عملیات سخت کاری

هدف:

با عملیات سخت کاری حرارتی سختی و استحکام سایشی مواد افزایش می‌یابد. البته این امر با کاهش چقرمگی و ازدیاد طول نسبی همراه است.

کاربرد:

ابزارهای براده برداری و بدون برداری باید سخت و مقاوم به سایش باشند. فولادهای سازه‌ای تحت بارهای سایشی باید سخت شوند.

روش های عملیات سخت کاری:

عملیات سخت کاری در سه مرحله انجام می‌گیرد:

گرم کردن تا دمای سختکاری،
نگهداری در دمای سختکاری و
کونچ کردن (تخلیه سریع گرمای قطعه کار)

گرم کردن تا دمای سخت کاری:

جهت جلوگیری از تنش‌ها و اختلاف دمای زیاد، قطعه کار ابتدا به آرامی و به طور یکنواخت تا دمای 600-700 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود. سپس تا دمای سختکاری که برای هر فولادی مقداری مشخص شده است با سرعت بالا حرارت داده می شود، که بدین وسیله ساختار دانه ریز به دست می آید. در بازپخت دراز مدت سطح قطعه کار سوخته و پوسته می کند، ضمنا ساختار آن دانه درشت می شود. با استفاده از گاز محافظ و یا حرارت دادن آن در حمام نمک از این پدیده جلوگیری می شود.

دمای سختکاری، به نوع فولاد و نیز شکل و ابعاد قطعه کار بستگی دارد. برای قطعاتت نازک و پیچیده حد پایین و برای قطعات بزرگ و ساده حد بالای دمای سختکاری که توسط تولیدکنندگان توصیه می شود اعمال می شود.

در فولادهای غیرآلیاژی توصیه می شود که قطعه کار حدود 30-60 درجه سانتیگراد بالای خط G-S-K در دیاگرام آهن – کربن حرارت داده شود. در این دما اجزاء ساختار پرلیت به آستنیت تحول پیدا می کند. ساختار آستنیتی شرط لازم سختکاری است. اگر دمای سختکاری پاییین باشد فولاد نرم و اگر دمای سختکاری بالا باشد فولاد دانه درشت می شود.

تحول ساختار در گرم کردن:

در ساختار آستنیتی اتم آهن در مرکز وجه مکعب قرار دارد (شبکه مکعبی اتم در وجه) و اتم کربن در مرکز مکعب می نشیند. در دمای زیر خط G-S-K اتم کربن در خارج از شبکه آهن به صورت پیوند شیمیایی (Fe₃C) قرار می گیرد.

نگهداری در دمای سختکاری:

برای اینکه ساختار سطح مقطع کاملا به آستنیت تحول پیدا کند باید دمای سختکاری حدود 10 دقیقه برای هر 10 mm ضخامت سطح مقطع نگهداشته شود. در ابعاد بالای 60 mm مدت زمان نگهداری T با فرمول سرانگشتی زیر بدست می آید:

T مدت زمان نگهداری به min

D قطر یا ضخامت قطعه کار به mm

کونچ:

برای اینکه افزایش سختی مهمی در قطعه کار ایجاد شود باید فولاد خیلی سریع سرد شود. هر فولادی یک سرعت خنک کاری بحرانی دارد. حرارت قطعه کار باید با آن چنان سرعتی دفع گردد که با اطمینان از سرعت خنک کاری بحرانی تجاوز کند. اگر سرعت خنک کاری خیلی کم باشد ایجاد سختی یکنواخت در تمام نقاط قطعه کار تضمین نمی شود. بسته به خواسته مورد نظر مواد خنک کاری متفاوتی استفاده می شود.

اثر مواد خنک کننده
مشخصه فولاد	مواد کونچ	اثر
سختکاری با آب (فولادهای غیرآلیاژی)	آب با – نمک یا – افزوده اسید آب آب با – پلیمر یا – افزوده روغنی	خیلی سخت خیلی نرم
سختکاری با روغن (غالبا فولادهای آلیاژ پایین)	حمام روغن حمام روغن گرم مذاب – فلز یا – نمک
سختکاری با هوا (غالبا فولادهای آلیاژ بالا)	هوای متحرک هوای ساکن

از سرعت خنک کردن خیلی بالا باید پرهیز کرد تا تنشهای پس ماند تا حد امکان کمتر شده و ترک سختکاری روی ندهد.

