طرق التقسية السطحية للفولاذ

ما تعنيه التقسية السطحية في علم تعدين الفولاذ

التقسية السطحية ليست دورة فرن واحدة، أو درجة سبيكة واحدة، أو بنية مجهرية واحدة. وتعرّفها ASM International بأنها معالجة مادة حديدية «بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بكثير من القلب». وهذا التعريف واسع عمدًا؛ فهو يصف النتيجة—أي الفرق في الصلادة بين السطح والداخل—ولا يحدد طريقة بعينها لإحداثها.

وتكمن أهمية هذا التمييز في أن مكوّنات الفولاذ تحتاج غالبًا إلى خاصيتين تبدوان متعارضتين. إذ يجب أن تقاوم أسطحها العاملة الانبعاج، والتآكل اللاصق، والتآكل الكاشط، وإجهاد التلامس، في حين يجب أن يمتص الجزء الداخلي الصدمات ويتحمل الانحناء من دون حدوث كسر مفاجئ. ويمكن لسطح صلب فوق قلب أكثر متانة أن يلبي كلا المطلبين بفاعلية أكبر من مقطع مقسّى بالكامل بصلادة متجانسة. وتعتمد التروس، والكامات، والأعمدة، والمسامير، ومكوّنات المحامل عادةً على هذا الفصل بين الوظائف.

وتحدد العملية المختارة كيفية إنشاء فرق الصلادة. فبعض المعالجات تغيّر التركيب الكيميائي للسطح عن طريق الانتشار. بينما تُبقي معالجات أخرى على التركيب الأصلي، ولا تحوّل إلا منطقة قريبة من السطح من خلال التسخين والتبريد السريعين والموضعيين. ويمكن أن يختلف عمق الطبقة المقساة الناتجة، والأطوار، والإجهاد المتبقي، والتشوه، وطريقة التحقق اختلافًا كبيرًا.

القشرة والقلب وتدرّج الصلادة

القشرة هي المنطقة السطحية المعالجة التي تختلف صلادتها وبنيتها المجهرية عن صلادة وبنية الجزء الداخلي. أما القلب فهو المادة الموجودة أسفل تلك المنطقة. ولا يعني «القلب» بالضرورة أنه لين أو غير مقسّى؛ فقد يحتفظ فولاذ منخفض الكربون مخصص للكربنة بداخل مارتنسيتي منخفض الكربون، متين نسبيًا، أو بداخل مارتنسيتي مُراجَع بعد التخمير، عقب التخمير السريع، في حين قد يحتوي فولاذ سبائكي منترَد على قلب معالج حراريًا وقويًا أصلًا قبل عملية النتردة.

تدرج الصلادةتدرج الصلادة تغير تدريجي في الصلادة من السطح المعالج باتجاه الداخل غير المتأثر، وليس حدًا فاصلًا مفاجئًا.

وعادةً ما يوجد بين السطح والقلب تدرّج في الصلادة، وليس حدًّا فاصلًا حادًا. فقد يحتوي مكوّن مكربن على نسبة كربون سطحية مرتفعة، ومارتنسيت بالقرب من الخارج، وأوستنيت محتجز، وكربيدات، مع انخفاض الصلادة كلما انخفض تركيز الكربون باتجاه التركيب الأصلي. وقد يحتوي مكوّن منترَد على طبقة مركّبة رقيقة من نتريدات الحديد فوق منطقة انتشار للنيتروجين، تليها النواة غير المتأثرة. أما المكوّن المقسّى بالحث فقد يُظهر مارتنسيت عند السطح، ومنطقة انتقال تحوّلت جزئيًا، وبنية مُراجَعة أصلية أسفلها.

وبناءً على ذلك، يجب ربط «عمق الطبقة المقساة» بقاعدة قياس محددة. ويُقصد عادةً بـ العمق الفعّال للطبقة المقساة المسافة من السطح إلى حد صلادة محدد، مقاسة على امتداد منحنى محدد. وبالنسبة إلى الفولاذ المكربن والمقسّى، يوفّر ISO 2639:2002 طريقة لتحديد عمق الطبقة المقساة والتحقق منه؛ ويستند نطاق تطبيقه إلى شرط أن تكون الصلادة أقل من 450 HV 1 عند ثلاثة أضعاف عمق الطبقة المقساة. ويؤثر مقياس الصلادة، وحمل الاختبار، وإعداد السطح، واتجاه القياس، وموضعه، جميعًا في القيمة المبلّغ عنها.

