عملیات سطحی برای بهبود خواص فولاد-فروش انواع استیل و فولاد آلیاژی
عملیات سطحی برای بهبود خواص فولاد
عملیات سطحی برای بهبود
در عملیات سطحی و پوشش ها نمی توانند از ابزارها و قالب هایی که دارای طراحی ضعیف هستند. به درستی عملیات حرارتی نشده اند. و یا جنس آنها مناسب نیست، محافظت نمایند و دیگر عیوب فولاد را بپوشانند.
پوشش های سطحی باید یک زیرکار صلب و محکم به عنوان تکیه گاه داشته باشند. همچنین باید نوع فولادی که به عنوان یک زیر کار (Substrate) انتخاب می شود، مناسب باشد. مثلاً اگر ابزار در معرض ضربه است و باید چقرمه باشد، باید از فولاد و هم روش عملیات یا پوششی سطحی با دقت انتخاب شوند. مزایای استفاده از یک ابزار خوب عبارتند از:
- یک روند تولید طولانی و بدون وقفه
- کاهش نگهداری و تعمیر ابزار و قالب
- کاهش مصرف مواد روانکاو
- افزایش عمر ابزار و کارآیی آن
- تولید قطعات با کیفیت بالاتر
برای بهبود هرچه بیشتر توان کاری یک ابزار. مثلاً کاهش سایش در قالب ها، کاهش نیاز به مواد روانکاو و محافظت از سطزح ابزارها، لازم است. عملیات سطحی یا پوشش های سطحی (نظیر آبکاری کروم، نیتراسیون، یونی، نفوذ حرارتی و غیره). بر روی ابزارها و قالب ها اجرا گردد.
عملیات سطحی نباید بر روی قطعاتی که دارای عیوب ساختاری هستند و با دقت ساخته نشده اند، انجام شوند. زیرا این عملیات نمی تواند اینگونه عیوب و ضعفها را بر طرف کند. حتی ممکن است اجرای عملیات سطحی به تشدید عیوب در یک قطعه منجر شود. و به علاوه زمان و پول نیز به هدر خواهد رفت. عملیات سطحی باید بر روی ابزارهایی که از فولادهای مرغوب تولید شدند و شرایط ساخت بهینه ای داشته اند، انجام شود.
یک ریزساختار محکم
خواص فولاد مورد استفاده در یک قالب یا ابزار، که زیرساخت عملیات سطحی آن نیز محسوب می شود. در عمر کار آن بیشترین تأثیر را دارد. بنابراین برای اینکه یک زیرساخت، بتواند پایه ای مناسب برای اجرای عملیات یا پوشش های سطحی باشد، باید کیفیت های زیر را احراز کند:
- دارای طراحی خوبی باشد، یعنی حتی المقدور عاری از فرمهای تنش زا باشد. تا در عملیات حرارتی یا به هنگام تولید دچار ترک و خرابی زودرس نشود.
- از فولاد مناسبی تولیدی و سطح سختی آن نیز متناسب با نوع فولاد و کاربر ابزار باشد. تا بتواند خواص فیزیکی و متالورژیکی مورد انتظار را بر آورده کرده و حداکثر کارآیی را از خود نشان دهد.
- به هنگام عملیات حرارتی، دقت و توجه کافی، به جنبه های مختلف این عملیات شده باشد. تا علاوه بر سختی، دیگر خواص فیزیکی و متالورژیکی مورد نیاز در آن ایجاد گردد.
بسیاری از ابزارها و قالب ها به دلیل وجود عیوب حاصل از طراحی نامناسب. عملیات حرارتی ضعیف و انتخاب فولاد نامناسب، به هنگام تولید خیلی زود از بین می روند. البته تجربه نشان داده است که علت اصلی این عیوب، عملیات حرارتی نامناسب بر روی فولاد بوده است. عدم توانایی در حفظ ترکیب شیمیایی سطح فولاد به هنگام گرم کردن، کوئنچ کردن فولاد در حالی که هنوز به قدر کافی گرم نشده است.
