المعالجة الحرارية الكيميائية: التعريف والتصنيف والخصائص

تعريف المعالجة الحرارية الكيميائية

المعالجة الحرارية الكيميائية هي عملية تنطوي على تسخين قطع الشغل المعدنية أو السبائك في وسط نشط مناسب للعزل، مما يتسبب في اختراق عنصر أو أكثر للطبقة السطحية وتغيير تركيبها الكيميائي وبنيتها وأدائها.

تتضمن المعالجة الحرارية الكيميائية، والمعروفة أيضًا باسم معالجة "الانتشار السطحي" أو "الانتشار الحراري"، وضع المواد المعدنية أو أجزاء في وسط صلب أو سائل أو غازي يحتوي على عنصر كيميائي واحد أو أكثر.

ثم يتم تسخين المواد بعد ذلك إلى درجة حرارة محددة في فرن، مما يسمح لهذه العناصر بالدخول إلى سطح المعدن من خلال التحلل والامتزاز والمحلول الصلب والتفاعل المركب من التحلل الحراري المتوسط على سطح المعدن. تتغلغل العناصر تدريجيًا في المادة المعدنية من خلال الانتشار الحراري، مكونة طبقة اختراق غنية بعنصر أو أكثر من عناصر السبائك على سطح المعدن.

تلعب تكنولوجيا المعالجة الحرارية الكيميائية دورًا مهمًا في الصناعة الحديثة نظرًا لقدرتها على تحسين متطلبات أداء قطع العمل بشكل كبير.

من خلال إنشاء سطح صلب وسطح داخلي صلب، يمكن أن يعزز الخواص الميكانيكية المختلفة، بما في ذلك القوة العالية، والصلابة العالية، ومقاومة التآكل العالية، والأداء المضاد للتشنج، والأداء المضاد للتعب، والمقاومة الخاصة للتآكل. ويمكنه أيضًا تحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية لسطح قطعة العمل، مثل مقاومة الأكسدة في درجات الحرارة العالية.

من المهم أن نلاحظ أن قطعة العمل يجب أن تحافظ على خواصها اللدائنية والقابلة للسحب الأصلية لتعزيز متانة أجزاء الماكينة في ظل ظروف العمل المعقدة. ونتيجة لذلك، تُستخدم المعالجة الحرارية الكيميائية على نطاق واسع لتحقيق متطلبات محددة لمجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية.

تشمل الخصائص الرئيسية للمعالجة الحرارية الكيميائية ما يلي:

• تسلل الانتشار الصلب الذي لا يغير فقط التركيب الكيميائي للطبقة السطحية لقطعة الشغل، بل يعدل تركيبها أيضًا.
• وجود طبقة انتشار بين طبقة التسلل والمصفوفة، والتي يمكن أن توفر خصائص يصعب تحقيقها باستخدام مادة واحدة أو تعزز أداء قطعة العمل بشكل أكبر.
• تتم المعالجة الحرارية الكيميائية بواسطة تدرج التركيز.
• تلتزم بنية طبقة التسلل المتكونة عن طريق المعالجة الحرارية الكيميائية بمخطط الطور.
• هيكلها مستمر ومصنّف كتركيبة معدنية.

تصنيف المعالجة الحرارية الكيميائية

1. التصنيف حسب نوع العناصر المخترقة

يمكن تقسيم ذلك إلى عدة طرق، بما في ذلك الكربنة, النيترةوالكربنة بالألمنيوم والكبريت والكربنة بالكبريت والكربنة بالكربون والكربنة المركبة من الكربون والكروم وغيرها.

2. التصنيف وفقًا لنوع وترتيب العناصر التي تم اختراقها

1. تسلل عنصر واحد

مثل الكربنة (الكربنة بالوحدة)، الكربنة بالوحدة (الكربنة بالوحدة)، إلخ.

2. اختراق ثنائي.

تُعرف عملية اختراق عنصرين في وقت واحد بالاختراق المزدوج.

عندما يتم تسرب الكربون والنيتروجين في وقت واحد، يُشار إلى ذلك باسم الكربونيتريد (المعروف أيضًا باسم الكربونيتريد اختصارًا). وبالمثل، يُطلق على عملية التسلل المتزامن للبورون والألومنيوم في آن واحد اسم ألومنة البورون (المعروف أيضًا باسم ألومنة البورون اختصارًا).

3. اختراق متعدد العناصر.

يشير الاختراق متعدد العناصر إلى الاختراق المتزامن لأكثر من عنصرين في وقت واحد.

وعلى وجه التحديد، عندما يتسلل الكربون والنيتروجين والبورون إلى مادة ما في نفس الوقت، يُشار إلى ذلك باسم الكربنة النيتريدية.

