M.A.A.H.R
14th June 2011, 11:17 AM
انتخاب عملیات حرارتی بهینه برای چرخ‌دنده‌های گیربکس به منظور کاهش صدای گیربکس
یکی از عیب‌های گیربکس، صدا دادن و زوزه کشیدن آن در حین کار کردن است. از دلایل مهم این پدیده لقی1 چرخ‌دنده‌های گیربکس در محل اتصال با یکدیگر است. عوامل زیادی می‌تواند باعث ایجاد لقی شود. از مهم‌ترین عوامل ایجاد لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس، اعوجاج2 و تغییر شکل این چرخ‌دنده‌ها پس از انجام عملیات حرارتی آنهاست. اگر از این منظر بخواهیم به رفع عیب صدای چرخ‌دنده‌های گیربکس بپردازیم، یعنی تغییر شکل چرخ‌دنده‌ها را پس از عملیات حرارتی حذف کرده یا به حداقل برسانیم، باید علاوه‌بر انتخاب نوع فولاد بهینه، عملیات حرارتی سطحی بهینه‌ای را نیز برای چرخ‌دنده‌های گیربکس انتخاب کنیم. از فرایندهای عملیات حرارتی سطحی نفوذی، چهار فرایند کربن‌دهی3، نیتروژن‌دهی4، کربن نیتروژن‌دهی5 و نیتروژن کربن‌دهی6 در مورد فولادها متداول‌ترند که انتخاب عملیات حرارتی بهینه از بین این چهار عملیات حرارتی سطحی، انجام می‌شود.
فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول
برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند. در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.
الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی
فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند. این میزان کربن موجب می‌شود که فولاد پس از سخت شدن، حداکثر استحکام به ضربه و بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد. تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.
منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند. همچنین، کاربرد منگنز، ضخامت لایه سخت شده را افزایش می‌دهد. بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.
سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود. لذا وجود آن در فولاد، کربن‌دهی را به تعویق می‌اندازد. بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.
کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود. همچنین، حضور این عنصر منجر به افزایش استحکام مغز قطعه (تا حدودی) می‌شود، اما انعطاف‌پذیری آن را به میزان اندکی کاهش می‌دهد. با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.
نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست. لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.
به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند. فولادهای آلیاژی مناسب برای کربن‌دهی علاوه‌بر عناصر فوق، می‌توانند دارای 5/4 درصد نیکل، 5/1 درصد کروم و 3/0 درصد مولیبدن باشند. نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی
به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد:
1. فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار
2. فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد)
3. فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.
4. فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.
5. فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.
6. فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند. این امر تشکیل یک لایه سطحی بسیار ترد است که به سادگی از سطح جدا می‌شود. به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.
پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی
سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود. برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نیاز به آهنگ سرد شدن کمتری وجود دارد. لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه کربن داده شده به تنهایی است. بنابراین، فولادهای کربن- نیتروژن داده شده را می‌توان با سرد کردن در روغن و یا حتی توسط گاز (در برخی موارد) و در نتیجه، کاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداکثر سختی مورد نظر رساند. از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.
فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از:
گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد. برای دستیابی به پوسته‌ای نازک با سختی و مقاومت به سایش بیشتر در مقایسه با شرایط سخت کردن حجمی مرسوم، اغلب فولادهای کربنی آلیاژی با کربن متوسط را در اتمسفر کربن- نیتروژن‌دار حرارت داده و سپس سریع سرد می‌کنند. در مورد فولادهایی نظیر: 4140، 5140، 8640 و 4340 که برای کاربردهایی مانند چرخ‌دنده‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان عملیات حرارتی مشابهی انجام داد. دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.
ت- فولادهای مناسب برای نیتروژن- کربن‌دهی
به‌طور کلی از عملیات حرارتی نیتروژن کربن‌دهی، در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به افزایش مقاومت در برابر سایش و خستگی و یا هر دو باشد. مثال‌هایی در این زمینه عبارتند از: چرخ‌دنده‌های ماشین‌آلات نساجی، میل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه. بیشترین افزایش مقاومت در برابر خستگی و خراشیدگی در اثر این فرایند، در مورد فولادهای ساده کم کربن گزارش شده است.
مشخص شده است که برای بهره‌گیری از حضور لایه سفید رنگ (حاوی فاز کاربونیترید اپسیلن به علاوه نیتریدها و اکسیدهای دیگر) برای افزایش مقاومت در برابر خراشیدگی، تنش‌های تماسی نباید آن‌قدر زیاد باشد که از استحکام تسلیم فلز در زیر لایه نیترید بیشتر شود. تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشند، اگر از روی سختکاری سطحی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده شود، استحکام فلز زیر لایه باید افزایش داده شود. برای این کار افزایش ضخامت پوسته سخت شده در این روش الزامی است. در غیر این صورت، استفاده از روش سخت کردن سطحی کربن- نیتروژن‌دهی توصیه می‌شود.