عملیات سطحی برای بهبود
عملیات تمپرینگ ناکافی و گرم کردن بیش از حد فولاد برای سخت کاری از جمله این علل هستند. بنابراین بدون در نظرگیری اینکه عملیات سطحی می تواند بر کیفیت مقاومت سایشی فولاد بیفزاید. باید ابزار فولاد با دقت و حوصله و در شرایط بهینه عملیات حرارتی شود.
1.کربن دهی
کربن دهی (Carburizing) باعث می شود که میزان کربن در سطح فولاد افزایش یابد. برای اینکار، ابزار فولادی را در دمایی معادل 927 درجه سانتی گراد در معرض یک ماده پر کربن (جامد، مایع یا گازی) قرار می دهند. تا کربن به سطح فولاد نفوذ کند. پس از کربن دهی، ابزار فولادی باید کوئنچ شود. بدین ترتیب سطح فولاد که کربن بیشتری دارد، سخت تر از عمق ان خواهد شد و مقاومت سایشی ابزار افزایش خواهد یافت.
2. نیتراسیون گازی
در عملیات نیتراسیون گازی (Gas nitriding)، قطعه کار در یک کوره با اتمسفر گاز به مدت طولانی حرارت دهی می شود. بدین ترتیب در ضخامت کمی از سطح فولاد، نیتریدهایی تشکیل می شود که خیلی سخت هستند. ابزارهای نیتروره شده، مقاومت سایشی فوق العاده ای دارند و سطح آنها کم اصطکاک است. به طوری که از چسبندگی و جوش خوردگی آنها به قطعات مجاور جلوگیری می شود. خصوصاً در مواردی که سایش فلز بر روی فلز مطرح باشد. استفاده از نیتراسیون مفید خواهد بود مقاومت در برابر خستگی ابزارهایی که نیتروره می شود نیز بالا است.
3. سیانوره کردن یا غوطه ور کردن فولاد در حمام سدیم سیانید در محدوده دمایی کمی بالاتر از دمای تبدیل ساختاری فولاد انجام می شود. انتخاب دمای حمام بستگی به گرید فولاد دارد. با توجه به نیتریدها در این حمام، یک لایه سطحی بسیار سخت بر روی ابزار فولادی به وجود می آید. که مقاومت سایشی خیلی زیادی (نزدیک به مقاومت سایشی فولادهای نیترورهه شده9 خواهد داشت.
عملیات سطحی برای بهبود
4. کربونیزاسیون
کربونیزاسیون که سیانوره کرده گازی نیز نامیده می شود. شبیه به عملیات سیانوره کردن است. با این تفاوت که هم کربن و هم نیتروژن به سطح فولاد نفوذ می کنند. قطعه کار در یک کوره که اتمسفر آن حاوی هیدروکربن ها و آمونیاک است. قطعات پس از کربونیزاسیون، کوئنچ و تمپر می شوند. و یک سطح سخت و مقاوم در برابر سایش پیدا می کنند.
5. سختکاری شعله ای
در عملیات سختکاری شعله ای سطح ابزار در معرض یک شعله مستقیم و پر حرارت ناشی از سوخت گاز قرار می گیرد. و دمای آن به سرعت به بالاتر از محدوده تبدیل ساختاری می رسد. سپس ابزار سرد می شود. سرعت سرد کردن باید به نحوی باشد که سختی مورد نظر در سطح فولاد به وجود آید. این عملیات، تغییری در ترکیب شیمیایی سطح فولاد ایجاد نمی کند. بلکه باعث می شود سختی سطح آن بیشتر از سختی عمق آن می گردد. سختی بیشتر سطح باعث افزایش مقاومت سایشی خواهد شد.
6.آبکاری گرم
آبکاری گرم یک عملیات پوشش دهی الکترولیتی است که در دمای پایین، تقریباً 600 درجه سانتی گراد انجام می شود. و طی آن، یک لایه نازک کروم بر روی سطح ابزار فولادی رسوب می کند. لایه کروم، همه سطوح ابزار را می پوشاند. و در صورتی که از ابزارهای با پوشش کروم به خوبی نگهداری شود. مقاومت سایشی خیلی خوب خواهند داشت. اصطکاک پوشش کروم پایین است و ایجاد آن بر روی قالب های کشش باعث ایجاد جریان مواد فلزی بر روی سطوح تخت می شود.
