عمليات حرارتي سطحي ، فرايندي است شامل دامنه وسيعي از روشها 

( شكل ۱ ) كه براي افزايش سختي ، بهبود مقاومت به سايش ، افزايش استحكام خستگي و حتي مقاومت در برابر خورگي ، بدون ايتكه خواص دروني قطعه نظير نرمي مغز و چقرمگي تحت تاثير قرار گيرد به كار مي رود . اين مجموعه خواص ، مخصوصاً تركيبي از سختي سطح و مقاومت در برابر نيروهاي ضربه اي ، در ارتباط با قطعاتي نظير شافتها و چرخ دنده ها كه از يك طرف بايد مقاوم در برابر سايش بوده و از طرف ديگر بايد در برابر نيروهاي ضربه اي اعمال شده در ضمن كار مقاوم باشن بسيار مفيد است .

به علاوه ، مزيت عمده عمليات حرارتي سطحي در مقايسه با عمليات حرارتي حجمي اين است كه ، ضخامتهاي زياد فولاد كم كربن و كربن متوسط كه ممكن است در ضمن عمليات حرارتي حجمي ترك خوردن و يا اينكه تاب بردارند را به راحتي و با اطمينان مي توان عمليات حرارتي سطحي كرد .

به طور كلي سه گروه كاملاً متفاوت از روشهاي مختلف عمليات حرارتي سطحي وجود دارد . ( شكل ۱ ) اين سه گروه عبارتند از :

–    روشهايي كه شامل تغيير تركيب شيميايي سطح و يا نفوذ يك عنصر ( بين نشيني و يا جانشيني ) به داخل قطعه است . اين روشها به عمليات حرارتي – شيميايي يا نفوذي موسوم اند .
–    روشهايي كه شامل اصلاح و يا تغيير ميكرو ساختار سطحي بوده و به هيچ وجه تركيب شيميايي سطح عوض نمي شود . اين روشها به فرايندهاي سخت كردن انتخابي يا موضعي موسوم اند .
– روشهاي نوين كه شامل به كارگيري تجهيزات جديد بوده و بستگي به نوع روش مي تواند شامل اصلاح و تغيير ميكروساختار سطحي ، جانشيني و يا تركيبي از آنها وارد سطح قطعه مي شود ، و بدين ترتيب تركيب شيميايي سطح را اصلاح كرده و يا عوض مي كنند  مي توان تمام و يا بخشي از سطح را به طور موضعي سخت كرد .

اين فرايند ها معمولاً موقعي استفاده مي شوند كه تعداد زيادي از قطعات قرار است سختي سطحي شوند ( توليد انبوه ) از سوي ديگر عمليات حرارتي گروه دوم ترجيحاً براي سخت كردن قطعات بزرگ و حجيم ، براي تمام سطح و يا به طور موضعي ، استفاده مي شوند . در حقيقت مزيت عمده عمليات حرارتي گروه دوم ، سخت كردن سطحي قطعاتي است كه نتوان آنها را به روش حجمي سخت كرد .

عمليات حرارتي جهت سخت كردن سطح

عمليات نفوذي با عمليات حرارتي – شيميايي      عمليات حرارتي انتخابي يا موضعي    روشهاي نوين سخت كردن سطحي

نفوذ عناصر بين نشيني      نفوذ عناصر جانشيني    سخت كردن شعله اي    سخت كردن ليزري   سخت كردن القايي   سخت كردن پلاسمايي        سخت كردن توسط پرتوي الكتروني القا ياكاشتيوني
كربن دهي                             آلومينيوم دهي
نيتروژن دهي                          كرم دهي
كربن – نيتروژن دهي              سيلسيم دهي
نيتروژن – كربن دهي              منگنز دهي
بوردهي                                 نفوذ همزمان دو يا چند عنصر    

شكل ۱ : روش هاي مهندسي براي عمليات حرارتي سطحي

كربن دهي
كربن دهي فرايند اضافه كرددن كربن به سطح فولاد كم كربن است كه در دمايي معمولاً در محدوده حرارتي ۸۵۰-۹۵۰ درجه سانتي گراد ، دمايي كه آستنيت با حد حلاليت زياد كربن در آن فاز پايدار باشد ، انجام مي شود . اين فرايند همراه با سرد كردن سريع و لذا تشكيل مارتنزيت پر كربن و مقاوم به سايش و خستگي در سطح بر روي مغزي نرم و مقاوم به ضربه از فولاد كم كربن است . سختي سطح فولاد كربن داده شده عمدتاً تابع درصد كربن آن است . با افزايش درصد كربن بيشتر از ۵/۰ درصد ، كربن اضافي اثر چنداني بر روي سختي نداشته ولي موجب افزايش سختي ناپذيري مي شود .

