فولاد سمانته چیست

فولاد سمانته چیست؟ فولادی است که به عنوان یکی از انواع پیشرفته فولاد، نقشی کلیدی در بهبود مقاومت و دوام سازه‌ها ایفا می‌کند. این مقاله به بررسی نقش و اهمیت این نوع فولاد در توسعه ساختارهای مدرن می‌پردازد.

فولاد سمانته چیست؟

فولاد سمانته جزو فولاد های کم کربن، کم آلیاژ یا آلیاژی می باشد که در ساخت قطعاتی استفاده می‌شود که دارای سطح سخت و مقاوم در برابر سایش می باشند و هسته ی نرم‌ تر و چقرمه ای دارند و در برابر نیرو های متغیر و ضربه مقاوم هستند. این ویژگی ها با آغشته کردن سطح فولاد با کربن  به قطعه داده می شود. فولاد های سمانته در ساخت قطعاتی مانند چرخ دنده ها، شفت ها، پین های پیستونی، حلقه های زنجیر، چرخ دنده ها و قرقره ها، دیسک ها، یاتاقان های راهنما، غلتک ها، برخی ابزار های اندازه گیری و کنترل و ابزار های برش استفاده می شوند.

فولاد سمانته معمولاً با قیمت بالاتری نسبت به فولادهای غیر آلیاژی به فروش می رسد. این تفاوت قیمت به دلیل هزینه‌های اضافی مرتبط با عملیات سیمان‌کاری، مانند گرمایش و کربن‌دهی سطحی و همچنین فرآیندهای دقیق کنترل کیفیت است. علاوه بر این، قیمت فولاد سمانته تحت تأثیر نوسانات بازار فولاد و تقاضای بالا برای کاربردهای خاصی مانند قطعات خودرو و ماشین‌آلات صنعتی قرار دارد. بنابراین، در خرید فولاد سمانته، توجه به هزینه‌های کلی و تطابق آن با نیازهای فنی پروژه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

فرآیند سمانتاسیون برای سخت شدن فولاد های سخت شونده سطحی مورد استفاده قرار می گیرد. در طی این فرآیند، کربن در دمای بالا روی سطح فولادجذب می شود. فرآیند ماشینکاری فولاد سمانته بسیار آسان است، زیرا فرآیند سمانته کاری پس از اتمام کامل یا جزئی قطعه اعمال می شود. با این حال، انتخاب فولاد سمانته و فرآیند صحیح سمانتاسیون باید توجه و تجربه زیادی را به همراه داشته باشد.

نتایج خوب فرآیند سمانتاسیون ارتباط نزدیکی با تمیز کردن ساختار داخلی فولاد مورد استفاده دارد. تمیز کردن ساختار داخلی؛ فرآیند تصفیه از گاز های (هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن) محلول در مایع، و تمیز کردن از اکسید ها و آخال ‌های گوگرد است. به طور کلی، عمق لایه سمانته می تواند بین 0.2 تا 1.5 میلی متر در پایان فرآیند سمانته سازی باشد.

مقدار کربن محلول در فاز آستنیت مهمترین عامل موثر بر سختی سطح است. مقدار کربن روی سطح باید بین 0.80٪ تا 1.0٪ کنترل شود. ابزار های مکانیکی سخت‌کردن سطح قطعات فولادی عبارتند از: کوبیدن سطح حرارت ‌دهی شده، مانند گلوله‌ های آهن که بر روی سطح شلیک می‌شوند یا با هوا انفجار و کار سرد که شامل غلت دادن یا چکش زدن است که بر ترکیب فولاد تأثیر نمی گذارد.

پیشنهاد مطالعه:تفاوت فولاد mo40 با ck45

پیشینه اختراع سمانتاسیون

هدف از اختراع فولاد سمانته یا کربوره، تولید فولادی است که ترکیب آن اجازه دهد تا سختی پذیری خود را افزایش دهد.

سمانتاسیون یکی از گسترده ترین عملیات های حرارتی سطحی است که با مواد فلزی انجام می شود و کاربرد فروانی در قطعات خودرو به ویژه قطعات انتقال نیرو مانند فرمان و گیربکس دارد. اصطکاک بالایی که در حین عملکرد آن ایجاد می شود، سطوح قطعات را به سختی و مقاومت بالا در برابر سایش وادار می کند. برای یرطرف کردن این نیاز معمولاً از قطعات ساخته شده از فولاد های سمانته استفاده می شود.

فولاد های سمانته دارای محتوای کربن بین 0.15 تا 0.25 درصد وزنی و عناصر آلیاژی مانند منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن هستند. فولاد های سمانته بیشترین استفاده را در ساخت قطعات برای صنعت خودرو دارند.