7. رسوب دهی بخار فیزیکی یا PVD
PVD یک روش ایجاد پوشش های سخت بر روی ابزارها در خلاء و دمای پایین است. ابزارها در راکتور دستگاه قرار می گیرد و محفظه راکتور از هوا تخلیه می شود. تا در آن خلاء نسبی به وجود آید. با تخلیه الکتریکی و تشکیل پلاسمای حاوی یونهای تیتانیم و نیتروژن می توان یک پوشش TiN به روش PVD بر روی ابزارها نشاند. تیتانیم در اثر فرایندهای تبخیر واکنشی فعال و پاشش واکنشی به وجود می آید. انرژی مورد نیاز برای ایجاد واکنش های شیمیایی مورد نیاز از طریق یک میدان الکتریکی پر انرژی تأمین می شود.
سطوحی که باید پوشش کاری شوند در راستای منبع ایجاد پوشش قرار می گیرند. برای این منظور، ابزارها باید درون محفظه راکتور قرار گیرند. چنانچه قسمت هایی از ابزار نیاز به پوشش کاری نداشته باشد. باید با استفاده از ماسک مخصوص آن قسمت ها را جدا پوشاند. با روش PVD می توان از جنس تیتانیم نیترید، تیتانیم کربونیترید، کروم نیترید و کروم پوشش روی ابزار ایجاد کرد. ضخامت پوشش های PVD تقریب 0.00008 – 0.00020 in میباشد.
عملیات سطحی برای بهبود
با توجه به این که عملیات PVD در دمای پایین (دمایی به مراتب پایین تر از محدوده تمپرینگ اغلب فولادها) انجام می شود. لازم نیست عملیات حرارتی دیگری بر روی ابزار انجام شود. پوشش دهی ابزارهایی که تلرانس ابعادی دقیقی دارند. به روش PVD نسبت به روش CVD ارجحیت دارد. روش PVD برای پوشش کاری ابزارهای برشی استفاده می شود.
8. رسوب دهی بخار شیمیایی یا CVD
روش پوشش دهی CVD در حال حاضر رایج ترین فرایند برای بهبود کیفیت سطوح ابزارها، در بین تولیدکنندگان است. در این روش قطعه کار درون محفظه یک راکتور قرار می گیرد و حرارت دهی می شود. گازهای موجود در فضای راکتور شامل عناصری هستند که باید به صورت پوشش بر روی ابزار رسوب کنند. این گازهای تحت شرایط کنترلی به راکتور وارد می شوند. ضخامت پوشش CVD خیلی کم است. با این روش می توان پوشش هایی از جنس Al203,TiN,TiC,TiN و گاهی چند لایه مختلف از این مواد را بر روی ابزار به وجود آورد. پوشش CVD مخصوصاً برای ابزارهایی مناسب است که در معرض تنش های فشار سنگین قرار می گیرند. مانند قالب های اکستروژن، فرم دهی و کشش.
عملیات سطحی برای بهبود
با توجه به دمای بالا به هنگام پوشش دهی CVD لازم است. ابزارهای فولادی پس از پوشش کاری مجدداً عملیات حرارتی شوند تا سختی مورد نیاز در فولاد زیر ساخت به وجود آید. و ساختار فولاد نیز از نظر متالورژیکی بازیابی گردد.
9. نفود حرارتی
عملیات سطحی نفوذ حرارتی یک عملیات اصلاح سطوح ابزارها در دمای بالا. که باعث ایجاد یک لایهه سطحی کاربیدی بر روی مواد دارای کربن نظیر فولادها، آلیاژهای نیکل، آلیاژهای کبالت و کاربید سمانته ها می شود. میزان کربن ماده زیرساخت باید حداقل 0.30% باشد. ابزارهایی که عملیات نفوذ حرارتی بر روی آنها اجرا می شود. دارای سختی سطحی بالا و مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی می شوند و سطح آنها اثر ضد چسبندگی خواهد داشت.
