تتعرض العديد من المكونات، مثل التروس والكامات والأعمدة، لتآكل سطحي شديد أثناء التشغيل. في الوقت نفسه، يجب أن تتمتع بقوة ومتانة داخليتين كافيتين لتحمل أحمال الصدمات ومنع الكسر. يوفر التصلب السطحي المزيج الأمثل من الخصائص لتلبية هذه المتطلبات المتضاربة.
ما هو تقوية الحالة؟
التصلب السطحي، المعروف أيضًا باسم التصلب السطحي، هو تقنية معالجة مواد شائعة الاستخدام، مصممة لتحسين متانة وأداء الأجزاء الميكانيكية. تُعدّل هذه العملية الطبقة الخارجية لقطعة العمل المعدنية بشكل استراتيجي لتشكيل طبقة سطحية صلبة ومقاومة للتآكل، تُسمى غالبًا "الغلاف"، مع الحفاظ على طبقة داخلية أكثر ليونة وصلابة، تُسمى "اللب".
تتم عملية تقوية العلبة عادةً بإحدى الطريقتين:
- تغيير البنية البلورية للمعدن من خلال المعالجة الحرارية
- إدخال عناصر محددة (مثل الكربون أو النيتروجين) في تكوين السطح
تؤدي كلتا الطريقتين إلى إنتاج مكون ذي غلاف خارجي صلب يقاوم التآكل، ونواة أكثر ليونة ومرونة توفر الصلابة والقوة.
طرق تقوية الحالة
الكربنة
الكربنة هي عملية تصلب غلافي شائعة الاستخدام، تزيد من صلابة سطح الفولاذ منخفض الكربون عن طريق إدخال الكربون في طبقته الخارجية. يُسخّن مُكوّن الفولاذ في بيئة غنية بالكربون، عادةً عند درجات حرارة عالية تتراوح بين 800 و1050 درجة مئوية. تنتشر ذرات الكربون من الوسط المحيط إلى سطح الفولاذ، مُشكّلةً طبقة عالية الكربون.
بعد عملية الكربنة، يُبرّد المكوّن ويُسخّن لإنتاج طبقة سطحية صلبة ومقاومة للتآكل، ذات متانة ومقاومة تعب جيدة. يمكن التحكم في عمق وصلابة الغلاف عن طريق ضبط وقت الكربنة ودرجة الحرارة ونسبة الكربون في جو الفرن.
نيترة
تُحسّن عملية النترتة خصائص سطح الفولاذ بإدخال النيتروجين إلى الطبقة السطحية. يُسخّن الفولاذ عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (عادةً ما بين 480 و620 درجة مئوية) في بيئة غنية بالنيتروجين، مثل غاز الأمونيا أو حمام ملح يحتوي على النيتروجين.
تنتشر ذرات النيتروجين في سطح الفولاذ، مُشكّلةً رواسب نيتريدية صلبة. تُنتج النيتريدة غلافًا صلبًا ورقيقًا للغاية يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل والتعب والتآكل. تُسبب النيتريدة تشوهات طفيفة، ويمكن تطبيقها على الأجزاء النهائية.
السيانيد
في عملية السيانيد، يُغمر الجزء الفولاذي في حمام منصهر من أملاح السيانيد (مثل سيانيد الصوديوم أو سيانيد البوتاسيوم) عند درجات حرارة تتراوح بين 800 و950 درجة مئوية تقريبًا. تُدخل هذه العملية الكربون والنيتروجين إلى السطح، مما يُحدث تأثير النترتة الكربونية.
بعد المعالجة، يُبرّد الجزء ثم يُشطف لإزالة أي بقايا من السيانيد. يُنتج السيانيد غلافًا رقيقًا وصلبًا يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل، إلا أن استخدام أملاح السيانيد السامة يُثير مخاوف بيئية وسلامية.
تصلب التعريفي
يستخدم التصلب بالحث الحث الكهرومغناطيسي لتسخين سطح قطعة فولاذية تحتوي على نسبة كافية من الكربون بسرعة. توضع القطعة داخل أو بالقرب من ملف نحاسي يحمل تيارًا مترددًا عالي التردد. يؤدي هذا إلى نشوء تيارات دوامية على سطح قطعة العمل، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها فوق درجة حرارة التحول.
بعد التسخين مباشرةً، تُبرّد القطعة بسرعة، عادةً بالماء أو الزيت أو محلول بوليمر. يؤدي هذا إلى تحول الطبقة السطحية المسخنة إلى مارتنسيت، مما ينتج عنه غلاف صلب ومقاوم للتآكل. التصلب بالحث سريع وموفر للطاقة، ويمكنه تصلب مناطق محددة من القطعة بشكل انتقائي.
أساليب أخرى
تتضمن بعض طرق تقوية الحالة الأخرى ما يلي:
- نيترة الكربون: يُضاف الكربون والنيتروجين معًا إلى سطح الفولاذ بدرجات حرارة أقل من الكربنة التقليدية. ويشكلان طبقة سطحية رقيقة لكنها شديدة الصلابة.
- النترتة الفريّة: يتم نشر النيتروجين والكربون في سطح السبائك الحديدية عند درجات حرارة دون الحرجة، مما يؤدي إلى تحسين مقاومة التآكل ومقاومة التآكل وقوة التعب.
- تصلب اللهب: يُسخّن لهب الأكسجين المباشر بسرعة مساحة سطحية محددة من قطعة فولاذية عالية الكربون، يليه إخماد. ويمكنه تقوية المكونات الكبيرة بشكل انتقائي.
مزايا تصلب القضية
توفر عملية التصلب السطحي العديد من المزايا الرئيسية لتحسين أداء المكونات الميكانيكية:
- مقاومة تآكل محسنة:تعمل الطبقة السطحية الصلبة على تقليل الضرر الناتج عن التآكل والانزلاق والاتصال بين المعادن.
- تعزيز قوة التعب:تعمل الضغوط الضاغطة المتبقية في العلبة على تحسين مقاومة فشل التعب.
- الحفاظ على المتانة:يوفر القلب القوي والمرن مقاومة للصدمات والصدمات، مما يمنع الكسر الهش.
- التصلب الانتقائي:يمكن معالجة مناطق معينة بأحرف كبيرة مع ترك مناطق أخرى دون معالجة.
- الفعالية من حيث التكلفة:يسمح باستخدام الفولاذ منخفض الكربون وغير المكلف للمواد السائبة بدلاً من السبائك الصلبة باهظة الثمن.
