عملیات سطحی برای بهبود خواص سطح فولاد - میهن دی ال

پوششهای سطحی باید یک زیرکار صلب و محکم به عنوان تکیه‌گاه داشته باشند. همچنین باید نوع فولادی که به عنوان یک زیرکار(Substrate)  انتخاب می‌شود، 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 روانکار
• افزایش عمر ابزار و کارآیی آن
• تولید قطعاتی با کیفیت بالاتر

برای بهبود هر چه بیشتر توان کاری یک ابزار، مثلاً کاهش سایش در قالبها، کاهش نیاز به مواد روانکار و محافظت از سطح ابزارها، لازم است عملیات سطحی یا پوششهای سطحی (نظیر آبکاری کروم، نیتراسیون یونی، نفوذ حرارتی و غیره) بر روی ابزارها و قالبها اجرا گردد.

عملیات سطحی نباید بر روی قطعاتی که دارای عیوب ساختاری هستند و با دقت ساخته نشده‌اند، انجام شوند، زیرا این عملیات نمی‌تواند اینگونه عیوب و ضعفها را برطرف 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 ساخته شده‌اند و شرایط ساخت بهینه‌ای داشته‌اند، انجام شود.

یک زیرساختار محکم

خواص فولاد به کار رفته در یک قالب یا ابزار، که زیرساخت عملیات سطحی آن نیز محسوب می‌شود، در عمر کار آن بیشترین تأثیر را دارد. بنابراین برای اینکه یک زیرساخت، بتواند پایه‌ای مناسب برای اجرای عملیات یا پوششهای سطحی باشد، باید کیفیتهای زیر را احراز کند:

دارای طراحی خوبی باشد، یعنی حتی‌المقدور عاری از فرمهای تنش‌زا باشد تا در عملیات حرارتی یا به هنگام تولید دچار ترک و خرابی زودرس نشود
از فولاد مناسبی ساخته شده و سطح سختی آن نیز متناسب با نوع فولاد و کاربرد ابزار باشد تا بتواند خواص فیزیکی و متالورژیکی مورد انتظار را برآورده کرده و حداکثر کارآیی را از خود نشان دهد

به هنگام عملیات حرارتی، دقت و توجه کافی به جنبه‌های مختلف این عملیات شده باشد، تا علاوه بر سختی، دیگر خواص فیزیکی و متالورژیکی مورد نیاز در آن ایجاد گردد.
بسیاری از ابزارها و قالبها به دلیل وجود عیوب حاصل از طراحی نامناسب، عملیات حرارتی ضعیف و انتخاب فولاد نامناسب، به هنگام تولید خیلی زود از بین می‌روند. 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 تمپرینگ ناکافی و گرم کردن بیش از حد فولاد برای سختکاری از جمله این علل هستند. بنابراین بدون در نظر گرفتن اینکه عملیات سطحی می‌تواند بر کیفیت مقاومت سایشی فولاد بیفزاید، باید ابزار فولاد با دقت و حوصله و در شرایط بهینه عملیات حرارتی شود.

کربن دهی

کربن‌دهی (Carburizing) باعث می‌شود که میزان کربن در سطح فولاد افزایش یابد. برای این کار، ابزار فولادی را در دمایی معادل 927 درجه سانتی گراد  در معرض یک ماده پرکربن (جامد،‌ مایع یا گازی) قرار می‌دهند تا کربن به سطح فولاد نفوذ کند. پس از کربن‌دهی، ابزار فولادی باید کوئنچ شود. بدین‌ ترتیب سطح فولاد که کربن بیشتری دارد، سخت‌تر از عمق آن خواهد شد و مقاومت سایشی ابزار افزایش خواهد یافت.

