التصليد السطحي

التصليد السطحي أو الكربنة هي عملية إدخال الكربون إلى سطح الحديد منخفض الكربون، أو بشكل أكثر شيوعًا إلى جسم من الفولاذ منخفض الكربون، لتصليد السطح.

يُعرف الحديد الذي يحتوي على نسبة كربون تزيد عن 0.02% بالفولاذ . ويمكن تقوية الفولاذ الذي يحتوي على نسبة كربون تزيد عن 0.25% مباشرةً بتسخينه إلى حوالي 600 درجة مئوية (1112 درجة فهرنهايت) ، ثم تبريده بسرعة، غالبًا عن طريق غمره في الماء أو الزيت، وهي عملية تُعرف بالتبريد السريع . تُعدّ عملية التقسية مرغوبة للمكونات المعدنية لأنها تُعطيها قوةً ومقاومةً للتآكل، ولكن في المقابل، يكون الفولاذ المُقسّى أكثر هشاشةً وأقل قابليةً للطرق من حالته اللينة.  

لإنتاج طبقة صلبة على الفولاذ الذي يحتوي على أقل من 0.2% كربون، يُمكن إدخال الكربون إلى السطح بتسخين الفولاذ في وجود مادة غنية بالكربون، مثل مسحوق الفحم أو غاز الهيدروكربون. يؤدي ذلك إلى انتشار الكربون في سطح الفولاذ. يعتمد عمق هذه الطبقة الغنية بالكربون على مدة التعرض، ولكن 0.5 مم هو عمق نموذجي. بعد ذلك، يجب تسخين الفولاذ وتبريده سريعًا لتصليد هذه الطبقة الغنية بالكربون. أسفل هذه الطبقة، يبقى لب الفولاذ لينًا نظرًا لانخفاض محتواه من الكربون.

استُخدمت في بدايات صهر الحديد أفرانٌ تُحوّل خام الحديد إلى حديد معدني بتسخينه في فرنٍ يحرق الخشب والفحم. ولأن درجات الحرارة التي يُمكن الوصول إليها بهذه الطريقة كانت عمومًا أقل من درجة انصهار الحديد، لم يكن الحديد يُصهر فعليًا، بل يُحوّل إلى مادة إسفنجية من الحديد المعدني والخبث. ثمّ كانت هذه المادة تتطلّب إعادة تسخينها وطرقها لاستخلاص أكبر قدرٍ ممكن من الخبث، وذلك لإنتاج حديد مطاوع منخفض الكربون وقابل للطرق، والذي يُمكن تشكيله إلى أدواتٍ وغيرها. ونظرًا لانخفاض محتواه من الكربون، فإنّ الحديد المطاوع لينٌ نسبيًا، لذا لم يكن من الممكن الحفاظ على حدّة شفرة السكين؛ إذ كانت تفقد حدّتها بسرعة وتنثني بسهولة.

مع تحسن تقنيات الصهر، أصبح بالإمكان الوصول إلى درجات حرارة أعلى في الأفران، كافية لصهر الحديد بالكامل. إلا أنه خلال هذه العملية، امتص الحديد الكربون من الفحم النباتي أو فحم الكوك المستخدم في تسخينه. نتج عن ذلك حديد منصهر بنسبة كربون تبلغ حوالي 3%، وهو ما يُعرف بالحديد الزهر . كان من الممكن صب هذا الحديد السائل في أشكال معقدة، ولكن نظرًا لارتفاع نسبة الكربون فيه، كان شديد الهشاشة، وغير قابل للطرق على الإطلاق، وغير مناسب تمامًا لصناعة أشياء مثل شفرة السكين. لذا، تطلب الأمر مزيدًا من المعالجة لإزالة الكربون الزائد من الحديد الزهر وإنتاج حديد مطاوع قابل للطرق (ومن أبرز التطورات في هذا المجال محول بسمر وعملية سيمنز ).

بعد إزالة معظم الكربون من الحديد الزهر، نتج معدن شديد الليونة والمتانة، ولكنه ليس شديد الصلابة ، ولا يمكن تقويته بالتسخين والتبريد السريع. أدى ذلك إلى ابتكار عملية التصليد السطحي. يجمع المنتج المُصلّد سطحيًا بين ليونة وصلابة قلب الفولاذ منخفض الكربون وصلابة ومرونة الطبقة الخارجية من الفولاذ عالي الكربون.

