سخت کاری سطحی استنلس استیل

اغلب گریدهای استنلس استیل با توجه به ساختار و ترکیب شیمیایی قابلیت سخت کاری توسط عملیات حرارتی را ندارد و برای بهبود خواص مکانیکی از فرآیندهای کارسرد استفاده می‌شود. اما سخت کاری سطحی استنلس استیل یکی از راهکارهای بهبود خواص سطحی استیل است که می‌تواند در بسیاری از کاربری‌ها عملکرد قطعات را بهبود ببخشد. در این روش‌ها نمی‌توان سخت کاری استیل را در عمق و مغز قطعات انجام داد و تنها در سطح می‌توان خواص مقاومت به سایش و همچنین استحکام بالایی را به دست آورد. در این مقاله از استیل رخ قصد داریم روش‌های سخت کاری استیل را معرفی کرده و به طور ویژه فرآیند سخت کاری نیتراسیون را بررسی کنیم.

چرا سخت کاری سطحی استنلس استیل اهمیت دارد؟

استنلس استیل به صورت گسترده در صنایعی استفاده می‌شود که در آن‌ها مقاومت در برابر خوردگی، دمای بالا، سایش و … از اهمیت بالایی برخوردار است. از این رو نیاز است تا برای برخی از کاربری‌ها مقاومت در برابر سایش و خوردگی افزایش یابد. فرآیندهای کربن‌دهی و نیتروژن‌دهی را می‌توان از موثرترین روش‌های سخت کاری فلزات به خصوص استنلس استیل دانست. هر کدام از این دو فرآیند معایب و مزایای خود را دارند. به طور کلی با سخت کردن سطح استیل می‌توان خواص زیر را انتظار داشت:

• مقاومت در برابر خراشیدگی
• سختی سطحی بالای 500 HV
• کاهش ضریب اصطکاک
• عدم ایجاد تغییرات ابعادی در طی سخت کاری
• افزایش طول عمر و کاهش خرابی قطعات
• کاهش میزان چسبندگی (این مورد در قالب ها رخ می‌دهد)

روش‌های سخت کاری سطحی استنلس استیل

در بین انواع فولاد ضد زنگ، فقط استنلس استیل مارتنزیتی با عملیات حرارتی قابل سخت شدن هستند و مابقی انواع استیل با عملیات حرارتی سحت نمی‌شوند. برای سخت کاری استیل یا فولادهای ضدزنگ آستنیتی و فریتی سه روش اصلی وجود دارد که عبارتند از:

روش نفوذ حرارتی شیمیایی (Thermochemical diffusion methods)

در این روش برای سخت کاری سطحی استنلس استیل با استفاده از عناصر کربن، نیتروژن و بور، ترکیب شیمیایی در سطح استیل اصلاح می‌شود و این ترتیب خواص مکانیکی در سطح بهبود می‌یابد.

روش‌های انرژی و حرارتی (Energy & Thermal process)

این روش اغلب برای سخت کاری گریدهایی به کار می‌رود که می‌توان در ساختار آن‌ها به فاز مارتنزیت دست یافت. به کمک این روش سطح استیل را توسط حرارت دادن موضعی به دمای بالا می‌رسانند و با کوئنچ سریع، به ریزساختار مارتنزیتی در سطح دست پیدا می‌کنند. این روش تنها با تغییر فاز، سختی ریزساختار سطحی را بهبود می‌دهد.

روش‌های پوشش‌دهی سطحی (Surface coatings)

در این روش برای سخت کاری سطحی استنلس استیل از یک لایه پوشش استفاده می‌شود. این پوشش‌ها ممکن به روش‌های مختلفی روی سطح استیل اعمال می‌شوند. روش PVD یکی  از روش‌هایی است که برای پوشش‌دهی سطح استفاده می‌شود.