عملیات حرارتی بهینه برای فولاد 27CD4
برای ساخت دنده‌های گیربکس خودرو می‌توان از فولاد 27CD4 استفاده کرد. درصد کربن فولاد 27CD4 به‌طور میانگین 27/0 درصد است. در بررسی قطعات گیربکس، ملاحظه می‌شود که عمق پوسته سخت شده در دنده‌های گیربکس و شافت ورودی و خروجی (در صورتی که در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 میلی‌متر است. از آنجا که لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه صرفاً کربن داده شده است، برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن کمتری نیاز خواهد بود. بنابراین، اگر در عملیات حرارتی سطحی، کربن و نیتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهیم، بهتر است. علاوه‌بر مزیت ذکر شده، سطوح کربن- نیتروژن داده شده، دارای مزایای زیر هستند:
1. مقاومت سطوح کربن- نیتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بیشتر از سطوح کربن داده شده تنهاست.
2. سطوح کربن- نیتروژن داده، استحکام ضربه‌ای (تافنس) و مقاومت خستگی بهتری در سختی یکسان دارند. (در مقایسه با سطوح کربن داده شده)
3. مقاومت به پوسته شدن در سطوح کربن- نیتروژن داده شده نسبت به سطوح کربن داده شده بیشتر است.
4. سطوح کربن- نیتروژن داده
یکی از عیب‌های گیربکس، صدا دادن و زوزه کشیدن آن در حین کار کردن است. از دلایل مهم این پدیده لقی1 چرخ‌دنده‌های گیربکس در محل اتصال با یکدیگر است. عوامل زیادی می‌تواند باعث ایجاد لقی شود. از مهم‌ترین عوامل ایجاد لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس، اعوجاج2 و تغییر شکل این چرخ‌دنده‌ها پس از انجام عملیات حرارتی آنهاست. اگر از این منظر بخواهیم به رفع عیب صدای چرخ‌دنده‌های گیربکس بپردازیم، یعنی تغییر شکل چرخ‌دنده‌ها را پس از عملیات حرارتی حذف کرده یا به حداقل برسانیم، باید علاوه‌بر انتخاب نوع فولاد بهینه، عملیات حرارتی سطحی بهینه‌ای را نیز برای چرخ‌دنده‌های گیربکس انتخاب کنیم. از فرایندهای عملیات حرارتی سطحی نفوذی، چهار فرایند کربن‌دهی3، نیتروژن‌دهی4، کربن نیتروژن‌دهی5 و نیتروژن کربن‌دهی6 در مورد فولادها متداول‌ترند که انتخاب عملیات حرارتی بهینه از بین این چهار عملیات حرارتی سطحی، انجام می‌شود.
فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول
برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند. در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.
الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی
فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند. این میزان کربن موجب می‌شود که فولاد پس از سخت شدن، حداکثر استحکام به ضربه و بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد. تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.
منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند. همچنین، کاربرد منگنز، ضخامت لایه سخت شده را افزایش می‌دهد. بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.
سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود. لذا وجود آن در فولاد، کربن‌دهی را به تعویق می‌اندازد. بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.
کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود. همچنین، حضور این عنصر منجر به افزایش استحکام مغز قطعه (تا حدودی) می‌شود، اما انعطاف‌پذیری آن را به میزان اندکی کاهش می‌دهد. با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.
نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست. لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.
به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند. فولادهای آلیاژی مناسب برای کربن‌دهی علاوه‌بر عناصر فوق، می‌توانند دارای 5/4 درصد نیکل، 5/1 درصد کروم و 3/0 درصد مولیبدن باشند. نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی
به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد:
1. فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار
2. فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد)
3. فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.
4. فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.
5. فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.
6. فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند. این امر تشکیل یک لایه سطحی بسیار ترد است که به سادگی از سطح جدا می‌شود. به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.
پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی
سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود. برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نیاز به آهنگ سرد شدن کمتری وجود دارد. لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه کربن داده شده به تنهایی است. بنابراین، فولادهای کربن- نیتروژن داده شده را می‌توان با سرد کردن در روغن و یا حتی توسط گاز (در برخی موارد) و در نتیجه، کاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداکثر سختی مورد نظر رساند. از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.
فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از:
گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد. برای دستیابی به پوسته‌ای نازک با سختی و مقاومت به سایش بیشتر در مقایسه با شرایط سخت کردن حجمی مرسوم، اغلب فولادهای کربنی آلیاژی با کربن متوسط را در اتمسفر کربن- نیتروژن‌دار حرارت داده و سپس سریع سرد می‌کنند. در مورد فولادهایی نظیر: 4140، 5140، 8640 و 4340 که برای کاربردهایی مانند چرخ‌دنده‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان عملیات حرارتی مشابهی انجام داد. دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.
