سختکاری پوسته
سختکاری پوسته یا سختکاری سطح ، فرایند سخت شدن "سطح" یک شیء فلزی است، در حالیکه عمق زیرین فلز نرم باقی می‌ماند. به این ترتیب یک لایه نازک فلزی سخت به نام "پوسته" در سطح تشکیل می‌شود. برای آهن یا فولاد کم‌کربن، که به‌خودی‌خود شکل‌پذیر و نرم است، برای فرایند "سختکاری پوسته"، کربن یا نیتروژن اضافی به لایه سطحی افزوده می‌شود. سخت کاری سطحی معمولاً پس از تشکیل شکل نهایی قطعه انجام می‌شود، اما می‌توان برای افزایش سختی محتوای عناصر میله‌ها نیز از آن استفاده کرد تا در فرایند ساخت قطعات جوشکاری و فرایندهای مشابه استفاده گردد. اصطلاح "سخت کاری سطحی" همچنین برای توصیف این تکنیک، هنگام بحث در مورد زره‌های مدرن استفاده می‌شود.
سخت شدن برای اجزای فلزی که در معرض تماس با مواد سخت یا ساینده هستند، مطلوب است. زیرا فلز سخت شده در برابر سایش سطح مقاومت بیشتری دارد. با این حال ، از آنجا که فلز سخت شده معمولاً شکننده تر از فلز نرمتر است ، سخت شدن از طریق یکنواخت فلز در سراسر قطعه، همیشه انتخاب مناسبی نیست. در چنین شرایطی ، سخت شدن ماده می تواند مولفه ای ایجاد کند که شکستگی ایجاد نکند (به دلیل هسته نرم که می تواند بدون ترک خوردگی تنش ها را جذب کند) ، اما همچنین مقاومت سایشی کافی را روی سطح سخت شده ایجاد می کند.
در ذوب آهن اولیه از شمش هایی استفاده می شد که دو لایه ی فلز تولید می کردند: یکی از آنها دارای محتوای کربن بسیار کم بوده و دیگری با لایه ی بیرونی پر کربن می باشد. از آنجا که آهن پر کربن در هنگام نورد شکسته و خرد می شود، بدون ذوب کردن مفید نیستند. در نتیجه تا رواج محبوبیت نورد، ظرافت تا حد زیادی در غرب استفاده نشده است. آهن فرفوژه تقریبا بدون کربن است. در نتیجه بسیار چکش خوار و شکل پذیر بوده و سخت نیست. سخت شدن سطحی شامل بسته بندی آهن کم کربن در ماده ای پرکربن است و با گرم کردن آن باعث می شوند کربن روی لایه ی آهن کم کربن بنشیند(نفوذ کند) . این یک لایه ی سطحی نازک از فولاد کم کربن است که با محتوای کربن به تدریج از سطح فولادی کم کربن با یک لایه ی فولادی پرکربن که در برابر سایش مقاومت بیشتری دارد، ترکیب شده است. اگر ماده ی کربن با ماده آلی مخلوط شده باشد، قسمت سخت شده ممکن است تغییر سطح متمایزی را از خود نشان دهد. این فولاد به طور قابل توجهی تیره می شود و یک الگوی خالدار از سیاه، آبی و بنفش را نشان می دهد. این ترکیب، ناشی از ترکیبات مختلفی می باشد که از ناخالصی های استخوان و ذغال تشکیل شده است. این سطح اکسید، درجه ای از مقاومت را در برابر خوردگی ایجاد می کند. فولاد سخت کاری شده، سختی و مقاومت فوق العاده را با هم ترکیب می کند، به طوری که با آلیاژهای همگن خیلی مطابقت ندارد. زیرا فولاد سخت، به تنهایی شکننده است. کربن خود در دمای سخت کاری جامد است و بنابراین بی حرکت است. انتقال کربن به سطح فولاد، به صورت مونوکسیدکربن گاز بود که در اثر تجزیه ترکیب کربورزاسیون و اکسیژن بسته بندی شده در محفظه بسته تولید می شود. این کار با کربن خالص انجام می شود اما خیلی آهسته انجام می شود. اگرچه اکسیژن برای این فرآیند مورد نیاز است اما از طریق چرخه CO دوباره گردش می کند و بنابراین می توان آن را در داخل یک محفظه بسته انجام داد. آب بندی برای جلوگیری از نشت گاز CO یا اکسید شدن آن توسط بیش از حد هوای خارج به CO2 ضروری است.
افزودن کربنات به عنوان یک "انرژی زا"، باعث می شود به راحتی تجزیه شود. مانند کربنات باریم به BaO + CO2 تجزیه می شود و این واکنش را فعل پذیرتر می کند. C + CO2  2 CO در گذشته، اگرچه در سختکاری سطحی، از استخوان استفاده شده بود ، اما ماده اصلی، کربن سم و شاخ بود. استخوان حاوی مقدار اندکی کربنات است، اما عمدتا فسفات کلسیم است (به عنوان هیدروکسیلاپاتیت). این اثر مفیدی برای تشویق تولید CO ندارد و همچنین می تواند فسفر را به عنوان ناخالصی به آلیاژ فولاد وارد کند.