برای افزایش سختی سطح قطعه، فولاد تحت فرآیند سمانتاسیون قرار می‌گیرد که باعث افزایش محتوای کربن در لایه سطحی آن می‌شود. فرآیند سمانتاسیون در دمای بالا در یک جو گاز کنترل شده انجام می شود. پس از فرآیند سمانتاسیون ، حاشیه قطعه علی ‌رغم محتوای کربن بالا می‌تواند نسبتاً نرم باشد و هسته به دلیل داشتن ساختار ضخیم می‌تواند شکنندگی را نشان دهد، بنابراین لازم است قطعه را تحت فرآیند کوئنچ قرار دهیم. در فرآیند کوئنچ، قطعات از دمای سمانتاسیون تا دمای محیط با سرعتی خنک می‌شوند که تبدیل آستنیت به ساختار نهایی مورد نیاز فولاد را تضمین می‌کند.

در میان روش‌ های شناخته شده سمانتاسیون و تمپرینگ، سمانتاسیون کم فشار که در آن روغن با گاز پرفشار جایگزین می‌شود، اجرا می‌شود، به این ترتیب کیفیت سطح بهبود می ‌یابد. خنک ‌سازی با گاز به این معنی است که گرادیان‌ های دما در قطعه نسبت به روغنی که به دست می‌آیند همگن‌ تر هستند، و این به معنای کاهش تغییر شکل‌ های منشأ حرارتی است.

با این حال، گاز مورد استفاده به عنوان سیال خاموش کننده ممکن است ظرفیت خنک کنندگی کمتری نسبت به روغن داشته باشد، به این معنی که قطعه فولادی به دست آمده مقاومت کمتری دارد. برای افزایش ظرفیت خنک‌کننده گاز، فشار آن افزایش می ‌یابد، اما فشار بیش از حد می‌تواند باعث تغییر شکل نهایی بیشتر در قطعات شود.

انواع روش سمانته کردن

کربن دهی فولاد فرآیندی است که در آن کربن روی سطح فولاد (معمولاً فولاد کم کربن) در دمای بالا که آستنیت وجود دارد و سرعت انتشار کربن در فولاد نسبتاً بالا است، پخش می‌شود. سه روش اصلی برای کربورسازی وجود دارد. گاز، جامد و مایع.

قطعات ساخته شده از فولاد با درصد کربن متوسط یا زیاد که دچار خمش شدید می شوند، تمایل به ترک دارند. با این حال، اگر آنها با فولاد کم کربن (به عنوان مثال SAE 1010) ساخته شوند و سپس شکل داده شوند و سمانته شوند، ممکن است بدون اینکه قطعات با خطر ترک خوردگی مواجه شوند، نتیجه خوبی داشته باشند. سمانتاسیون را می توان به روش های جامد، گازی یا مایع انجام داد.

سمانتاسیون پودری (جامد)

در این نوع سمانتاسیون ، قطعه در جعبه فولادی حاوی مواد غنی از کربن: زغال سنگ، کک، کربنات کلسیم و روغن بذر کتان قرار می گیرد. سپس قطعه در دمای حدود 930 درجه سانتیگراد در مدت زمان لازم برای به دست آوردن لایه مورد نظر به کوره آورده می شود. پس از آن، قطعه برای رسیدن به سختی به حالت تمپر می رسد. زمان ماندن درکوره می تواند از یک تا 30 ساعت متغیر باشد و لایه اکتسابی از 0.3 میلی متر تا 2.0 میلی متر متغیر است.

سمانته گازی

سمانتاسیون گازی کارآمدترین فرآیند است زیرا امکان سمانتاسیون قطعات با قوام بیشتر و بازده انرژی بهتر را فراهم می کند. در این فرآیند معمولاً از گاز پروپان یا گاز طبیعی برای تولید کربن مورد نیاز استفاده می شود و دما از 850 درجه سانتی گراد تا 950 درجه سانتی گراد متغیر است.

سمانتاسیون مایع

در این فرآیند از نمک های مذاب غنی از کربن استفاده می شود که عمدتاً بر پایه نمک های سیانید و کربنات هستند. دما باید 930 درجه سانتی گراد تا 950 درجه سانتی گراد باشد زیرا نمک ها در این دما مایع می شوند و ذوب اولیه در حدود 650 درجه سانتی گراد است.

سپس قطعات از قبل تا دمای 400 درجه سانتی گراد گرم می شوند و در حمام مذاب غوطه ور می شوند. نقش پیش گرم کردن، از بین بردن آب و جلوگیری از شوک حرارتی است. قطعه باید در آب نمک با 10 تا 15 درصد کلرید سدیم (ClNa) یا در روغن تمپر خنک شود.

قدیمی‌ ترین روش سختکاری سطحی، کربن دهی است که در آن فولاد برای چند ساعت در دمای بالا در محیط کربنی قرار می‌گیرد. کربن در سطح فولاد پخش می شود و آن را سخت تر می کند. تکنیک های مختلف کربورسازی برای افزایش کارایی و کاهش هزینه توسعه یافته است.