نیتراسیون گازی

در عملیات نیتراسیون گازی (Gas nitriding)،‌ قطعه کار در یک کوره با اتمسفر گاز به مدت طولانی حرارت داده می‌شود. بدین ترتیب در ضخامت کمی از سطح فولاد، نیتریدهایی تشکیل می‌شود که خیلی سخت هستند. ابزارهای نیتروره شده، مقاومت سایشی فوق‌العاده‌ای دارند و سطح آنها کم اصطکاک است، به طوری که از چسبندگی و جوش خوردن آنها به قطعات مجاور جلوگیری می‌شود. مخصوصاً در مواردی که سایش فلز بر روی فلز مطرح باشد، استفاده از نیتراسیون مفید خواهد بود. مقاومت در برابر خستگی ابزارهای نیتروره شده نیز بالا است.

سیانوره کردن

سیانوره کردن یا غوطه‌ور کردن فولاد در حمام سدیم سیانید در محدوده دمایی کمی بالاتر از دمای تبدیل ساختاری فولاد انجام می‌شود. 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 می‌آید که مقاومت سایشی خیلی زیادی (نزدیک به مقاومت سایشی فولادهای نیترورهه شده) خواهد داشت.

کربونیتراسیون

کربونیتراسیون 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 می‌کنند. قطعه کار در یک کوره که اتمسفر آن حاوی هیدروکربن‌ها و آمونیاک است، قطعات پس از کربونیتراسیون، کوئنچ و تمپر می‌شوند و یک سطح سخت و مقاوم در برابر سایش پیدا می‌کنند.

سختکاری شعله‌ای

در عملیات سختکاری شعله‌ای سطح ابزار در معرض یک شعله مستقیم و پر حرارت ناشی از سوختن گاز قرار گرفته و دمای آن به سرعت به بالاتر از محدوده تبدیل ساختاری می‌رسد. سپس ابزار سرد می‌شود. 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 نمی‌کند بلکه باعث می‌شود سختی سطح آن بیشتر از سختی عمق آن می‌گردد. سختی بیشتر سطح باعث افزایش مقاومت سایشی خواهد شد.

آبکاری گرم

آبکاری گرم یک عملیات پوشش دهی الکترولیتی است که در دمای پایین، تقریبا 600 درجه سانتی گراد  انجام می‌شود و طی آن، یک لایه نازک کروم بر روی سطح ابزار فولادی رسوب می‌کند. لایه کروم، همه سطوح ابزار را می‌پوشاند 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 قالب‌های کشش باعث ایجاد جریان مواد فلزی بر روی سطوح تخت می شود.

رسوب‌دهی بخار فیزیکی یاPVD

PVD یک روش ایجاد پوشش‌های سخت بر روی ابزارها در خلاء و دمای پایین است. ابزارها در راکتور دستگاه قرار داده شده و محفظه راکتور از هوا تخلیه می‌شود تا در آن خلاء نسبی به وجود آید. با تخلیه الکتریکی و تشکیل پلاسمای حاوی یونهای تیتانیم و نیتروژن می‌توان یک پوشش TiN به روش PVD بر روی ابزاها نشاند. یونهای تیتانیم در اثر فرایندهای تبخیر واکنشی فعال و پاشش واکنشی به وجود می‌آید. انرژی مورد نیاز برای ایجاد واکنشهای شیمیایی مورد نیاز از طریق یک میدان الکتریکی پر انرژی تامین می‌شود.

سطوحی که باید پوشش کاری شوند در راستای منبع ایجاد پوشش قرار داده می‌شوند. برای این منظور، ابزارها باید درون محفظه راکتور قرار گیرند. چنانچه قسمت‌هایی از ابزار نیاز به پوشش کاری نداشته باشد، باید با استفاده از ماسک مخصوص آن قسمت‌ها را جدا پوشاند. با روش PVD می‌توان از جنس تیتانیم نیترید، تیتانیم کربونیترید، کروم نیترید و کروم پوشش روی ابزار ایجاد کرد. ضخامت پوشش‌های PVD تقریب 0.00008-0.00020 in می‌باشد. با توجه به این که عملیات PVD در دمای پایین (دمایی به مراتب پایین‌تر از محدوده تمپرینگ اغلب فولادها) انجام می‌‌شود، لازم نیست عملیات حرارتی دیگری بر روی ابزار انجام شود. پوشش دادن ابزارهایی که تلرانس ابعادی دقیقی دارند، به روش PVD نسبت به روش CVD ازجحیت دارد. روش PVD برای پوشش کاری ابزارهای برشی استفاده می شود.

