کربن دهی

 عملیات کربن دهی برای افزایش مقاومت سایشی قالب های پرس مخصوص کارسرد و قالب سازی دایکاست استفاده می شود .این نوع قطعات بعدا نباید فرزکاری و سنگ زنی شوند زیرا لایه سطحی آنها از بین می رود. نام دیگر اين فرآیند، کربونیزه کردن است. در قدیم کربن را بصورت گازهای کربن دار روی سطح نفوذ می دادند مانند گاز کربن ناشی از ذغال چوب که به داخل قطعات آهنی نفوذ داده میشد و سپس سریع آن را سرد میکردند. امروزه قطعات آهنی را در یک محیط کربن دار ، با  دمای بالا قرار می دهند و آن را گرم می کنند سپس با سرعت معینی دوباره سرد میکنند.

فرآیند کربن دهی

در فرآیند کربن دهی ، قطعه مورد نظر با استفاده از یک ماده حاوی کربن مانند ذغالسنگ یا مونوکسیدکربن گرم میشود. حرارت دهی به قطعه در دمای 950-850 درجه سانتی گراد انجام میشود. درنتیجه این حرارت، فولاد کم کربن به منطقه دمایی آستنیت میرسد. فولادی که در این دما حرارت داده می شود، دارای ساختار آستنیتی پایدار است که در این حالت، حلالیت کربن زیاد می باشد. با افزایش پتانسیل کوره، یک شیب غلظتی بین محیط و سطح قطعه ایجاد میشود. در طی این فرآیند، در دو مرحله کربن به داخل سطح قطعه نفوذ میکند. مرحله اول جذب سطحی و مرحله دوم نفوذ کربن به داخل سطح می باشد.

پس از آن، با سریع سرد کردن (کوئنچ کردن) یک ساختار مارتنزیتی در سطح بوجود می آید. هنگام کوئنچ کردن، غلظت بالاتر کربن در سطح خارجی از طریق تبدیل آستنیت به مارتنزیت، سخت میشود و مغز قطعه نرم باقی میماند. واکنش زیر در اين روش اتفاق می افتد:

2Co→Co₂+C

در فرآیند کربندهی میزان جذب کربن در سطح توسط دو پارامتر کنترل میشود:

 1) واکنشی که بین اجزا تشکیل دهنده محیط (Co, Co₂) و محلول جامد آستنیت انجام می گیرد.

 2) سرعت نفوذ کربن از سطح به داخل آستنیت

هرچه مدت زمان کربوراسیون طولانی تر و دمای آن بالاتر باشد، عمق نفوذ کربن بیشتر خواهد بود.

فولاد های کربوره

فولادهایی که روی آن ها عملیات کربن دهی انجام می شود، فولادهای ساده کربنی و یا کم آلیاژ کم کربن هستند. می توان مقدار کربن در سطح این فولادها را می توان با استفاده از این روش افزایش داد. افزایش میزان کربن به حدی می باشد که ساختار سطح آن ها پس از کوئنچ کردن ، از دمای آستنیته شدن، به زمینه ی مارتنزیتی پر کربن با سختی بالا تبدیل می شود.

پس از کربن دهی ، سطحی خواهیم داشت که نسبت به سایش و خستگی مقاومت دارد. در این فرآیند، میکروساختار مارتنزیت سخت پر کربن بر روی مغزی نرم و مقاوم به ضربه، به میکروساختار مارتنزیت کم کربن یا پرلیت و فریت تبدیل خواهد شد. فولادهای کربوره معمولاً حدود ۰٫۲٪ کربن دارند. به طور کلی محتوای کربن لایه کربندهی شده، در محدوده ۰٫۸٪ تا ۱٪ کنترل می شود. با این وجود، مقدار کربن موجود در سطح به ۰٫۹٪ محدود می شود زیرا مقدار زیاد کربن در این فرآیند می تواند باعث ایجاد آستنیت باقی مانده و مارتنزیت شکننده شود.

روش های سخت کاری کربن دهی

کربن دهی فولاد معمولاً با روش های زیر انجام می شود:

• جامد یا پودری  (Pack Carburizing)
• روش مایع یا کربن دهی در حمام نمک  (Liquid or Salt Bath Carburizing)
• گازی  (Gas Carburizing)
• کربندهی در خلاء  (Vacuum Carburizing)
• روش پلاسما  (Plasma Carburizing)

در بین این روش ها، روش های متداول در صنعت ایران سه روش جامد، مایع و گازی است. این دسته بندی بر اساس محیط کربن دهی و مواد کربن ده مورد استفاده در آن است. بر این اساس از سه گروه مواد جامد، مایع و گاز برای این فرآینداستفاده می شود.