ت- فولادهای مناسب برای نیتروژن- کربن‌دهی
به‌طور کلی از عملیات حرارتی نیتروژن کربن‌دهی، در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به افزایش مقاومت در برابر سایش و خستگی و یا هر دو باشد. مثال‌هایی در این زمینه عبارتند از: چرخ‌دنده‌های ماشین‌آلات نساجی، میل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه. بیشترین افزایش مقاومت در برابر خستگی و خراشیدگی در اثر این فرایند، در مورد فولادهای ساده کم کربن گزارش شده است.
مشخص شده است که برای بهره‌گیری از حضور لایه سفید رنگ (حاوی فاز کاربونیترید اپسیلن به علاوه نیتریدها و اکسیدهای دیگر) برای افزایش مقاومت در برابر خراشیدگی، تنش‌های تماسی نباید آن‌قدر زیاد باشد که از استحکام تسلیم فلز در زیر لایه نیترید بیشتر شود. تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشند، اگر از روی سختکاری سطحی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده شود، استحکام فلز زیر لایه باید افزایش داده شود. برای این کار افزایش ضخامت پوسته سخت شده در این روش الزامی است. در غیر این صورت، استفاده از روش سخت کردن سطحی کربن- نیتروژن‌دهی توصیه می‌شود.
عملیات حرارتی بهینه برای فولاد 27CD4
برای ساخت دنده‌های گیربکس خودرو می‌توان از فولاد 27CD4 استفاده کرد. درصد کربن فولاد 27CD4 به‌طور میانگین 27/0 درصد است. در بررسی قطعات گیربکس، ملاحظه می‌شود که عمق پوسته سخت شده در دنده‌های گیربکس و شافت ورودی و خروجی (در صورتی که در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 میلی‌متر است. از آنجا که لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه صرفاً کربن داده شده است، برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن کمتری نیاز خواهد بود. بنابراین، اگر در عملیات حرارتی سطحی، کربن و نیتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهیم، بهتر است. علاوه‌بر مزیت ذکر شده، سطوح کربن- نیتروژن داده شده، دارای مزایای زیر هستند:
1. مقاومت سطوح کربن- نیتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بیشتر از سطوح کربن داده شده تنهاست.
2. سطوح کربن- نیتروژن داده، استحکام ضربه‌ای (تافنس) و مقاومت خستگی بهتری در سختی یکسان دارند. (در مقایسه با سطوح کربن داده شده)
3. مقاومت به پوسته شدن در سطوح کربن- نیتروژن داده شده نسبت به سطوح کربن داده شده بیشتر است.
4. سطوح کربن- نیتروژن داده شده مقاومت به سایش بیشتری دارند.
5. الگوی تنش پسماند در سطوح کربن- نیتروژن داده شده به علت کاهش نرخ سرد کردن سریع آنها از سطوح کربن داده شده بهتر است.
در نتیجه، احتمال ایجاد اعوجاج در قطعه به حداقل ممکن می‌رسد که نتیجه آن حذف یا به حداقل رسیدن لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس به علت وجود تمامی مزایای گفته شده است.
عملیات حرارتی کربن- نیتروژن‌دهی یا نیتروژن- کربن‌دهی، بر عملیات کربن‌دهی در مورد فولاد 27CD4، ارجحیت دارد. عملیات نیتروژن‌دهی در مورد این فولاد توصیه نمی‌شود. زیرا اولاً با توجه به درصد کربن نسبتاً کم این فولاد نیتروژن‌دهی ممکن است سختی لازم برای سطح را تأمین نکند و ثانیاً خطر ترک خوردن و یا پوسته شدن لایه نیترید وجود دارد. حال باید دید که از دو فرایند کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن کربن‌دهی، کدام یک مناسب‌تر است. تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشد، مانند چرخ‌دنده‌های گیربکس، استحکام فلز در زیر لایه سخت شده باید افزایش داده شود. برای تأمین این منظور اگر از عملیات حرارتی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده کنیم باید ضخامت لایه سفید حاوی نیتریدها افزایش داده شود که این امر هزینه و وقت زیادتری لازم دارد. بنابراین بهتر است که روش کربن- نیتروژن‌دهی را برای سخت کردن سطح این فولاد انتخاب کنیم. محیط خنک‌کننده هم می‌تواند روغن داغ انتخاب شود.
روش‌هایی مناسب برای به حداقل رساندن اعوجاج قطعه
1. گرم و یا سرد کردن قطعات به طور یکنواخت
2. استفاده از روش صحیح برای فرو بردن قطعات در محیط سردکننده
3. عدم انتخاب دمای بسیار بالا برای آستنیته کردن
4. آرام سرد کردن قطعه در زیر نقطه MS (دمای آغاز تشکیل مارتنزیت)
5. کاربرد عملیات حرارتی مارتمپرینگ در صورت امکان
6. تمیز کردن سطح قطعات قبل از کوئنچ کردن
7. طراحی قطعات مورد عملیات حرارتی حتی‌الامکان به صورت قرینه
8 . استفاده از روش کوئنچ تحت فشار
9. تثبیت ابعاد قطعه با ضربه مکانیکی
از بین 9 روش مورد اشاره، توضیح دو مورد آخر ضروری به‌نظر می‌رسد.
