روش‌های سختکاری سطحی استیل (کربن دهی و بور دهی)

فولادهای ضدزنگ به‌ویژه گریدهای آستنیتی به‌دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی، کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. با این حال، سختی سطحی و مقاومت سایشی این آلیاژها معمولا در حد خیلی بالایی نیستند. برای بهبود این خصوصیات، از روش‌های سختکاری سطحی استفاده می‌شود. کربن دهی  سطحی و بور دهی، فرآیندهایی هستند که برای بهبود خواص سطحی استیل مورد استفاده قرار می‌گیرند. در کربن‌دهی (کربوریزاسیون یا Carburisation)، کربن به سطح نفوذ کرده و منجر به افزایش سختی و مقاومت سایشی می‌شود؛ ولی در فولادهای ضدزنگ آستنیتی، در اثر کربن‌دهی، رسوب کاربید کروم موجب کاهش مقاومت به خوردگی می‌شود. روش‌های پیشرفته کربوریزاسیون با دمای پایین این مشکل را حل کرده و سختی را بدون افت مقاومت به خوردگی افزایش می‌دهند. از سوی دیگر، بوردهی (بورایدینگ یا Boronizing) پوششی با سختی بسیار بالاتری ایجاد می‌کند و برای کاربردهای سایشی شدید مناسب است. در این مطلب به بررسی روش‌های سختکاری سطحی استیل شامل کربن‌دهی و بوردهی می‌پردازیم. باید توجه داشت فرآیند کربن‌دهی برای طیف گسترده‌ای از فولادها مورد استفاده قرار می‌گیرد تا خواص سطحی آن‌ها بهبود یابد.

کربن‌دهی سطحی (Carburizing)

عملیات کربن‌دهی یکی از روش‌های سختکاری سطحی استیل است که می‌تواند در سطح استیل با بالا بردن میزان کربن در ساختار، سبب بهبود خواص مکانیکی از جمله سایش و سختی شود. این فرآیند به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. در این بخش فرآیند کربن دهی را به صورت کامل مورد بررسی قرار می‌دهیم.

• روش‌های کربن‌دهی‌: چندین روش برای کربن‌دهی وجود دارد:
  • کربن‌دهی گازی: در این فرایند، قطعه در معرض گازهای حامل کربن (مثل منوکسید کربن حاصل از سوخت‌های هیدروکربنی) و در دمای حدود 900 تا 950 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود. در این روش امکان کنترل دقیق پتانسیل کربن‌دهی فراهم است و با کنترل میزان کربن می‌توان خواص سطحی را کنترل کرد.
  • کربن‌دهی جامد: در این فرایند، قطعه در یک کوره همراه با مواد جامد حاوی کربن (مثلا زغال چوب یا کک) نگه‌داشته می‌شود. در این حالت گاز مونوکسید کربن از واکنش سوختن این مواد آزاد می‌شود که باعث نفوذ کربن می‌گردد.
  • کربن‌دهی پلاسما: این فرایند در خلا و با استفاده از پلاسما (به کمک گازهایی مانند CH₄) در دمای نسبتا پایین حدود 400 الی 500 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. این روش نسبت به روش‌های سنتی گازی و جامد آلودگی محیطی کمتری تولید می‌کند.