رسوب‌دهی بخار شیمیایی یا CVD

روش پوشش دهی CVD در حال حاضر رایج‌ترین فرایند برای بهبود کیفیت سطوح ابزارها، در بین تولیدکنندگان است. در این روش قطعه کار درون محفظه یک راکتور قرار گرفته و حرارت داده می‌شود. گازهای موجود در فضای راکتور شامل عناصری هستند که باید به صورت پوشش بر روی ابزار رسوب کنند. این گازهای تحت شرایط کنترل شده به راکتور وارد می‌شوند. ضخامت پوشش CVD خیلی کم است. با این روش می‌توان پوشش‌هایی از جنس Al2O3, TiNC, TiC, TiN و گاهی چند لایه مختلف از این مواد را بر روی ابزار به وجود آورد. پوشش CVD مخصوصا برای ابزارهایی مناسب است که در معرض تنشهای فشاری سنگین قرار می‌‌گیرند مانند قالبهای اکستروژن، فرم دادن و کشش.

با توجه به دمای بالا به هنگام پوشش دهی CVD لازم است ابزارهای فولادی پس از پوشش کاری مجددا عملیات حرارتی شوند تا سختی مورد نیاز در فولاد زیر ساخت به وجود آید و ساختار فولاد نیز از نظر متالورژیکی بازیابی گردد.

نفوذ حرارتی

عملیات سطحی نفوذ حرارتی یک عملیات اصلاح سطوح ابزاها در دمای بالا است که باعث ایجاد یک لایه سطحی کاربیدی بر روی مواد دارای کربن نظیر فولادها، آلیاژهای نیکل، آلیاژهای کبالت و  کاربیدسمانته ها می شود. میزان کربن ماده زیرساخت باید حداقل 0.3% باشد. ابزارهایی که عملیات نفوذ حرارتی بر روی آنها اجرا می‌شود، دارای سختی سطحی بالا و مقاومت عالی در برابر سایش و خوردگی می‌شوند و سطح آنها اثر ضد چسبندگی خواهد داشت.

برای اجرای این فرایند قطعه کار درون یک حمام نمک مذاب فرو برده می‌شود. عناصر کاربیدساز موجود در حمام نمک با اتمهای کربن موجود در ماده زیر ساخت ترکیب شده و لایه کاربیدی را به وجود می‌آوردند. با توجه به عناصر کاربیدساز موجود در نمک می‌توان لایه‌های 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 فرایند نفوذ حرارتی بالاتر باشد. معمولا برای این عملیات مناسب هستند. انجام عملیات حرارتی در کوره خلاء یا حمام نمک، پس از عملیات نفوذ حرارتی ضروری است.

نیتروکربوره کردن فریتی

عملیات نیتروکربوره کردن فریتی یک عملیات سختکاری سطحی با عمق نسبتا زیاد است که می‌توان آن را در کوره‌های با اتمسفر کنترل شده و یا در کوره‌های با بستر روان انجام داد. لایه سخت شده بر روی ابزار به واسطه ترکیب نیتروژن، آمونیاک و گازهای هیدروکربنی با سطح ابزار ایجاد می‌شود و سختی این لایه حداقل 70 HRC می‌باشد که بسیار مقاوم در برابر سایش خواهد بود. این عملیات در دمای نسبتا پایین اجرا  می‌شود.

در صورتی که این فرایند به صورت نرمال انجام شود ضخامت لایه سخت شده 0.13-0.08 میلیمتر خواهد بود. با اجرای سیکل دو مرحله‌ای ضخامت لایه به 0.38 -0.25 افزایش می‌یابد.

تمپرینگ برودتی عمیق (DCT)

در عملیات تمپرینگ برودتی عمیق یا DCT ابزارها و قالب‌ها در معرض دماهای به شدت پایین یعنی دمای نیتروژن مایع قرار داده می‌شوند.