الف- تثبیت ابعاد با ضربه مکانیکی
برای تأمین ثبات اندازه‌ها می‌توان بعد از عملیات حرارتی ضربه مکانیکی را به‌کار برد. این عمل به منظور به وجود آوردن تغییر شکل جزئی ماندگار، انجام می‌گیرد. در نتیجه با تکرار تغییر شکل الاستیکی، تنش‌های باقیمانده برطرف می‌شوند. در شکل (1) تغییر طول فولاد W1 سخت شده به اضافه برگشت دیده، تحت شرایط ساچمه‌زنی و بدون ساچمه‌زنی، مشاهده می‌شود.
شکل 1: تأثیر ضربه بر تثبیت ابعاد فولاد W1
ب- کوئنچ تحت فشار
برای به حداقل رساندن اعوجاج به هنگام عملیات کوئنچ قطعات حساس نظیر چرخ‌دنده‌ها، به جای کوئنچ معمولی تحت فشار پتک به اندازه 10-7اT در روغن به‌کار برده می‌شود. در این روش، تغییر ابعاد اتفاق می‌افتد اما پیچیدگی، در حدی بسیار پایین است.
در شکل 2، دستگاه آب‌دهی فشاری برای چرخ‌دنده‌های شیب‌دار با ظرفیت 7 تا 10 تن دیده می‌شود. هنگام وارد آوردن فشار، قطعه با روغن خنک می‌شود.
جدول 1: انواع روش‌های آب‌دهی تحت فشار
شکل 2: آب‌دهی فشاری برای چرخ‌دنده‌ها
پانوشت‌ها:
1. Looseness
2. Distortion
3. Carburizing
4. Nitriding
5. Carbonitriding
6. Nitrocarburizing
منابع:
1. AGMA STANDARD: "Sound Manual Section II", "Sources, Specifications and Levels of Gear Sound".
2. Steel and its Heat Treatment Bofors Handbook, Butterworth thinning, K.E. 1981.
3. Case Hardening of Steel, ASM, 1987. Boyer.
4. عملیات حرارتی و مهندسی سطح.م. گلعذار 1377.
5. عیوب عملیات حرارتی و پیشگیری و اصلاح آنها، محمدحسن جولازاده 1371.
یکی از عیب‌های گیربکس، صدا دادن و زوزه کشیدن آن در حین کار کردن است. از دلایل مهم این پدیده لقی1 چرخ‌دنده‌های گیربکس در محل اتصال با یکدیگر است. عوامل زیادی می‌تواند باعث ایجاد لقی شود. از مهم‌ترین عوامل ایجاد لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس، اعوجاج2 و تغییر شکل این چرخ‌دنده‌ها پس از انجام عملیات حرارتی آنهاست. اگر از این منظر بخواهیم به رفع عیب صدای چرخ‌دنده‌های گیربکس بپردازیم، یعنی تغییر شکل چرخ‌دنده‌ها را پس از عملیات حرارتی حذف کرده یا به حداقل برسانیم، باید علاوه‌بر انتخاب نوع فولاد بهینه، عملیات حرارتی سطحی بهینه‌ای را نیز برای چرخ‌دنده‌های گیربکس انتخاب کنیم. از فرایندهای عملیات حرارتی سطحی نفوذی، چهار فرایند کربن‌دهی3، نیتروژن‌دهی4، کربن نیتروژن‌دهی5 و نیتروژن کربن‌دهی6 در مورد فولادها متداول‌ترند که انتخاب عملیات حرارتی بهینه از بین این چهار عملیات حرارتی سطحی، انجام می‌شود.
فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول
برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند. در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.
الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی
فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند. این میزان کربن موجب می‌شود که فولاد پس از سخت شدن، حداکثر استحکام به ضربه و بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد. تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.
منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند. همچنین، کاربرد منگنز، ضخامت لایه سخت شده را افزایش می‌دهد. بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.
سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود. لذا وجود آن در فولاد، کربن‌دهی را به تعویق می‌اندازد. بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.
کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود. همچنین، حضور این عنصر منجر به افزایش استحکام مغز قطعه (تا حدودی) می‌شود، اما انعطاف‌پذیری آن را به میزان اندکی کاهش می‌دهد. با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.
نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست. لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.
به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند. فولادهای آلیاژی مناسب برای کربن‌دهی علاوه‌بر عناصر فوق، می‌توانند دارای 5/4 درصد نیکل، 5/1 درصد کروم و 3/0 درصد مولیبدن باشند. نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی
به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد:
1. فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار
2. فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد)
3. فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.
4. فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.
5. فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.
6. فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند. این امر تشکیل یک لایه سطحی بسیار ترد است که به سادگی از سطح جدا می‌شود. به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.
پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی
سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود. برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نیاز به آهنگ سرد شدن کمتری وجود دارد. لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه کربن داده شده به تنهایی است. بنابراین، فولادهای کربن- نیتروژن داده شده را می‌توان با سرد کردن در روغن و یا حتی توسط گاز (در برخی موارد) و در نتیجه، کاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداکثر سختی مورد نظر رساند. از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.
فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از:
گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد. برای دستیابی به پوسته‌ای نازک با سختی و مقاومت به سایش بیشتر در مقایسه با شرایط سخت کردن حجمی مرسوم، اغلب فولادهای کربنی آلیاژی با کربن متوسط را در اتمسفر کربن- نیتروژن‌دار حرارت داده و سپس سریع سرد می‌کنند. در مورد فولادهایی نظیر: 4140، 5140، 8640 و 4340 که برای کاربردهایی مانند چرخ‌دنده‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان عملیات حرارتی مشابهی انجام داد. دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.
ت- فولادهای مناسب برای نیتروژن- کربن‌دهی
به‌طور کلی از عملیات حرارتی نیتروژن کربن‌دهی، در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به افزایش مقاومت در برابر سایش و خستگی و یا هر دو باشد. مثال‌هایی در این زمینه عبارتند از: چرخ‌دنده‌های ماشین‌آلات نساجی، میل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه. بیشترین افزایش مقاومت در برابر خستگی و خراشیدگی در اثر این فرایند، در مورد فولادهای ساده کم کربن گزارش شده است.
مشخص شده است که برای بهره‌گیری از حضور لایه سفید رنگ (حاوی فاز کاربونیترید اپسیلن به علاوه نیتریدها و اکسیدهای دیگر) برای افزایش مقاومت در برابر خراشیدگی، تنش‌های تماسی نباید آن‌قدر زیاد باشد که از استحکام تسلیم فلز در زیر لایه نیترید بیشتر شود. تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشند، اگر از روی سختکاری سطحی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده شود، استحکام فلز زیر لایه باید افزایش داده شود. برای این کار افزایش ضخامت پوسته سخت شده در این روش الزامی است. در غیر این صورت، استفاده از روش سخت کردن سطحی کربن- نیتروژن‌دهی توصیه می‌شود.
عملیات حرارتی بهینه برای فولاد 27CD4
برای ساخت دنده‌های گیربکس خودرو می‌توان از فولاد 27CD4 استفاده کرد. درصد کربن فولاد 27CD4 به‌طور میانگین 27/0 درصد است. در بررسی قطعات گیربکس، ملاحظه می‌شود که عمق پوسته سخت شده در دنده‌های گیربکس و شافت ورودی و خروجی (در صورتی که در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 میلی‌متر است. از آنجا که لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه صرفاً کربن داده شده است، برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن کمتری نیاز خواهد بود. بنابراین، اگر در عملیات حرارتی سطحی، کربن و نیتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهیم، بهتر است. علاوه‌بر مزیت ذکر شده، سطوح کربن- نیتروژن داده شده، دارای مزایای زیر هستند:
1. مقاومت سطوح کربن- نیتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بیشتر از سطوح کربن داده شده تنهاست.
2. سطوح کربن- نیتروژن داده، استحکام ضربه‌ای (تافنس) و مقاومت خستگی بهتری در سختی یکسان دارند. (در مقایسه با سطوح کربن داده شده)
3. مقاومت به پوسته شدن در سطوح کربن- نیتروژن داده شده نسبت به سطوح کربن داده شده بیشتر است.
4. سطوح کربن- نیتروژن داده
یکی از عیب‌های گیربکس، صدا دادن و زوزه کشیدن آن در حین کار کردن است. از دلایل مهم این پدیده لقی1 چرخ‌دنده‌های گیربکس در محل اتصال با یکدیگر است. عوامل زیادی می‌تواند باعث ایجاد لقی شود. از مهم‌ترین عوامل ایجاد لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس، اعوجاج2 و تغییر شکل این چرخ‌دنده‌ها پس از انجام عملیات حرارتی آنهاست. اگر از این منظر بخواهیم به رفع عیب صدای چرخ‌دنده‌های گیربکس بپردازیم، یعنی تغییر شکل چرخ‌دنده‌ها را پس از عملیات حرارتی حذف کرده یا به حداقل برسانیم، باید علاوه‌بر انتخاب نوع فولاد بهینه، عملیات حرارتی سطحی بهینه‌ای را نیز برای چرخ‌دنده‌های گیربکس انتخاب کنیم. از فرایندهای عملیات حرارتی سطحی نفوذی، چهار فرایند کربن‌دهی3، نیتروژن‌دهی4، کربن نیتروژن‌دهی5 و نیتروژن کربن‌دهی6 در مورد فولادها متداول‌ترند که انتخاب عملیات حرارتی بهینه از بین این چهار عملیات حرارتی سطحی، انجام می‌شود.
فولادهای مناسب برای انواع عملیات حرارتی متداول
برای هر کدام از چهار عملیات حرارتی سطحی متداول در فولادها (کربن‌دهی، نیتروژن‌دهی، کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن- کربن‌دهی)، یک‌سری از فولادها مناسب بوده و توسط عملیات حرارتی مورد نظر، خواص بهینه‌ای به دست می‌آورند. در زیر، فولادهای مناسب برای هر عملیات سطحی با ذکر دلیل معرفی شده است.