برای اجرای این فرایند قطعه کار درون حمام نمک مذاب فرو برده می شود. عناصر کاربیدساز موجود در حمام نمک با اتم های کربن موجود در ماده زیر ساخت ترکیب می شود. و لایه کاربیدی را به وجود می آورند. با توجه به عناصر کاربیدساز موجود در نمک می توان لایه های کاربیدی مختلف. نظیر وانادیم کاربید، نیوبیم کاربید را بر روی سطح ابزار ایجاد کرد. پس از این عملیات قطعه کار در هوا کوئنچ و سپس تمپر می شود. فولادهایی که دمای آستنیته کردن آنها از حداکثر دمای فرآیند نفوذ حرارتی بالاتر باشد. معمولاً برای این عملیات مناسب هستند. انجام عملیات حرارتی در کوره خلاء یا حمام نمک، پس از عملیات نفوذ حرارتی ضروری است.
10. نیتروکربوه کردن فریتی
عملیات نیتروکربوره کردن فریتی یک عملیات سختکاری سطحی با عمق نسبتاً زیاد است. که می توان آن را در کوره های با اتمسفر کنترل شده و یا در کوره های با بستر روان انجام داد. لایه سخت شده بر روی ابزار به واسطه ترکیب نیتروژن، آمونیاک و گازهای هیدروکربنی با سطح ابزار ایجاد می شود. و سختی این لایه حداقل HRC 70 می باشد. که بسیار مقاوم در برابر سایش خواهد بود. این عملیات در دمای نسبتاً پایین اجرا می شود.
عملیات سطحی برای بهبود
در صورتی که این فرایند به صورت نرمال انجام شود. ضخامت لایه سخت شده 0.13 -0.08 خواهد بود. با اجرای سیکل دو مرحله ای ضخامت لایه به 0.38 – 0.25 افزایش می یابد.
11. تمپرینگ برودتی عمیق (DCT)
در عملیات تمپرینگ برودتی عمیق یا DCT ابزارها و قالب ها در معرض دماهای به شدت پایین یعنی دمای نیتروژن مایع قرار داده می شوند.
تجهیزات DCT می توانند یک عملیات برودتی خشک تحت کنترل را تدارک ببینند. به عبارت دیگر این فرآیند بر اساس یک جدول زمانی دقیق از پیش تعیینی اجرا می شود. سرعت سرد کردن، نگهداری در دمای فرایند و گرم شدن قطعه کار توسط کامپیوتر کنترل می گردد.
مزیت اصلی این عملیات، بهبود مقاومت سایشی ابزارها است. این عملیات نه تنها بر روی سطح، بلکه در عمق قطعه کار نیز تأثیر دارد. بنابراین خواص ایجادی در ابزار، در اثر سنگ زنی و سایش سطح نیز از بین نمی رود. این خواص به علت تبدیل کامل آستنیت باقی مانده در فولاد به مارتنزیت. و اشباع کاربیدهای ریزدانه که باعث افزایش استحکام و چقرمگی و ثبات ابعادی نیز می شود. طبق گزارشات تهیه شده، این عملیات سطحی باعث بهبود خواص کلی همه فولادهای ابزار سختکاری شده می شود. (البته به جز فولادهای سخت شونده در آب). این فرایند بر روی ابزارهای کاربیدی، فولادهای ریخته گری شده و چدنها نیز با موفقیت اجرا شده است.
12. یون نشانی
یون نشانی عبارت است از وارد کردن اتم های عناصر آلیاژی به داخل لایه سطحی قطعات فلزی. در این فرایند؛ اتم های شتاب دهی می شوند. تا انرژی زیادی پیدا کرده و بتوانند به لایه سطحی فلز نفوذ کنند. این عمق بستگی به انرژی اتمی دارد. بدین ترتیب یک لایه نازک آلیاژی بر روی سطح قطعه کار ایجاد می شود.
یون نشانی در محیط خلاء و دمایی پایین انجام می شود. فقط در اثر تصادم اتم های پر انرژی با اتم های فلز زیرساخت، مقداری حرارت به وجود می آید. این حرارت را می توان با کنترل شدت یون نشانی کاهش داد.