تجهیزات DCT می‌توانند یک عملیات برودتی خشک تحت کنترل را تدارک ببینند. به عبارت دیگر این فرایند بر اساس یک جدول زمانی دقیق از پیش تعیین شده اجرا می شود. سرعت سرد کردن، نگهداری در دمای فرایند و گرم شدن قطعه کار توسط کامپیوتر کنترل می‌گردد.

مزیت اصلی این عملیات، بهبود مقاومت سایشی ابزارها است. این عملیات نه تنها بر روی سطح، بلکه در عمق قطعه کار نیز تاثیر دارد. بنابراین خواص ایجاد شده در ابزار، در اثر سنگ‌زنی و سایش سطح نیز از بین نمی‌رود. 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 می‌شود. طبق گزارشات تهیه شده، این عملیات سطحی باعث بهبود خواص کلی همه فولادهای ابزار سختکاری شده می‌شود (البته به جز فولادهای سخت شونده در آب). این فرایند بر روی ابزارهای کاربیدی، فولادهای ریخته‌گری شده و چدنها نیز با موفقیت اجرا شده است.

یون نشانی

یون نشانی عبارت است از وارد کردن اتمهای عناصر آلیاژی به داخل لایه سطحی قطعات فلزی. در این فرایند،؛ اتمها شتاب داده می‌شوند تا انرژی زیادی پیدا کرده و بتوانند به لایه سطحی فلز نفوذ کنند. این عمق نفوذ بستگی به انرژی اتمی دارد. بدین ترتیب یک لایه نازک آلیاژی بر روی سطح قطعه کار ایجاد می‌شود.

یون نشانی در محیط خلاء و دمایی پایین انجام می‌شود فقط در اثر تصادم اتمهای پر انرژی با اتم‌های فلز زیر ساخت، مقداری حرارت به وجود می‌آید. این حرارت را می توان با کنترل شدت یون نشانی کاهش داد.

اتمهای آلیاژ مورد نظر به داخل سیستم یون‌ساز وارد شده و در ان جا در اثر تخلیه الکتریکی به یون تبدیل می‌شوند. اگر عنصر یون ساز به صورت گاز باشد (همانند نیتروژن) گاز پس از خلوص به سیستم یون‌ساز تغذیه می‌گردد. اگر این عنصر جامد باشد (همانند کروم) ابتدا باید به صورت بخار درآمده و سپس به یون تبدیل شود. برای شتاب دادن یونها از ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

یون نشانی را می‌توان بر روی سطوح اغلب ابزارها و مخصوصا قالب‌های فرم اجرا نمود. نیتروژن رایج‌ترین عنصر مورد استفاده به عنوان یون می‌باشد. ابزارهای یون نشانی شده 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 می‌آید، دیده نمی‌شود. این فرایند را نمی‌توان به خوبی بر روی قطعات با فرم‌های هندسی پیچیده اجرا کرد.

یون نشانی با منبع پلاسما یا PSLL

یون نشانی با منبع پلاسما یک روش جدید است که در دمای پایین اجرا می‌شود و می‌تواند یک لایه سخت و مقاوم در برابر سایش بر روی سطوح قطعات با فرم‌های هندسی پیچیده به وجود آورد. قطعه کار در یک محفظه خلاء قرار می‌گیرد که در آن یک جریان پلاسما حاوی ماده پوشش برقرار شده است. قطعه کار به یک منبع ولتاژ قوی پالسی با بار منفی وصل می‌شود. در نتیجه یونها که بار مثبت دارند، به طرف سطح قطعه کار شتاب می‌گیرند و با سرعت به آن برخورد می‌کنند. نفوذ یونها به داخل لایه سطحی باعث تغییرات شیمیایی و ریزساختاری در فولاد، متناسب با نوع یون جذب شده می‌شود.

