ما هو تصلب السطح

تتعرض مكونات الآلات للتآكل والتعب والتآكل، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء وتقصير عمرها الافتراضي.

إذا تُركت هذه المشكلات دون معالجة، فإنها تؤدي إلى توقف غير مخطط له، وإصلاحات مكلفة، وانخفاض الإنتاجية. وقد تكون العواقب وخيمة على الصناعات التي تعتمد بشكل كبير على الآلات.

تعد عملية تصلب السطح تقنية مجربة تعمل على تعزيز متانة وطول عمر مكونات الآلات المهمة، مما يقلل من التآكل والتلف مع الحفاظ على صلابة المادة الأساسية.

ما هو تصلب السطح

تصلب السطح هو أحد تقنيات معالجة المواد التي تُحسّن متانة وأداء المكونات المعدنية من خلال زيادة صلابة السطح الخارجي مع الحفاظ على نواة ناعمة نسبيًا. تُحسّن هذه المعالجة خصائص المواد من خلال خلق تدرج صلابة داخل كل مكون لتلبية المتطلبات الوظيفية المختلفة. وتُطبّق عادةً كإحدى المراحل النهائية في عملية التصنيع.

تُركز هذه العملية على تقوية الطبقة الخارجية للمادة، وخاصةً الفولاذ، لمقاومة التآكل بفعالية. وفي الوقت نفسه، تُوفر الطبقة الداخلية الأكثر ليونة المتانة ومقاومة الصدمات اللازمتين. ومن خلال تقوية السطح فقط بشكل انتقائي، يمكن للمكونات الاستفادة من مقاومة مُحسّنة للتآكل دون المساس بالقوة والمتانة الإجمالية للقطعة.

يعتمد المبدأ الأساسي لتصلب السطح على تغيير البنية الدقيقة وتركيب سطح المادة من خلال طرق مختلفة، مثل المعالجة الحرارية، والتعديل الكيميائي، والتشوه الميكانيكي. غالبًا ما تتضمن هذه التقنيات تسخين السطح إلى نطاق درجة حرارة محدد، يليه تبريد سريع أو إخماد لتحويل الطبقة الخارجية إلى طبقة أكثر صلابة ومقاومة للتآكل، مع الحفاظ على اللب الأكثر ليونة ومرونة.

طرق تصلب الأسطح الشائعة

الكربنة

• تعبئة الكربنةتتضمن هذه العملية وضع القطعة في حاوية فولاذية مملوءة بمركب غني بالكربون، مثل الفحم أو فحم الكوك، مع كربونات تعمل كمنشطات. تُسخّن الحاوية إلى درجات حرارة تتراوح بين 925 و955 درجة مئوية، مما يُعزز إطلاق أول أكسيد الكربون، الذي ينتشر على سطح الفولاذ.
• كربنة الغازفي هذه الطريقة، يُسخّن الجزء في فرن يحتوي على غاز غني بالكربون، مثل أول أكسيد الكربون، أو ثاني أكسيد الكربون، أو الميثان، أو البروبان. يسمح التكرير بالغاز بتحكم أفضل في محتوى الكربون، ويُستخدم غالبًا للإنتاج المستمر واسع النطاق.
• التكرير السائلتتطلب هذه التقنية غمر القطعة في حوض من الأملاح المنصهرة الغنية بالكربون، مثل سيانيد الصوديوم، أو سيانيد الباريوم، أو سيانيد الكالسيوم، عند درجات حرارة تتراوح بين 815 و980 درجة مئوية. يُدخل الكربنة السائلة الكربون والنيتروجين إلى السطح، مما يزيد من صلابته، وعادةً ما تكون أسرع من طرق الكربنة الأخرى. ومع ذلك، تُستخدم هذه التقنية عادةً للدفعات الصغيرة، وتتضمن أملاح سيانيد شديدة السمية.
• التكرير بالتفريغتستخدم هذه العملية المتقدمة الهيدروكربونات في فرن تفريغ عند درجات حرارة تتراوح بين 815 و1090 درجة مئوية، مما يسمح بتحكم دقيق في عملية الانتشار ودورات التكرير. ينتج عن التكرير بالتفريغ عادةً تصلبًا موحدًا وعالي الجودة، بعمق طبقة مكربنة يتراوح بين 75 ميكرومتر و1.5 مم، وصلابة سطحية تتراوح بين 50 و63 HRC.