کربن دهی جامد

در کربن دهی به روش پودری یا جامد، قطعات فولادی را در جعبه ای که به “جعبه سمانتاسیون” معروف است، قرار می دهند و درون آن را از مواد کربن ده جامد پر می کنند. جنس این جعبه از فولاد نسوز می باشد. مواد کربن ده جامد موجود در جعبه باید هم کربن زا و هم انرژی زا باشند. مواد کربن زا که اغلب زغال چوب و یا کک می باشد و مواد انرژی زا مثل کربنات باریم، کربنات سدیم (سودا) ، کربنات کلسیم (پتاس) ، سود خشک و یا مخلوطی از آن ها می باشد که حدود ۲۰-۶ درصد مواد موجود در جعبه را تشکیل می دهند. وظیفه کربنات که یک عامل فعال کننده می باشد، تنظیم فشار و ترکیب گاز درون جعبه است. در آخر، جعبه را با مواد نسوز مانند آزبست یا خاک رس کاملا می بندند تا تبادلی با هوای خارج از جعبه رخ ندهد.

جعبه را برای مدت زمان مشخصی در دمای ۹۲۵-۸۷۵ درجه سانتیگراد که دمای لازم برای کربن دهی می باشد، نگه می دارند. این زمان، وابسته به عمق سخت کاری مدنظر می باشد. نفوذ کربن به ازاء هر 9 میلیمتر است. واکنش انجام شده در این فرآیند به این صورت می باشد که اکسیژن موجود در جعبه، در ترکیب با زغال، co₂ تولید می کند. با بالاتر رفتن دما، co₂ تولید شده، با ذغال ترکیب شده و گاز co تولید می شود. در نتیجه این واکنش ها، گاز منو اکسید کربن تشکیل شده در سطح فولاد تجزیه می شود و کربن اتمی تولید می کند.

تغییر ریزساختار در فرآیند کربن دهی جامد

همانطور که پیشتر گفتیم، کربن اتمی که درنتیجه تجزیه کربن منوکسید تولید می شود، جذب سطح فولاد می شود. این فرآیند، در دمای بالا یا منطقه تک فازی آستنیت ، اتفاق می افتد. در مرحله ای که کربن سطح فولاد سمانته افزایش می یابد، آن را سریع سرد می کنند. در حین کوئنچ کردن استحاله فازی آستنیت به مارتنزیت پر کربن در سطح فولاد انجام می شود. هنگامیکه کربن سطح افزایش می یابد، اصطلاحا می گویند که به آن آب داده شده است. کربن اتمی، با نفوذ به داخل فاز آستنیت، فاز سمنتیت را در لایه های سطحی فولاد تشکیل می دهد.

 روش کربن دهی جامد برای سخت کردن ابزاری مانند چرخ دنده‌ها، بادامک‌ها، میل لنگ‌ها، کاسه ساچمه‌ها و زنجیرها استفاده می‌شود.

مزایای کربن دهی جامد

• انواع کوره ها در طیف وسیعی می توانند در این روش استفاده شوند چرا که به محیط از قبل آماده شده ای نیاز ندارد.
• اگر تعدا قطعات زیاد نباشد، می توان گفت سخت کاری آن ها با این روش، موثر و اقتصادی است.

معایب کربن دهی جامد

• بخاطر ماهیت و اندازه ذرات جامد، روش های دیگر تمیزتر و کار در آنها راحت تر است.
• به منظور سخت کاری لایه های نازک که دقت بالایی لازم دارند، این روش مناسب نمی باشد.
• سخت کاری مستقیم یا سخت کاری در قالب امکان پذیر نیست.
• وجود مواد جامد و مخزن کربن دهی ، سرعت های گرم و سردشدن را کاهش می دهد و درنتیجه زمان عملیات کربورایزینگ افزایش می یابد.

کربن دهی گاز

در کربن دهی به روش گازی ، قطعه رادر محیطی که ترکیبی از گازها در آن وجود دارد، به مدت سه الی چهار ساعت قرار می دهند. در این روش، قطعات در اتمسفری حاوی كربن قرار دارد كه میتواند به صورت متناوب پر شود. متداول ترین منبع تولید کربن در کربونیزه کردن گازی ، گاز طبیعی (CH4) میباشد. اگر این گاز به تنهایی استفاده شود، بر روی قطعه دوده ایجاد می شود. دوده ایجاد شده بعلت غنی بودن گاز متان از هیدروکربن می باشد و مانع جذب کربن در سطح می شود. برای حل این مسئله، در کربورایزینگ گازی ، یک گاز حامل بنام گاز اندوترمیک که مخلوطی از هوای فشرده و گاز طبیعی میباشد را به نسبت ۲ به ۱ و در دامنه حرارتی ۱۰۴۰ تا ۱۲۰۰ درجه از یک بستر نیکل عبور می دهند. نیکل به عنوان کاتالیزور واکنش می باشد.