أما العمق الكلي للطبقة المقساة فهو مقدار مختلف. ويشير إلى السماكة الكاملة للطبقة التي تغيرت كيميائيًا أو بنيويًا، وقد تمتد إلى ما بعد النقطة المستخدمة لتحديد العمق الفعّال للصلادة. ولذلك قد ينتج الفحص الميتالوغرافي، أو مسح الصلادة المجهرية، أو التحليل الكيميائي، أو تحديد الأطوار، «أعماق» مختلفة للجزء نفسه. ومن ثم فإن المواصفة التي تذكر «عمق الطبقة المقساة» فقط تكون ناقصة ما لم تحدد التعريف وطريقة الاختبار.

ويتناول ISO 18203:2026 قياس سماكة الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن التقسية باللهب، أو بالحث، أو بحزمة الإلكترونات، أو بالليزر، وكذلك عن الكربنة، والكربنة النتريدية، والنتردة. وهو يعزز نقطة أساسية: فسماكة الطبقة خاصية مقاسة، وليست وصفًا بصريًا لسطح داكن اللون.

لماذا لا تمثل صلادة السطح المواصفة بأكملها

تُعد صلادة السطح مفيدة، لكنها لا تستطيع بمفردها التنبؤ بسلوك الجزء أثناء الخدمة. فقد تسجل طبقة ضحلة قيمة مرتفعة على مقياس فيكرز، ومع ذلك تفشل تحت تأثير تلامس هرتزي متكرر لأن المادة الداعمة لينة أكثر من اللازم. وعلى العكس، قد تؤدي صلادة مقاسة أقل أداءً جيدًا عندما تكون الطبقة عميقة بما يكفي، ومدعومة جيدًا بالقلب، وتقع تحت تأثير حالة ملائمة من الإجهاد المتبقي.

الصلادة النسبية

ويجب النظر إلى منحنى الصلادة مع مقاومة الشد والمتانة والمعالجة الحرارية السابقة للقلب. كما أن البنية المجهرية للسطح مهمة أيضًا. فالفولاذ المكربن والمكربن نتريديًا يكوّن عادةً مارتنسيت بعد التوستنة والتخمير السريع، لكن وجود كميات مفرطة من الأوستنيت المحتجز، أو الكربيدات الخشنة، أو الأكسدة، أو الأكسدة بين الحبيبات، يمكن أن يغيّر الاستقرار الأبعادي وأداء الكلال. وقد يحتوي الفولاذ المنترَد والمكربن نتريديًا على طبقة مركّبة ومنطقة انتشار، تؤثر سماكتهما ومساميتهما وتوازن أطوارهما وتوزيع النيتروجين في الاحتكاك، والتآكل، والتآكل. ولا يمكن استنتاج هذه الخصائص من رقم صلادة واحد.

قد يحسن الإجهاد السطحي المتبقي الانضغاطي مقاومة بعض شقوق الكلال. Limited evidence

والإجهاد المتبقي مواصفة منفصلة أخرى. فقد يؤدي التخمير السريع إلى توليد إجهادات شد أو ضغط من خلال التحول غير المتجانس والانكماش الحراري. كما يمكن لمعالجات الانتشار أن تولّد إجهادات لأن الذرات المضافة تغيّر أبعاد الشبكة البلورية، ولأن الطبقات المركّبة ومناطق الانتشار تتكوّن بمعدلات مختلفة. وقد يساعد الإجهاد المتبقي الانضغاطي بالقرب من السطح على مقاومة بدء الشقوق، لكن الإجهاد المفرط، أو التشوه، أو ضعف الدعم، يمكن أن يسبب أعطالًا أخرى. ولذلك يجب قياس مقدار الإجهاد واتجاهه أو التحكم فيهما من خلال عملية مُعتمدة، بدل افتراضهما استنادًا إلى اسم المعالجة.

