سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل

اغلب گریدهای استنلس‌استیل با توجه به ساختار و ترکیب شیمیایی قابلیت سخت‌کاری توسط عملیات حرارتی را ندارد و برای بهبود خواص مکانیکی از فرآیندهای کارسرد استفاده می‌شود. اما سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل یکی از راهکارهای بهبود خواص سطحی استیل است که می‌تواند در بسیاری از کاربری‌ها عملکرد قطعات را بهبود ببخشد. در این روش‌ها نمی‌توان سخت‌کاری 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 سخت‌کاری استیل را معرفی کرده و به‌طور ویژه فرآیند سخت‌کاری(نیتراسیون) را بررسی کنیم.

چرا سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل اهمیت دارد؟

استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری فلزات به خصوص استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری
• افزایش طول عمر و کاهش خرابی قطعات
• کاهش میزان چسبندگی (این مورد در قالب ها رخ می‌دهد)

روش‌های سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل

در بین انواع فولاد ضد زنگ، فقط استنلس‌استیل مارتنزیتی با عملیات حرارتی قابل سخت شدن هستند و مابقی انواع استیل با عملیات حرارتی سخت نمی‌شوند. برای سخت‌کاری 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 سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری 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 سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل 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 مختلفی برای هر یک از این سه گروه تکنولوژی در صنعت وجود دارد که در جدول زیر به آن‌ها اشاره شده‌است:

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 سخت‌کاری 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، آلومینیوم، وانادیوم و مولیبدن وجود داشته باشد. نیتروژن دهی به دو صورت گازی و پلاسما صورت می‌گیرد.

نیتروژن‌دهی گازی چیست؟

در این روش برای سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری 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 استنلس‌استیل به شمار می‌رود، سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری 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

سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل 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 استنلس‌استیل 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. سخت‌کاری 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.

گریدهای فریتی

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

گریدهای رسوب سخت شونده

استنلس‌استیل رسوب سخت شونده نیز به دلیل عناصر آلیاژی خود قابلیت سخت‌کاری 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 سخت‌کاری با این فرآیند را دارند.

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

چالش افت مقاومت به خوردگی و نسل جدید سخت‌کاری در دمای پایین

یکی از چالش‌های اساسی در نیتراسیون سنتی استنلس‌استیل در دمای بالای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، واکنش نیتروژن با کرومِ آلیاژ و تشکیل نیترید کروم ($CrN$) است. این پدیده باعث تخلیه کرومِ آزاد در مرزدانه‌ها شده و مقاومت به خوردگی استیل را به‌شدت کاهش می‌دهد. این افت خواص به‌ویژه در قطعات دوار ساخته‌شده از میلگرد استیل یا شفت‌های هیدرولیکی که از لوله استیل دقیق تولید می‌شوند و هم‌زمان در معرض سایش و محیط‌های خورنده قرار دارند، بحران‌ساز است.

برای حل این چالش، امروزه از فرآیندهای نفوذی در دمای پایین (کمتر از ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد) استفاده می‌شود. در این دما، اتم‌های نیتروژن یا کربن به درون شبکه بلوری نفوذ می‌کنند بدون آنکه با کروم ترکیب شوند. نتیجه این فرآیند، شکل‌گیری یک فاز فوق‌اشباع و بسیار سخت به نام «آستنیت انبساط‌یافته» (Expanded Austenite یا فاز S) است که نه‌تنها سختی سطحی را به بیش از ۱۰۰۰ HV می‌رساند، بلکه مقاومت به خوردگی اولیه استیل را نیز کاملاً حفظ کرده یا بهبود می‌بخشد.

نیتراسیون پلاسما و نیتراسیون مایع چه هستند؟

برای سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل 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.

سخت‌کاری سطح استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری سطح استنلس‌استیل 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 سخت‌کاری سطح استنلس‌استیل 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

سخت‌کاری سطحی استنلس‌استیل در کاربری‌هایی که مقاومت به سایش اهمیت بالایی دارد به عنوان یک فرآیند ضروری به حساب می‌آید. روش‌های مختلفی برای سخت‌کاری 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.