-۱- تعريف و مفهوم عمليات سطحي
عمليات سطحي عبارت است از رسوب دهی يك ماده پر كننده روی سطح قطعه کار جهت به دست آوردن خواص يا ابعاد مورد نظر که به طور معمول به منظور افزايش عمر كاري قطعه يا جایگزيني فلزي به كار مي‌رود كه فرسوده يا خورده شده است. عمليات سطحي مي‌تواند موجب افزايش مقاومت به خوردگي،

مقاومت به سايش، چقرمگي، يا خواص ضد اصطكاكي در محل مورد نظر گردد. برخی از پوششها توسط فرآيندهاي جوشكاري گازي يا قوسي و یا توسط فرآیندهای پاشش دهی حرارتی رسوب داده مي‌شوند و روشهاي دستي، نيمه اتوماتيك يا اتوماتيك را مي‌توان براي هر يك از فرآيندها به كار برد. مواد پركننده مناسب در شكلها و انواع گوناگون نظير ميله جوشكاري، الكترودهاي پوششدار، خميرها و پودرها موجود مي‌باشند. چسبندگي اين مواد بر روي فلزات پايه از طريق نفوذ، پيوندهاي متالورژيكي یا پيوندهاي مکانیکی صورت مي‌گيرد.

به طور كلي خواص مهم آلياژهایي که جهت عمليات سطحي به کار می¬روند عبارتند از:
۱- سختی
الف- ماكرو سختي
ب- ميكرو سختي يا سختي اجزاء تشكيل دهنده يك ساختار ناهمگن
ج- سختي گرم يا مقاومت در برابر اثر تضعيف كننده دما
۲- مقاومت به سايش

الف- تحت شرايط كم تنش
ب- تحت شرايط پر تنش
ج- تحت شرايطي كه قطعه توسط مواد ساينده و در سرعتهاي متفاوت رويه برداري مي‌شود.
۳- مقاومت به ضربه

الف- مقاومت به تغيير شكل تحت ضربه هاي متوالي (مربوط به تنش تسليم)
ب- مقاومت به ترك خوردگی تحت ضربه (مربوط به استحكام و چكش خواري)
ج- استحكام فشاري
د- چكش خواري فشاري
۴- مقاومت حرارتي

الف- مقاومت در برابر باز پخت (تمپر شدن)
ب- حفظ استحكام حرارتي در دماي بالا
ج- مقاومت به خزش

د- مقاومت در برابر اكسيداسیون يا خوردگي داغ
ه- مقاومت در برابر خستگي حرارتي
۵- مقاومت در برابر خوردگي
۶- خواص اصطكاكي و قابليت جوشكاري

عمليات سطحي دارای مزایایی است که مهمترین آنها عبارتند از:
۱- افزايش مقاومت به سايش و خوردگي در محل مورد نياز
۲- استفاده آسان از تركيبات خيلي سخت و آلياژهاي مقاوم به سايش
۳- سهولت كاربرد در محل

۴- استفاده اقتصادي از عناصر آلياژي گران قيمت
۵- اقتصادي بودن براي كاربر به علل زير:
• عمر كاركرد بيشتر
• كاهش هزينه نگهداري و تعويض

• بازيابي قطعات فرسوده
• استفاده از مواد پايه ارزان قيمت تر
• مصرف كمتر انرژي در هنگام كار

• افزايش بازدهي قطعه در بيشتر موارد [۱]

۱-۲- انواع روشهاي عمليات سطحي (با استفاده از جوشکاری)
روشهاي گوناگون عمليات سطحي به چندين گروه به شرح زير تقسيم مي‌شوند:
۱) پر كردن (بازسازي)
در اين روش با افزودن فلز جوش به سطح فلز پايه، قطعاتي كه نياز به بازسازي ابعادي دارند را مي‌توان تعمير نمود. همچنين مي‌توان به منظور بزرگ تر كردن يا پر كردن سطح قطعه از اين روش استفاده كرد. در فرآیند بازسازی، خواص لايه رسوب داده شده اغلب مشابه با خواص فلز قطعه كار مي‌باشد [۲].

