ما هي ظاهرة الكربنة على سطح الأنابيب الفولاذية؟

تشير إزالة الكربنة من سطح الأنابيب الفولاذية إلى الظاهرة التي تتم فيها -عملية المعالجة الحرارية لأنابيب الصلب في درجات حرارة عالية، حيث تخضع عناصر الكربون الموجودة على سطحها لتفاعلات كيميائية مع الوسط الموجود في بيئة التسخين (مثل الأكسجين، وبخار الماء، وثاني أكسيد الكربون، وما إلى ذلك) أو تنتشر في البيئة المحيطة، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في محتوى الكربون على سطح الأنابيب الفولاذية.

يتضمن فهم عملية إزالة الكربون فهم النقاط الرئيسية التالية:

• جوهر إزالة الكربنة:

عند درجات الحرارة المرتفعة، تتفاعل ذرات الكربون كيميائيًا مع الجو داخل الفرن (مثل الأكسجين وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون والهيدروجين) لإنتاج غازات مثل أول أكسيد الكربون أو الميثان، وبالتالي يتم فقدها من سطح الفولاذ. هذه العملية هي نتيجة الانتشار. من ناحية، تنتشر الذرات مثل الأكسجين الموجود في غاز الفرن داخل الفولاذ؛ ومن ناحية أخرى، تنتشر ذرات الكربون الموجودة في الفولاذ إلى الخارج.

• تكوين الطبقة منزوعة الكربنة :

تتكون الطبقة الفولاذية منزوعة الكربنة عادةً من طبقة منزوعة الكربنة كاملة وطبقة منزوعة الكربنة جزئيًا (تُعرف أيضًا باسم الطبقة الانتقالية). تشير الطبقة الكاملة منزوعة الكربنة إلى الطبقة السطحية الخارجية حيث انخفض محتوى الكربون إلى مستوى منخفض للغاية أو حتى صفر، ولا يوجد بيرليت في الهيكل المعدني؛ تقع الطبقة منزوعة الكربنة الجزئية داخل الطبقة منزوعة الكربنة الكاملة، حيث يكون محتواها من الكربون أقل من القيمة الأصلية للمادة ولكن لا تتم إزالتها بالكامل، وتصل إلى بنية محتوى الكربون العادية للصلب. في الحالات التي لا تكون فيها عملية إزالة الكربنة شديدة، في بعض الأحيان يمكن ملاحظة الطبقة منزوعة الكربنة الجزئية فقط دون الطبقة منزوعة الكربنة الكاملة.

• العلاقة التنافسية بين نزع الكربنة والأكسدة:

غالبًا ما تحدث عملية إزالة الكربنة والأكسدة في وقت واحد، وهناك علاقة تنافسية بينهما. لا يمكن أن تتشكل طبقة إزالة الكربنة ويمكن ملاحظتها إلا عندما يتجاوز معدل إزالة الكربنة معدل الأكسدة. إذا كان معدل الأكسدة سريعًا جدًا، فسوف تتشكل طبقة من أكسيد الحديد بسرعة على سطح الفولاذ، وقد تعمل طبقة الأكسيد هذه بمثابة "درع" لمنع المزيد من فقدان الكربون. في هذا الوقت، قد لا تكون طبقة إزالة الكربنة الواضحة قابلة للملاحظة بالعين المجردة، لكن المادة لا تزال تتعرض للتلف بسبب الأكسدة.

يمكن أن يكون لإزالة الكربنة السطحية تأثير سلبي كبير على أداء الأنابيب الفولاذية:

• انخفاض في الخواص الميكانيكية:

يؤدي انخفاض محتوى الكربون على السطح بشكل مباشر إلى انخفاض كبير في الصلابة والقوة ومقاومة التآكل وقوة التعب لسطح الأنابيب الفولاذية.

