادهای آلیاژی به کار می رود. در ازت دهی سطح خارجی فولاد توسط ازت اشباع می شود.

سخت شدن در ازت دهی به تشکیل نیترایدها در فولاد توسط واکنش ازت با عناصر آلیاژی موجود در فولاد بستگی دارد. بنابراین در یک درجة حرارت و محیط مناسب تمام فولادهایی که دارای عناصری از قبیل آلومینیم، کُرُم، مولیبدن، تیتانیم و وانادیم باشند با ازت تشکیل ترکیبات نیترایدی از نوع VN , TiN , Mo₂N , Cr2N , AIN می دهند. برای تشکیل این ترکیبات، ازت باید به صورت اتم آزاد و نه به صورت مولکولی باشد. این فرآیند پس از مدت زمان طولانی نگهداشتن قطعه در دمای 480 تا Cْ550 در محیطی که دارای گاز آمونیاک باشد صورت می گیرد. بخار آمونیاک طبق واکنش زیر در اثر حرارت دادن به گازهای ازت و هیدروژن تجزیه می شود:

2NH₃à2N+3H₂

ترکیبات نیترایدی بسیار سخت هستند زمان لازم برای ازت دهی طولانی است و به عمق نفوذ ازت یا به عبارتی عمق لایة سخت شده بستگی دارد. در شکل (7-73) یک سیکل 60 ساعتی لایة سخت شده ای به عمق حدود 6/0 میلیمتر را در درجة حرارت Cْ525 نشان می دهد.

سختی سطحی فولادهای آلیاژی آلومینیم دار که به روش ازت دهی سخت شده اند حدود 70 راکول C است. متأسفانه آلومینیم برای استحکام داخل قطعه نامناسب خواهد بود و به همین جهت در مواردی که استحکام و مقاومت به ضربة بالا برای قسمت داخلی قطعه مورد نظر است و سختی کمتری لازم است، از فولاد با کربن متوسط که دارای کُرُم، وانادیوم و مولیبدن هم باشد استفاده می شود. بنابراین نیتروژن دهی بیشتر برای فولادهای ابزار و برای کاربردهای مشخصی به کار می رود. لایة نیترایدی معمولاً خود از دو قسمت متفاوت تشکیل شده است. یک قسمت کاملاً خارجی که در آن آهن و آلیاژهای آن به نیتراید تبدیل شده اند و ضخامت آن تغییر می کند و حداقل به حدود 05/0 میلیمتر می رسد و به عنوان لایة سفید شناخته شده است. قسمت زیری، یعنی قسمت چسبیده به این لایه، فقط از نیتراید عناصر آلیاژی تشکیل شده است. لایة سفید ترد و شکننده است که اگر ضخامتی بیش از mm0125/0 داشته باشد تمایل به شکست و تخریب از سطح داخلی دارد. یک لایة سفید بسیار نازک، معمولاً بین 005/0 تا mm05/0 عمق خرد نمی شود و فرورفتگی هایی در سطح ایجاد نمی کند و در مقابل سایش، مقاومت خوبی دارد.

در روش ازت دهی چون درجة حرارت لازم پایین است، خطر تاب برداری قطعه بسیار ناچیز است ولی در حین عمل ازت دهی به ابعاد قطعه به میزان مختصری اضافه می شود که می باید قبلاً این تغییر در ابعاد در نظر گرفته شود. معایب این روش به غیر از طولانی بودن عملیات، قیمت بالای آمونیاک و کنترل فنی آن است. معمولاً مقاومت فولادهای زنگ نزن نیتروژن داده شده در اثر ایجاد نیتراید کُرُم در مقابل خوردگی کاهش می یابد. تردی لایة خارجی، کاربردی از فولادهای آلیاژی را، چنانچه حداکثر سختی مورد نظر باشد، محدود می سازد.

 

 

 

شکل (7-73): عمق لایة نیترایدی شده نسبت به گذشت زمان در درجة حرارت Cْ525.

این روش بیشتر برای سخت کردن قطعات، مانند قطعات موتور هواپیما از قبیل پیستونهای موتور، چرخ دنده ها، دسته های پیستون، ابزار اندازه گیری، قطعات ماشین آلات نساجی، دیفرانسیل و شافتها، میل لنگها برای بالا بردن حد تحمل و افزایش مقاومت در مقابل فرسایش و کاهش حساسیت در مقابل ضربه به کار می رود. برای مثال حد تحمل میل لنگهای مولیبدن-نیکل-کُرُم دار پس از نیتروژن دهی حدود 25 تا 56% افزایش می یابد.

