عملیات سختکاری

عملیات سختکاری با کوره‌های القایی و عملیات حرارتی

عملیات حرارتی افتراقی یا عملیات حرارتی انتخابی یا عملیات حرارتی موضعی روشی است که در حین عملیات حرارتی به کار گرفته می‌شود برای سخت کردن یا نرم کردن ناحیه مشخصی از یک شیء فولادی و باعث به وجود آمدن یک اختلاف در سختی این نواحی می‌شود. روش‌های زیادی وجود دارد برای ایجاد اختلاف در خواص، اما اغلب آن‌ها به عنوان سخت کاری افتراقی یا بازپخت افتراقی قابل تعریف هستند.

روش‌های سخت کاری افتراقی شامل حرارت دهی به فلز به صورت یک نواخت تا دمای تفتیدگی، تغییر فولاد به آستنیت و سپس سرد کردن آن در نواحی مختلف می‌باشد که قسمتی از شیء را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند، در حالی که مابقی آن آرام تر شرد شده و به پرلیت نرم تر تبدیل می‌شود. این روش ممکن است تنها شامل حرارت دهی یک بخش از شیء به صورت بسیار سریع تا دمای تفتیدگی و سپس سرد کردن سریع (کوئنچ) آن باشد که فقط بخشی از شیء را به مارتنزیت سخت تبدیل می‌کند و بقیه شیء بدون تغییر باقی می‌ماند.

اما روش‌های بازپخت افتراقی شامل گرم کردن شیء به صورت یکنواخت تا دمای تفتیدگی و سپس کوئنچ کامل کل شیء هستند که تمام آن شیء را به مارتنزیت تبدیل می‌کنند. سپس شیء تا دمای بسیار کمتری حرارت داده می‌شود تا نرم شود (تمپرینگ)، اما این حرارت دهی تنها به صورت موضعی خواهد بود که تنها بخشی از آن را نرم می‌سازد.

روش‌های سخت کاری افتراقی ابتدائاً در چین برای ساخت شمشیر توسعه یافت و در خاور دور از نپال تا کره و ژاپن گسترش یافت. بعدها، روش‌های سخت کاری سطحی از طریق حرارت دهی سریع در نواحی انتخابی و سپس کوئنچ کردن آن مثل سخت کاری شعله‌ای و سخت کاری القایی توسعه یافت. به هر ترتیب، روش‌های بازپخت افتراقی ابتدائاً با آهنگران اروپایی برای ساخت ابزارهای برش شروع شد، اما برای ساخت چاقوها و قداره‌های نوع اروپایی نیز شروع شد. در این فرایند بعدها در بسیاری از زمینه‌های ساخت اشیایی که در آن‌ها ترکیبی از استحکام و چقرمگی (مقاومت به ضربه) مورد نیاز بود مورد استفاده قرار گرفت، از جمله ساخت ورق‌های زرهی در کشتی‌های جنگی اولیه.

سخت کاری شعله‌ای معمولاً برای سخت کردن تنها بخشی از یک شی از طریق حرارت دادن سریع با یک شعله بسیار داغ در یک ناحیه مشخص و سپس کوئنچ فولاد استفاده می‌شود. این عمل بخش حرارت دیده را به مارتنزیت بسیار سخت تبدیل می‌کند و مابقی آن را بدون تغییر باقی می‌گذارد. معمولاً تورچ گاز اکسیژن برای تأمین این دمای بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. سخت کاری شعله‌ای یک روش سخت کاری سطحی بسیار معروف است که معمولاً برای تهیه یک سطح بسیار مقاوم به سایش به کار می‌رود. یک کاربرد متداول آن برای سخت کاری سطح چرخ دنده‌ها است که دندانه‌ها را بسیار مقاوم به فرسایش می‌کند. چرخ دنده معمولاً اول برای رسیدن به یک سختی مشخص کوئنچ و بازپخت می‌شود که بیشتر چرخ دنده را نرم می‌کند و سپس دندانه‌ها سریع گرم شده و بلافاصله کوئنچ می‌شود تا فقط سطح آن سخت شود. پس از آن، ممکن است مجدداً بازپخت شود یا نشود سختی افتراقی نهایی حاصل شود.

این فرایند معمولاً برای ساخت چاقو استفاده می‌شود و در طی آن تنها لبه تیغه‌ای که قبل از آن کوئنچ و بازپخت شده حرارت داده می‌شود. وقتی لبه به دمای رنگی (color temperature) مناسب می‌رسد کوئنچ شده و تنها لبه را سخت می‌کند و مابقی تیغه در سختی پایین تری باقی می‌ماند. سپس چاقو مجدداً بازپخت می‌شود که سختی افتراقی نهایی را به وجود می‌آورد. اما بر خلاف تیغه که به‌طور یکنواخت حرارت داده شده و به صورت افتراقی کوئنچ شده، سخت کاری شعله‌ای یک منطقه متاثر از حرارت به وجود می‌آورد. بر خلاف نیوی، مرز بین فلز گرم و سرد که با این ناحیه متاثر از حرارت تشکیل می‌شود، منجر به سرد شدن بسیار سریع در هنگام کوئنچ می‌گردد. این امر همراه با با تنش‌های شکل گرفته، ناحیه‌ای بسیار ترد بین فلز سخت و نرم به وجود می‌آورد که معمولاً این روش را برای شمشیرها یا ابزارهایی که در معرض تنش‌های برشی و فشاری هستند غیرقابل استفاده می‌کند.

سخت کاری القایی یک روش سخت کاری سطحی است که از کویل‌های القایی برای تأمین وسیله‌ای بسیار سریع برای حرارت دادن به فلز استفاده می‌کند. با حرارت دهی القایی، فولاد می‌تواند بسیار سریع گرم شده و به سطح تفتیده برسد پیش از ان که حرارت بتواند عمق زیادی از فلز را تحت تأثیر قرار دهد. سپس این سطح کوئنچ شده و سخت می‌گردد و معمولاً بدون بازپخت بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عمل سطح را در برابر سایش بسیار مقاوم می‌کند، اما بلافاصله در زیر سطح فلز نرم تری به وجود می‌آورد و قسمت اعظم شیء را بدون تغییر باقی می‌گذارد. یکی از کاربردهای متداول سخت کاری القایی برای سخت کاری سطوح یاتاقان‌ها یا تکیه گاه‌های اصلی میل لنگ اتوموبیل یا میله‌های سیلندرهای هیدرولیک می‌باشد.