نيترة

• النترتة الغازيةفي هذه العملية، يُصلَّب سطح المعدن عند درجات حرارة تتراوح بين 480 و590 درجة مئوية في جوٍّ من الأمونيا. تُحدِّد مدة العملية عمق العلبة، وهي مناسبةٌ بشكلٍ خاصٍّ لتحسين مقاومة التعب والدقة.
• النترتة في حمام الملح:يتم غمر المادة في حمام سائل يحتوي على ملح قائم على النيتروجين، وعادة ما يكون ملح السيانيد، والذي يضيف أيضًا الكربون (النيتروجين)، في درجات حرارة تتراوح بين 510 درجة مئوية و570 درجة مئوية.
• نيترة البلازماتُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم النترتة الأيونية، وتستخدم مجالًا كهربائيًا لتأين النيتروجين عند درجات حرارة تتراوح بين 340 و565 درجة مئوية. تتيح النترتة البلازمية التحكم الدقيق في البنية الدقيقة للنترتة، ويمكن إجراؤها مع أو بدون تكوين طبقة مركبة.

نيترة الكربونات

• كربونات الغازتُجرى هذه العملية في فرن ذي جو غازي من الأمونيا الممزوجة بالهيدروكربونات عند درجات حرارة تتراوح بين 760 و870 درجة مئوية. يُعدّ كربونات الغاز مناسبًا جدًا للإنتاج الضخم للمكونات الصغيرة.
• النترتة الكربونية السائلةتُعرف هذه الطريقة أيضًا باسم السيانيد، وتستخدم حمام ملح السيانيد لإضافة الكربون والنيتروجين. وهي عملية سريعة وفعالة تُنتج قشرة رقيقة وصلبة (0.254-0.762 مم) أكثر صلابة من تلك الناتجة عن عملية الكربنة.
• النترتة الفريّة:يتم إجراء هذه العملية في درجات حرارة منخفضة (565-675 درجة مئوية) حيث يظل التركيب الدقيق للفولاذ في حالة فيريت، مما يقلل التشوه وينتج طبقة صلبة رقيقة للغاية (2.5-25 ميكرون) ذات صلابة أقل (40-60 HRC).

تصلب التحويل

• تصلب التعريفيتعتمد هذه الطريقة على الحث الكهرومغناطيسي لتسخين سطح المعدن بسرعة باستخدام ملفات نحاسية مصممة خصيصًا تحمل تيارًا مترددًا. ثم تُبرّد المنطقة المسخنة فورًا بالماء أو الزيت أو سائل بوليمري لتكوين المارتنسيت. يُحدث التصلب بالحث تأثير تصلب موضعي، مما يسمح بتصلب مناطق محددة من القطعة مع بقاء باقي القطعة طرية وصلبة.
• إخماد اللهبفي هذه العملية، يُسخّن سطح المعدن إلى درجة حرارة الأوستنيت باستخدام لهب مباشر (عادةً من مشعل أوكسي أسيتيلين أو أوكسي بروبان)، يليه إخماد سريع، عادةً في الماء. يُعدّ الإخماد باللهب طريقةً بسيطةً نسبيًا لتصلب الفولاذ عالي الكربون (عادةً ما يحتوي على 0.4-0.6% كربون)، مما يُنتج طبقات مُخمّدة يتراوح سمكها بين 0.1 مم و6 مم، ويُنتج أغلفة يصل عمقها إلى ربع بوصة.

تصلب الليزر

التصلب بالليزر هو عملية معالجة حرارية تستخدم شعاع ليزر عالي الطاقة لتسخين الطبقة السطحية لمادة معدنية بسرعة فوق درجة حرارتها الحرجة. يؤدي هذا إلى تكوين مارتنسيت صلب خلال عملية التبريد اللاحقة، والتي تحدث عادةً عن طريق التبريد الذاتي نتيجةً للتوصيل الحراري إلى المادة الأبرد. لا يحدث ذوبان أثناء التصلب بالليزر.