فرآیندهایی و روش‌های اجرایی مختلفیی برای هر یک از این سه گروه تکنولوژی در صنعت وجود دارد که در جدول زیر به آن‌ها اشاره شده‌است:

نوع سخت کاری سطحی استنلس استیل	روش
روش‌‌های نفوذی ترموکمیکال	کربن دهی-نیتروژن دهی- نیتروکربن دهی- بور دهی- روش نفوذ حرارتی یا TD (Thermal diffusion)
روش‌های انرژی و حرارتی	سخت کاری شعله‌ای- سخت کاری القایی- سخت کاری با اشعه لیزر- سخت کاری با پرتو الکترونی
روش‌های پوشش‌دهی سطحی	پوشش کروم سخت- پوشش الکترولس نیکل- اسپری حرارتی- PVD- CVD- کاشت یون

در ادامه برخی از این روش‌ها که رایج‌تر هستند را تشریح کرده تا با نحوه عملکرد و مکانیزم سخت‌کاری سطحی بیشتر آشنا شوید.

نیتراسیون یا نیتروژن دهی چیست؟

یکی از فرآیندهای سخت کاری استیل فرآیند نیتراسیون (Nitridation) است. این فرآیند شامل وارد کردن نیتروژن اتمی به لایه سطحی استیل است. میزان سختی حاصل پس از انجام این فرآیند به نوع و سختی نیترید فلزی تشکیل شده در سطح آلیاژ بستگی دارد. حداکثر سختی پس از این فرآیند در آلیاژهایی رخ می‌دهد که در ترکیب شیمیاییشان عناصری مانند کروم، آلومینیم، وانادیوم و مولیبدن وجود داشته باشد. نیتروژن دهی به دو صورت گازی و پلاسما صورت می‌گیرد.

نیتروژن دهی گازی چیست؟

در این روش برای سخت کاری سطحی استنلس استیل از گازی حاوی نیتروژن مانند  آمونیاک استفاده می‌شود. برای اغلب فولادها و استیل‌ها دمای این فرآیند حدود 500 تا 550 درجه سانتی‌گراد انتخاب می‌شود. این فرآیند اثرات بسیار خوبی روی مقاومت سایشی دارد اما می‌تواند سبب افت مقاومت در برابر خوردگی شود. قبل از انجام فرآیند سخت کاری سطحی با استفاده از نیتروژن دهی به دلیل احتمال وجود تنش‌های ناشی از فرآیندهای تولید، قطعات می‌بایست تنش گیری شوند. گریدهای مارتنزیتی نیز برای دستیابی به بالاترین میزان سختی در حالت کوئنچ تمپر شده نیتراته می‌شوند.

از آنجا که کروم به عنوان اصلی‌ترین عنصر آلیاژی استنلس استیل به شمار می‌رود، سخت کاری سطحی استنلس استیل به روش نیتراسیون برای تمامی گریدهای ورق استیل امکان پذیر است. برخی از گریدها که محتوای بالایی از کروم دارند، با تشکیل لایه اکسیدی غیرفعال، فرآیند سخت کاری نیتراسیون را دشوار می‌کنند. در این موارد باید ابتدا این لایه اکسید کروم را حذف کرد تا بتوان نیتروژن را به سطح استیل وارد کرد. نیتراسیون گریدهای مختلف استیل به صورت زیر است:

گریدهای مارتنزیتی

سخت کاری سطحی استنلس استیل مارتنزیتی با توجه به سختی پذیری بالای آن، می‌تواند سطحی با مقاومت به سایش بالا را فراهم کند. برای مثال گرید استیل 420 در مواردی به عنوان قالب دایکست آلومینیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این گرید با انجام نیتراسیون می‌تواند در برابر سایش‌ ناشی از فرایند دایکست مقاومت کند.

گریدهای آستنیتی

فرآیند نیتراسیون برای استنلس استیل آستنیتی بسیار دشوار است اما با این حال اغلب گریدهای آستنیتی را می‌توان با استفاده از این روش سخت کرد. برای انجام فرآیند حتما باید در نظر داشت که قطعات باید در حالت آنیل شده باشند تا از پوسته پوسته شدن آن‌ها جلوگیری شود. سخت کاری استیل برای گریدهای کم کربن نتیجه بهتری دارد. لایه نیتریدی که روی سطح آن‌ها تشکیل می‌شود کمتر از 0.125 میلی‌متر است. گریدهای آستنیتی نیز پس از انجام فرآیند نیتراسیون دچار افت مقاومت در برابر خوردگی می‌شوند. به همین دلیل نیتراسیون تنها در مواردی با کاربردهای خاص برای این آلیاژها صورت می‌گیرد.