ويتطلب التشوه بدوره خطة تحكم مستقلة. إذ تؤثر درجة الحرارة، وسماكة المقطع، والهندسة، وشدة التخمير السريع، وتصميم التثبيت، وتركيب السبيكة، والمراجعة بعد المعالجة، جميعًا في التغير الأبعادي. وقد يختلف مكوّنان لهما العمق الفعّال نفسه للطبقة المقساة وصلادة السطح نفسها في مقدار الانحراف، أو خطأ شكل السن، أو نمو الثقب. ولذلك قد يتطلب التحقق إجراء مسوح للصلادة، ومقاطع ميتالوغرافية، وفحصًا أبعاديًا، وقياس الأوستنيت المحتجز، وتحليلًا للإجهاد المتبقي.

التقسية السطحية الكيميائية الحرارية مقابل التقسية السطحية الحرارية

تغيّر التقسية السطحية الكيميائية الحرارية تركيب السطح بإدخال الكربون، أو النيتروجين، أو كليهما. ويصنف دليل صادر عن المكتب الوطني للمعايير في الولايات المتحدة الكربنة، والنتردة، والكربنة النتريدية ضمن هذا التصنيف الأساسي. ففي الكربنة، ينتشر الكربون داخل فولاذ منخفض الكربون، مكوّنًا سطحًا مرتفع الكربون فوق جزء داخلي أقل كربونًا. ثم تُتوستن القطعة عادةً وتُخمّر تبريدًا سريعًا، بحيث يشكّل السطح المُغنى مارتنسيت صلبًا. أما الكربنة النتريدية فتُدخل الكربون والنيتروجين في الأوستنيت، وتنتج عادةً قشرة مقساة مارتنسيتية.

وتتبع النتردة مسارًا ميتالورجيًا مختلفًا. إذ ينتشر النيتروجين في فولاذ مناسب ويكوّن نتريدات سبائكية ونتريدات الحديد، عادةً من دون دورة التوستنة والتخمير السريع المميزة للكربنة. أما الكربنة النتريدية الفريتية فتُدخل الكربون والنيتروجين في الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة، منتجةً طبقة مركّبة ومنطقة انتشار أسفلها. ولذلك يجب تمييزها عن الكربنة النتريدية، رغم تشابه الاسمين. وتُعالَج الكربنة النتريدية الفريتية وفق المبدأ الأساسي نفسه.

وتشمل الطرق الكيميائية الحرارية الأخرى السياندة، والبورنة، والكرومة. وتختلف الأنواع المنتشرة ونواتج التفاعل فيها، ولذلك لا يجوز استبدال منحنيات صلادتها، وسماكات طبقاتها، وحدود درجات حرارتها، ومخاطر تشوهها، وسلوكها تجاه التآكل أو البِلى، بعضها ببعض بصورة عفوية. وتربط دراسات علم الاحتكاك الكربنة، والنتردة، والكربنة النتريدية، والكربنة النتريدية الفريتية، والبورنة، والكرومة بتغيرات في البِلى، والاحتكاك، والتآكل الاحتكاكي، لكن اتجاه هذه التغيرات وحجمها يعتمدان على درجة الفولاذ، والسطح المقابل، والحمل، والبيئة، وبنية الطبقة.

ولا تضيف التقسية السطحية الحرارية عنصرًا مقسّيًا إلى السطح. فالتقسية باللهب، أو بالحث، أو بحزمة الإلكترونات، أو بالليزر، تسخّن تركيب الفولاذ القائم موضعيًا إلى ما فوق درجة تحول، ثم تعتمد على التخمير الذاتي السريع أو التبريد المتحكم فيه لتكوين المارتنسيت. ويغطي ISO 18203:2026 هذه الطرق إلى جانب عدة معالجات كيميائية حرارية. ولذلك تكون القشرة الناتجة منطقة متحولة لا طبقة مُغناة بالانتشار، مع استمرار وجود تدرّج في الصلادة ومنطقة انتقال.

وبالتالي فإن الاختيار العملي هو قرار ميتالورجي، وليس مجرد اختيار بين مرادفات. فيجب أن تتوافق مقاومة التلامس المطلوبة، ومتانة القلب، والتشوه المسموح به، والمنحنى المستهدف، وحالة الإجهاد المتبقي، وطريقة التحقق، مع العملية المختارة. ويمكن للكربنة، والنتردة، والكربنة النتريدية، والكربنة النتريدية الفريتية، والتقسية الحرارية الموضعية أن تنتج فولاذًا «مقسّى سطحيًا»، لكنها لا تنتج القشرة نفسها.

