سخت کاری فولاد (Steel Hardening) عبارتست از انجام عملیات حرارتی بر فولاد که منجر به بهبود خواص شیمیایی، متالوژیکی، فیزیکی و مکانی آن می‌گردد. این عملیات، سبب افزایش استحکام فولاد می‌گردد. سخت کاری انواع فولاد از جمله Mo40، Ck45، Ck60 به طور کلی شامل سه مرحله مشابه است: حرارت دهی، حفظ گرما برای مدتی معین و سپس خنک‌کاری. میزان درجه حرارت برای هر یک از آلیاژهای نامبرده و همچنین مدت زمانی که برای خنک کاری لازم است، اندکی متفاوت است. سختی پذیری Ck45 نسبتاً کم است. روش‌های ترموشیمی (مثل کربن دهی و نیتروژن دهی) و روش‌های موضعی (مثل سختکاری شعله‌ای و القایی) از راهکارهای سختکاری فولاد هستند. در بسیاری از این روش‌ها، در مرحلۀ خنک‌کاری، از روغن استفاده می شود. در سخت کاری با آب نمک نیز از محلول آب و نمک جهت خنک‌کاری استفاده می‌گردد.
کاربرد گسترده فولاد در صنایع مختلف و نیاز به این محصول با استحکام بالا، معمولا افراد را با این سوال مواجه می‌کند که چه چیز باعث استحکام آهن می‌شود؟ عوامل مختلفی بر مقاومت و استحکام فولاد تاثیر دارند؛ درصد کربن، نوع و ترکیب عناصر آلیاژی و درجه سختی برخی از مهمترین آن‌ها محسوب می‌شوند. هر چه این فاکتورها به استانداردها نزدیک و متناسب با آن باشد، استحکام آهن هم بیشتر خواهد شد. در همین راستا، عملیات سخت کاری فولاد جهت افزایش درجه سختی و بهبود استحکام آن انجام می‌گیرد. این عملیات نقش قابل توجهی هم در بهبود سایر خواص فولاد از جمله خواص مکانیکی، متالوژیکی، شیمیایی و فیزیکی دارد.
به طور کلی، سخت کاری آهن به نوعی عملیات حرارتی گفته می‌شود که طی آن سطح رویی فولاد دچار تغییر شده و همین موضوع منجر به بهبود خواص گوناگون آهن خواهد شد. این عملیات حرارتی سختی فولاد را به میزان چشم گیری افزایش می‌دهد بدون این که درون آن با تغییر مواجه شود. قطعات آهنی که تحت عملیات سخت کاری قرار می‌گیرند، سختی مطلوبی به دست آورده و از خاصیت چقرمگی مناسبی برخوردار خواهند شد. افزایش مقاومت در برابر سایش و استحکام دینامیکی آهن از جمله دیگر خواصی هستند که طی این عملیات بهبود می‌یابند. فرایند سخت کاری معمولا در آخرین مرحله تولید قطعات فولادی انجام می‌گیرند.
عملیات حرارتی مهمترین فرایند در سخت کاری فولاد به شمار می‌آید و معمولا در روش‌های مختلفِ سخت کاری از آن استفاده می‌شود. منظور از عملیات حرارتی، فرایندی است که با افزایش دمای یک آلیاژ مانند فولاد تا مقدار مشخص، ثابت نگه داشتن و سپس کاهش دما در یک بازه زمانی معین، خواص آن را تغییر می‌دهد. این فرایند کاربردهای فروانی داشته و معمولا جهت تغییر و بهبود استحکام، سختی، دوام، شکل‌پذیری و دیگر خواص مکانیکی فولاد یا سایر آلیاژها مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف کلی و اصلی عملیات حرارتی، بهبود مقاومت قطعات در برابر استهلاک و افزایش طول عمرشان است. آنیلینگ و تمپرینگ دو نمونه از روش های عملیات حرارتی هستند.