7-17-3 نیتروکربونیزه کردن

نیتروکربونیزه کردن یکی دیگر از روشهای سخت کردن سطحی با استفاده از عملیات حرارتی-شیمیایی است که در آن اتمهای ازت و کربن همزمان به داخل لایة خارجی قطعة فولادی نفوذ داده می شوند. این فرآیند به دلیل این که از عنصر پیش از کربن استفاده می شود، به "نیتروکربونیزه کردن" موسوم است. و در حالتی که عنصر کربن بیش از ازت نفوذ داده شود فرآیند کربونیتروژن دهی نامیده می شود. عملیات نیتروکربونیزه کردن می تواند در محیط جامد، مایع، گاز و همچنین در محیط پلاسما انجام گیرد.

7-17-3-1 نیتروکربونیزه کردن جامده (به صورت پودر)

در نیتروکربونیزه کردن جامد، قطعات در جعبه های حاوی پودری، که عمدتاً شامل سیانیدیک فلز قلیایی (مانند کلسیم سیان آمید) همراه با مقداری از یک مادة فعال کننده است، قرار می گیرد. سپس این جعبه ها در کوره های حرارتی در دمایی بین 500 تا Cْ600 برای مدت زمان معینی حرارت داده می شود. ابتدا مخلوطی از آمونیاک و دی اکسید کربن و نهایتاً اتمهای ازت و کربن آزاد می شوند که می توانند در لایة خارجی قطعات نفوذ کرده و ترکیبات نیترایدی و کاربیدی را ایجاد کنند. باید متوجه بود که مقدار پودر بیش از حد لزوم نباشد. ضخامت پوشش پودر بر روی تمامی سطح خارجی قطعه کافی است در حدود 10 میلیمتر باشد. درجة حرارت عملیات ترجیحاً Cْ570 است. مدت زمان عملیات عموماً بین 4 تا 5 ساعت به طول می انجامد.

7-17-3-2 نیتروکربونیزه کردن مایع (مذاب نمک سیانور)

در تمام فرآیند نیتروکربونیزه کردن مایع از مذاب نمکهای سیانیدی (تا حدود 50%) استفاده می شود. ابتدا عملیات در مذابی که حاوی 50 تا 52% سیانید و 40 تا 45% سیانات فلزات قلیایی بود انجام می گرفت و به دلیل اینکه اثر نیتروژن دهی مذاب پس از چندین بار استفاده کاهش می یافت هرچند یکبار نمک تازه بدان اضافه می شد. امروزه عملیات نیتروکربونیزه کردن با به کار بردن مذابهایی با سیانید کم (در نتیجه با ایمنی بیشتر) و با استفاده از موادی به عنوان بازسازی (تقویت) کنندة اثر نیتروژن دهی آن انجام می گیرد. اثر این مذابهای نیتروژن ده شدیدتر است، به طوری که تحت شرایط یکسان مدت عملیات می تواند حدود 30 تا 50% کاهش یابد، شکل (7-74). همچنین درجة حرارت عملیات می توند به جای Cْ570 در محدودة بین 580 تا Cْ610 نگهداشته شود. بدین ترتیب مدت زمان عملیات باز هم می تواند کاهش یابد (معمولاً بین چندین دقیقه تا 4 ساعت و به ندرت طولانی تر).

تکنولوژی روش جدید بدین طریق است که قطعات داخل بوته های تیتانیمی یا پوشش داده شده با تیتانیم حاوی نمک مذاب قرار می گیرند. سپس هوا به داخل مذاب هدایت می شود. بدین ترتیب در اثر اکسیداسیون می تواند همواره مقداری سیانات (به اندازه کافی) در ظرف نگهداشته شود.

 

 

 

 

شکل (7-74): تأثیر متفاوت نمکهای مذاب سیانیددار از لحاظ مقدار سیانید بر روی لایة سخت شده برای عملیات نیتروکربونیزه کردن در دمای Cْ570.

برای به دست آوردن لایة نیترایدی با کیفیت خوب لازم است غلظت نمک همواره کنترل شده و در صورت لزوم نمک تازه بدان اضافه شود. (در صورت امکان به صورت پیوسته). علاوه بر آن باید گاه و بی گاه مقدار ناخالصی های موجود در نمک، از قبیل آهن حل شده یا گوگرد، کنترل شود. مقدار آهن حل شده باید پایین باشد (کمتر از 2/0% Na₄[Fe(CN)₆]). مقدار بیشتری که در اثر براده های چسبیه به قطعات، ذرات ریزی که از قطعات و تجهیزات چدنی به وجود می آید، سبب ایجاد لایه های متخلخلی می شود که در مواردی به راحتی از قسمت داخلی جدا می شود. از این جهت مقاومت سایشی آن نامناسب خواهد بود، شکل (7-75).

