فولاد سمانته چیست

سمانتاسیون شامل وارد کردن کربن در سطوح فولادی با محتوای کربن کم است. بنابراین، زمانی که کربن اصلی کمتر از 0.25٪ باشد سمانتاسیون انجام می شود و کربن سطح را تا حدود 1% افزایش می دهد و سطوح سخت و مغز نرم را ارائه می کند.

فولاد سمانته جزو فولاد های کم کربن، کم آلیاژ یا آلیاژی می باشد که در ساخت قطعاتی استفاده می‌شوند که در 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 کربن روی سطح فولاد 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.

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 همچنین 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.

 پیشینه اختراع سمانتاسیون

هدف اختراع فولاد سمانته یا کربوره، فولادی است که دارای ترکیبی باشد که به آن اجازه می دهد تا سختی پذیری خود را افزایش دهد.

سمانتاسیون یکی از گسترده ترین عملیات حرارتی سطحی است که با مواد فلزی انجام می شود و کاربرد ویژه ای در قطعات خودرو موجود در 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 به دست آوردن این خواص 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 که به دست آوردن مشخصات نهایی مورد نیاز قطعات کمک می کند. فولاد های سمانته که 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 به سطح فولاد (معمولاً فولاد کم کربن) در دمای بالا که آستنیت وجود دارد و سرعت انتشار کربن در فولاد نسبتاً بالا است، پخش می‌شود. هر کدام با ویژگی های خاص خود، سه روش اصلی 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 در جعبه فولادی قطعاتی است که قرار است سخت شوند همراه با ترکیبی از زغال چوب یا کک که کربنات ها به آن اضافه شده 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 که اعوجاج کمتری در فولاد ایجاد می کند. 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.