كانت الطريقة التقليدية لتطبيق الكربون على سطح الحديد تتضمن تغليف الحديد بمزيج من مواد غنية بالكربون، مثل مسحوق العظام والفحم ، أو مزيج من الجلد وحوافر الحيوانات والملح والبول ، داخل صندوق محكم الإغلاق. ثم تُسخّن هذه العبوة إلى درجة حرارة عالية - ولكنها لا تزال أقل من درجة انصهار الحديد - وتُترك عند هذه الدرجة لفترة من الزمن. كلما طالت مدة بقاء العبوة عند درجة الحرارة العالية، زاد عمق انتشار الكربون في السطح. وتُفضّل أعماق مختلفة للتصليد لأغراض مختلفة: فالأدوات الحادة تحتاج إلى تصليد عميق للسماح بالطحن وإعادة الشحذ دون كشف اللب اللين، بينما قد تحتاج أجزاء الآلات، مثل التروس، إلى تصليد سطحي فقط لزيادة مقاومة التآكل.

قد يُظهر الجزء المُقسّى سطحيًا تغيرًا واضحًا في لونه، إذا كانت المادة الكربونية عبارة عن مزيج من مواد عضوية كما ذُكر سابقًا. يصبح الفولاذ داكنًا بشكل ملحوظ، ويظهر عليه نمط مُرقّط من الأسود والأزرق والبنفسجي، ناتج عن المركبات المختلفة المتكونة من الشوائب الموجودة في العظام والفحم. يعمل هذا السطح المؤكسد بطريقة مشابهة للتزريق ، حيث يوفر درجة من مقاومة التآكل، بالإضافة إلى لمسة نهائية جذابة. يُشير تلوين السطح إلى هذا النمط، وهو شائع الاستخدام كطبقة نهائية زخرفية على الأسلحة النارية .

يجمع الفولاذ المُقسّى سطحيًا بين الصلابة والمتانة الفائقتين، وهما صفتان يصعب على السبائك المتجانسة تحقيقهما، إذ تميل الفولاذات المتجانسة الصلبة إلى أن تكون هشة، لا سيما تلك التي تعتمد صلابتها على محتواها من الكربون فقط. ويمكن أن تتمتع سبائك الفولاذ التي تحتوي على النيكل أو الكروم أو الموليبدينوم بصلابة أو قوة أو استطالة عالية جدًا، ولكن بتكلفة أعلى من الفولاذ المُقسّى سطحيًا ذي اللب منخفض الكربون.

يكون الكربون صلبًا عند درجات حرارة التصليد السطحي، وبالتالي فهو غير متحرك. ينتقل الكربون إلى سطح الفولاذ على شكل غاز أول أكسيد الكربون ، الناتج عن تحلل مركب الكربنة والأكسجين الموجود داخل الصندوق المحكم الإغلاق. يحدث هذا مع الكربون النقي، لكن ببطء شديد لا يسمح بمعالجته. على الرغم من أن الأكسجين ضروري لهذه العملية، إلا أنه يُعاد تدويره عبر دورة أول أكسيد الكربون، وبالتالي يمكن إجراؤها داخل صندوق محكم الإغلاق (الغلاف). يُعدّ الإغلاق ضروريًا لمنع تسرب أول أكسيد الكربون أو أكسدته إلى ثاني أكسيد الكربون _بفعل الهواء الخارجي الزائد.

إضافة مادة كربونات "منشطة" سهلة التحلل مثل كربونات الباريوم تؤدي إلى تحللها إلى BaO + CO2 _وهذا يشجع التفاعل:

ج (من المانح) + _ثاني أكسيد الكربون <—> 2 ثاني أكسيد الكربون

زيادة الوفرة الإجمالية لأول أكسيد الكربون ونشاط المركب الكربوني. ^{[ 1 ]}

من الشائع الاعتقاد خطأً بأن عملية التصليد السطحي كانت تتم باستخدام العظام، لكن هذا الاعتقاد مضلل. فمع أن العظام استُخدمت، إلا أن المصدر الرئيسي للكربون كان الحافر والقرن. تحتوي العظام على بعض الكربونات، لكنها تتكون أساسًا من فوسفات الكالسيوم (على شكل هيدروكسيلاباتيت ). وهذا لا يُسهم في تعزيز إنتاج ثاني أكسيد الكربون، بل قد يُدخل الفوسفور كشوائب في سبيكة الفولاذ.

يُعدّ كلٌّ من الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي مناسبًا للتصليد السطحي؛ ويُستخدم عادةً الفولاذ الطري ذو المحتوى المنخفض من الكربون ، والذي يقلّ عادةً عن 0.3% (انظر الفولاذ الكربوني العادي لمزيد من المعلومات). لا يُمكن تصليد هذا النوع من الفولاذ الطري عادةً بسبب انخفاض نسبة الكربون فيه، لذا يُجرى تعديل كيميائي على سطحه لزيادة قابليته للتصليد. يتكوّن الفولاذ المُصلّد سطحيًا عن طريق نشر الكربون ( الكربنة )، أو النيتروجين ( النتردة )، أو البورون ( البورون ) في الطبقة الخارجية للفولاذ عند درجة حرارة عالية، ثمّ معالجة الطبقة السطحية حراريًا للوصول إلى الصلابة المطلوبة.