هر دو فولاد کربنی و آلیاژی برای سخت کاری سطحی، مناسب هستند. از فولادهای نرم با محتوای کم کربن ، معمولاً کمتر از 0.3٪ استفاده می شود (برای اطلاعات بیشتر به plain-carbon steel مراجعه کنید). این فولادهای نرم به دلیل کم کربن بودن، معمولا قابل سخت کاری نیستند. بنابراین سطح فولاد برای افزایش سختی پذیری تغییر شیمیایی داده است. فولاد مورد سخت شده با انتشار کربن (کربوراسیون) ، نیتروژن (نیترید کردن) و یا بور (بورینگ) به لایه خارجی فولاد در دمای بالا و سپس عملیات حرارتی لایه سطح تا سختی مورد نظر تشکیل می شود.
اصطلاح سخت کاری سطحی از کاربردهای خودکار کربوراسیون ، که در اصل همان فرآیند باستان است ، گرفته شده است. قطعه کار فولادی داخل یک محفظه ی بسته محکم با یک ترکیب سخت کاری کربن قرار می گیرد. این مجموعه در مجموع به عنوان یک بسته کرباس کننده (carburizing pack) شناخته می شود. بسته را برای مدت زمان متغیری درون کوره داغ قرار می دهند. زمان و دما تعیین می کند که تا چه اندازه در عمق سطح سخت شود. با این حال ، عمق سخت شدن در نهایت به دلیل عدم توانایی انتشار کربن در فولاد جامد محدود می شود و عمق معمول سخت شدن سطح با این روش تا 1.5 میلی متر است.
در کربوهیدرات مدرن از تکنیک های دیگری نیز استفاده می شود ، مانند گرمایش در جو غنی از کربن. اشیا کوچک ممکن است با گرم شدن مکرر با مشعل و خاموش شدن در محیط غنی از کربن، سخت شوند. فرمولاسیون های قدیمی این ترکیبات حاوی ترکیبات بالقوه سمی سیانید هستند .
تابش یا سخت شدن القایی، فرایندی است که در آن سطح فولاد خیلی سریع و در دمای بالا گرم می شود (با استفاده مستقیم از شعله گاز اکسیژن یا گرمایش القایی) سپس سریعاً سرد می شود ، به طور کلی با استفاده از آب. این "مورد" مارتنزیت را در سطح ایجاد می کند. مقدار کربن 0.3-0.6 درصد وزنی C برای این نوع سخت شدن مورد نیاز است.
کاربردهای این فرآیند، معمولا برای قفل و چرخ دنده و ... است ، جایی که لایه بیرونی سخت شده است تا در برابر بارگذاری مقاوم باشد و چرخ دنده های مکانیکی ، که در آن به سطوح مش چرخ دنده برای حفظ عمر طولانی نیاز است و برای حفظ دوام و مقاومت در برابر خرابی ، مقاومت لازم است. سخت شدن شعله از برخورد مستقیم شعله گاز اکسیژن به سطح مشخص شده استفاده می کند. نتیجه فرآیند سخت شدن توسط چهار عامل کنترل می شود:
کربوره کردن فرآیندی است که برای سخت کاری سطحی فولاد با محتوای کربن بین 0.1 تا 0.3 درصد وزنی C استفاده می شود. در این فرآیند ، فولاد برای مدت زمان مشخصی به یک محیط غنی از کربن در دمای بالا وارد می شود و سپس خاموش می شود به صورتی که کربن در ساختار، قفل شده است (قرار گرفته است). یکی از روشهای ساده این است که مرتباً یک قطعه را با یک مشعل استیلن با شعله ای غنی از سوخت گرم کنید و در یک مایع غنی از کربن مانند روغن خاموش کنید.
کربوراسیون یک فرآیند کنترل شده با انتشار است ، بنابراین هرچه فولاد در محیط غنی از کربن بیشتر نگه داشته شود ، نفوذ کربن بیشتر خواهد بود و محتوای کربن بالاتر است. بخش کربوره دارای محتوای کربن به اندازه کافی بالا است که می تواند از طریق شعله یا سخت شدن القایی دوباره سخت شود. کربن می تواند از یک منبع جامد ، مایع یا گازی حاصل شود. اگر از یک منبع جامد حاصل شود ، فرآیند کاربوریزاسیون بسته نامیده می شود. بسته بندی قطعات فولادی کم کربن با یک ماده کربنی و گرم شدن برای مدتی کربن را به لایه های خارجی منتقل می کند. یک دوره حرارت چند ساعته ممکن است یک لایه پر کربن با ضخامت حدود یک میلی متر ایجاد کند.
کربورسازی مایع شامل قرار دادن قطعات در حمام ماده حاوی کربن مذاب ، اغلب یک سیانور فلز است. کربورسازی گاز شامل قرار دادن قطعات در کوره نگهداری شده با فضای داخلی غنی از متان است.