كيف يغيّر الكربون والنيتروجين والحرارة السطح

تعرّف ASM International التقسية السطحية بأنها معالجة مادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بدرجة كبيرة من القلب. ويصف هذا التعريف نتيجةً لا عمليةً واحدة. فقد تمتلك ترسٌ مكربَن، وعمودٌ منيترد، ومسمارٌ مكربَن ومنيترد، وسكةٌ مقسّاة بالحث سطحًا أكثر صلابة، إلا أن كيمياءها وأطوارها وتوزيعات العمق فيها وإجهاداتها وأنماط فشلها تختلف.

تضيف المعالجات الكيميائية الحرارية الكربون أو النيتروجين أو كليهما إلى سطح الفولاذ. فالكربنة تضيف الكربون؛ والتنترة تضيف النيتروجين؛ أما الكربنة النتريدية والتنترة الكربونية فتضيفان الكربون والنيتروجين في ظروف مختلفة من حيث الأطوار ودرجات الحرارة. وتغيّر الطرق الحرارية، بما في ذلك التقسية باللهب والحث وحزمة الإلكترونات والليزر التي يغطيها ISO 18203:2026، التركيب الموجود من خلال تسخين السطح وتحويله، بدلًا من إمداده بتركيز جديد كبير من الذرات البينية.

الانتشار وتدرجات التركيز

يدخل الكربون والنيتروجين إلى الفولاذ عبر السطح وينتقلان نزولًا على امتداد تدرجات التركيز. وتشغل الذرات مواقع بينية بين ذرات الحديد، ويعتمد معدل حركتها بدرجة كبيرة على درجة الحرارة والبنية البلورية والزمن وتركيب السبيكة والكمون الكيميائي عند السطح. وبصورة مبسطة، تصف قوانين فيك التدفق وتغيّر توزيع التركيز: إذ يؤدي التدرج الحاد بين السطح والقلب إلى اختراق أولي سريع، بينما يصبح التدرج أقل حدة مع نمو القشرة.

يحدد جو المعالجة حالة السطح. ففي الكربنة، يؤدي نشاط الكربون في جو الفرن إلى إنشاء سطح أوستنيتي عالي الكربون فوق داخل منخفض الكربون. ولا يكتسب السطح تركيبًا متجانسًا على الفور. بل ينخفض تركيز الكربون عمومًا مع الابتعاد عن الخارج، ويعتمد شكل هذا التوزيع على درجة الحرارة وإمكان الكربون وزمن التعرض والتفاعلات عند الواجهة بين الغاز والمعدن. ويبقى القلب قريبًا من محتواه الأصلي من الكربون، ما لم تكن المعالجة طويلة بصورة استثنائية أو يكن المقطع صغيرًا.

تُدخل الكربنة النتريدية الكربون والنيتروجين معًا بينما يكون الفولاذ أوستنيتيًا. ويمكن للنيتروجين أن يؤثر في انتقال الكربون وقابلية التقسية والأوستنيت المحتجز وترسّب نتريدات السبيكة. ولأن النيتروجين يتركز غالبًا بالقرب من الخارج، فقد يكون توزيعه أكثر انحدارًا من توزيع الكربون. ولذلك فالنتيجة ليست ببساطة «فولاذًا مكربنًا مع نيتروجين إضافي».

وتعمل التنترة والتنترة الكربونية الحديدية بطريقة مختلفة. إذ تُجرى عادةً تحت درجة الحرارة الحرجة، حيث تبقى المصفوفة فيرّيتية. وينتشر الكربون والنيتروجين عبر الفيريت، إلا أن الفيريت يتمتع بقابلية ذوبان للكربون أقل بكثير من الأوستنيت. لذلك يتفاعل النيتروجين بسهولة مع الحديد وعناصر السبيكة، منتجًا نتريدات أو كربونيتريدات، بينما قد تتكوّن عند السطح طبقة مركبة رقيقة. ويقع تحتها نطاق انتشار يحتوي على نيتروجين مذاب أو رواسب أو كليهما. ولا يمكن استنتاج عمق هذا النطاق وخصائصه من عمق قشرة مكربنة.