روش Psll در واقع یک نوع پوشش کاری نیست، بلکه ترکیبی از بارورسازی فلز زیرساخت و یک لایه سطحی کامل شده می‌باشد. در واقع لایه سطحی و فولاد زیرساخت، واحد و یکپارچه هستند. به علاوه روش PSll یک عملیات نیست بلکه ترکیبی از چند عملیات است که همگی در دمای محیط انجام می‌شوند.

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 یونهای نیتروژن و گسیل آنها به طرف سطح برای نفوذ در قطعه فلزی استفاده می‌گردد. 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، اجرا می‌شود. جریان پلاسما باعث جدایش مولکولها و شتاب دادن آنها به طرف سطح قطعه کار می‌گردد. این مولکولها در برخورد با سطح، باعث تمیز کردن آن و به وجود آمدن نیتروژن فعال برای نفوذ در سطح می‌شوند سختی سطحی حاصله در حدود 60-65HRC 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 می‌آورد.

رسوب‌دهی میکروپلاسما

رسوب‌دهی میکروپلاسما فرایندی برای ایجاد پوشش‌های سخت با ترکیبات متنوع بر روی ابزارها است که رایج‌ترین این پوشش‌ها از جنس تنگستن کاربید و کروم کاربید هستند. این فرایند، اسپری حرارتی پلاسما نیز نامیده می‌شود.

در این عملیات عناصری که قرار است به عنوان پوشش استفاده شوند، به شکل پودر به درون یک جریان پلاسمای پر سرعت وارد شده، به فرم نیمه ذوب در می‌آیند و به طرف قطعه کار شتاب گرفته، با سرعت به سطح ابزار برخورد می‌کنند. در حالت عادی سختی آن (برای پوشش‌های تنگستن کاربید و کروم کاربید) در حدود 66 HRC می‌باشد.

ابزارهای پوشش داده شده به این روش، بر اساس نیازهای مشتری، ممکن است با سطحی مات یا پولیش شده کامل عرضه شوند. قبل از اجرای این فرایند پوشش‌کاری، سطحی ابزار باید به روش سندبلاست با مواد خاصی، آماده‌سازی گردد.

پوشش‌کاری CVD به کمک پلاسما

فرایند پوشش کاری CVDبه کمک پلاسما برای پوشش دادن سطوح ابزارها با کربن آمورف شبه الماس به کار می‌رود. همانند روش PVD در فرایند CVD به کمک پلاسما نیز از تجهیزات با خلاء زیاد استفاده می‌شود. این عملیات با تخلیه الکتریکی فرکانس بالا آغاز می‌شود. در ابتدای عملیات، فضای کوره دارای گاز آرگن است و سطح قطعه کار با تخلیه الکتریکی تمیز شده و فعال می‌گردد. سپس اتمسفر کوره از آرگن تخلیه و به جای آن مخلوطی از هیدروکربنها و هیدروژن شارژ می‌شود. اختلاف جنبشی یونهای مثبت و الکترونهای منفی و اختلاف پتانسیل بین این یونها و سطح قطعه کار باعث ایجاد یک پلاریزاسیون منفی در قطعه کار شده و در نتیجه یونها به سمت سطوح قطعه کار شتاب می‌گیرند.

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 می‌شود. اگر انرژی خیلی زیاد باشد، پوشش گرافیت مانند به وجود می‌آید. 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 موثر است. معمولا برای هر قطعه کار با فرم خاص، از یک فیکسچر خاص باید استفاده شود. با توجه به این که عناصر جذب شده در سطح قطعه کار، همگی از گازهای موجود در اتمسفر کوره جدا شده اند، ضخامت پوشش نهایی بسیار یکنواخت خواهد بود. دمای اجرای این فرایند پایین است و بنابراین می‌توان قطعاتی از جنس آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیم و حتی پلاستیکها را نیز با این روش پوشش داد. توان پرتاب یونها در این فرایند به شدت و فرم هندسی تخلیه الکتریکی بستگی دارد.

پوشش کربنی شبه الماس امورف حاصل از این فرایند دارای سختی بالا وضریب اصطکاک بسیار پایین است و مقاومت در برابر خوردگی بالایی در تماس با اسیدها، قلیاها و حلالها دارد.