اتم های آلیاژ مورد نظر به داخل سیستم یون ساز وارد می شود و در آنجا در اثر تخلیه الکتریکی به یون تبدیل می شوند. اگر عنصر یون ساز به صورت گاز باشد (همانند نیتروژن) گاز پس از خلوص به سیستم یون ساز تغذیه می گردد. اگر این عنصر جامد باشد (همانند کروم) ابتدا باید به صورت بخار درآمده و سپس به یون تبدیل شود. برای شتاب دهی یون ها از ولتاژ بالا استفاده می شود.
یون نشانی را می توان بر روی سطوح اغلب ابزارها و مخصوصاً قالب های فرم اجرا نمود. نیتروژن رایج ترین عنصر مورد استفاده به عنوان یون می باشد. ابزارهای که یون نشانی می شود با نیتروژن دارای سطحی مقاوم در برابر سایش و با سختی بالا (80-90 HRc) است.
در قطعات یون نشانی شده اعوجاج حرارتی، ذوب موضعی و دیگر اثرات پس ماند که در عملیات حرارتی به وجود می آید، دیده نمی شود. این فرایند را نمی توان به خوبی بر روی قطعات با فرم های هندسی پیچیده اجرا کرد.
13. یون نشانی با منبع پلاسما یا PSLL
یون نشانی با منبع پلاسما یک روش جدید است که در دمای پایین اجرا می شود. و می تواند یک لایه سخت و مقاوم در برابر سایش بر روی سطوح قطعات با فرم های هندسی دارای پیچیدگی به وجود آورد. قطعه کار در یک محفظه خلاء قرار می گیرد. که در آن یک جریان پلاسما حاوی ماده پوشش برقرار شد. قطعه کار به یک منبع ولتاژ قوی پالسی با بار منفی وصل می شود. در نتیجه یونها که با مثبت دارند. با طرف سطح قطعه کار شتاب می گیرند. و با سرعت به آن برخورد می کنند. نفوذ یونها به داخل لایه سطحی باعث تغییرات شیمیایی و ریزساختاری در فولاد، متناسب با نوع یون جذب شده می شود.
روش Psll در واقع یک نوعع پوشش کاری نیست، بلکه ترکیبی از بارورسازی فلز زیرساخت و یک لایه سطحی کامل شده می باشد. در واقع لایه سطحی و فولاد زیر ساخت، واحد و یکپارچه هستند. به علاوه روش Psll یک عملیات نیست بلکه ترکیبی از چند عملیات است که همگی در دمای محیط انجام می شوند.
14. نیتراسیون یونی
در عملیات نیتراسیون یونی نیز یک لایه سطحی نیتریدی سخت بر روی ابزار ایجاد می شود. در این عملیات از تخلیه الکتریکی تابشی برای تولید یون های نیتروژن. و گسیل آنها به طرف سطح برای نفوذ در قطعه فلزی استفاده می گردد. این عملیات در واقع یک فرایند حرارتی شیمیایی است. که در یک کوره خلاء و با به کارگیری انرژی الکتریکی قوی برای ایجاد یک جریان پلاسما، ایجاد می شود. جریان پلاسما باعث جدایش مولکول ها و شتاب دادن آنها به طرف سطح قطعه کار می گردد. این مولکول ها در برخورد با سطح، باعث تمیز کردن آن و به وجود آمدن نیتروژن فعال برای نفوذ در سطح می شوند. سختی سطحی حاصله در حدود 60-65 HRC خواهد بود.
لایه نیتروره شده، مقاوم به سایش، خستگی و خوردگی است و در برابر خراش نیز مقاومتی عالی دارد. در صورتی که زبری میکروسکوپی این سطح کمی بیشتر باشد، با نگهداشتن مواد روانکار در خود، سطحی لغزنده به وجود می آورد.
