سمانتاسیون یا کربورایزینگ

      سمانتاسیون یا کربورایزینگ، از پرکاربردترین و متداول‌ترین روش‌های سخت کاری سطحی فولاد می‌باشد، که در واحد عملیات‌ حرارتی  گروه صنعتی مبتکران با درصد نفوذ بالا و یکنواختی مناسب انجام می‌پذیرد. واحد آموزش و مشاوره گروه صنعتی مبتکران در این مقاله انواع فرآیند، انواع روش ها و مزیت‌های این عملیات حرارتی را بررسی نموده است. چنان‌چه قصد دارید اطلاعات بیشتری در مورد این فرآیند کسب کنید، در ادامه این مطلب با ما همراه باشید.

سمانتاسیون چیست؟

سمانتاسیون یا کربورایزینگ که با نام کربوراسیون نیز شناخته می‌شود، یکی‌ از روش‌ های سخت‌ کاری سطحی می‌باشد که در دسته بندی روش‌های سخت‌کاری‌سطحی نفوذ ترموشیمیایی جای می‌گیرد. دراین‌ روش، سخت‌کاری به وسیله نفوذ کربن به سطح فولاد و افزایش درصد کربن برروی سطح قطعه فولادی انجام می‌شود.

 سخت کاری فولاد با کربن

در صنعت در بسیاری از موارد نیاز است تا قطعاتی داشته باشیم که سطحی سخت و مقاومت به فرسایش بالا داشته باشند. در عین این که باوحود سختی مناسب سطح، از چقرمگی و مقاومت داینامیکی بالایی نیز بهره ببرند. درموارد این چنینی معمولا به سراغ سخت کاری سطحی می‌رویم.

همانطور که در مقاله سخت کاری سطحی به آن اشاره شد، این نوع سخت کاری نوعی عملیات حرارتی می‌باشد که در طی آن خواص مکانیکی فولاد به ویژه سختی آن بهبود پیدا میکند. پس از انجام فرآیند های سخت کاری سطحی، سختی سطح بهبود و مقاومت‌به‌سایش افزایش پیدا می‌کند. درعین اینکه چقرمگی و مقاومت به فشار داخلی قطعه نیز حفظ خواهد شد. حال باید به این موضوع توجه داشت که یکی از انواع روش های سخت‌کاری سطحی فولادها، عملیات حرارتی کربن دهی می‌باشد.

فرآیند سمانتاسیون

در فرآیند سمانتاسیون در دمای آستنیته فولاد (که به طور معمول بین 870 تا 930 درجه می‌باشد) به سطح فولاد کم کربن، کربن اضافه می‌گردد. بدین صورت که ابتدا قطعه فولاد کم کربن در معرض مواد کربن‌ده (اتمسفر، حمام‌نمک‌ و اجزای جامد) قرار می‌گیرد. سپس قطعه فولادی در دمای بالا تا حدود 930 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود. قطعه فولادی گرمادیده در این دما (دمای آستنیته) ساختار آستنیتی پایداری دارد که حلالیت کربن درآن بالاست. بدین ترتیب کربن‌ اتمی از ماده کربن‌ ده آزاد شده و به سطح قطعه فولادی نفوذ می‌کند.

در ادامه فرآیند سمانتاسیون، قطعه به سرعت کوئنچ می‌شود و یا در دماهای پایین‌تری فرآیند خنک کردن آن انجام می‌پذیرد. سپس، غلظت کربن بالا در سطح خارجی، به وسیله استحاله فاز از آستنیت به مارتنزیت تغییر پیدا کرده و سخت می‌گردد. در عین اینکه چقرمگی مناسب داخلی نیز خواهیم داشت. پس از انجام این فرآیند  قطعه‌ای حاصل می‌شود که سطح آن از فولاد‌پرکربن تشکیل شده و مغزی آن را فولاد کم کربن تشکیل می‌دهد.

سمانتاسیون فولاد

سمانتسیون روشی برای افزایش کربن فولاد پایه

پس از انجام فرآیند سمانتاسیون، میزان کربن سطح فولاد به 0.8 تا 1.2% افزایش می‌یابد. این مقدار در ترکیب شیمیایی فولاد پایه در حدود 0.2 % می‌باشد. این فرایند بر روی فولادهای سمانته و یا فولادهایی که درصدکربن پایین و  فاقد عناصر آلیاژی در آنالیز خود می‌باشند انجام می‌گردد. همچنین باید توجه داشت عمق نفوذ کربن با بالارفتن دما و همچنین طولانی تر شدن این فرآیند افزایش پیدا می‌کند.

سمانتاسیون یکی از انواع روش‌های سخت کاری سطحی فولادها می‌باشد . قابل ذکر است روش های انجام سختکاری سطحی بسایر متنوع می‌باشد که بر حسب نیاز یکی از این روش‌ها به کار گرفته می‌شود. بنابراین اگر که به فرآیند سخت کاری سطحی علاقه مندید، می‌توانید مقاله سخت کاری سطح را نیز از طریق لینک زیر مطالعه نمایید.