در عملیات حرارتی، اقدامات لازم برای افزایش سختی فلز معمولاً در فاز جامد انجام می‌گیرد. در برخی موارد، فرایندهای مربوط به عملیات حرارتی باید چند بار تکرار شود تا خواص ماده به میزان مد نظر برسد. با توجه به این موضوع، عملیات حرارتی را می‌توان مجموعه‌ای از فرایندهای افزایش و کاهش دمای فلزات و آلیاژها در فاز جامد دانست که برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب اجرا می‌شوند. فرایندهای حرارتی جهت نیل به اهداف زیر اجرا می‌شود:
فاکتورها و عوامل زیادی در افزایش سختی آهن نقش دارند که تغییر هر کدام می‌تواند این خاصیت کلیدی فولاد را کاهش یا افزایش دهد. چند روش مختلف برای افزایش سختی آهن وجود دارد. بسته به هدف مورد نظر، بر روش مورد نظر تمرکز می‌شود. با توجه به روش و عملیاتی که جهت سخت کاری استفاده می‌شود، قیمت نهایی محصولات فولادی هم متفاوت خواهد بود. مهمترین عوامل تاثیرگذار در افزایش سختی آهن و بهبود سختی آن عبارتست از:
در عملیات سختکاری باید به این موارد توجه شود.
راههای مختلفی جهت افزایش سختی فولاد و دیگر فلزات وجود دارد که هر کدام برای سخت کاری یک نوع فلز یا آلیاژ مناسب هستند. با وجود این، مراحل انجام این عملیات در تمامی روش‌ها مشترک است. این موارد مشترک در روش‌های مختلف سخت کاری فولاد شامل سه مرحله حرارت دهی، نگهداری دما و خنک کاری می‌شوند. اگر چه برای هر مرحله ممکن است در روش‌های مختلف از تکنیک‌های متفاوتی استفاده شود، اما این سه مرحله کلی جهت افزایش سختی با شیوه‌های گوناگون باید مد نظر قرار بگیرند. این مراحل مشترک در تمامی روش‌های سخت کاری آهن عبارتند از:
به منظور بهبود و افزایش سختی آهن و فولاد از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که هر کدام سازوکار مخصوص به خود را دارند. در یک دسته بندی کلی، می توان این روش‌ها در دو گروه جای داد:
الف- روش های مبتنی بر عملیات ترموشیمی. در این روش ها، پس از انجام سخت کاری آهن، ترکیب شیمیایی فلز دچار تغییر می‌شود.
ب- روش های مبتنی بر عملیات موضعی: عملیات موضعی، ترکیب شیمیایی فلز را تحت تأثیر قرار نمی‌دهند.
با توجه به این که در آخرین مرحله سخت کاری آهن با اکثر روش‌ها از روغن استفاده می‌شود، برخی افراد گمان می‌کنند که روغن موجب افزایش سختی آهن می‌شود. در صورتی که این گونه نبوده و روغن هیچ نقشی در استحکام و افزایش میزان سختی قطعات فولاد ندارد. بلکه از آن تنها برای خنک کاری فولاد پس از رسیدن به دمای بالای سخت کاری استفاده می‌شود. روغن نسبت به آب به زمان بیشتری برای خنک سازی قطعات فولادی نیاز دارد. از این رو احتمال ایجاد اکسید به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. در بسیاری از روش‌های سخت کاری از جمله کربن دهی، سخت کاری شعله ای و القایی، روغن در مرحله کوئینچینک (خنک کاری) کاربرد دارد.
کاربرد آب در فرایند سخت کاری آهن کاملا مشابه با روغن است. به این صورت که پس از افزایش دمای قطعات فولادی، از آب جهت خنک کاری استفاده می‌شود. حتی استفاده از آب در این مرحله نسبت به روغن کاربردی تر است. با این حال، گاهی اوقات به آب نمک هم اضافه کرده و از محلول آب نمک جهت خنک کاری مقاطع فولادی استفاده می‌شود. اضافه شدن نمک به آب درجه تبخیر را افزایش داده و باعث می‌شود قطعه فولادی در زمان کوتاه‌تری سرد شود. از این رو در برخی موارد، جهت خنک سازی قطعه از آب نمک به جای آب استفاده می‌گردد.
سحر کوه فر
لیسانس زمین‌شناسی کاربردی، ارشد پترولوژی، سئوکار، نویسنده محتوای وبسایت. علاقه‌مند به سنگ‌ها، فلزات، نفت و گاز و ژنز آن‌ها در زمین و روش‌های اکتشاف آن‌ها؛ حامی زمین و محیط زیست...