۲) لایه نشانی
لايه نشانی نيز به منظور افزودن يك يا چند لايه از فلز جوش به سطح اتصال يا سطوحي كه جوشكاري مي‌شوند، انجام مي‌گيرد. اين روش بر خلاف روش بازسازي، جهت بزرگ كردن ابعاد انجام نمي‌شود، بلكه به دلايل متالورژيكي صورت مي‌گيرد. به عنوان مثال گاهي اوقات به منظور جوشكاري دو قطعه غير مشابه، ابتدا بايد روي لبه‌هاي اتصال، توسط چند نوع الكترود، لايه‌هايي از رسوب ایجاد شود تا تركيب شيميايي و خواص ديگر دو لبه به يكديگر نزديك شود، سپس عمليات اتصال انجام گيرد. با روشهاي مختلف جوشكاري لايه‌هاي مورد نظر را مي‌توان رسوب داد، اما بايد توجه داشت تا حد امكان عمق نفوذ و ميزان رقت كم باشد.

۳) روكش كاري
روكش جوش داده شده عبارت است از يك لايه نسبتاً ضخيم فلز پر كننده كه روي فلز پايه از جنس فولاد كربني يا كم آلياژ قرار مي‌گيرد و سبب افزايش مقاومت سطحي قطعه در برابر خوردگي مي‌شود. فرآيند معمولاً توسط روشهاي قوسي مانند جوشكاري زير پودري، جوشكاري الكترود دستي و جوشكاري قوسي تحت گاز محافظ انجام مي‌گيرد، هر چند فرآيندهاي جوشكاري حالت جامد نظير روكش دهي انفجاري و روكش دهي غلطكي نيز مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد.
بايد توجه داشت براي رسيدن به سطح روكش داده شده مناسب و مقاوم در برابر انواع خوردگي‌ها، نوع آلياژ روكش و كيفيت سطح قبل از عمليات سطحي بايد كاملاً مطلوب باشد. غالباً از فولاد زنگ نزن يا آلياژهاي اصلي نيكل جهت روكش دهي استفاده مي‌شود.

 

۴) سخت پوشي
فرآيندهاي سخت پوشي به گروهي از فرآيندها اطلاق مي‌شود كه در آنها با به كار بردن مواد مقاوم به سايش و سخت روي سطح يك قطعه، از بين رفتن مواد كه ممكن است در اثر عوامل مختلفي چون سايش، ضربه، فرسايش، خوردگي سايشي، ‌خستگي حرارتي و … به وجود آيد، كاهش پيدا مي‌كند. سخت پوشي يك قطعه مي‌تواند توسط روشهايي چون فرآيندهاي جوشكاري و پاشش دهي حرارتي انجام شود و با استفاده از عمليات حرارتي يا فرآيندهاي اصلاح سطح مانند سخت كاري شعله‌اي یا نيتروژن دهی نمي‌توان يك قطعه را سخت پوشي كرد. اگرچه هدف اصلي به كارگيري اكثر مواد سخت پوشي كاهش سايش است، اما با توجه به اين كه مكانيزهايي چون خوردگي و پوسته شدن سطح فلز در دماهاي بالا، تأثير به سزايي بر سرعت سايش قطعه دارد، از اينرو در اين موارد، انتخاب ماده مناسب سخت پوشي، بر اساس شدت اين مكانيزم ها صورت مي‌گيرد.

كاربردهاي سخت پوشي، به منظور كنترل سايش با توجه به نوع مكانيزم سايش، به طور گسترده‌اي تغيير مي‌كند. محدوده اين كاربردها از سايش بسيار شديد در ابزار برش، ابزار حفاري، چرخهای آسیاب تا سايش فلزات روانكاري نشده يا به طور جزئي روانكاري شده روي هم، نظیر شیرهای کنترل و یاتاقانها تغيير مي‌كند.

فرآيند سخت پوشي را همچنين مي‌توان به منظور كنترل سايش و خوردگي همزمان به عنوان مثال در شیرها و پمپهایی که در معرض مایعات خورنده قرار دارند، به کار برد [۳،۲].
سخت پوشی نسبت به ساير روشهاي عمليات سطحي از اهميت و كاربرد بيشتري برخوردار است و از اينرو به تفصيل مورد بررسي قرار خواهد گرفت.