4. تسلل مركب ثنائي.

يُشار إلى تسلل مادة بعنصرين بالتسلل المركب من عنصرين.

على سبيل المثال، إذا تم تسلل التنجستن والكربون بالتتابع، تُعرف العملية باسم التسلل الثنائي المركب من التنجستن والكربون.

5. تسلل مركب متعدد العناصر.

ينطوي التسلل المركب متعدد العناصر على تسلل متسلسل لأكثر من عنصرين.

على سبيل المثال، التسلل الثلاثي المركب من النيتروجين والكربون والكبريت هو نوع من التسلل المركب متعدد العناصر.

3. التصنيف حسب حالة العناصر النشطة المخترقة للوسط النشط

1. الطريقة الصلبة

بما في ذلك طريقة تعبئة المسحوق، وطريقة العجينة (الطين)، وطريقة الإعصار الكهربائي، إلخ.

2. طريقة السوائل

بما في ذلك طريقة حمام الملح، وطريقة حمام الملح الإلكتروليتي، وطريقة التحليل الكهربائي للمحلول المائي، إلخ.

3. طريقة الغاز

بما في ذلك طريقة التفريغ، وطريقة الغاز الصلب، وطريقة الغاز غير المباشر، وطريقة الفرن الأيوني المتحرك، إلخ.

4. طريقة القصف بالأيونات

ويشمل الكربنة بالقصف الأيوني والكربنة بالقصف الأيوني والنترة بالقصف الأيوني والتعدين بالقصف الأيوني وما إلى ذلك.

4. التصنيف وفقاً لخصائص التغير في التركيب الكيميائي للسطح

يمكن تصنيف تسلل الانتشار إلى أربع فئات:

• تسلل مختلف غير معدنية العناصر.
• تسلل مختلف عناصر معدنية.
• التسلل المتزامن لكل من العناصر المعدنية وغير المعدنية.
• الانتشار لإزالة عناصر الشوائب، من بين أمور أخرى.

5. التصنيف حسب البنية الطورية التي تشكلها العناصر المتسللة والعناصر الموجودة في الفولاذ

هناك آليتان في عملية التعديل السطحي للصلب. الآلية الأولى هي تكوين المحاليل الصلبة عن طريق ذوبان العناصر المتسللة في شبكة العناصر المذيبة. وتندرج الكربنة والكربنة الكربونية والعمليات المماثلة تحت هذه الفئة.

الآلية الثانية هي آلية الانتشار التفاعلي، والتي لها نوعان فرعيان.

يتضمن النوع الفرعي الأول العناصر المتسللة التي تتفاعل مع العناصر الموجودة في الفولاذ لتكوين أطوار مرتبة، والمعروفة أيضًا باسم المركبات المعدنية. والنترة، التي يشار إليها عادةً باسم النيترة، هي مثال على هذا النوع الفرعي.

ويحدث النوع الفرعي الثاني عندما تكون قابلية ذوبان العناصر المتسللة في شبكة العناصر المذيبة منخفضة للغاية. في هذه الحالة، تتفاعل العناصر المتسللة مع العناصر الموجودة في الصلب لتكوين أطوار مركبة. ويُعد التسريب مثالاً على هذا النوع الفرعي.

6. التصنيف حسب تأثير/غرض عناصر التسلل على خواص سطح أجزاء الصلب

• تعزيز الصلابة والقوة, قوة الإجهادومقاومة التآكل لسطح قطعة العمل من خلال استخدام تقنيات مثل الكربنة، والنترة، والكربنة بالنيترة، والكربنة بالكربون، وغيرها.
• تعزيز صلابة ومقاومة التآكل لسطح قطعة العمل من خلال طرق مثل البورونات، والفاناديوم، والنيوبيوم، وغيرها.
• خفض معامل الاحتكاك وتحسين مقاومة سطح الشُّغْلَة لمقاومة الاحتكاك والخدش من خلال استخدام تقنيات مثل الكبريت، والأكسنترة بالأكسجين والنيتروجين ومعالجة اختراق الكبريت والنيتروجين.
• تحسين مقاومة سطح قطعة العمل للتآكل من خلال استخدام تقنيات مثل السيليكون، والكروم، والنترة، والنترة، وغيرها.
• تعزيز مقاومة سطح قطعة العمل للأكسدة في درجات الحرارة العالية للأكسدة من خلال طرق مثل الألمنيوم والكروم والسيليكون وغيرها.

7. التصنيف وفقًا لحالة هيكل الفولاذ أثناء المعالجة الحرارية الكيميائية

الجدول 1 جدول التصنيف الذي تم تشكيله وفقًا لحالة هيكل الفولاذ

ويوضح الجدول 1 أن درجة حرارة المعالجة الحرارية الكيميائية للصلب في حالة الفريت تكون عمومًا أقل من 600 درجة مئوية، والتي يشار إليها باسم المعالجة الحرارية الكيميائية ذات درجة الحرارة المنخفضة.