الف- فولادهای مناسب برای کربن‌دهی
فولادهای ساده کربنی که برای سخت کردن سطحی به روش کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، معمولاً کمتر از 2/0 درصد کربن دارند. این میزان کربن موجب می‌شود که فولاد پس از سخت شدن، حداکثر استحکام به ضربه و بیشترین انعطاف‌پذیری را داشته باشد. تحت شرایطی که استحکام بیشتری نیاز باشد، فولاد با درصد کربن اولیه تا حداکثر 3/0 درصد را نیز می‌توان انتخاب کرد.
منگنز باعث پایداری سمنتیت شده و تا حدود 4/1 درصد، به کربن‌دهی کمک می‌کند. همچنین، کاربرد منگنز، ضخامت لایه سخت شده را افزایش می‌دهد. بنابراین، ضمن سرد کردن سریع، امکان ترک برداشتن قطعه بیشتر می‌شود که این امر باید در نظر گرفته شود.
سیلیسیم، عنصری گرافیت‌زاست و باعث تجزیه سمنتیت می‌شود. لذا وجود آن در فولاد، کربن‌دهی را به تعویق می‌اندازد. بنابراین در فولادهایی که قرار است تحت عملیات کربن‌دهی قرار گیرند، مقدار سیلیسیم کمتر از 35/0 درصد انتخاب می‌شود.
کروم، باعث پایداری سمنتیت و افزایش سختی و مقاومت به سایش پوسته سخت شده می‌شود. همچنین، حضور این عنصر منجر به افزایش استحکام مغز قطعه (تا حدودی) می‌شود، اما انعطاف‌پذیری آن را به میزان اندکی کاهش می‌دهد. با این وجود، از آنجا که کروم مقاومت به ضربه را کاهش می‌دهد، مقدار آن در فولادهایی که قرار است تحت عملیات سطحی کربن‌دهی قرار گیرد از 5/1 درصد نباید بیشتر شود.
نیکل، باعث پیشگیری از رشد دانه‌ها به هنگام کربن‌دهی شده و با کاربرد آن معمولاً نیازی به عملیات نرماله کردن قطعه برای ریز کردن دانه‌ها نیست. لذا وجود آن در فولاد کربن‌دهی شده، مفید است.
به‌طور کلی از مباحث فوق نتیجه می‌شود که فولادهای ساده کربنی که برای کربن‌دهی انتخاب می‌شوند، تا 4/1 درصد منگنز، تا 3/0 درصد کربن و کمتر از 35/0 درصد سیلیسیم دارند. فولادهای آلیاژی مناسب برای کربن‌دهی علاوه‌بر عناصر فوق، می‌توانند دارای 5/4 درصد نیکل، 5/1 درصد کروم و 3/0 درصد مولیبدن باشند. نقش عناصر آلیاژی یاد شده، افزایش استحکام بدون کاهش انعطاف‌پذیری و مقاومت قطعه به ضربه (تافنس) است.
ب - فولادهای مناسب برای نیتروژن‌دهی
به‌طور کلی، فولادهای زیر را می‌توان برای کاربردهای خاص تحت عملیات حرارتی نیتروژن‌دهی قرار داد:
1. فولادهای کم آلیاژ آلومینیم‌دار
2. فولادهای کم‌آلیاژ کروم‌دار با کربن متوسط (بیش از 25/0 درصد کربن) از گروه‌های 4100، 4300، 5100، 6100، 8600، 8700، 9300 و 9800 (دو رقم سمت راست این گروه‌ها که بیانگر صدم درصد کربن است، باید بیشتر از 25 باشد)
3. فولادهای قالب گرم کار حاوی 5 درصد کروم نظیر11 H13، H 12، H.
4. فولادهای زنگ نزن فریتی و مارتنزیتی از گروه 400.
5. فولادهای زنگ نزن آستنیتی از گروه 300.
6. فولادهای زنگ نزن سخت‌شونده رسوبی نظیر
PHا4 - 17، PHا7 - 17 و 286 - A.
فولادهای ساده کربنی برای نیتروژن‌دهی مناسب نیستند. این امر تشکیل یک لایه سطحی بسیار ترد است که به سادگی از سطح جدا می‌شود. به علاوه، افزایش سختی در ناحیه نفوذ نیتروژن در این نوع فولادها کم است.
پ- فولادهای مناسب برای کربن- نیتروژن‌دهی
سختی‌پذیری که معیاری برای سهولت تشکیل مارتنزیت و تشکیل آن در آهنگ‌های سرد شدن کمتر است، به هر اندازه که بیشتر شود، مفید خواهد بود. برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، نیاز به آهنگ سرد شدن کمتری وجود دارد. لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه کربن داده شده به تنهایی است. بنابراین، فولادهای کربن- نیتروژن داده شده را می‌توان با سرد کردن در روغن و یا حتی توسط گاز (در برخی موارد) و در نتیجه، کاهش احتمال اعوجاج و تاب برداشتن قطعه، به حداکثر سختی مورد نظر رساند. از سویی دیگر، در این فرایند با هزینه کمتر به ضخامت پوسته سخت شده مورد نظر خواهیم رسید.