در کونچ کردن در مایعات دقت شود که قطعه کار به سرعت در سیال غوطه ور شده و به طور پیوسته و خوب به هم زده شود. بدین وسیله از ایجاد عایق دم هوایی در روی قطعه کار جلوگیری تا مانع فرایند سختکاری نشود. قطعات توخالی باید طوری غوطه ور شود که هوای محبوس شده در آن بتواند به طرف بالا راه پیدا کند. قطعات نامتقارن غالبا به طور عمودی و همراه با جرم اضافی دیگری در سیال خنک کن غوطه ور می شود. بدین ترتیب اجزاء نازک و ضخیم قطعه کار تقریبا به طور همزمان در حمام خنک می شود.

تحول ساختار هنگام کونچ کردن:

در خنک کردن آرام ساختار آستنیتی، اتم کربن توسط اتم آهن از مرکز شبکه مکعبی رانده می شود. اتم کربن با آهن پیوند کاریید آهن (Fe₃C) خیلی سخت تشکیل و به شکل نوار و در خارج از شبکه می نشیند. در خنک کردن سریع (مثلا کونچ در آب سرد) اتم کربن زمان کافی ندارد تا بتواند از مرکز مکعب بیرون آمده و تشکیل کاریید آهن بدهد، یعنی اتم کربن به صورت بسته در شبکه می ماند. بدین وسیله شبکه ای تحت تنش حاصل می شود.

این تنش داخلی دلیل افزایش سختی بالاست. این ساختار سوزنی شکل ظریف به نام کاشف آن یعنی آقای مارتن (Martens)؛ مارتنزیت (Martennsit) نامگذاری شده است.

از دیاگرام تحول زمان – دما (نمودار – CCT) که برای فولادهای مختلف تهیه شده است می توان ساختار، اجزاء ساختار و سختی HRC در ارتباط با دما و زمان را تعیین کرد.

در حالت کونچ در روغن بخش بیشتر ساختار، ساختار باینیت است که افزایش سختی بالایی را باعث نمی شود. در خنک کاری در هوا غالبا پرلیت به وجود می آید.

عمق عملیات سخت کاری:

مواد خنک کاری ابتدا گرمای سطح را دفع می کند. در مقاطع ضخیم به خاطر قابلیت هدایت حرارتی پایین فولاد خنک شدن منطقه مغزی فولاد نسبتا طولانی است. بدین ترتیب که مثلا ممکن است مغز قطعه کار دارای چند درصد درجه سانتیگراد باشد در حالی که دمای سطح آن همان دمای محیط است. این پدیده به این منجر می شود که سرعت بحرانی در مغز قطعه کار حاصل نشود و فولاد سختکاری مغزی نگردد. در ساختار داخلی اتم کربن می تواند از مرکز مکعب آزاد و با آهن پیوند کاریید آهن را بدهد.

فولادهای غیرآلیاژی عمق سختکاری حدود 6 mm دارند درحالی که مغز آن نرم و چقرمه باقی می ماند.

می توان گفت که قطعه کاری از فولاد غیرآلیاژی تا قطر 12 mm سختکاری مغزی می گردد.

فولادهای آلیاژی سرعت خنک کاری پایینی دارند. عناصر آلیاژی منگنز، کرم، تنگستن، مولیبدن و غیره باعث می شوند که فولاد در خنک کاری ملایم و آهسته نیز سخت شوند. بدین جهت فولادهای سختکاری روغنی عمق سختکاری بیشتری از فولادهای سختکاری آبی دارند. فولادهای سختکاری هوایی (خشکه هوایی) سرعت خنک کاری بحرانی خیلی پایین دارند. این فولادها سختکاری مغزی کامل می شود.