عملیات سطحی برای بهبود
15. رسوب دهی میکروپلاسما
رسوب دهی میکروپلاسما فرایندی برای ایجاد پوشش های سخت با ترکیبات متنوع بر روی ابزارها است. که رایج ترین این پوشش ها از جنس تنگستن کاربید و کروم کاربید هستند. این فرایند، اسپری حرارتی پلاسما نیز معروف است
در این عملیات عناصری که قرار است به عنوان پوشش استفاده شوند. به شکل پودر به داخل یک جریان پلاسمای پر سرعت وارد می شود، به فرم نیمه ذوب در می آیند. و به طرف قطعه کار شتاب می گیرد، با سرعت به سطح ابزار برخورد می کنند. در حالت عادی سختی آن (برای پوشش های تنگستن کاربید و کروم کاربید) در حدود 66 HRC می باشد.
ابزارهای پوشش داده شده به این روش، براساس نیازهای مشتری، ممکن است با سطحی مات یا پولیش شده کامل عرضه شوند. قبل از اجرای این فرایند پوشش کاری، سطح ابزار باید به روش سندبلاست با مواد خاصی، آماده سازی گردد.
16. پوشش کاری CVD به کمک پلاسما
فرایند پوشش کاری CVD به کمک پلاسما برای پوشش دهی سطوح ابزارها با کربن آمورف شبه الماس به کار می رود. همانند روش PVD در فرایند CVD به کمک پلاسما نیز از تجهیزات با خلاء زیاد استفاده می شود. این عملیات با تخلیه الکتریکی فرکانس بالا آغاز می شود. در ابتدای عملیات، فضای کوره دارای گاز آرگن است و سطح قطعه کار با تخلیه الکتریکی تمیز میشود و فعال می گردد. سپس اتمسفر کوره از آرگن تخلیه و به جای آن مخلوطی از هیدروکربنها و هیدروژن شارژ می شود. اختلاف جنبشی یون های مثبت و الکترون های منفی و اختلاف پتانسیل بین این یونها و سطح قطعه کار. باعث ایجاد یک پلاریزاسیون منفی در قطعه کار می شود. و در نتیجه یونها به سمت سطوح قطعه کار شتاب می گیرند.
میزان انرژی اعمالی در این فرایند، تعیین کننده وضعیت و کیفیت پوشش خواهد بود. اگر انرژی اعمالی کم باشد. پوشش به صورت نرم و پلیمر مانند می شود. اگر انرژی خیلی زیاد باشد. پوشش گرافیت مانند به وجود می آید. بنابراین برای ایجاد یک پوشش کربنی شبه الماس، سخت و آمورف، لازم است. که کنترل دقیقی بر روی پتانسیل DC فشارهای جزیی و شدت جریان گاز در کوره به عمل آید.
فرم هندسی ابزار نیز بر کیفیت پوشش مؤثر است. معمولاً برای هر قطعه کار با فرم خاص، از یک فیکسچر خاص باید استفاده شود. با توجه به این که عناصر جذبی در سطح قطعه کار، همگی از گازهای موجود در اتمسفر کوره جدا شدند. ضخامت پوشش نهایی بسیار یکنواخت خواهد بود. دمای اجرای این فرایند پایین است و بنابراین می توان قطعاتی از جنس آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیم. و حتی پلاستیک ها را نیز با این روش پوشش داد. توان پرتاب یونها در این فرایند به شدت و فرم هندسی تخلیه الکتریکی بستگی دارد.
عملیات سطحی برای بهبود
پوشش کربنی شبه الماس آمورف حاصل از این فرآیند دارای سختی بالا و ضریب اصطکاک بسیار پایین است. و مقاومت در برابر خوردگی بالایی در تماس با اسیدها، قلیاها و حلالها دارد.
برای پیدا کردن مکان فعالیت استیل دی بر روی کلمه (نقشه) کلید نمایید
استیل دی –Steel day
02166396590– 09922704358
آدرس دفتر مرکزی: تهران – جاده قدیم کرج – بعد از کارخانه شیرپاستوریزه – فتح سیزدهم – مجتمع پایتخت- واحد C9
ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی (با کلیک بر روی لینک های زیر به ما بپیوندید)
https://t.me/steel_day تلگرام
https://www.instagram.com/steel_day.ir اینستاگرام
https://twitter.com/MDlakan توییتر