7-17-3-3 نیتروکربونیزه کردن گازی

در این روش از گازهای آمونیاک و گازهای اشباع شده از CO₂ , CO به عنوان مواد ازت و کربن زا استفاده می شود. در حین عملیات نیتروکربونیزه کردن باید همواره نسبت فشار جزئی گازهای H₂ , CO₂ , CO کنترل و تنظیم شود. عملیات معمولاً در فاصلة دمایی بین 570 تا Cْ580 انجام می گیرد. مدت زمان لازم برای عملیات نیتروکربونیزه کردن گازی همانند نیتروکربونیزه کردن مایع است.

 

 

 

 

 

(شکل 7-75): تصویر میکروسکوپی لایة مرکب با تخلخل زیاد در فولاد C₁₀₀ عملیات حرارتی شده و سپس مدت 2 ساعت در دمای Cْ570 نیتروکربونیزه شده و با محلول 1% نیتال اچ شد است.

7-17-3-4 نیتروژن دهی و نیتروکربونیزه کردن پلاسما

این روش مدتی است که توسعه یافته (حدود 30 سال) و امروز در بسیاری از شرکت های صنعتی به کار برده می شود. این روش از طریق تخلیه الکتریکی انجام می گیرد. بر این اساس قطعات مورد نظر را در یک ظرف تخلیه شده از هوا که به آند متصل شده قرار داده و به کاتد متصل می کنند. پس از تخلیة کامل فضای واکنش، آن را با فشاری بین 5/0 تا 10 میلی بار با ازت پر می کنند. سپس با قرار دادن پتانسیلی (ولتاژی) در حدود چندصد ولت گاز ازت یونیزه می شود. یونها با شتاب به طرف سطح قطعه حرکت کرده و در آنجا عمدتاً سبب خارج شدن اتمهای آهن از قطعه می شوند. بدین ترتیب سطح خارجی قطعه تمیز و فعال شده و در اثر انرژی ضربه ای، لایة خارجی آن سریع گرم می شود.

اتمهای خارج شده با اتمهای ازت فعال شده، ترکیبات نیتراید آهن را تشکیل می دهند، که بر روی سطح قطعه متراکم شده و متلاشی می شود، به طوری که ازت وارد لایة خارجی قطعه می شود. بدین طریق به مرور زمان ازت نیتراید آهن کاهش می یابد، تا آنجایی که اتمهای آهن مجدداً خارج می شود. این مکانیزم در شکل (7-76) به صورت شماتیکی نشان داده شده است.

با کنترل فشار ظرف، شدت جریان (1 تا 250 آمپر)، ولتاژ (300 تا 1500 ولت) و ترکیب گاز، درجة حرارت و مدت زمان عملیات ازت دهی تنظیم می شود. درجة حرارت می تواند بین 350 تا Cْ630 نگهداشته شود و معمولاً بین 450 تا Cْ600 قرار دارد. مدت زمان عملیات می تواند 10 دقیقه تا 48 ساعت و در مواردی تا 60 ساعت یا حتی بیشتر به طول انجامد. نیتروکربونیزه کردن می تواند با اضافه کردن گازهای غیرفعال کربن زا انجام گیرد. مقدار ازت می تواند در حین عملیات تغییر کند. بدین وسیله می توان لایه های سخت شده با مقدار درصد مختلفی از ازت و مقدار درصد متفاوتی از فازهای  (این دو فاز در نمودار تعادلی آهن-ازت، شکل (7-77) دیده می شود) را ایجاد کرد. در این روش سرعت سرد کردن می تواند در محدوده های معینی تغییر داده شود (از سرد کردن بسیار کند تا سریع در مایع).

 

 

 

شکل (7-76): واکنش سطحی در نیتروژن دهی در حالت پلاسما

تأثیر نیتروژن دهی و نیتروکربونیزه کردن در قطعاتی که تحت تأثیر تنشهای متناوبی و تنشهای متوسط بالاتر قرار گرفته است کمتر از قطعاتی است که تحت تأثیر تنشهای متناوب خالص قرار می گیرند.

7-14-4 سخت کردن شعله ای

در این روش با استفاده از شعلة سطح خارجی، قطعة فولادی مورد نظر حرارت داده می شود. درجة حرارت به اندازه ای انتخاب می شود که لایة خارجی فولاد به آستنیت تبدیل شود و سپس به گونه ای سریع سرد می شود که فاز آستنیت به مارتنزیت تبدیل شود. بنابراین این روش برای فولادهای سختی پذیر به کار می رود. بدین ترتیب قطعة فولادی باید دارای مقدار مناسبی کربن در حدود 35/0 تا 50/0% باشد. این روش را نیز برای فولادهایی با بیش از این مقدار کربن می توان به کار برد مشروط بر این که در فرآیند سخت کردن دقت زیادی برای جلوگیری از ترک برداری سطح و شکستن قطعه به عمل آید.