سخت کاری سطحی

روش های سمانتاسیون |  انواع روش‌ های کربورایزینگ

عمده روش های سمانتاسیون عبارت اند از:

• کربورایزینگ جامد یا جعبه ای
• کربورایزینگ مایع یا حمام نمک
• کربورایزینگ خلا
• کربورایزینگ پلاسما
• کربورایزینگ گازی

درروش‌های کربورایزینگ گازی ،کربورایزینگ خلا و پلاسما کربن به وسیله اتمسفر ،در روش حمام نمک از طریق مایع و درروش کربوراسیون جعبه ای یا همان جامد از طریق اجزای جامد تامین می‌شود.

فرآیند سمانتاسیون

سمانتاسیون جامد یا پودری

در این روش، در یک جعبه از جنس فولاد نسوز قطعات فولادی به همراه اجزا جامد کربن‌ده که در بیشتر موارد ذغال‌چوب و یک ماده انرژی زا است قرار می‌گیرند. نحوه قرار گیری قطعات فولادی در کنار یک دیگربه نحوی است که فاصله بین قطعات در حدود 50 میلی‌متر باشد. شرط لازم وکافی برای انجام کربوراسیون جامد آن است که محتویات درونی جعبه با اتمسفر محیط خارجی کمترین تبادل را داشته باشد.

برای جلوگیری از تبادل هوای درون جعبه با اتمسفر محیط بیرون، در جعبه را با مواد عایق نسوز طوری می‌بندند که کمترین تبادل هوا را با محیط خارج داشته باشد. علت اینکه سعی داریم از تبادل اتمسفر درون جعبه با محیط خارجی جلوگیری کنیم آن است که ورود اکسیژن به داخل جعبه  و به طور کلی تبادل هوا با محیط خارج موجب دکربونیزه شدن قطعات فولادی می‌شود .دکربونیزه شدن قطعات فولادی باعث می‌شود تا راندمان فرآیند سمانتاسیون کاهش پیدا کند و به ضخامت مناسب کربن در سطح دست پیدا نکنیم.

پس از آنکه از تبادل هوا با محیط خارجی جلوگیری به عمل آمد، جعبه‌فولادی تا دمای کربن‌دهی که حدود 870 تا 930 درجه می‌باشد حرارت داده می‌شود. بسته به ضخامت کربن مورد نظر در سطح فولاد، قطعات فولادی در این دما یعنی دمای کربن دهی تا زمان مشخصی نگه داری می‌شوند. با افزایش زمان و یا دمای کربن‌دهی ،ضخامت لایه کربن سطحی و عمق نفوذ کربن در فرآیند سمانتاسیون فولاد افزایش می‌یابد. همچنین نقش ماده انرژی زا در این روش افزایش نرخ کربن دهی می‌باشد. یکی از این مواد انرژی زا که استفاده از آن مرسوم است باریم کربنات است.

واکنش های انجام شده در فرایند سمانتاسیون جامد

عامل اصلی کربن دهی در کربوراسیون پودری، گاز منواکسید کربن یا همان co  می‌باشد. گاز co  براساس واکنش اکسیژن محبوس در جعبه به‌همراه ذرات کربن‌ ده ایجاد می‌شود.واکنش شیمایی صورت گرفته به این صورت خواهد بود :

واکنش اول در سمانتاسیون جامد

سپس منواکسیدکربن ایجاد شده، کربن اتمی را به سطح قطعه فولادی انتقال می‌دهد. به این صورت که این گاز، در سطح قطعه فولادی تجزیه شده (در حضور آهن به عنوان کاتالیزور) و کربن اتمی در سطح فولاد تولید می‌شود.

واکنش دوم در سمانتاسیون جامد

در نهایت کربن اتمی تولید شده بر روی سطح فولاد (در طی واکنش تجزیه کربن مونواکسید) به علت گرم شدن قطعات فولادی در دمای کربن دهی، به صورت بین نشینی در فولاد نفوذ میکند. پس از آنکه عملیات حرارتی سمانتاسیون به اتمام رسید، برحسب خواص مکانیکی مورد نظر می‌توان قطعات فولادی را به سرعت و یا در دماهای پایینتر کوئنچ نمود.

کربن دهی مایع | کربوراسیون در مواد مذاب

کربن دهی مایع نسبت به روش پودری، به‌ صرفه‌تر و سریع‌‌تر انجام می‌گردد. علت آن این است که در این روش جهت کربن دهی فولاد از مخلوط نمک‌های مذاب با ظرفیت حرارتی بالا استفاده می‌شود. بالا بودن ظرفیت حرارتی مخلوط نمک های مذاب موجب می‌شود تا انتقال حرارت از مخلوط مایع به قطعه سریعتر و یک نواخت‌تر انجام بپذیرد.

همانطور که به آن اشاره شد، کربن دهی مایع در مخلوطی از نمک های مذاب صورت می‌پذیرد. این مخلوط به طور معمول از ترکیب نمک‌های سدیم سیانید، سدیم کربنات، سدیم کلرید یا باریم کلیرید تشکیل می‌شود.