در کربوراسیون گازی ، گاز را سریعا تا دمای ۳۱۵ درجه سانتیگراد سرد می کنند تا دوده تشکیل نشود. بنابراین برای اتمسفر کوره، از یک گاز اندوترمیک به عنوان حامل و یک هیدروکربن مانند متان یا پروپان به عنوان عامل کربن زا استفاده می شود. برای جلوگیری از نفوذ هوا به داخل کوره باید آن را طوری تنظیم کرد که فشار گاز داخل کوره بیشتر از فشار اتمسفر باشد.

مزایای کربوراسیون گازی

• مزیت روش کربوره کردن گازی نسبت به روش کربوراسیون جامد این است که سطح حاصل، تمیز و صاف است.
• زمان انجام واکنش کربن دهی در روش کربورایزینگ گازی نسبت به روش کربوراسیون جامد کمتر است زیرا نفوذ اتم های گازی کربن بسیار آسانتر از نفوذ کربن ناشی از مواد جامد کربن دار است.
• عمق لایه کربن نفوذی در روش کربوراسیون گازی می تواند بین صدم میلی متر و چند میلی متر متغیر باشد.
• کربندهی به روش گازی برای تولید انبوه قطعات، اقتصادی ترین روش می باشد. زیرا مکانیزه کردن این روش امکانپذیرتر است، سرعت آن بالاتر است و نیاز به نیروی انسانی کمتری دارد.

معایب کربوراسیون گازی

• در روش کربوراسیون گازی، قطعه در نهایت کج و ناصاف می شود.
• اگر ترکیب گازها بطور دقیق کنترل نشود، واکنش های جانبی نظیر ایجاد اکسیدهای سطحی و مرزدانه ای اتفاق می افتند.

کربن دهی مایع

 در این فرآیند ، از یک محفظه غنی از کربن مایع استفاده می شود و قطعات در آن غوطه ور می شوند. سیانور، جز اصلی حمام های کربن دهی مایع می باشد. قطعات را در نمکی مذاب تا حدی نگه می دارند که کربن به سطح فولاد نفوذ کند. این مذاب شامل کربنات سدیم، نمک سیانید سدیم و نمک طعام، کلرید باریم و سیلیسیم کاربید است.  با خنک سازی سریع (کوئنچ کردن) یک پوسته سخت تولید می شود.

سطحی که توسط کربوراسیون مایع سخت می شود، مقدار کمی نیتروژن و مقدار زیادی کربن دارد. درجه حرارت در فرآیند کربورایزینگ مایع حدود ۸۵۰ درجه سانتیگراد می باشد و زمان مورد نیاز بسته به میزان نفوذ مورد نظر و درجه حرارت، بین ۳۰ دقیقه تا ۴ ساعت می‌تواند تغییر کند.

مزایای روش کربوراسیون مایع

• در روش کربورایزینگ مایع ، قطعه در نهایت صاف می ماند و کج نمی شود.
• روش کربوراسیون مایع ، برای کربن دهی قطعات کوچک می تواند استفاده شود.

معایب روش کربوراسیون مایع

• کربوره کردن مایع ، به علت استفاده از سیانور در فرآیند آن، روشی بسیار سمی می باشد.

سنجش ضخامت لایه سخت شده به روش کربن دهی

دو روش برای سنجش ضخامت لایه سخت شده در روش های کربن دهی داریم
1) روش متالوگرافی : قطعه سخت کاری شده به روش کربندهی را مقطع زده و لایه کربوره ر زیر میکروسکوپ نوری و یا توسط یک ذره بین، اندازه می گیرند.
2) روش آزمون میکروسختی : قطعه مورد نظر، پس از سختکاری مقطع زده شده و مقطع نمونه از سطح به مغز با نیروی بسیار کم توسط روش ویکرز، سختی سنجی میشود. نمودار پروفیل سختی بر حسب فاصله از سطح قطعه رسم میشود تاجایی که سختی ۵۵۰ ویکرز شود. آن نقطه را می توان ضخامت لایه کربوره در نظر گرفت.

هزینه کربن دهی

کربن دهی بخصوص به روش گازی ، امکان مکانیزه و اتوماتیک شدن دارد و درنتیجه نیاز به نیروی انسانی کاهش یافته و هزینه کربن دهی نیز کاهش می یابد. همچنین این روش سریع بوده و از طیف وسیعی از کوره ها برای انجام عملیات میتوان استفاده نمود. درنتیجه این موارد باعث می شوند فرایند کربندهی به صرفه بوده و از لحاظ اقتصادی نیز توجیه داشته باشد.