ويوضح الانتشار أيضًا سبب ندرة الحدود الحادة. فعادةً ما تُظهر المقاطع المعدنية تغيرًا تدريجيًا في الصلابة والتركيب، لا مستوىً يفصل بين «القشرة» و«القلب». ولذلك يُعد عمق القشرة قياسًا محددًا يستند إلى حدٍّ معين من الخاصية. وينطبق ISO 2639:2002 على القشور المكربنة والمقساة، ويستخدم شرط صلابة أقل من 450 HV 1 عند ثلاثة أضعاف عمق القشرة. ويتناول ISO 18203:2026 قياس سماكة الطبقات الناتجة عن التقسية الحرارية والكربنة النتريدية والكربنة والتنترة، من بين طرق أخرى. ويجب أن تتوافق طريقة القياس مع المعالجة والخاصية المحددة.

الأوستنيت والفيريت والمارتنسيت والطبقات المركبة

الأوستنيت هو الشكل المكعّب متمركز الوجوه من الحديد، وهو مستقر فوق درجة الحرارة الحرجة ذات الصلة. ويمكنه إذابة كمية من الكربون أكبر بكثير من الفيريت، وهو الشكل المكعّب متمركز الجسم المستقر عند درجات الحرارة المنخفضة. ويحدد هذا الاختلاف التمييز الأساسي بين الكربنة النتريدية والتنترة الكربونية.

أثناء الكربنة أو الكربنة النتريدية، يُسخّن الفولاذ إلى نطاق الأوستنيت. وينتشر الكربون أو الكربون مع النيتروجين في هذا الطور، فيصبح السطح مختلفًا كيميائيًا عن القلب. وعند التبريد، قد يتحول الأوستنيت إلى برليت أو بينيت أو مارتنسيت، تبعًا لمعدل التبريد وقابلية التقسية. وتستخدم التقسية السطحية الصناعية عمومًا التخمير السريع بحيث يتحول السطح المُغنى بدرجة كبيرة إلى مارتنسيت. والمارتنسيت بنية رباعية متمركزة الجسم، مفرطة الإشباع ومشوّهة؛ وتنبع صلابته من الكربون المحتجز وإجهاد الشبكة والكثافة العالية لعيوب التحول.

قد يتحول القلب أيضًا أثناء التخمير السريع، إلا أن محتواه الأقل من الكربون يمنحه عادةً صلابة مارتنسيتية أقل ومتانة أكبر. وتغيّر عناصر السبيكة مثل الكروم والنيكل والموليبدينوم والمنغنيز حركية التحول وتعدّل معدل التبريد المطلوب. ولذلك يمكن لقلب منخفض الكربون أن يظل متينًا بينما يصبح سطح مرتفع الكربون صلبًا، شريطة ضبط الدورة الحرارية وحجم المقطع.

إن التنترة الكربونية ليست دورة كربنة نتريدية منخفضة الجرعة. فهي تحدث في الفيريت تحت درجة الحرارة الحرجة، ولذلك لا توجد خطوة أوستنة مقصودة، ولا تتكوّن عادةً قشرة مارتنسيتية ناتجة عن التخمير السريع. وقد يحتوي سطحها على طبقة مركبة من نتريد الحديد، تُسمى غالبًا الطبقة البيضاء، فوق نطاق انتشار يحتوي على النيتروجين. وتعتمد الأطوار الدقيقة على درجة الحرارة وكيمياء الغاز أو الملح وإمكانَي الكربون والنيتروجين وتركيب الفولاذ. وقد تتكوّن نتريدات السبيكة داخل نطاق الانتشار، فترفع الصلابة من دون إنتاج البنية المارتنسيتية نفسها الموجودة بعد الكربنة النتريدية.

وقد تنتج التنترة بصورة مماثلة طبقة مركبة ونطاق انتشار، بينما يمكن للتبريد بالبورون أن ينشئ بوريدات الحديد أو بوريدات السبيكة، ويمكن للكرومة أن تعدّل السطح بأطوار غنية بالكروم. وتختلف هذه الطبقات في السماكة والهشاشة والالتصاق وتدرج الصلابة والاستجابة لأحمال التلامس. ولا يمكن لرقم صلابة واحد أن يحدد هويتها.