کربوراسیون مایع به چه صورت انجام میشود؟

مخلوط نمک‌های مذاب را در بوته‌های نسوز ذوب و در گستره دمایی 870 تا 930 درجه سانتیگراد نگه می‌دارند.سپس بسته به عمق نفوذ مورد نیاز ،قطعات فولادی مورد نظر برای کربن دهی را توسط سیم‌های فلزی در مخلوط مواد مذاب بین 5 دقیقه تا یک دقیقه غوطه ور نگه می‌دارند. هرچقدر زمان غوطه ور بودن قطعات فولادی در مواد مذاب بیشتر باشد عمق نفوذ افزایش  پیدا می‌کند.

در کربن دهی‌ مایع نیز مانند کربن دهی پودری ،کربن اتمی به وسیله تجزیه منواکسید کربن تامین می‌گردد. به این صورت که در این فرآیند، سدیم سیانید مخلوط در  مایع مذاب، با اکسیژن ترکیب شده و طبق واکنش زیر سدیم سیانات تولید می‌شود.

واکنش سدیم سیانید در کربورایزینگ مایع

سپس سدیم سیانات حاصله از واکنش قبلی در سطح قطعه فولادی تجزیه می‌شود و نیتروژن و منواکسید کربن حاصل می‌شود.

تجزیه سدیم سیانات در نیتراسیون

درانتها CO  به  CO2 و کربن اتمی تجزیه شده و کربن اتمی حاصل شده به صورت بین نشینی در سطح قطعه نفوذ می‌کند.

تجزیه کربن مونوکسید در نیتراسیون مایع

قابل ذکر است کربن دهی مایع یکی از انواع روش‌های سخت کاری فلزات است که در واحد عملیات حرارتی گروه صنعتی مبتکران انجام می‌پذیرد. به منظور کسب اطلاعات بیشتر می‌توانید جهت برخورداری از مشاوره رایگان در جهت انجام انواع عملیات حرارتی با شماره 67231000-021 تماس حاصل نمایید.

فرآیند کربوراسیون گازی

در کربوراسیون گازی نیز مانند سایر روش‌های سخت کاری با کربن، ابتدا فولاد کم کربن را در دمای آستنیته که از 870 تا 930 درجه سانتیگراد متغیر است قرار می‌دهیم. فرآیند حرارت دهی در محیطی انجام می‌شود که شامل گاز یا گازهایی باشد که بتواند کربن اتمی تولید کرده و در سطح فولاد یا قطعه فولادی تجزیه شود.

این محیط‌ گازی که تامین‌کننده شیب کربن نفوذی به سطح فولاد است، می‌تواند شامل هیدروکربن‌‌هایی نظیر گاز طبیعی (متان)، اتان، پروپان و بوتان باشد که با یک گاز اندوترمیک موسوم به گاز حامل ترکیب شده‌اند. گاز طبیعی یا همان متان مرسوم‌ترین هیدروکربنی می‌باشد که تشکیل دهنده اتمسفر کوره کربورایزینگ است.

ولی با توجه ماهیت شیمیایی متان و اینکه این گاز در دسته هیدروکربن‌ها جای می‌گیرد، اگر که به تنهایی در کوره کربورایزینگ استفاده شود دوده تولید می‌کند. دوده ایجاد شده مانع از نفوذ کربن بر روی سطح قطعه فولادی خواهد شد و سبب دکربونیزه‌شدن قطعات‌ فولادی می‌گردد. یکی از علل استفاده از گاز حامل در اتمسفر کوره نیز جلوگیری از نشست دوده بر روی سطح قطعه فولادی می‌باشد.

موضوع دیگری که در طی این فرآیند باید مورد توجه قرار بگیرد این است که به منظور جلوگیری از نفوذ هوا به داخل کوره کربورایزینگ، در حین کربن‌دهی فشار گاز داخل کوره باید بیشتر از فشار اتمسفر باشد. درواقع فشار اتمسفر کوره کربن دهی باید مثبت باشد. بعد از آنکه به غلظت کربن مناسبی بر روی سطح قطعه فولادی رسیدیم، میتوانیم فرآیند کوئنچ را بر روی قطعه انجام دهیم. بسته به آنالیز قطعه فولادی، بعد از انجام فرآیند کوئنچ به سختی و عمق مناسب در قطعه دست پیدا خواهیم‌کرد.

  در این مقاله بررسی کردیم که سمانتاسیون یکی از انواع روش‌های عملیات حرارتی است که بسته به کاربرد و نیاز می‌تواند بر روی قطعات فولادی که نیاز به سخت کاری سطحی دارند انجام شود.  این عملیات حرارتی با  یکنواختی سختی مناسب همچنین عمق نفوذ بالای کربن در واحد عملیات حرارتی مبتکران صورت می‌پذیرد. از آنجایی که انتخاب بهترین روش سخت کاری سطحی تاثیر بسازایی در صرفه جویی زمان و هزینه تمام شده این فرآیند دارد، واحد آموزش ‌و‌مشاوره گروه صنعتی مبتکران آماده است تا یاری رسان شما عزیزان در زمینه انتخاب بهترین فرآیند عملیات حرارتی باشد.