تصلب الترسيب

تزيد عملية التصلب بالترسيب من قوة السبيكة عن طريق تكوين محلول صلب فائق التشبع، مما يُحفّز ترسيب الجسيمات الدقيقة داخل المصفوفة. تُستخدم هذه العملية عادةً في سبائك الألومنيوم والنيكل والتيتانيوم.

أطلق عليه الرصاص بينينج

الصقل بالخردق هو طريقة ميكانيكية لتصلب الأسطح، تتضمن قصف السطح بجسيمات صغيرة صلبة لإحداث إجهادات ضاغطة متبقية، مما يُحسّن مقاومة التعب. تُستخدم هذه العملية عادةً للنوابض والتروس وغيرها من المكونات المعرضة لأحمال دورية.

العمل الباردة

المعالجة الباردة هي طريقة ميكانيكية أخرى تُصلّب السطح عن طريق التشوه البلاستيكي عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة إعادة تبلور المادة. تزيد هذه العملية من كثافة الخلع وصقل الحبيبات، مما يؤدي إلى تحسين صلابتها ومتانتها.

المواد التي تخضع عادة لتصلب السطح

• الفولاذ منخفض الكربون (الفولاذ المعتدل)الفولاذ منخفض الكربون، الذي يحتوي على نسبة تتراوح بين 0.05% و0.3% كربون، مناسبٌ بشكلٍ خاص لعمليات تقوية الأسطح مثل الكربنة والنترتة. يسمح محتوى الكربون المنخفض للمادة بالحفاظ على نواة ناعمة ومرنة أثناء تقوية السطح.
• معدن الكربون المتوسطتُعتبر الفولاذات التي تتراوح نسبة الكربون فيها بين 0.3% و0.6% فولاذاً متوسط ​​الكربون. توفر مستويات الكربون العالية محتوى كافياً للتصلب بالتحول الطوري، مما يجعلها مرشحة مناسبة لمعالجات التصلب بالحث واللهب.
• سبائك الصلبتحتوي سبائك الفولاذ على عناصر سبائك إضافية إلى جانب الكربون، مثل الكروم والنيكل والموليبدينوم. يمكن تقوية سطح هذه الفولاذ بطرق مختلفة، بما في ذلك الكربنة، والنترتة، والتصلب بالحث، والتصلب بالليزر. تؤثر عناصر السبائك المحددة على قابلية تصلّب الفولاذ واستجابته لتقنيات التصلب السطحي المختلفة.
• فولاذ مقاوم للصدأيمكن الاستفادة من التصليد السطحي لكلٍّ من الفولاذ المقاوم للصدأ من النوعين الأوستنيتي والمارتنسيتي. وتُستخدم عادةً طرق النترتة والكربونات والتصليد الحثي لزيادة صلابة سطح الفولاذ المقاوم للصدأ ومقاومته للتآكل مع الحفاظ على خصائصه المقاومة للتآكل.
• حديد الزهريمكن معالجة أنواع مختلفة من الحديد الزهر، مثل الحديد الرمادي والحديد المطاوع، سطحيًا لتحسين مقاومتها للتآكل ومتانتها. تُعد عمليات الكربنة، والنيتريد بالملح، والتصلب بالحث خيارات معالجة فعّالة لمكونات الحديد الزهر.
• الامونيومعلى الرغم من أن عملية النترتة ليست شائعة كعملية تصلب أسطح المواد الحديدية، إلا أن الألومنيوم قابل للمعالجة بالنترتة. إضافةً إلى ذلك، بعض سبائك الألومنيوم قابلة للتصلب بالحث، مما يُحسّن خصائص سطحها لتطبيقات مُحددة.
• التيتانيوميمكن تصلب سطح التيتانيوم وسبائكه من خلال النترتة، التي تُدخل النيتروجين إلى الطبقة السطحية. كما تُطبّق طرق التصلب بالحث والليزر لتصلب سطح سبائك التيتانيوم، وذلك وفقًا للمتطلبات الخاصة.
• الفاناديوم عنصر فلزيالفاناديوم، المستخدم غالبًا كعنصر سبائك في الفولاذ، يمكن تقويته سطحيًا من خلال عمليات النترتة. تؤدي نترتة الفولاذ المحتوي على الفاناديوم إلى تكوين رواسب نيتريد الفاناديوم الصلبة، مما يُسهم في زيادة صلابة السطح ومقاومته للتآكل.