وتنشئ التقسية الحرارية بنيةً أخرى. إذ يرفع التسخين بالحث أو باللهب أو بالليزر أو بحزمة الإلكترونات السطح المحدد فقط إلى حالة الأوستنيت، بينما يظل الفولاذ الموجود تحته أبرد. ثم يحوّل التخمير الذاتي السريع أو التبريد المطبق خارجيًا المنطقة المؤوستنة إلى مارتنسيت. ولا يلزم انتشار الكربون، ولذلك يتحدد العمق المقسّى أساسًا بنمط التسخين والموصلية الحرارية ومعلمات التردد أو الحزمة وزمن المكوث وظروف التبريد.

التخمير السريع والمراجعة وإجهادات التحول

يجمّد التخمير السريع الحالةَ عالية الحرارة، التي تتحكم فيها عملية الانتشار، في بنية غير متوازنة. وفي الفولاذ المكربن والمكربن النتريدي، قد يحتوي السطح على مارتنسيت عالي الكربون، بينما يحتوي القلب على مارتنسيت منخفض الكربون، وقد يوجد أوستنيت محتجز إذا أدى محتوى الكربون إلى خفض درجتي بدء المارتنسيت وانتهائه. وقد تبقى الكربيدات أو تترسب أيضًا، تبعًا للسبيكة وضبط العملية. ويمكن للأوستنيت المحتجز أن يتحول لاحقًا أثناء الخدمة أو التجليخ، مسببًا تغيرًا أبعاديًا.

والتبريد ليس محايدًا ميكانيكيًا. إذ يبرد السطح وينكمش قبل الداخل الأكثر سخونة، مولدًا إجهادات حرارية. ويضيف التحول انفعالًا آخر، لأن الأوستنيت يتمدد عندما يتحول إلى مارتنسيت. ويعتمد نمط الإجهاد المتبقي النهائي على التسلسل الحراري عبر المقطع وتدرجات الكربون والنيتروجين وكسر المارتنسيت وهندسة القطعة وشدة التخمير السريع. وقد يساعد إجهاد الضغط السطحي في مقاومة بعض شقوق الكلال، إلا أن التشوه المفرط أو تشقق التخمير السريع أو إجهاد الشد في موضع حرج قد يبطل مفعول المعالجة المقصودة.

تعيد المراجعة تسخين الفولاذ المخمّر سريعًا إلى درجة أدنى من نطاق الأوستنيت. وهي تقلل الهشاشة وتخفف جزءًا من إجهاد التخمير السريع وتتيح للكربون مغادرة المارتنسيت مفرط الإشباع. ويكون المارتنسيت الناتج عن المراجعة أقل صلابة من المارتنسيت غير المراجع، لكنه عادةً أكثر استقرارًا وقدرةً على تحمّل الضرر. ويمكن للمراجعة أيضًا أن تغيّر الأوستنيت المحتجز وأن ترسّب الكربيدات. أما الأجزاء المنترَة والمنترَة كربونيًا في الحالة الفيريتية فتتطلب منظورًا مختلفًا: فنطاقات انتشارها وطبقاتها المركبة لا تتكوّن بالتخمير السريع، وقد تؤدي التسخينات المفرطة بعد المعالجة إلى تكبير الرواسب أو تغيير كيمياء الطبقة أو خفض الصلابة.

وعليه، فإن القشرة النهائية هي نتاج الكيمياء والانتشار واستقرار الأطوار والتسخين والتبريد وتطور الإجهادات. وينبغي أن يتضمن التحقق أكثر من صلابة السطح: فقد يحدد عمق القشرة المقاس وتوزيع الصلابة والبنية المجهرية وسماكة الطبقة المركبة حيثما ينطبق ذلك والأوستنيت المحتجز والتشوه والإجهاد المتبقي ما إذا كانت المعالجة مطابقة لمتطلبات الخدمة.

الكربنة: قشور مثرّاة بالكربون تتبعها التقسية

مبدأ الكربنة

الكربنة هي معالجة كيميائية حرارية يدخل فيها الكربون إلى سطح فولاذ منخفض الكربون، بينما يُحافَظ على الفولاذ عند درجة حرارة يمكن فيها تكوّن الأوستنيت. تُنشئ المعالجة سطحًا عالي الكربون فوق داخلية منخفضة الكربون؛ ولذلك فهي ليست مجرد عملية تسخين، ولا تمثل بمفردها دورة التقسية الكاملة. وعادةً ما تُجرى أَوْسَتَنة الطبقة المُثرّاة ثم إخمادها، بحيث يتيح محتواها من الكربون تكوين المارتنسيت.