 

 

 

شکل (7-77): نمودار تعادلی آهن-ازت

عمق لایة سخت شده را می توان با شدت شعله، مدت زمان حرارت دادن یا به عبارتی سرعت حرکت قطعه کنترل کرد. حرارت دادن در درجة حرارت بالا یا در مدت زیاد باعث رشد دانه های آستنیت و در نتیجه شکست قطعه بعد از سردکردن می شود. در سخت کردن شعله ای نسبت به شکل و ابعاد قطعه و یا موضعی که باید سطح آن سخت شود از روشها یا به عبارتی شعله دهنده هایی با اشکال مختلف استفاده می شود که نمونه هایی از آن در شکل (7-78) دیده می شود. در تمام روشها باید تجهیزاتی برای سرد کردن سریع قطعه بلافاصله بعد از حرارت دادن ساخته شود بدین طریق که آب به قطعه پاشیده شود یا اینکه قطعه کاملاً در آّ یا روغن غوطه ور شود یا سرد کردن بعضی از فولادها می تواند در هوا انجام پذیرد. قطعاتی که با استفاده از این روش سخت شده اند بعد از سرد کردن معمولاً در درجة حرارتهای حدود Cْ200 تنش زدایی و سپس در هوا سرد می شوند. یک چنین عملیاتی سختی سطح را به اندازة قابل توجهی پایین نمی آورد.

 

 

 

شکل (7-78): نمونه هایی از روش سخت کردن سطحی شعله ای، (الف) قطعة ثابت و شعلة متحرک، (ب) شعله به دور قطعه می چرخد، (ج) هم قطعه و هم شعله هر دو متحرک هستند.

روش شعله ای بیشتر برای سخت کردن سطح قطعات بزرگ، مانند چرخ دنده های بزرگ و ریلها و به طور کلی قطعاتی که حرارت دادن آنها در کوره میسر نیست و همچنین برای سخت کردن موضعی بعضی از قطعات مورد نظر جهت افزایش در مقابل سایش یا بالا بردن مقاومت در مقابل فشار، در قطعاتی مانند پینها، محورها، چرخ دنده ها، ریل جراثقال ها، و از این قبیل به کار می رود.

از مزایای دیگر این روش یکی محدود بودن حرارت بر روی مواضع معین است که از تاب برداری و تغییر شکل می کاهد و دیگری قابلیت کاربرد آن در محل کار است. همچنین قطعات بسیار طویل که قرار دادن آنها در کوره مسئله ساز است می توانند به آسانی و به سرعت با استفاده از این روش سختی سطحی شوند.

از معایب این روش کاهش کربن سطح قطعه یا به عبارتی دیگر دکربونیزه شدن سطح قطعه است که از واکنش مستقیم سطح قطعه با اکسیژن هوای محیط اطراف در هنگام حرارت دادن قطعه نتیجه می شود. البته با انتخاب نوع شعله از نظر میزان اکسیدکنندگی و یا احیاکنندگی می توان تا حدودی این عیب را کاهش داد.

7-17-5 سخت کردن القایی

در روش القایی گرم کردن سطح قطعه با استفاده از سیم پیچهای القا کننده انجام می گیرد. در عمل نسبت به شکل و ابعاد قطعه ای که سطح آن باید سخت شود از انواع مختلف سیم پیچ استفاده می شود، شکل (7-79). وقتی که جریان متناوب با فرکانس بالا از درون القا کننده عبور می کند میدان مغناطیسی با فرکانس بالا در اطراف قطعه، که در داخل سیم پیچ قرار گرفته به وجود می آید. در نتیجه قطعه، به عنوان ثانویه، دستگاه القایی با فرکانس بالا عمل می کند. بدین ترتیب جریان های گردابی و فوکو با فرکانس بالا در قطعه به وجود می آید که در لایة خارجی قطعه جریان می یابند و موجب گرم شدن سریع لایة خارجی قطعه می شوند. چنانچه می دانیم جریانهای القایی با فرکانس بالا بنابر خاصیت اثر پوسته ای در سطح قطعه جریان می یابند. بنابراین بدین طریق می توان تنها لایة خارجی قطعه را حرارت داد بدون اینکه به قسمت داخلی قطعه حرارت داده شود. ولی مقداری حرارت از طریق هدایت به طرف داخل قطعه جریان می یابد و بدین ترتیب زمان حرارت دادن عامل مهمی در کنترل عمق لایة سخت شده است. در هر صورت عمق

 

 

 

 

 

شکل (7-79): نمونة قطعاتی که سطح خارجی آنها به روش القایی سخت می شود.