يُشتق مصطلح التصليد السطحي من الجوانب العملية لعملية الكربنة نفسها، والتي تُشابه إلى حد كبير العملية القديمة. تُوضع قطعة العمل الفولاذية داخل غلاف مُحكم الإغلاق بمادة مُصلِّدة سطحية أساسها الكربون. يُعرف هذا الغلاف مجتمعًا باسم "عبوة الكربنة". تُوضع العبوة داخل فرن ساخن لفترة زمنية متغيرة. يُحدد الوقت ودرجة الحرارة مدى عمق التصليد في السطح. مع ذلك، فإن عمق التصليد محدود في النهاية بعدم قدرة الكربون على الانتشار بعمق في الفولاذ الصلب، ويبلغ عمق التصليد السطحي النموذجي بهذه الطريقة 1.5  مم. تُستخدم تقنيات أخرى أيضًا في الكربنة الحديثة، مثل التسخين في جو غني بالكربون. يمكن تصليد القطع الصغيرة سطحيًا عن طريق التسخين المتكرر باستخدام شعلة والتبريد السريع في وسط غني بالكربون، مثل المنتجات التجارية Kasenit / Casenite أو "Cherry Red". تحتوي التركيبات القديمة لهذه المركبات على مركبات السيانيد السامة المحتملة ، بينما لا تحتوي الأنواع الأحدث مثل Cherry Red عليها. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

لا تزال الأجزاء التي تتعرض لضغوط عالية وصدمات قوية تُصلَّب سطحيًا بشكل شائع. ومن الأمثلة على ذلك دبابيس الإطلاق وأسطح مزلاج البنادق ، أو أعمدة الكامات في المحركات . في هذه الحالات، يمكن تصليد الأسطح التي تتطلب الصلابة بشكل انتقائي، مع الحفاظ على الجزء الأكبر من القطعة في حالته الصلبة الأصلية.

كانت الأسلحة النارية تُصنع في الماضي بتقنية التصليد السطحي، نظرًا لحاجتها إلى دقة عالية في التصنيع، وهو ما كان يُفضل تحقيقه باستخدام سبائك منخفضة الكربون، مع ضرورة امتلاكها في الوقت نفسه صلابة ومقاومة للتآكل تُضاهي سبائك الكربون العالية. ولا تزال العديد من النسخ الحديثة للأسلحة النارية القديمة، وخاصة المسدسات ذات الحركة الفردية ، تُصنع بإطارات مُصلّدة سطحيًا، أو بتقنية التلوين السطحي التي تُحاكي النمط المُرقّط الناتج عن التصليد السطحي التقليدي باستخدام الفحم والعظام.

يُعدّ التصليد السطحي أحد التطبيقات الشائعة الأخرى، لا سيما في صناعة البراغي، وخاصةً البراغي ذاتية الحفر . فلكي تتمكن البراغي من الحفر والقطع واللولبة في مواد أخرى كالفولاذ، يجب أن يكون رأس الحفر واللولبة المُشكّلة أصلب من المادة (المواد) التي يتم الحفر فيها. مع ذلك، إذا كان البرغي بأكمله صلبًا بشكل متجانس، فسيصبح هشًا للغاية وسهل الكسر. وللتغلب على هذه المشكلة، يتم التأكد من أن السطح فقط هو الذي يتم تصليده، بينما يبقى اللب أكثر ليونة نسبيًا وبالتالي أقل هشاشة. بالنسبة للبراغي والمثبتات، يتم تحقيق التصليد السطحي من خلال معالجة حرارية بسيطة تتضمن التسخين ثم التبريد السريع.

للوقاية من السرقة، تُقسّى أقفال السلاسل والأغلال عادةً سطحياً لمقاومة القطع، مع الحفاظ على مرونتها الداخلية لمقاومة الصدمات. ونظراً لصعوبة تشكيل المكونات المقسّاة سطحياً، تُشكّل عادةً قبل عملية التقسية.

• التصلب التفاضلي
• التصلب الانتشارى
• تلميع التبريد
• الصقل بالرصاص
• هندسة الأسطح
• فون ستال أوند إيسن

• التصليد السطحي
• التصليد السطحي للفولاذ
• الفولاذ والمعادن المقساة سطحيًا
• "MIL-S-6090A، المواصفة العسكرية: عملية معالجة الفولاذ المستخدم في كربنة ونتردة الطائرات" . وزارة الدفاع الأمريكية . 7 يونيو 1971. مؤرشف من الأصل (PDF) بتاريخ 29 أغسطس 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 يونيو 2012 .