• اثرات ریزساختاری: در فولادهای کم‌کربن و گریدهای مارتنزیتی (مانند فولادهای ضدزنگ نوع ۴۲۰)، پس از کوئنچ، سطح به‌دست آمده عمدتا مارتنزیتی سخت است و مقاومت سایشی چشمگیری پیدا می‌کند. در فولادهای آستنیتی (مانند ۳۰۴ و ۳۱۶)، ساختار پایه آستنیتی است و با سرد کردن سریع، مارتنزیت تشکیل نمی‌شود. با انجام کربن دهی که از رایج‌ترین روش‌های سختکاری سطحی استیل است، کربن در لایه‌ای از سطح فلز نفوذ می‌کند. در کربن‌دهی پلاسما و سایر روش‌های دمای پایین، کربن در داخل شبکه آستنیتی به صورت محلول بین‌نشینی باقی می‌ماند و فازی موسوم به آستنیت فوق اشباع ایجاد می‌کند. در این حالت لایه سطحی سختی بسیار بالایی (حدود ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ HV یا تقریبا ۶۰ تا ۷۰ HRC) خواهد داشت که حدود پنج برابر سختی اولیه است.
• مشکلات در فولادهای ضدزنگ و راه‌کارها: یکی از مهم‌ترین مشکلات کربن‌دهی فولادهای ضدزنگ، رسوب کاربیدهای کروم (CrₓCᵧ) در مرزدانه‌ها است که باعث حذف عنصر کروم از لایه‌های غیرفعال و کاهش شدید مقاومت به خوردگی می‌شود. به همین دلیل، کربن‌دهی در درجه حرارت بالا مقاومت خوردگی را کاهش می‌دهد. برای حل این مشکل، از فرآیندهای کم‌دما استفاده می‌شود. در فرایندهای مانند کربن‌دهی پلاسما در دمای زیر 500 درجه سانتی‌گراد، تشکیل کاربید کروم تقریبا سرکوب می‌شود و لایه پسیو اکسید کروم دست‌نخورده باقی می‌ماند. در واقع، کربن‌دهی با دمای پایین اجازه می‌دهد سختی سطح افزایش یابد بدون آنکه مقاومت خوردگی کاهش یابد.
• دما: دمای کربن‌دهی گازی معمولا در دمای 900 تا 950 درجه سانتی‌گراد است، در حالی که کربن‌دهی پلاسما و دما پایین در حدود 400 تا 500 درچه سانتی‌گراد انجام می‌شود. زمان عملیات بسته به عمق مورد نظر و نوع فولاد می‌تواند از چند ساعت تا ده‌ها ساعت متغیر باشد. نکته مهم این است که هنگام کربن‌دهی استنلس استیل باید لایه اکسیدی طبیعی سطح (Cr₂O₃) را به‌طور همزمان از بین برد؛ در غیر این صورت این لایه پسیو مانع نفوذ کربن می‌شود

بوردهی سطحی (Boronizing)

یکی دیگر از روش‌های سختکاری سطحی استیل، بوردهی است. با انجام این فرآیند مانند کربن‌دهی سطحی، عناصر بور به سطح استیل نفوذ کرده و سبب افزایش سختی و مقاومت به سایش می‌شود.

• اصول و روش‌‌ها: بوردهی یک فرآیند ترموشیمیایی است که اتم‌های بور را به سطح فلز نفوذ می‌دهد و فازهای بوراید سختی در سطح ایجاد می‌کند. این فرایند معمولا در دمای 700 تا 1000 درجه سانتی‌گراد و به مدت چند ساعت صورت می‌گیرد. روش‌های رایج شامل قرار دادن قطعه در تماس با مواد حاوی بور (پودر، خمیر یا محلول) است. البته علاوه بر این روش‌ها، فرایندهای مدرن‌تر مانند بوردهی پلاسما یا بستر سیال در حال توسعه هستند. بسته به شرایط و ماده زمینه، لایه بوراید می‌تواند شامل یک یا دو فاز باشد که در فولادهای پایه آهنی معمولا Fe₂B (فاز درونی) و FeB (فاز سطحی) هستند.
• اثرات ریزساختاری: تشکیل فازهای بوراید باعث ایجاد سطحی با سختی بالا می‌شود. به‌عنوان مثال، برای فولاد معمولی، سختی Fe₂B تقریبا 1500 HV و برای FeB حدود 1800 تا 1900 HV گزارش شده است. این سختی فوق‌العاده موجب مقاومت بسیار بالا در برابر سایش، خوردگی و خستگی سطح می‌شود. علاوه بر این، لایه بوراید حاصل، حتی در دماهای بالا، سختی خود را تا حد زیادی حفظ می‌کند.
• مزایا: مزیت اصلی بوردهی سختی بسیار بالای سطح است که حتی از تمامی روش‌های سختکاری سطحی معمول فراتر می‌رود. این سختی بالا همراه با ضریب اصطکاک پایین، مقاومت به سایش و خستگی سطح را تا چندین برابر بهبود می‌دهد. به‌علاوه، بوردهی نسبت به برخی پوشش‌های سطحی نسبتا دوام بهتری در محیط‌های خورنده اسیدی دارد و نیاز به روانکاری قطعات تحت سایش را کاهش می‌دهد.
• معایب و چالش‌ها: از جمله معایب بوردهی می‌توان به تردی لایه بوردهی شده اشاره کرد؛ به‌ویژه وجود لایه ترد FeB ممکن است در شرایط ضربه یا سایش شدید موجب ایجاد ترک و پوسته شدن شود. همچنین تشکیل لایه‌های بوراید سخت باعث افزایش حجم سطحی قطعه شده و تغییرات ابعادی ناخواسته (مثلا پیچیدگی شکل ظاهری) را به‌وجود می‌آورد، که نیاز به کنترل دقیق مهندسی در طراحی قطعه دارد. فرایند بوردهی معمولا پرهزینه‌تر و زمان‌برتر از کربن‌دهی است؛ محیط‌های کاری پیچیده (مثل حمام نمکی یا فرایند پلاسما) نیاز به تجهیزات خاص دارند. علاوه بر این، و مهم‌تر از همه، تاثیر بوردهی بر خوردگی فولادهای ضدزنگ نامطلوب است. اگرچه برای فولادهای آلیاژی سبک، بوردهی می‌تواند مقاومت خوردگی محیط‌های خاص (مثلا اسیدی) را حتی افزایش دهد، در فولادهای ضدزنگ آستنیتی مصرف کروم توسط بورها موجب ضعیف شدن لایه اکسیدی می‌گردد و خوردگی را تشدید می‌کند.