فولادهایی که معمولاً کربن- نیتروژن‌دهی می‌شوند، عبارتند از:
گروه‌های 1000، 1100، 1200، 1300، 1500، 4000، 4100، 4600، 5100، 6100، 8600 و 8700 با درصد کربنی حداکثر برابر با 25/0 درصد.
تحت شرایطی که در آنها، به مجموعه‌ای از خواص نظیر سخت شدن سرتاسری با تافنس قابل قبول و سطحی سخت با مقاومت به سایش زیاد، نظیر شافت‌ها و دنده‌ها نیاز باشد، می‌توان سطح بسیاری از فولادهای گروه‌های یاد شده را با درصد کربنی بین 3/0 تا 5/0 درصد، تا عمق 3/0 میلی‌متر تحت عملیات کربن- نیتروژن‌دهی قرار داده و سخت کرد. برای دستیابی به پوسته‌ای نازک با سختی و مقاومت به سایش بیشتر در مقایسه با شرایط سخت کردن حجمی مرسوم، اغلب فولادهای کربنی آلیاژی با کربن متوسط را در اتمسفر کربن- نیتروژن‌دار حرارت داده و سپس سریع سرد می‌کنند. در مورد فولادهایی نظیر: 4140، 5140، 8640 و 4340 که برای کاربردهایی مانند چرخ‌دنده‌های سنگین مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌توان عملیات حرارتی مشابهی انجام داد. دمای عملیات حرارتی برای این منظور حدود 845 درجه سانتی‌گراد (دمای آستنیته کردن) است.
ت- فولادهای مناسب برای نیتروژن- کربن‌دهی
به‌طور کلی از عملیات حرارتی نیتروژن کربن‌دهی، در مواردی استفاده می‌شود که نیاز به افزایش مقاومت در برابر سایش و خستگی و یا هر دو باشد. مثال‌هایی در این زمینه عبارتند از: چرخ‌دنده‌های ماشین‌آلات نساجی، میل‌لنگ‌ها، انواع شافت‌ها، محورها و قطعات مشابه. بیشترین افزایش مقاومت در برابر خستگی و خراشیدگی در اثر این فرایند، در مورد فولادهای ساده کم کربن گزارش شده است.
مشخص شده است که برای بهره‌گیری از حضور لایه سفید رنگ (حاوی فاز کاربونیترید اپسیلن به علاوه نیتریدها و اکسیدهای دیگر) برای افزایش مقاومت در برابر خراشیدگی، تنش‌های تماسی نباید آن‌قدر زیاد باشد که از استحکام تسلیم فلز در زیر لایه نیترید بیشتر شود. تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشند، اگر از روی سختکاری سطحی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده شود، استحکام فلز زیر لایه باید افزایش داده شود. برای این کار افزایش ضخامت پوسته سخت شده در این روش الزامی است. در غیر این صورت، استفاده از روش سخت کردن سطحی کربن- نیتروژن‌دهی توصیه می‌شود.
عملیات حرارتی بهینه برای فولاد 27CD4
برای ساخت دنده‌های گیربکس خودرو می‌توان از فولاد 27CD4 استفاده کرد. درصد کربن فولاد 27CD4 به‌طور میانگین 27/0 درصد است. در بررسی قطعات گیربکس، ملاحظه می‌شود که عمق پوسته سخت شده در دنده‌های گیربکس و شافت ورودی و خروجی (در صورتی که در ساخت همه آنها از فولاد 27CD4 استفاده شده است) برابر با 35/0 میلی‌متر است. از آنجا که لایه کربن- نیتروژن داده شده، دارای سختی‌پذیری بیشتری در مقایسه با لایه صرفاً کربن داده شده است، برای تشکیل پوسته سخت شده با ضخامت مشخص، به آهنگ سرد شدن کمتری نیاز خواهد بود. بنابراین، اگر در عملیات حرارتی سطحی، کربن و نیتروژن را با هم به سطح قطعه نفوذ دهیم، بهتر است. علاوه‌بر مزیت ذکر شده، سطوح کربن- نیتروژن داده شده، دارای مزایای زیر هستند:
1. مقاومت سطوح کربن- نیتروژن داده شده در برابر نرم شدن به هنگام بازپخت، به مراتب بیشتر از سطوح کربن داده شده تنهاست.
2. سطوح کربن- نیتروژن داده، استحکام ضربه‌ای (تافنس) و مقاومت خستگی بهتری در سختی یکسان دارند. (در مقایسه با سطوح کربن داده شده)
3. مقاومت به پوسته شدن در سطوح کربن- نیتروژن داده شده نسبت به سطوح کربن داده شده بیشتر است.
4. سطوح کربن- نیتروژن داده شده مقاومت به سایش بیشتری دارند.
