إنها من أكثر المعضلات شيوعًا في تصميم قطع الآلات: هل تُصنع القطعة من صلب الكربنة أم من صلب المعالجة؟ كلاهما يُستخدم للقطع عالية الأداء، لكنهما يحققان المتانة بطرق مختلفة وفي مواضع مختلفة.
صلب الكربنة: قشرة صلبة وقلب متين
صلب الكربنة منخفض الكربون (نحو 0.10–0.25% C). وعلى حالته هذه لا يتقسى بما يكفي عند الإخماد، لذلك يُدخَل الكربون أولًا إلى سطحه.
- الكربنة: تُحفظ القطعة عند نحو 880–950 °C في وسط غني بالكربون، فترتفع نسبة الكربون في السطح إلى 0.7–0.9%.
- الإخماد: تصبح الطبقة السطحية الغنية بالكربون صلبة جدًا، ويبقى القلب منخفض الكربون متينًا.
- المراجعة عند درجة حرارة منخفضة: تُجرى عادةً عند 150–200 °C لتخفيف الإجهادات الداخلية.
وتكون صلادة السطح الناتجة عادةً نحو 58–62 HRC، ويُختار عمق الطبقة المقساة عادةً بين 0.5 و2 mm حسب التطبيق. فيقاوم السطح البلى وضغط التلامس، بينما يمتص القلب الصدمات.
رتب نموذجية: C15 و16MnCr5 و20MnCr5 و20NiCrMo2 (SAE 8620)، وللتروس عالية الحمل 17CrNiMo6 و18CrNi8.
صلب المعالجة: متانة على امتداد المقطع
صلب المعالجة متوسط الكربون (نحو 0.25–0.60% C)، ويُسبك غالبًا بالكروم والموليبدينوم والنيكل. وتتكون معالجته الحرارية من خطوتين:
- التقسية: يُسخَّن الصلب إلى درجة الأوستنة (نحو 820–880 °C حسب الرتبة) ثم يُبرَّد بسرعة في الزيت أو الماء.
- المراجعة عند درجة حرارة عالية: يُحفظ عند نحو 540–680 °C فيتحول جزء من الصلادة إلى متانة.
وبعد هذه المعالجة تكتسب المادة مقاومة خضوع وصلادة عاليتين لا على السطح فحسب، بل على امتداد المقطع كله. فالرتبة 42CrMo4 مثلًا تبلغ في حالتها المعالَجة مقاومة شد تقارب 900–1,300 MPa حسب المقطع حتى قطر 100 mm تقريبًا، وتنخفض هذه القيمة في الأقطار الأكبر. وكلما كبر المقطع ازدادت أهمية السبك ليتقسى المركز أيضًا؛ ولهذا تُفضَّل الرتب المحتوية على النيكل مثل 34CrNiMo6 في الأعمدة كبيرة القطر.
رتب نموذجية: C45 و41Cr4 و34CrMo4 و42CrMo4 (SAE 4140) و50CrMo4 و34CrNiMo6 (SAE 4340).
مقارنة جنبًا إلى جنب
| صلب الكربنة | صلب المعالجة | |
|---|---|---|
| نسبة الكربون | منخفضة (≈ 0.10–0.25%) | متوسطة (≈ 0.25–0.60%) |
| المعالجة الحرارية | كربنة + إخماد + مراجعة منخفضة الحرارة | تقسية + مراجعة عالية الحرارة |
| السطح | صلب جدًا (≈ 58–62 HRC) | صلادة متوسطة؛ يُقسّى بالحث عند الحاجة |
| القلب | متين، ومتانته منخفضة نسبيًا | متانة وصلادة عاليتان |
| الحمل الذي يتفوق فيه | تلامس السطح والبلى والصدمات | الانحناء والالتواء والكلال |
| قطعة نموذجية | التروس والترس الصغير والمسامير وأعمدة الكامات | المحاور وأعمدة المرفق والأعمدة والبراغي عالية المتانة |
أيهما لأي قطعة؟
- التروس والترس الصغير: يتعرض سطح السن لضغط التلامس والبلى، وجذر السن للصدمات والانحناء. ولأن المطلوب قشرة صلبة فوق قلب متين، فإن صلب الكربنة هو الخيار المعتاد.
- المحاور وأعمدة المرفق والأعمدة الناقلة: تتحمل الالتواء والانحناء المتناوب على امتداد المقطع، لذا فصلب المعالجة أنسب.
- الأعمدة ذات مقاعد المحامل: من الحلول الشائعة تصنيعها من صلب المعالجة وتقسية مناطق المحامل فقط بالحث؛ فتجتمع متانة الجسم وصلادة السطح.
- المسامير والجلب: إذا غلب البلى فصلب الكربنة، وإذا غلب تحمّل الحمل فصلب المعالجة.
ما يجب الانتباه إليه قبل الطلب
- قد تسبب الكربنة تشوهًا وتغيرًا في المقاسات، لذلك يُترك هامش جلخ على الأسطح الدقيقة.
- في صلب المعالجة، يسهّل تحديدُ حالة التسليم في مرحلة العرض (مثل معالَج +QT أو ملدَّن تلدينًا لينًا +A) التخطيطَ للعمليات اللاحقة.
- في المقاطع الكبيرة، اختاروا الرتبة مع مراعاة القطر لضمان بلوغ القيم المطلوبة.