کاربردهای صنعتی

روش‌های سختکاری سطحی استیل در صنایع متعددی کاربرد دارند. به عنوان مثال:

• صنایع نفت و گاز: در خطوط لوله و تجهیزات حفاری (لوله‌های تحت فشار، شیرآلات و قطعات تعمیری) که در معرض سیالات خورنده و ساینده‌اند، از این فرایندها برای افزایش عمر سرویس استفاده می‌شود.
• صنایع خودروسازی: اجزای موتوری و انتقال قدرت مانند چرخ‌دنده‌ها، شفت‌های محرک، سوپاپ‌ها و پمپ‌های روغن با کربن‌دهی یا بوردهی سخت می‌شوند تا عمر تماس سطوح متحرک افزایش یابد. هرچند در این صنعت از آلیاژهای استنلس استیل استفاده نمی‌شود و کربن‌دهی برای قطعات فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• ماشین‌آلات کشاورزی و سنگین: تیغه‌ها، بیلچه‌ها، ماردون‌ها و دیگر قطعاتی که تحت سایش بسیار بالا قرار دارند، معمولا سخت‌کاری می‌شوند.
• ابزار دقیق و قالب‌سازی: قطعات قالب‌های تزریق، اکستروژن و ابزارهای دقیق که نیاز به سطوح بسیار سخت دارند، گاهی بوردهی می‌شوند تا عمر قالب افزایش یابد. در ابزارهای اندازه‌گیری حساس نیز در موارد خاص ممکن است سختکاری سطحی برای بهبود دقت و دوام انجام شود.

سخن آخر

روش‌های سختکاری سطحی برای بهبود سختی، مقاومت سایشی و عمر خستگی قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرند. کربن دهی و بوردهی روش‌هایی هستند که در جهت بهبود خواص سطحی از آن‌ها استفاده می‌شود. کربن‌دهی کم‌دما (به‌ویژه در محیط پلاسما) قادر است سختی سطح را تا چند برابر افزایش دهد بدون آنکه مقاومت خوردگی اصلی استنلس استیل را تضعیف کند. این روش برای بسیاری از کاربردهای صنعتی متداول و مقرون‌به‌صرفه است. در طرف مقابل، بوردهی سختی بسیار بیشتری فراهم می‌کند و مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی ایجاد می‌نماید، اما هزینه و پیچیدگی بیشتری دارد و برای فولاد ضدزنگ مقاومت خوردگی را کاهش می‌دهد. بنابراین انتخاب بین این دو روش باید بر اساس نیازهای مشخص هر قطعه صورت گیرد. به طور خلاصه، اگر حفظ مقاومت خوردگی از اولویت بالایی برخوردار باشد، استفاده از کربن‌دهی پلاسما یا سایر فرآیندهای دمای پایین توصیه می‌شود. اگر مقاومت در برابر سایش شدید و سختی بسیار بالا ملاک باشد، بوردهی انتخاب مناسب‌تری است، مشروط بر آنکه اثرات کاهش خوردگی را بتوان با پوشش‌های تکمیلی یا آلیاژهای مقاوم جبران کرد.