كربن بيشتر از ۵/۰درصد ممكن  است در آستنيت حل نشود مگر آنكه دماي عمليات به اندازه كافي بالا باشد . ضخامت پوسته كربن داده شده تابع زمان كربن دهي و كربن قابل دسترس ( پتانسيل كربن ) در سطح است . اگر به منظور دست يابي به عمق زياد نفوذ كربن زمان كربن دهي افزايش داده شود در حضور پتانسيل زياد كربن افزايش زياد كربن سطح و لذا تشكيل آستنيت باقيمانده يا كاربيد آزاد در سطح وجود دارد . تشكيل آستنيت باقيمانده و يا كاربيدآزاد هر دو اثرات سوء بر روي توزيع تنشهاي باقيمانده در پوسته دارند . لذا گفته مي شود كه پتانسيل زياد كربن براي زمان كربن دهي كوتاه مناسب است .

فولادهاي مناسب براي كربن دهي  معمولاً حدود ۲/۰ درصد كربن داشته و كربن پوسته را معمولاً در محدوده ۸/۰ -۱ درصد كنترل  مي كنند . مع هذا به علت خطر تشكيل آستنيت باقي مانده و مارتنزيت ترد و شكننده ناشي از كربن زياد ، درصد كربن سطح را معمولاً در حد ۸/۰ درصد حفظ مي كنند . به منظور جلوگيري از درشت شدن دانه ها در دماهاي بالا اكثراً از فولادهاي كشته ( اكسيژن زدا شده توسط آلومينيوم ) براي كربن دهي استفاده مي شود.

اگر چه از زمان ظهور كربن دهي اصول و مباني آن يعني نفوذ و تجمع كربن در سطح تغييري نكرده است ، مع هذا روش كربن دهي همواره در حال تحول و تكامل ممتد بوده است . در كاربردهاي اوليه، صرفاً قطعات را در محفظه هاي مناسب گذاشته ، توسط پودري از يك عامل كربن زا پوشانده و حرارت مي دادند ، ( كربن دهي جامد ) به علت آهسته بودن  اين فرايند و نياز به سرعت كربن دهي بيشتر ، فرايند جديد كربن دهي كه در آن از يك اتمسفر گازي كربن زا استفاده مي شد ابداع گرديد ( كربن دهي گازي ) .

گرچه در اين فرايند سرعت كربن دهي به طور قابل ملاحظه اي افزايش يافت . مع هذا روش گازي مستلزم استفاده از يك اتمسفر چند جزيي بوده كه نياز به كنترل دقيق اجزاي تشكيل دهنده است . اين امر به خاطر جلوگيري از اثرات سو جنبي نظير اكسيده شدن سطح و مرز دانه ها است . به علاوه جهت تهيه و كنترل گاز مورد استفاده نياز به يك واحد جداگانه اي است .

با وجود اين مشكلات و پيچيدگيها ، كربن دهي گازي موثرترين و گسترده ترين روش كربن دهي قطعات در توليد انبوه درآمد . به منظور ساده و خلاصه كردن اتمسفر گازي مورد استفاده ، كربن دهي در يك محيط عاري از اكسيژن و در فشار بسيار كم ( كربن دهي گازي ) ابداع و به عنوان يك فرايند كربن دهي جايگزيني گسترش يافت .

گرچه در اين حالت تجهيزات و كوره مورد استفاده از برخي از جنبه ها پيچيده تر است ولي اتمسفر مورد استفاده به نحو قابل ملاحظه اي خلاصه و ساده تر است . مثلاً يك هيدروكربن ساده نظير متان ، از سوي ديگر از آنجايي كه قطعات در غياب اكسيژن حرارت داده مي شوند ، بدون خطر اكسيد شدن مي توان دماي عمليات را افزايش داد . افزايش دما نه تنها موجب افزايش حد حلاليت كربن در آستنيت مي شود بلكه نرخ نفوذ كربن را نيز افزايش مي دهد و لذا زمان لازم براي كربن دهي جهت حصول ضخامت مشخصي از پوسته را كاهش خواهد داد .

گرچه كربن دهي در خلاء برخي از مشكلات پيچيده كربن دهي گازي را مرتفع كرد ، مع هذا در اين فرايند مسايل جديدي به وجود آمد . از آنجايي كه كربن دهي در خلاء در فشارهاي بسيار كم و تحت جريان بسيار كم گاز كربن دهنده انجام مي شود پتانسيل كربن در فرورفتگيها و سوراخهاي كور به طور سريع كاهش مي يابد . تحت چنين شرايطي يك نايكنواختي زياد در ضخامت لايه كربن داده شده بهوجود مي آيد . مگر اينكه گاز درون كوره به طور مرتب و پيوسته عوض شود .

اگر به منظور غلبه يافتن بر اين مسئله ، فشار گاز به طور قابل ملاحظه اي افزايش داده شود تشكيل كربن آزاد يا دوده را روي سطح خواهيم داشت . در شرايط بحث شده ، به منظوزر غلبه يافتن بر نا يكنواختي ضخامت پوسته در قطعات با شكلهاي پيچيده توصيه مي شود كه افزايش و كنترل فشار گاز به طور مرتب انجام گرفته ، به نحوي كه نايكنواختي ضخامت پوسته و خطر تشكيل دوده به حداقل ممكن رسيده و در عين حال نرخ كربن دهي  مناسبي را داشته باشيم .