מהי תופעת הקרבוניזציה על פני השטח של צינורות פלדה?

הפירוק של משטח צינור הפלדה מתייחס לתופעה שבה, במהלך תהליך טיפול החום-בטמפרטורה הגבוהה של צינור הפלדה, יסודות הפחמן על פניו עוברים תגובות כימיות עם המדיום בסביבת החימום (כגון חמצן, אדי מים, פחמן דו חמצני וכו') או מתפזרים לסביבה שמסביב, וכתוצאה מכך הפחתה משמעותית של תכולת פני הפחמן של צינור הפלדה.

הבנת שחרור פחמן כרוכה בתפיסת נקודות המפתח הבאות:

• המהות של decarburization:

בטמפרטורות גבוהות, אטומי פחמן מגיבים כימית עם האטמוספירה שבתוך התנור (כגון חמצן, אדי מים, פחמן דו חמצני, מימן) כדי לייצר גזים כמו פחמן חד חמצני או מתאן, ובכך הולכים לאיבוד מפני השטח של הפלדה. תהליך זה הוא תוצאה של דיפוזיה. מצד אחד, אטומים כמו חמצן בגז התנור מתפזרים לתוך הפלדה; מצד שני, אטומי פחמן בפלדה מתפזרים החוצה.

• הרכב השכבה המפורקת:

שכבת הפלדה המפוררת מורכבת בדרך כלל משכבה מפורקת מלאה ושכבה מפוררת חלקית (הידועה גם בשם שכבת המעבר). שכבת הפחמן המלאה מתייחסת לשכבת השטח החיצונית ביותר שבה תכולת הפחמן ירדה לרמה נמוכה במיוחד או אפילו לאפס, ואין פרליט במבנה המטאלוגרפי; השכבה המפורקת חלקית ממוקמת בתוך השכבה המפורקת במלואה, כאשר תכולת הפחמן שלה נמוכה מהערך המקורי של החומר אך אינה מוסרת לחלוטין, ומגיעה למבנה תכולת הפחמן הרגיל של הפלדה. במקרים בהם הפירוק אינו חמור, לעיתים ניתן לראות רק את השכבה המפוררת החלקית ללא השכבה המפוררת המלאה.

• הקשר התחרותי בין דה-קרבוריזציה וחמצון:

פירוק וחמצון מתרחשים לעתים קרובות בו-זמנית, ויש ביניהם קשר תחרותי. ניתן להיווצר ולהבחין בשכבת הפירוק רק כאשר קצב הפירוק עולה על קצב החמצון. אם קצב החמצון מהיר מאוד, תיווצר במהירות שכבה של תחמוצת ברזל על פני הפלדה, ושכבת תחמוצת זו עשויה לפעול כמו "מגן" כדי למנוע איבוד נוסף של פחמן. בשלב זה, ייתכן ששכבת שחרור ברורה לא ניתנת לצפייה מקרוסקופית, אך החומר עדיין ניזוק עקב חמצון.

לפירוק פני השטח יכולה להיות השפעה שלילית משמעותית על הביצועים של צינורות פלדה:

• ירידה במאפיינים המכניים:

הפחתה בתכולת הפחמן על פני השטח מובילה ישירות לירידה משמעותית בקשיות, בחוזק, בעמידות הבלאי וחוזק העייפות של משטח צינור הפלדה.

• גורם ליקויי מרווה:

עבור צינורות פלדה הדורשים כיבוי, שחרור משטח ימנע היווצרות של מבנה מרטנזיט בעל קשיות- גבוהה לאחר כיבוי, וכתוצאה מכך קשיות פני השטח לא מספקת, יצירת נקודות רכות, ואף עלול לגרום לסדקים עקב שינוי מבנה מיקרו לא אחיד.

• הרעה בביצועי השירות:

עבור רכיבים כגון פלדת מיסבים, פלדת קפיצים ופלדת כלי עבודה שיש להם דרישות גבוהות לביצועי פני השטח, דה-קרבוריזציה תפחית משמעותית את מדדי ביצועי השירות העיקריים שלהם, כגון עמידות בפני שחיקה, עמידות בפני עייפות במגע וקשיות אדומה, מה שיוביל לכשל מוקדם של הרכיבים.

הגורמים המשפיעים על דה-קרבוריזציה של פלדה כוללים בעיקר:

• טמפרטורת וזמן חימום:

ככל שטמפרטורת החימום גבוהה יותר ומשך זמן השהייה בטמפרטורות גבוהות יותר, כך נטיית הפירוק חמורה יותר. עם זאת, עבור דרגות פלדה מסוימות (כגון פלדת קפיצית 60Si2Mn), עשוי להיות אזור רגיש לפירוק בטווח טמפרטורות ספציפי (כגון 1100-1250 מעלות), ובטמפרטורות גבוהות יותר, עומק שכבת הפירוק עשוי למעשה לרדת.

• אווירת תנור:

תכונת החמצון של אווירת התנור היא קריטית. אדי מים, פחמן דו חמצני וחמצן כולם בעלי יכולות שחרור חזקות. בעוד שלפחמן חד-חמצני ומתאן, בין היתר, יש אפקט -מעשיר פחמן מסוים.

• הרכב כימי של פלדה:

ככל שתכולת הפחמן בפלדה גבוהה יותר, כך גדלה הנטייה לפירוק. יסודות הסגסוגת הקיימים בפלדה משפיעים אף הם על פירוק הפחמן בדרגות שונות. אלמנטים כמו טונגסטן, אלומיניום, סיליקון וקובלט יכולים לקדם דה-קרבוריזציה, בעוד שאלמנטים כמו כרום ומנגן עוזרים לעכב דה-קרבוריזציה.

בייצור בפועל, האמצעים הבאים מאומצים בדרך כלל כדי למנוע ולהפחית את הפחמן:

• ייעל את תהליך החימום:

צמצמו ככל האפשר את טמפרטורת החימום וקצרו את זמן ההחזקה בטמפרטורות גבוהות, במיוחד הימנעות מהשהייה ממושכת בטווח הטמפרטורות הרגיש ל-הפחתות של סוג הפלדה.

• שליטה באווירת החימום:

זהו המדד המכריע ביותר. נסה לחמם באווירה ניטרלית או מגנה (כגון אטמוספרה מבוססת חנקן-ניתנת לשליטה או גז אינרטי), הימנעות ממגע ישיר בין הפלדה לגזי דה-אוקסידציה ושחרור. במצבים מסוימים, חימום מהיר באווירת חמצון חזק כדי להפוך את קצב החמצון גבוה בהרבה מקצב הפירוק, ושימוש בשכבת התחמוצת שנוצרה כדי להגן על שכבת הפחמן הפנימית מפני אובדן משמעותי, היא גם אסטרטגיית תהליך אופציונלית.

• ליישם אמצעי הגנה פיזיים:

לדוגמה, יש למרוח ציפוי מגן על משטח הפלדה, או לאמץ טיפול בחום ואקום וכו'.

• קצבת עיבוד שמור:

במהלך התכנון של החלק, יש לשמור קצבת עיבוד מספקת כדי להבטיח שניתן להסיר לחלוטין את השכבה המפורקת במהלך העיבוד המכני הבא.