روش سختکاری شامل بسته بندی قطعاتی است که قرار است سخت شوند به همراه ترکیبی از زغال چوب یا کک که کربنات ها به آن اضافه شده است در جعبه فولادی است. سپس جعبه تا دمای بسیار بالا، معمولاً 1700-1750 درجه فارنهایت (925-955 درجه سانتیگراد) گرم می شود.

عمق نفوذ کربن به زمان و دما بستگی دارد. در کربورسازی گاز، قطعات در تماس با گازهای حاوی کربن مانند مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، متان یا پروپان گرم می شوند. این فرآیند معمولاً در یک کوره بزرگ انجام می شود که قطعات در یک انتها به داخل آن تغذیه می شوند و در انتهای دیگر در حالت سخت شده از آن خارج می شوند.

از همین فرآیند در کربن دهی استفاده می شود با این تفاوت که آمونیاک به اتمسفر کوره اضافه می شود و در دما های پایین تری انجام می شود. چرخ دنده ها، بلبرینگ های ساچمه ای و غلتکی و پین های پیستونی از جمله محصولاتی هستند که با کربورسازی ساخته می شوند. همچنین از فولاد سمانته برای ساخت موارد زیر استفاده می شود.

استانداردهای بین‌المللی برای فولاد سمانته

• DIN (Deutsches Institut für Normung)

DIN 17CrNiMo6: یک نوع فولاد سمانته با ترکیب شیمیایی مشخص که دارای 0.17%کربن ، 1.5%کروم ، 1.5%نیکل  و 0.25%مولیبدن  است.

DIN 16MnCr5: فولاد سمانته با ترکیب شیمیایی شامل 0.16%کربن  و 1.25%منگنز .

• ASTM (American Society for Testing and Materials)

ASTM A291: استاندارد برای فولادهای آلیاژی سمانته که در آن ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی مشخص شده است.

• ISO (International Organization for Standardization)

ISO 683-17: استاندارد بین‌المللی برای فولادهای آلیاژی سمانته که شامل ترکیب شیمیایی و مشخصات مکانیکی است.

کاربرد فولاد سمانته

• ساخت و ساز و قطعات ماشین آلات
• بازوی اهرمی، بوش، قرقره، چرخ دنده، ابزار اندازه گیری
• قطعات ساختمان و ماشین آلات لرزان و کم نیرو
• چرخ دنده، محفظه کاردان، پین، شفت، بوش و قطعات مشابه
• انواع سیستم انتقال قدرت و قطعات فرمان
• یاتاقان قرقره، قرقره، گیج، پین پیستون، قسمت دیفرانسیل، بال اسکرو
• میل بادامک، چرخ دنده، اتصالات کششی استاندارد جهانی
• در ماشین آلات و خودروها کاربرد های زیادی دارد مانند چرخ دنده، چرخ دنده، دوک با اندازه کوچک، محور، بوش، صندلی صفحه، پین و قطعات مشابه و قطعات بلبرینگ سوئیچ.

گرید های فولاد سمانته

آلمان din	کربن	سیلیسیم	منگنز	کروم	مولیبدن	نیکل
C 15	0.18-0.24	0.15-0.30	0.30-0.50	–	–	–
–	0.12-0.18	0.15-0.35	0.40-0.60	0.55-0.75	–	1.10-1.40
14 NiCr14	0.14-0.17	0.15-0.30	0.40-0.60	0.60-0.80	–	3.25-3.75
14 NiCr18	0.11-0.18	0.15-0.35	0.30-0.60	0.90-1.30	–	4.25-4.75
20 CrMo5	0.15-0.24	0.15-0.35	0.60-0.90	0.90-1.30	0.20-0.30	–
–	0.16-0.24	0.15-0.35	0.60-0.90	0.40-0.60	0.15-0.25	0.40-0.70

 

نتیجه گیری

فولاد سمانته به‌خاطر ویژگی‌های برجسته‌اش، از جمله سختی سطحی بالا و مقاومت در برابر سایش، به‌ویژه برای کاربردهای صنعتی و خودروسازی ارزشمند است. هرچند که قیمت بالاتری نسبت به فولادهای غیر آلیاژی دارد، این هزینه اضافی به دلیل فرآیندهای پیچیده سیمان‌کاری و کیفیت برتر محصول قابل توجیه است. با توجه به نوسانات بازار و هزینه‌های تولید، انتخاب فولاد سمانته باید با دقت انجام شود تا مطابقت کامل با نیازهای فنی و اقتصادی پروژه‌های مختلف تضمین گردد. در نهایت، سرمایه‌گذاری در فولاد سمانته می‌تواند منجر به افزایش دوام و کارایی محصولات و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در درازمدت شود.