5. الگوی تنش پسماند در سطوح کربن- نیتروژن داده شده به علت کاهش نرخ سرد کردن سریع آنها از سطوح کربن داده شده بهتر است.
در نتیجه، احتمال ایجاد اعوجاج در قطعه به حداقل ممکن می‌رسد که نتیجه آن حذف یا به حداقل رسیدن لقی در چرخ‌دنده‌های گیربکس به علت وجود تمامی مزایای گفته شده است.
عملیات حرارتی کربن- نیتروژن‌دهی یا نیتروژن- کربن‌دهی، بر عملیات کربن‌دهی در مورد فولاد 27CD4، ارجحیت دارد. عملیات نیتروژن‌دهی در مورد این فولاد توصیه نمی‌شود. زیرا اولاً با توجه به درصد کربن نسبتاً کم این فولاد نیتروژن‌دهی ممکن است سختی لازم برای سطح را تأمین نکند و ثانیاً خطر ترک خوردن و یا پوسته شدن لایه نیترید وجود دارد. حال باید دید که از دو فرایند کربن- نیتروژن‌دهی و نیتروژن کربن‌دهی، کدام یک مناسب‌تر است. تحت شرایطی که تنش‌های تماسی بسیار زیاد باشد، مانند چرخ‌دنده‌های گیربکس، استحکام فلز در زیر لایه سخت شده باید افزایش داده شود. برای تأمین این منظور اگر از عملیات حرارتی نیتروژن- کربن‌دهی استفاده کنیم باید ضخامت لایه سفید حاوی نیتریدها افزایش داده شود که این امر هزینه و وقت زیادتری لازم دارد. بنابراین بهتر است که روش کربن- نیتروژن‌دهی را برای سخت کردن سطح این فولاد انتخاب کنیم. محیط خنک‌کننده هم می‌تواند روغن داغ انتخاب شود.
روش‌هایی مناسب برای به حداقل رساندن اعوجاج قطعه
1. گرم و یا سرد کردن قطعات به طور یکنواخت
2. استفاده از روش صحیح برای فرو بردن قطعات در محیط سردکننده
3. عدم انتخاب دمای بسیار بالا برای آستنیته کردن
4. آرام سرد کردن قطعه در زیر نقطه MS (دمای آغاز تشکیل مارتنزیت)
5. کاربرد عملیات حرارتی مارتمپرینگ در صورت امکان
6. تمیز کردن سطح قطعات قبل از کوئنچ کردن
7. طراحی قطعات مورد عملیات حرارتی حتی‌الامکان به صورت قرینه
8 . استفاده از روش کوئنچ تحت فشار
9. تثبیت ابعاد قطعه با ضربه مکانیکی
از بین 9 روش مورد اشاره، توضیح دو مورد آخر ضروری به‌نظر می‌رسد.
الف- تثبیت ابعاد با ضربه مکانیکی
برای تأمین ثبات اندازه‌ها می‌توان بعد از عملیات حرارتی ضربه مکانیکی را به‌کار برد. این عمل به منظور به وجود آوردن تغییر شکل جزئی ماندگار، انجام می‌گیرد. در نتیجه با تکرار تغییر شکل الاستیکی، تنش‌های باقیمانده برطرف می‌شوند. در شکل (1) تغییر طول فولاد W1 سخت شده به اضافه برگشت دیده، تحت شرایط ساچمه‌زنی و بدون ساچمه‌زنی، مشاهده می‌شود.
شکل 1: تأثیر ضربه بر تثبیت ابعاد فولاد W1
ب- کوئنچ تحت فشار
برای به حداقل رساندن اعوجاج به هنگام عملیات کوئنچ قطعات حساس نظیر چرخ‌دنده‌ها، به جای کوئنچ معمولی تحت فشار پتک به اندازه 10-7اT در روغن به‌کار برده می‌شود. در این روش، تغییر ابعاد اتفاق می‌افتد اما پیچیدگی، در حدی بسیار پایین است.
در شکل 2، دستگاه آب‌دهی فشاری برای چرخ‌دنده‌های شیب‌دار با ظرفیت 7 تا 10 تن دیده می‌شود. هنگام وارد آوردن فشار، قطعه با روغن خنک می‌شود.
جدول 1: انواع روش‌های آب‌دهی تحت فشار
شکل 2: آب‌دهی فشاری برای چرخ‌دنده‌ها
پانوشت‌ها:
1. Looseness
2. Distortion
3. Carburizing
4. Nitriding
5. Carbonitriding
6. Nitrocarburizing
منابع:
1. AGMA STANDARD: "Sound Manual Section II", "Sources, Specifications and Levels of Gear Sound".
2. Steel and its Heat Treatment Bofors Handbook, Butterworth thinning, K.E. 1981.
3. Case Hardening of Steel, ASM, 1987. Boyer.
4. عملیات حرارتی و مهندسی سطح.م. گلعذار 1377.
5. عیوب عملیات حرارتی و پیشگیری و اصلاح آنها، محمدحسن جولازاده 1371.