سمانتاسیون

بطور کلی، فولاد سمانته، فولادهای ساده کربنی و یا کم آلیاژ کم کربنی هستند که میزان کربن در سطح آن‌ ها را به روش کربن‌ دهی می‌ توان به حدی افزایش داد که ساختار سطحیشان پس از سرد شدن سریع از دمای آستنیته، به زمینه ‌ی مارتنزیتی پر کربن با سختی بالا تبدیل شود.
در این صورت سطحی مقاوم به سایش و خستگی از ریزساختار مارتنزیت سخت پر کربن روی مغزی نرم و مقاوم به ضربه با ریزساختار مارتنزیت کم کربن یا پرلیت و فریت تشکیل می ‌شود.
عملیات سمانتاسیون یکی از زیرمجموعه‌ های عملیات حرارتی قطعات است که به منظور افزایش سختی بهبود مقاومت در برابر سایش و افزایش استحکام خستگی بدون تاثیر قرار گرفتن خواص درونی قطعه نظیر چقرمگی مغز به کار می ‌رود.
در صنعت نیاز به قطعات فولادی است که سطحی سخت و در عین حال از چقرمگی یا مقاومت به ضربه خوبی نیز برخوردار باشد. برای مثال قطعاتی مانند میل لنگ، میل بادامک و چرخ دنده باید سطحی بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش و همچنین ، استحکام کششی و چقرمگی بالایی داشته و در برابر ضربه ‌هایی که در حین کار به آن وارد می‌ شود، مقاوم باشند.

روش‌ های مختلف عملیات حرارتی

روش ‌های مختلف عملیات حرارتی عموماً به سه گروه زیر تقسیم می ‌شود:
روش اول عملیات حرارتی، شیمیایی یا نفوذی که منجر به تغییر ترکیب شیمیایی در سطح فولاد و یا نفوذ یک عنصر جا نشین یا بین نشین به داخل قطعه می ‌شود. برای مثال: کربن دهی، نیتروژن دهی، کربن نیتروژن دهی، بور دهی و غیره. که کربن ‌دهی همان فرایند سمانتاسیون است.
روش دوم عملیات حرارتی موضعی بدون تغییر ترکیب شیمیایی سطح فولاد است. بطور مثال: سخت کردن القایی و شعله ‌ای
روش سوم سایر روش‌ های سخت کردن سطحی مانند سخت کردن لیزری، پرتو الکترونی و پلاسمایی است.

عملیات سمانتاسیون

عملیات سمانتاسیون یکی از زیرمجموعه‌ های عملیات حرارتی قطعات است که به منظور افزایش سختی بهبود مقاومت در برابر سایش و افزایش استحکام خستگی بدون تاثیر قرار گرفتن خواص درونی قطعه نظیر چقرمگی مغز به کار می‌ رود.
این عملیات را در دما و زمان مختلف و معمولاً در حمام نمک‌ های سیانوری انجام می‌ دهند. به دلیل مشکلات زیست محیطی که حمام ‌های سیانوری ایجاد می‌ کنند پروسه ‌های کربونیتراسیون مایع به سمت توسعه حمام‌ های بدون سیانور سوق داده می ‌شوند. فولاد سمانته دارای کربن پایین به مقدار ۰٫۰۷ تا ۰٫۲۵ درصد هستند. این درصد کربن موجب می‌ شود، مغز قطعه کربن داده شده از چقرمگی و انعطاف ‌پذیری خوبی برخوردار باشد.
مقدار پایین کربن در این فولادها باعث می‌ شود که با سریع سرد کردن این فولادها از ناحیه آستنیتی، میکروساختار سخت مارتنزیت در سطح آن‌ ها تشکیل نشود. در واقع این فولادها قابلیت آبدادن ندارند و سختی نمی‌ گیرند. فولادهای سمانته آلیاژی دارای عناصر آلیاژی منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن و … هستند که استحکام و سختی پذیری آن ‌ها را افزایش می‌ دهد.
در نتیجه با کربن ‌دهی به سطح این فولادها، کربن سطحی به مقداری افزایش می ‌یابد که این فولادها قابلیت آبدادن پیدا می‌ کنند، به عبارت دیگر می ‌توان با سریع سردکردن فولاد از ناحیه آستنیتی شاهد تشکیل مارتنزیت سخت پر کربن در لایه سطحی آن بود.

مکانیزم سمانتاسیون (کربوره کردن)

مکانیزم کلی عبارت است از:

  • ایجاد عنصر نفوذ کننده (کربن) به صورت اتمی
  • ایجاد شرایط مناسب برای جذب کربن توسط سطح قطعه
  • انتشار عنصر نفوذ کننده تا عمق مورد نظر در قطعه

انواع فولادهای سمانته

فولادهای سمانته به دو دسته تقسیم می‌ شوند: سمانته های نیکل دار و سمانته های غیر نیکل دار، که فولاد ۱٫۷۱۳۱ از جمله فولادهای سمانته غیر نیکل دار است. در واقع اصطلاح سمانته یا سمانتاسیون به معنی سختکاری سطحی است که در واقع نوعی عملیات حرارتی هستند که سطح نمونه سخت می‌ گردد و مغز نمونه بدون تأثیر سختی می ‌ماند که در واقع می ‌گوییم سطح سخت و مغز چقرمه (نرم) است. این فولاد ترکیب شیمیایی ۱۶ MnCR5 که در دمای ۸۸۰-۹۸۰ درجه سانتی ‌گراد کربن دهی می ‌گردد که در دمای۷۸۰-۸۲۰ سطح آن سخت می ‌شود و در دمای ۱۵۰-۲۰۰ درجه ی سانتی ‌گراد، تمپر می شود و سطح آن ماکزیمم (البته سایز های ریز) به ۴۷HRC می رسد از موارد کاربرد آن می‌ توان به چرخ‌ های دندانه ‌دار و اجزا فرمان اشاره نمود.