۲-۱- انتخاب آلياژ سخت پوشي
انتخاب آلياژ سخت پوشي با توجه دو فاكتور اصلي ميزان سايش و هزينه صورت مي‌گيرد. اگرچه عوامل مهم ديگري مانند نوع فلز پايه، فرآيند رسوب دهي، ضربه، خوردگي، اكسيداسيون و … نيز بايد در نظر گرفته شود.
به طور معمول آلياژهاي سخت پوشي به صورت پودر يا ميله بدون روپوش، ميله پوشيده شده با فلاكس، سيم جوشهاي جامد و سيم جوشهاي تو پودري با طول زياد به كار مي‌روند. معمولترين فرآيندهاي سخت پوشي همراه با نوع مواد مصرفي متناسب با آنها در جدول ۲-۱ ارائه شده است.

جدول ۲-۱ : فرآيندهاي معمول سخت پوشي همرا با نوع مواد مصرفي آنها [۳]

به طور كلي،‌ مقاومت به ضربه آلياژهاي سخت پوشي با افزايش ميزان كاربيد، كاهش پيدا مي‌كند. در مواقعي كه مقاومت در برابر تركيبي از سايش و ضربه مورد نظر باشد، با توجه به نوع محيط كاري، يكي از اين دو عامل اهميت بيشتري پيدا مي‌كند. در كاربردهايي كه مقاومت در برابر ضربه اهميت زيادي دارد، از فولادهاي آستنيتي منگنزدار مي‌توان جهت بازسازي قطعات استفاده كرد [۴].

در بسياري از فرآيندهاي شيميايي يا صنايع پتروشيمي، سايش همراه با خوردگي ناشي از محلولهاي اسيدي و قليايي مي‌باشد. در چنين محيطهايي تعداد كمي از آلياژهاي سخت پوشي پايه آهني مقاومت لازم در برابر خوردگي را تأمين مي‌كنند. در حاليكه توسط آلياژهاي پايه كبالت يا نيكل مي‌توان به مقاومت مورد نظر در برابر تركيب سايش و خوردگي دست پيدا كرد.

آلياژهاي پايه آهني در برابر اكسيداسيون و خوردگي داغ نيز مقاومت كمي دارند. آلياژهاي پايه نيكل حاوي برايد نيز به دليل نا كافي بودن ميزان كرم در زمينه، مقاومت خوبي در برابر اكسيداسيون ندارند. بنابراين آلياژهاي پايه نيكل يا كبالت حاوي تركيبات بين فلزي لاوه يا حاوي كاربيد در شرايطي که به مقاومت به سايش همراه با مقاومت در برابر اكسيداسيون و خوردگي داغ مورد نياز مي‌باشد،‌ توصيه مي‌شوند.

حفظ استحكام يك آلياژ در كاربردهاي دماي بالا، به عنوان مثال در قالبهاي آهنگري داغ كه در حرارت حدود oC870 كاربرد دارند، به منظور مقاومت در برابر سايش از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. آلياژهاي پايه آهني با ساختار مارتنزيتي، در دماهاي بالا سختي خود را از دست مي‌دهند.
به طور كلي حفظ استحكام يك آلياژ سخت پوشي در دماهاي بالا، با افزايش ميزان موليبدن يا تنگستن موجود در زمينه، افزايش پيدا مي‌كند [۳]. در جدول ۲-۲ ليستي از مواد سخت پوشي همراه با مزايا و كاربرد آنها ارائه شده است.

آنچه كه در انتخاب يك آلياژ سخت پوشي بايد مورد توجه قرار گيرد عبارتند از:
۱- تحليل شرايط كاري به منظور تعيين نوع سايش و مقاومت مورد نياز در برابر آن

۲- انتخاب چندين آلياژ سخت پوشي
۳- تحليل سازگاري آلياژهاي سخت پوشي با فلز پايه با در نظر گرفتن تنشهاي حرارتي و احتمال به وجود آمدن ترك
۴- تست كردن قطعات سخت پوشي شده
۵- انتخاب آلياژ سخت پوشي بهينه با در نظر گرفتن هزينه و عمر قطعه در برابر سايش

جدول ۲-۲: راهنماي انتخاب آلياژهاي سخت پوشي [۳]

۶- انتخاب فرآيند سخت پوشي با در نظر گرفتن سرعت رسوب دهي، بازدهي و هزينه كلي شامل هزينه مواد مصرفي و هزينه انجام عمليات [۵]