نیتریدینگ در جو گاز آمونیاک و آمونیاک جدا شده ، قسمت فولادی را به 482-621 درجه سانتی گراد (900-1150 درجه فارنهایت) گرم می کند. زمانی که این قسمت در این محیط می گذرد عمق سطح را تعیین می کند. سختی با تشکیل نیترید حاصل می شود. برای کارایی این روش باید عناصر تشکیل دهنده نیترید وجود داشته باشد. این عناصر شامل کروم ، مولیبدن و آلومینیوم هستند. مزیت این فرآیند این است که باعث ایجاد عاج کمی می شود ، بنابراین می توان قطعه را پس از سرکوب ، خوی و ماشین کاری سخت کرد. پس از نیترید کردن هیچ خنک سازی انجام نمی شود.
سیانورینگ یک فرایند سخت شدن مورد است که سریع و کارآمد است. عمدتا در فولادهای کم کربن استفاده می شود. این قسمت در یک وان سیانور سدیم تا دمای 951- 871 درجه سانتیگراد (1600-1750 درجه فارنهایت) گرم می شود و سپس خاموش می شود و در آب یا روغن شستشو می شود تا سیانور باقیمانده از بین برود.
این فرآیند پوسته ای نازک و سخت (بین 0.25 تا 0.75 میلی متر ، 0.01 تا 0.03 اینچ) تولید می کند که سخت تر از محصول تولید شده توسط کربوره سازی است و می تواند در مدت زمان 20 تا 30 دقیقه نسبت به چندین ساعت تکمیل شود ، بنابراین قطعات فرصت کمتری دارند تحریف می شوند. به طور معمول در قطعات کوچک مانند پیچ و مهره ، مهره ، پیچ و چرخ دنده های کوچک استفاده می شود. اشکال عمده سیانیدینگ، سمی بودن نمک های سیانور است.
کربن نیتریدینگ مشابه سیانید است اما جو گازی آمونیاک و هیدروکربن به جای سیانور سدیم استفاده می شود. اگر قطعه بخواهد خرد شود ، باید آن را تا 775-885 درجه سانتیگراد (1427-1625 درجه فارنهایت) گرم کنیم. در غیر اینصورت ، قطعه تا دمای 649–788 درجه سانتیگراد (1200 - 1،450 درجه فارنهایت) گرم می شود.
نیتروکربوریزاسیون فریتی بیشتر نیتروژن و مقداری کربن را در یک قطعه کار زیر دمای بحرانی ، تقریباً 650 درجه سانتیگراد (1202 درجه فارنهایت) منتشر می کند. در دمای بحرانی ریزساختار قطعه کار به فاز آستنیت تبدیل نمی شود ، بلکه در فاز فریت باقی می ماند ، به همین دلیل به آن نیتروکربوریزاسیون فریتی می گویند.
قطعاتی که تحت فشارهای زیاد و ضربه های شدید قرار دارند ، هنوز هم معمولاً سخت کاری سطحی می شوند. به عنوان مثال می توان به پین ​​های شلیک و صورت پیچ و مهره تفنگ یا میل بادامک موتور اشاره کرد. در این موارد ، سطوح مورد نیاز سختی ممکن است به صورت انتخابی سخت شوند و قسمت عمده قطعه را در حالت سخت اولیه خود باقی بگذارند.
اسلحه گرم در گذشته سخت کاری سطحی می شد ، زیرا نیاز به ماشین‌کاری دقیق داشت که به بهترین وجه روی آلیاژهای کربن کم انجام شود ، اما به سختی و مقاومت در برابر سایش آلیاژ کربن بالاتر احتیاج داشت. بسیاری از نمونه های مدرن اسلحه گرم قدیمی ، به ویژه گردان های تک کنه ، هنوز هم با قاب های سخت مورد استفاده قرار می گیرند ، یا با رنگ آمیزی مورد ، که الگوی لکه به جا مانده از زغال سنتی و سخت شدن مورد استخوان را شبیه سازی می کند.
یکی دیگر از کاربردهای معمول سخت شدن مورد در پیچ ها ، به ویژه پیچ های اتومات است. برای اینکه پیچ ها بتوانند مواد دیگری مانند فولاد را حفاری ، برش داده و به آن ضربه بزنند ، باید نقطه مته و رشته های تشکیل دهنده سخت تر از ماده (های) حفاری باشد. با این حال ، اگر کل پیچ به طور یکنواخت سخت شود ، بسیار شکننده می شود و به راحتی می شکند.
این امر با اطمینان از اینکه فقط سطح سخت شده و هسته نسبتاً نرمتر و در نتیجه شکننده تر می شود برطرف می شود. برای پیچ ها و اتصال دهنده ها ، سخت شدن مورد با یک عملیات حرارتی ساده شامل حرارت دادن و سپس خنک سازی حاصل می شود.
برای جلوگیری از سرقت ، قفل ها و زنجیرهای قفل برای مقاومت در برابر برش ، سخت و محکم می شوند ، در حالی که برای مقاومت در برابر ضربه ، در داخل شکننده تر می مانند. از آنجا که ماشین آلات سازه های سخت شده سخت هستند ، به طور کلی قبل از سخت شدن شکل می گیرند.