فولادهای سمانتاسیون نوع اول

این فولاد سمانته به علت دارا بودن کرم و نیکل بالا در مقابل فشار و اصطکاک مقاومت بسیار عالی دارد. برای ساخت انواع چرخ دنده پیستون میله های هزار خار – گژن پین میل فرمان و … به کار می‌ رود و با پلیش عالی در صنایع پلاستیک و ملامین نیز به کار می ‌رود. با استاندارد ۵۹۱۹ (۷۲۱۰ آساب) تقریباً خواص مشابهی دارد.

فولادهای سمانتاسیون نوع دوم

این فولاد سمانته نیز برای ساخت کلیه قطعاتی که باید دارای سطح بسیار سخت و مغز نرم باشند به کار می ‌رود. مانند انواع مختلف چرخ دنده – میل فرمان – کرانویل و پیتیون و غیره در صنایع پلاستیک نیز استفاده می ‌شود. با استاندارد ۷۱۴۷ تقریبا خواص مشابهی دارد. برای ساخت پوسته ‌های فک آسیاب و میل جک‌ های هیدرولیکی نیز به کار می ‌رود.
ایجاد پوشش ‌های پایه کروم بر فولاد ساده کم کربن به روش سمانتاسیون بسته ‌ای عملیات حرارتی سطحی، فرایندی شامل گستره وسیعی از روش ‌های مختلف است. که برای افزایش سختی، بهبود مقاومت سایشی، افزایش میزان مقاومت به خستگی و حتی افزایش مقاومت در برابر خوردگی به کار می‌ رود ، بدون اینکه خواص درونی قطعه مانند نرمی مغز و چقرمگی تحت تأثیر قرار گیرد .
سمانتاسیون شامل مقادیر بیشتر کربن در سطوح فولادی با محتوای کربن کم است. بنابراین، برای فولاد خفیف یا فولاد آلیاژی که کربن اصلی از 0.25% کمتر است نشان داده می‌ شود. سمانتاسیون این سطح را تا مقادیر 1% افزایش می ‌دهد که موجب سطوح سخت و هسته سخت تر می ‌شود.
قطعات ساخته شده از فولاد با درصد متوسط یا زیاد کربن که عملیات خمش متعددی را متحمل دچار ترک خوردگی می ‌شود. اما اگر آن ‌ها با فولاد کم کربن (به عنوان مثال SAE1010) ساخته شده و سپس شکل دهی و سیمان‌ سازی شوند، ممکن است بدون داشتن قطعه با ترک به نتیجه خوبی داشته باشد.

سمانتاسیون را می توان به روش های جامد، گازی یا مایع انجام داد.

سمانتاسیون جامد

در این نوع سیمان سازی قطعه در یک جعبه فولادی قرار می گیرد که حاوی مواد سرشار از کربن است : ذغال سنگ، کک، کربنات کلسیم و روغن کتان. سپس قطعه در مدت زمان لازم برای به دست آوردن لایه مورد نظر، در دمای حدود 930 درجه سانتی‌گراد به کوره آورده می‌ شود. پس از آن، قطعه برای رسیدن به درجه سختی مورد نظر ارسال می‌ شود. مدت زمان نگهداری در کوره می‌تواند از یک تا سی ساعت متغیر باشد و لایه بدست آمده نیز از 0.3 میلی متر تا 2.0 میلی متر متغیر است.

سمانتاسیون گازی

سمانتاسیون گاز کارآمدترین فرایند است زیرا اجازه می‌ دهد تا سیمان سازی قطعات با قوام بیشتر و راندمان انرژی بهتری انجام شود. این فرایند معمولاً از گاز پروپان یا گاز طبیعی برای تولید کربن مورد نیاز استفاده می کنند و درجه حرارت از 850 درجه سانتی‌گراد تا 950 درجه سانتی‌گراد متفاوت است. پس از سمانتاسیون، فولاد در روغن حرارت داده می‌ شود.

سمانتاسیون مایع

سمانتاسیون مایع، این فرایند از نمک‌ های مذاب غنی از کربن استفاده می‌ شود که عمدتاً بر اساس نمک ‌های سیانید و کربنات است. درجه حرارت باید از 930 الی 950 درجه سانتی‌ گراد باشد زیرا نمک ‌ها در این دما مایع می ‌شوند و ذوب اولیه در حدود 650 درجا سانتی گراد است.
سپس قطعات از قبل گرم شده با دمای 400 درجه در حمام مذاب آغشته می شود. نقش پیش گرمایش از بین بردن آب و جلوگیری از شوک حرارتی می ‌باشد. قطعه را باید در آب نمک با 10 الی 15 % کلرید سدیم یا در روغن خنک سرد کنید.
در حال حاضر روند سمانتاسیون منسوخ در نظر گرفته شده و دیگر مورد استفاده گسترده نیست، اگر چه هنوز هم در بخش ‌هایی مانند محورها و دندانه ‌ها مورد استفاده قرار می ‌گیرد.