گریدها فریتی

همانطور که اشاره شد، این آلیاژها قابلیت سخت شدن با انجام عملیات حرارتی را ندارند. برخی از گریدهای استنلس استیل فریتی را می‌توان با انجام نیتراسیون سخت کاری کرد. گریدهایی مانند استیل 430 و 446 از جمله این گریدها هستند.

گریدهای رسوب سخت شونده

استنلس استیل رسوب سخت شونده نیز به دلیل عناصر آلیاژی خود قابلیت سخت کاری سطحی توسط نیتراسیون را دارند. گریدهایی مانند 1.4542، 1.4548 (17/4PH)، 1.4564، 1.4568 (17/7PH) و 1.4545 (15/5PH) قابلیت سخت کاری با این فرآیند را دارند.

در جدول زیر برخی نتایج سختی و عمق نفوذ برای برخی از گریدهایی که سخت کاری سطحی روی آن‌ها صورت گرفته‌است ارائه شده‌است:

گرید استیل			سختی (HV)	عمق نفوذ نیترید (mm)
1.4208	X30Cr13	420	950-1200	حداکثر 0.2
1.4104	X14CrMoS17	–	950-1200	حداکثر 0.2
1.4112	X90CrMoV18	440B	950-1200	حداکثر 0.2
1.4117	X38CrMoV15	–	950-1200	حداکثر 0.2
1.4301	X5CrNi18-10	304	950-1600	حداکثر 0.2
1.4305	X10CrNiS18-9	303	950-1600	حداکثر 0.2
1.4401	X5CrNiMo17-12-2	316	950-1600	حداکثر 0.2
1.4535	X90CrCoMoV17	–	950-1600	حداکثر 0.2

نیتراسیون پلاسما و نیتراسیون مایع چه هستند؟

برای سخت کاری سطحی استنلس استیل می‌توان از روش پلاسما نیز فرآیند نیتراسیون را انجام داد. در این روش در خلا انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا سبب تشکیل پلاسما می‌شود که در آن یون‌های نیتروژن به سمت قطعه کار شلیک می‌شوند. این امر سبب بالا رفتن دما، تمیز شدن سطح و فراهم شدن شرایط نیتراسیون می‌شود. در این روش نیاز به حذف اکسید غیر فعال سطح استیل نیست چرا که این سطح در بمباران یون‌ها از بین می‌رود.

سخت کاری سطح استنلس استیل به این روش اعوجاج کمتری را در سطح استیل به وجود می‌آورد. همینطور باید در نظر داشت که در این روش نیز به دلیل وجود نیتریدهای کروم در سطح، مقاومت به خوردگی کاهش می‌یابد.

نیتراسیون مایع نیز از فرآیندهای مورد استفاده در صنعت برای سخت کاری سطح استنلس استیل است. در این روش از یک حمام مذاب با دمای بالاتر از 500 درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود که حاوی نیتروژن است و همچنین می‌تواند شامل سیانیدها نیز باشد. برخی از نمک‌های بدون سیانید نیز معرفی شده‌اند اما در این فرآیند به طور کلی نزدیک به 5 درصد سیانید به عنوان بخشی از واکنش تولید می‌شود.

نکته‌ای پیرامون انجام فرآیند نیتراسیون

یکی از مهم‌ترین نکات برای سخت کاری سطح استنلس استیل به کمک فرآیند نیتراسیون این است که این فرآیند باید به عنوان آخرین مرحله تولید صورت گیرد. علت آن نیز این است که در این فرآیند تغییرات ابعادی بسیار اندک و قابل چشم پوشی است. از طرف دیگر با ماشینکاری پس از نیتراسیون، لایه نیتراته شده از بین می‌رود. به همین دلیل، قطعات باید پس از انجام ماشینکاری نهایی نیتراته ‌شوند.

سخن آخر

سخت کاری سطحی استنلس استیل در کاربری‌هایی که مقاومت به سایش اهمیت بالایی دارد به عنوان یک فرآیند ضروری به حساب می‌آید. روش‌های مختلفی برای سخت کاری سطحی وجود دارد که نیتراسیون از جمله رایج‌ترین آن‌ها به شمار می‌رود. با دانستن مزایا و معایب این فرآیند می‌توان تصمیم درستی مبنی بر انجام این فرآیند گرفت.