الكربنة والتصليد السطحي: الأساسيات

الفكرة

تحتاج بعض الأجزاء إلى خاصيتين متناقضتين: سطح يقاوم التآكل وإجهاد التلامس، وقلب يمتص الصدمات دون تشقق. وتقدم الكربنة كليهما من قطعة واحدة من الصلب منخفض الكربون. يُثبَّت الجزء عند نحو 880–950 °C تقريبًا في جو غني بالكربون؛ وينتشر الكربون إلى السطح، ويصلد تبريد مفاجئ لاحق تلك الطبقة المثراة فقط — الطبقة السطحية — بينما يبقى القلب منخفض الكربون لينًا ومتينًا نسبيًا.

عمق الطبقة السطحية

يُحدَّد عمق الطبقة السطحية بأنه العمق الذي تنخفض عنده الصلادة إلى مستوى محدد — عادة 550 HV في الممارسة الأوروبية (CHD، عمق التصليد السطحي). ويهم عمقان:

• عمق الطبقة السطحية الفعال (حتى 550 HV): عادة نحو 0.3–2.5 mm تقريبًا للتروس والأعمدة، ويُطابَق مع إجهاد التلامس ومعامل الترس.
• عمق الطبقة السطحية الكلي: منطقة الانتشار الكاملة، وهي دائمًا أعمق من العمق الفعال.

تحتاج الطبقات الأعمق إلى زمن فرن أطول بشكل غير متناسب، لأن عمق الانتشار ينمو مع الجذر التربيعي للزمن — فمضاعفة العمق تستغرق نحو أربع مرات أطول تقريبًا.

جهد الكربون

يُضبط جو الفرن على جهد كربون — مستوى الكربون السطحي الذي سينتجه الجو في الحديد النقي عند درجة الحرارة. ويُشغَّل عادة أدنى بقليل من منطقة الأيوتكتويد إلى التشبع أو قريبًا منها، غالبًا حول 0.8–1.0% C عند السطح في مرحلة التعزيز. فالجهد العالي جدًا يكوّن السخام وشبكات الكربيد وأوستنيت متبقيًا مفرطًا؛ والمنخفض جدًا يعطي طبقة ضحلة ولينة. وغالبًا ما تستخدم دورات الإنتاج نمط التعزيز – الانتشار: جهد عالٍ لدفع الكربون بسرعة، ثم مرحلة جهد أدنى لضبط كربون السطح النهائي وتدرجه.

القلب مقابل الطبقة السطحية بعد التبريد المفاجئ

بعد الكربنة، يُبرَّد الجزء مفاجئًا (مباشرة، أو بعد إعادة تسخين لتنقية الحبيبات) ويُراجَع عند درجة حرارة منخفضة، نحو 150–200 °C تقريبًا. تتحول الطبقة السطحية عالية الكربون إلى مارتنسيت صلب، عادة حول 58–62 HRC عند السطح. أما القلب — الذي لا يزال نحو 0.15–0.25% كربون فقط — فيتصلد فقط بقدر ما تسمح به قابليته للتصليد، ويبقى أكثر ليونة بكثير ويوفر المتانة التي صُمم الجزء حولها.

أنواع الصلب المصممة للكربنة

صلب التصليد السطحي منخفض الكربون بالتصميم، ومسبوك لقوة القلب وقابلية التصليد:

• 8620 (AISI): صلب التروس العام في أمريكا الشمالية، بقلب Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): صلب التروس الصيني القياسي؛ يثبت التيتانيوم الحبيبات أثناء دورات الكربنة الطويلة.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): العمود الفقري الأوروبي للتروس الصغيرة والمتوسطة.
• تضيف المتغيرات الأعلى خدمة النيكل (مثل 18CrNiMo7-6) حيث تكون قوة القلب في المقاطع الكبيرة حرجة.

تحديد جزء مكربن يعني تحديد عمق الطبقة السطحية وصلادة السطح وصلادة القلب معًا — فأي واحد منها بمفرده متطلب غير مكتمل.

متغيرات الغاز والحشو والضغط المنخفض

أصبحت الكربنة التقليدية بالحشو في مركب كربوني صلب الآن تاريخية إلى حد كبير. ويستخدم الإنتاج الحديث الكربنة بالغاز في أفران ذات أجواء، حيث يُقاس جهد الكربون ويُضبط باستمرار، أو الكربنة منخفضة الضغط (بالتفريغ)، حيث تمنح نبضات غاز هيدروكربوني في فرن تفريغ طبقات متجانسة جدًا على أشكال تروس معقدة دون أكسدة سطحية — وتتبعها عادة عملية تبريد مفاجئ بالغاز عالي الضغط. وعلم الفلزات الذي يحدده المصمم هو نفسه في الثلاثة كلها؛ ما يتغير هو التجانس والنظافة واقتصاديات الدورة وسلوك التشوه الذي يجب أن يمتصه تشطيب التروس.