• يسبب عيوب التبريد:

بالنسبة للأنابيب الفولاذية التي تتطلب التبريد، فإن إزالة الكربنة من السطح ستمنع تكوين بنية مارتنسيت عالية الصلابة- بعد التبريد، مما يؤدي إلى عدم كفاية صلابة السطح، وإنشاء بقع ناعمة، وحتى احتمال التسبب في حدوث تشققات بسبب التحول غير المتساوي للبنية المجهرية.

• تدهور أداء الخدمة:

بالنسبة للمكونات مثل الفولاذ المحمل، والفولاذ الزنبركي، وفولاذ الأدوات التي لها متطلبات عالية لأداء السطح، فإن إزالة الكربنة ستقلل بشكل كبير من مؤشرات أداء الخدمة الرئيسية مثل مقاومة التآكل، ومقاومة إجهاد التلامس، والصلابة الحمراء، مما يؤدي إلى فشل مبكر للمكونات.

تشمل العوامل التي تؤثر على إزالة الكربنة من الفولاذ بشكل رئيسي ما يلي:

• درجة حرارة التدفئة والوقت:

كلما ارتفعت درجة حرارة التسخين وطول الوقت الذي يقضيه في درجات حرارة عالية، كلما زاد ميل نزع الكربنة. ومع ذلك، بالنسبة لبعض درجات الفولاذ (مثل الفولاذ الزنبركي 60Si2Mn)، قد تكون هناك منطقة حساسة لإزالة الكربنة ضمن نطاق درجة حرارة محدد (مثل 1100-1250 درجة)، وفي درجات حرارة أعلى، قد ينخفض ​​عمق طبقة إزالة الكربنة فعليًا.

• جو الفرن:

الخاصية المؤكسدة لجو الفرن أمر بالغ الأهمية. يتمتع كل من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأكسجين بقدرات قوية على إزالة الكربنة. في حين أن أول أكسيد الكربون والميثان، من بين أشياء أخرى، لهما تأثير معين في إثراء الكربون-.

• التركيب الكيميائي للصلب :

كلما زاد محتوى الكربون في الفولاذ، زاد الميل إلى إزالة الكربنة. تؤثر عناصر السبائك الموجودة في الفولاذ أيضًا على إزالة الكربنة بدرجات متفاوتة. يمكن لعناصر مثل التنغستن والألمنيوم والسيليكون والكوبالت أن تعزز إزالة الكربنة، بينما تساعد عناصر مثل الكروم والمنغنيز على منع إزالة الكربنة.

في الإنتاج الفعلي، عادة ما يتم اعتماد التدابير التالية لمنع وتخفيف إزالة الكربون:

• تحسين عملية التسخين:

قم بتقليل درجة حرارة التسخين قدر الإمكان وتقصير وقت الاحتجاز عند درجات حرارة عالية، وخاصة تجنب البقاء لفترات طويلة في نطاق درجات الحرارة الحساسة-لإزالة الكربنة من النوع الفولاذي.

• التحكم في جو التدفئة:

هذا هو الإجراء الأكثر أهمية. حاول التسخين في جو محايد أو وقائي (مثل الجو المعتمد على النيتروجين- أو الغاز الخامل)، مع تجنب الاتصال المباشر بين الفولاذ وغازات إزالة الأكسدة وإزالة الكربنة. في بعض المواقف، يعد التسخين السريع في جو مؤكسد بقوة لجعل معدل الأكسدة أعلى بكثير من معدل إزالة الكربنة، واستخدام طبقة الأكسيد المتولدة لحماية الطبقة الداخلية من الكربون من الفقد الكبير، بمثابة إستراتيجية عملية اختيارية أيضًا.

• تنفيذ تدابير الحماية الجسدية:

على سبيل المثال، تطبيق الطلاءات الواقية على سطح الفولاذ، أو اعتماد المعالجة الحرارية الفراغية، إلخ.

• بدل الآلات الاحتياطية:

أثناء تصميم الجزء، يجب الاحتفاظ ببدل تصنيع كافٍ لضمان إمكانية إزالة الطبقة منزوعة الكربنة بالكامل أثناء المعالجة الميكانيكية اللاحقة.