۲-۲- مواد سخت پوشي
مواد مورد استفاده به منظور سخت پوشي دسته وسيعي از آلياژها، كاربيدها و تركيبات مختلفي از آنها را در بر مي‌گيرد. مواد سخت پوشي متداول، شامل فولادها يا مواد آهني كم آلياژ، چدنهاي سفيد پر كروم، مواد آهني پر آلياژ، كاربيدها و آلياژهاي غير آهني شامل آلياژهاي پايه نيكل و پايه كبالت مي‌باشند. تعدادي از آلياژهاي پايه مس نيز گاهي اوقات به عنوان مواد سخت پوشي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. بخش عمده آلياژهاي سخت پوشي غير آهني را آلياژهاي پايه كبالت و پايه نيكل تشكيل مي‌دهند. ساليانه از ميان Kg106×۱۸ مواد سخت پوشي عرضه شده در بازار، در حدود %۹۰ وزني را آلياژهاي سخت پوشي پايه آهني تشكيل مي‌دهند كه البته تنها % ۷۵ ارزش دلاري اين مواد را به خود اختصاص مي‌دهند.

به طور كلي ريز ساختار آلياژهاي سخت پوشي داراي ذرات سخت بورايدي، كاربيدي يا تركيبات بين فلزي لاوه مي‌باشند كه در زمينه نرمتر آهني، كبالتي يا نيكلي رسوب كرده‌اند. كاربيدها غالب ترين فاز سخت موجود در ريز ساختار آلياژهاي سخت پوشي پايه آهني و پايه كبالتي مي‌باشند. ميزان كربن اين آلياژها معمولاً تا حدود % ۴ وزني مي‌باشد. بورايدها نيز غالب ترين فاز سخت موجود در ريز ساختار آلياژهاي سخت پوشي پايه نيكل مي‌باشند. مجموع درصد وزني كربن و بور اين آلياژها معمولاً تا حدود %۵ مي‌باشد. فازهاي كاربيدي يا بورايدي خاص با توجه به نوع عناصر آلياژي موجود در زمينه اين آلياژها تشكيل مي‌شوند. به طور كلي فاز زمينه مواد سخت پوشي پايه آهنی پرآلیاژ، پايه كبالت و پايه نيكل شامل حداكثر %۳۵ كرم، %۳۰ موليبدن، %۱۳ تنگستن و مقادير كمتري سيلسيم و منگنز مي‌باشد.

مواد سخت پوشي را به چندين روش مي‌توان دسته بندي كرد. يكي از روشهاي دسته بندي اين مواد بر اساس موارد كاربرد آنها مي‌باشد. بر اين اساس آلیاژهای سخت پوشی در پنج گروه زير قرار مي‌گيرند:
الف- آلياژهاي مخصوص بازسازي

ب- آلياژهاي مقاوم در برابر سايش فلز به فلز
ج- آلياژهاي مقاوم در برابر سايش فلز به زمين
د- آلياژهاي مقاوم در برابر سايش هاي شديد فلز به زمين و لبه هاي برش (كاربيدهاي تنگستن)
ه- آلياژهاي مقاوم در دماهاي بالا و محيط هاي خورنده (آلياژهاي سخت پوشي غير آهني) [۶،۳]

الف- آلياژهاي مخصوص بازسازي
اين آلياژها شامل فولادهاي كم آلياژ پرليتي و فولادهاي پر آلياژ آستنيتي منگنزدار مي‌باشند. هدف از به کارگیری اغلب اين آلياژها، بازسازي قطعات ساييده شده به منظور به دست آوردن ابعاد اصلي و نيز فراهم كردن بستر و زير لايه مناسب براي كاربرد آلياژهاي سخت پوشي واقعي مي‌باشد. با این وجود از فولادهاي منگنزدار آستنيتي براي مقاومت در برابر شرايط سايشي متوسط و ضعيف نیز استفاده مي‌شود. آلياژهاي مخصوص بازسازي را می توان جهت ترمیم سطوح سایشی سرهاي ريلهاي راه آهن، غلتكهاي نورد فولاد و چرخ دنده هاي بزرگ كم سرعت به کار برد.