من ناحية أخرى، عادةً ما تكون درجة حرارة المعالجة الحرارية الكيميائية للصلب في الحالة الأوستنيتية أعلى من 600 درجة مئوية، وهو ما يعرف بالمعالجة الحرارية الكيميائية ذات درجة الحرارة العالية.

توفر عمليات المعالجة الحرارية الكيميائية ذات درجة الحرارة المنخفضة العديد من المزايا، بما في ذلك انخفاض درجة حرارة المعالجة، وكفاءة الطاقة، والحد الأدنى من تشويه قطعة العمل، وتحسين مقاومة التآكل وخصائص مقاومة التآكل، وزيادة الصلابة، وتحسين أداء التآكل ومقاومة الاحتكاك.

وعلاوة على ذلك، كما هو موضح في الجدول 1، عادةً ما يتم تسمية المعالجة الحرارية الكيميائية للصلب باسم تسلل العناصر المختلفة، مثل الكربنة والنترة والنترة الكربونية وما إلى ذلك.

خصائص المعالجة الحرارية الكيميائية

بالمقارنة مع طرق تصلب السطح مثل التبريد السطحي وتقوية التشوه السطحي، فهي تتميز بالخصائص التالية.

• من خلال إدخال عناصر مختلفة، يمكن تعديل التركيب الكيميائي وهيكل سطح قطعة العمل بفعالية لتحقيق خصائص سطحية متنوعة، وبالتالي تلبية متطلبات أداء قطعة العمل في ظل ظروف التشغيل المختلفة.
• يمكن ضبط عمق طبقة الكربنة في المعالجة الحرارية الكيميائية النموذجية بناءً على المواصفات الفنية لقطعة الشغل، وتختلف تركيبة طبقة الكربنة وهيكلها وأدائها تدريجيًا من السطح إلى الداخل. يتم الربط بين طبقة الكربنة والمصفوفة معدنيًا، مما يؤدي إلى رابطة قوية ويمنع تقشير الطبقة السطحية.
• لا تتقيد المعالجة الحرارية الكيميائية عادةً بالشكل الهندسي لقطعة الشغل. بغض النظر عن الشكل، يمكن للقشرة والتجويف الداخلي الحصول على طبقة الاختراق اللازمة أو طبقة الاختراق الموضعي. وعلى النقيض من ذلك، فإن معالجات التصلب السطحي والدرفلة والكبس على البارد والدرفلة على البارد وغيرها من معالجات التصلب بالعمل على البارد مقيدة بشكل قطعة العمل.
• تتميز الغالبية العظمى من المعالجات الحرارية الكيميائية بتشوه صغير لقطعة الشغل، ودقة عالية، وثبات جيد في الأبعاد، ومزايا أخرى. تسمح عمليات مثل النيترة والنترة الناعمة والنترة الأيونية وغيرها من العمليات الأخرى لقطعة العمل بالحفاظ على دقة عالية ودقة منخفضة خشونة السطحوثباتاً جيداً في الأبعاد.
• يمكن للمعالجة الحرارية الكيميائية تحسين خصائص سطح قطعة العمل بشكل شامل. يمكن لمعظم المعالجات الحرارية الكيميائية أن تعزز مقاومة التآكل، ومقاومة الأكسدة، وتقليل الاحتكاك، ومقاومة التآكل، ومقاومة التآكل، وغيرها من خصائص الطبقة السطحية لقطعة الشغل مع تحسين الخواص الميكانيكية للسطح.
• المعالجة الحرارية الكيميائية العامة لها تأثير أكثر أهمية على تحسين جودة المنتجات الميكانيكية، وإطلاق إمكانات المواد، وإطالة عمر الخدمة. لذلك، يمكنها الحفاظ على المواد المعدنية الثمينة وخفض النفقات وتعزيز الفوائد الاقتصادية.
• معظم المعالجة الحرارية الكيميائية هي عملية فيزيائية وكيميائية ومعدنية معقدة. يجب أن يتم تسخينها في وسط نشط محدد من خلال تفاعلات فيزيائية وكيميائية في الواجهة والانتشار المعدني من الخارج إلى الداخل. ونتيجة لذلك، تكون العملية معقدة، ودورة المعالجة طويلة، ومتطلبات المعدات عالية.

الخاتمة

تركز هذه المقالة في المقام الأول على تعريف وتصنيف وإبراز خصائص المعالجة الحرارية الكيميائية.

من خلال توفير هذه المعلومات الأساسية، من المأمول أن يكتسب القراء فهماً أعمق للموضوع.