فولاد سمانتاسیون به گروهی از فولادهای کمکربن گفته میشود که سطح آنها در طی یک فرایند حرارتی – -شیمیایی (به نام سمانتاسیون یا کربندهی) غنی از کربن میشود.
در نتیجه، پس از عملیات حرارتی نهایی (نظیر سختکاری و تمپر)، سطح فولاد بسیار سخت و مقاوم به سایش میگردد، در حالی که هستهی آن نرم و چقرمه باقی میماند.
این ویژگی باعث میشود فولاد سمانتاسیون هم مقاومت سایشی بالا (در سطح) و هم جذب ضربه و انعطاف زیاد (در مرکز) داشته باشد.
ترکیب شیمیایی فولادهای سمانتاسیون
فولادهای سمانتاسیون معمولاً دارای درصد کربن پایین (۰٫۱ تا ۰٫۲۵٪) هستند تا پس از عملیات، مغز نرم باقی بماند.
عناصر آلیاژی بسته به نوع کاربرد، برای بهبود سختیپذیری و خواص مکانیکی اضافه میشوند.
| عنصر | درصد تقریبی | نقش |
|---|---|---|
| C (کربن) | ۰٫۱۰–۰٫۲۵% | چقرمگی هسته |
| Mn (منگنز) | ۰٫۵–۱٫۰% | افزایش سختیپذیری |
| Cr (کروم) | ۰٫۵–۱٫۵% | مقاومت سایشی، سختی سطح |
| Ni (نیکل) | ۱٫۰–۴٫۰% | چقرمگی و مقاومت ضربهای |
| Mo (مولیبدن) | ۰٫۱۵–۰٫۳% | جلوگیری از شکنندگی |
| Si (سیلیسیم) | ۰٫۲–۰٫۴% | افزایش استحکام |
نمونه گریدهای متداول:
۱۶MnCr5 (DIN 1.7131)
20MnCr5 (DIN 1.7147)
AISI 8620
AISI 5120
فرآیند سمانتاسیون (کربندهی سطحی)
فرآیند سمانتاسیون شامل نفوذ اتمهای کربن به سطح فولاد در دمای بالا (معمولاً ۸۷۰ تا ۹۵۰ درجه سانتیگراد) است.
پس از این مرحله، سطح فولاد از نظر درصد کربن غنی میشود (تا حدود ۰٫۸ تا ۱٫۰ درصد). سپس با سرد کردن سریع (کوئنچ)، سطح سخت و مغز نرم بهدست میآید.
سمانتاسیون جامد (Solid Carburizing):
قطعه در پودرهای کربندار (نظیر زغالچوب + فعالکنندههایی مانند BaCO₃) قرار میگیرد.
سمانتاسیون گازی (Gas Carburizing):
رایجترین روش صنعتی. در کورههای گازی با ترکیباتی مثل CO و CH₄ انجام میشود.
سمانتاسیون مایع (Liquid Carburizing):
در حمامهای سیانیدی یا نیتروکربندهی مایع انجام میشود.
سمانتاسیون پلاسمایی (Plasma Carburizing):
روش مدرنتر با کنترل دقیق ترکیب و ضخامت لایهی سمانتهشده.
فولاد زنگنزن ۳۱۰
یکی از آلیاژهای پرکاربرد سری ۳۰۰ است که به دلیل مقاومت عالی در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون در صنایع مختلف، به ویژه در شرایط دمای بالا استفاده میشود.
عملیات حرارتی پس از سمانتاسیون
پس از مرحلهی کربندهی، قطعه معمولاً مراحل زیر را طی میکند:
- آستنیته کردن (Austenitizing): حرارت دادن مجدد تا حدود ۸۵۰–۹۰۰°C.
- کوئنچ (Quenching): سرد کردن سریع در روغن یا گاز برای سخت شدن سطح.
- تمپر (Tempering): بازپخت در دمای ۱۵۰–۲۰۰°C برای کاهش تنشها و افزایش چقرمگی سطح.
ریزساختار فولاد سمانتهشده
پس از عملیات، ساختار سطح شامل مارتنزیت و کاربیدهای ریز است که سختی بالا (تا ۶۰ HRC) ایجاد میکند.
در حالی که ساختار مغز فولاد فریتی–پرلیتی یا بینیتی نرم است که مقاومت به ضربه دارد.
خواص مکانیکی فولاد سمانتاسیون
| ویژگی | مقدار یا توضیح |
|---|---|
| سختی سطح | ۵۸–۶۲ HRC |
| عمق لایه سمانته | ۰٫۵–۲ میلیمتر (بسته به زمان و دما) |
| استحکام کششی هسته | حدود ۸۰۰–۱۰۰۰ MPa |
| مقاومت سایشی | بسیار بالا |
| چقرمگی هسته | عالی |
| مقاومت خستگی | زیاد |
کاربرد فولاد سمانتاسیون
فولادهای سمانتاسیون در قطعاتی استفاده میشوند که بارهای دینامیکی زیاد و سایش سطحی بالا دارند اما نیاز به هستهای مقاوم و نرم نیز وجود دارد.
برخی کاربردهای مهم:
چرخدندهها (Gear)
محورهای انتقال قدرت (Shafts)
پینها و یاتاقانها
اجزای جعبهدنده (Gearbox components)
میللنگ و میلبادامک
قطعات خودرو و ماشینآلات صنعتی
مزایا و معایب فولاد سمانتاسیون
مزایا:
سطح بسیار سخت و مقاوم به سایش
هسته نرم و مقاوم در برابر شکست
عمر کاری بالا
مقاومت خوب در برابر خستگی
معایب:
نیاز به تجهیزات گران (در روش گازی یا پلاسمایی)
تغییر شکل احتمالی در طی کوئنچ
کنترل دقیق ضخامت لایه دشوار در برخی روشها
محدودیت برای قطعات بزرگ یا پیچیده در روش جامد
مقایسه با سایر فولادها
| نوع فولاد | سختی سطح | چقرمگی هسته | هزینه | کاربرد |
|---|---|---|---|---|
| سمانتاسیون | بسیار زیاد | زیاد | متوسط | قطعات دینامیکی |
| فولادهای نیتروکربندهی | زیاد | متوسط | بالا | ابزار دقیق |
| فولادهای تمامسخت (Through Hardened) | زیاد | کم | کمتر | تیغهها و قالبها |
فولادهای سمانتاسیون با ترکیب منحصربهفرد سختی سطحی بالا و چقرمگی درونی زیاد، از پرکاربردترین فولادها در صنایع خودروسازی، ماشینسازی، ابزارسازی و تجهیزات انتقال قدرت هستند.
پیشرفت در فناوریهایی مانند سمانتاسیون گازی و پلاسمایی باعث افزایش کنترلپذیری و کیفیت این فرایندها شده است.