تعرّف ASM International تقسية القشرة بأنها معالجة مادة حديدية تصبح بموجبها طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلد بدرجة كبيرة من القلب. وتحقق الكربنة هذا الفرق من خلال تغيير تركيب السطح قبل التحول. ويُحافَظ على جهد الكربون في جو الفرن أو حمام الملح أو الوسط المحتوي على الكربون أعلى من فعالية الكربون عند سطح الفولاذ. ثم يذوب الكربون عند السطح وينتشر إلى الداخل. وينخفض تركيزه مع المسافة من السطح، مكوِّنًا تدرجًا في الكربون بدلًا من حد فاصل مفاجئ.

ويكتسب هذا التدرج أهمية كبيرة. فعند السطح قد يكون محتوى الكربون مرتفعًا بما يكفي لتكوين مارتنسيت عالي الكربون بعد الإخماد. أما إلى الداخل، فيبقى التركيب الأصلي منخفض الكربون على حاله إلى حد كبير، رغم تعرضه للدورة الحرارية نفسها. ويمكن للمكوّن الناتج أن يجمع بين سطح صلب مقاوم للتآكل وقلب أكثر متانة وقدرة على تحمل الضرر. ويفسر هذا الترتيب استخدام الكربنة في أجزاء مثل التروس، والأعمدة المخددة، والبكرات، والجلب، وغيرها من المكوّنات المعرضة لإجهاد التلامس، لكنه لا يعني أن كل جزء مكربن يمتلك السلوك نفسه من حيث التآكل أو الكلال أو الاحتكاك أو التآكل الكيميائي.

يُعد AISI 8620 وAISI 4320 وAISI 9310 أمثلة مألوفة على فولاذ السبائك منخفض الكربون المستخدم في تطبيقات الكربنة، إلا أن التعيين وحده لا يحدد عمق القشرة أو منحنى الصلادة أو نتيجة التشوه. ويغيّر محتوى السبائك في الفولاذ قابلية التقسية، وثبات الكربيدات، ودرجات حرارة التحول، والاستجابة للمراجعة، والحركة الأبعادية. ويمكن للنيكل والكروم والموليبدينوم أن يساعدوا على تقسية القلب أثناء الإخماد، في حين قد يؤدي ارتفاع الكربون السطحي أكثر من اللازم أو عدم ملاءمة توازن عناصر السبيكة إلى زيادة الأوستنيت المتبقي وتكوّن الكربيدات.

تشمل أوساط الكربنة العمليات الغازية، والتفريغية، وعمليات التغليف. وتتحكم الكربنة الغازية عادةً في جو يحتوي على أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروجين، والميثان، ومنتجات هيدروكربونية أخرى. أما الكربنة بالتفريغ فتستخدم حقن الهيدروكربونات عند ضغط منخفض، ويعقبها إخماد بالغاز أو الزيت، تبعًا للمعدات والمكوّن. وفي كربنة التغليف يُحاط الجزء بمركّب حامل للكربون، وكان ذلك يشمل تاريخيًا الفحم النباتي مع مادة منشطة، رغم أن التحكم في العملية يكون أقل مباشرةً منه في جو فرن خاضع للمراقبة.

تحدد درجة الحرارة والزمن منحنى الكربون. فارتفاع درجة الحرارة يسرّع الانتشار عمومًا، لكنه يزيد أيضًا نمو الحبيبات وقد يزيد التشوه. ويؤدي التعرض الأطول إلى تعميق القشرة تدريجيًا فقط، لأن مسافة الانتشار ترتبط تقريبًا بالجذر التربيعي للزمن في ظل الظروف المبسطة. وتعتمد المنحنيات الفعلية على جهد الكربون، وعناصر السبيكة، وتجانس الفرن، وحالة السطح، وشروط الحدود عند الزوايا والثقوب والمناطق المحجوبة. ولذلك لا يكون لـ«عمق القشرة» المحدد معنى إلا عند بيان تعريفه وطريقة قياسه.

الأَوْسَتَنة والإخماد والمراجعة

بعد دخول الكربون إلى السطح، يجب أن يخضع الفولاذ عادةً لدورة تقسية. وفي عملية التقسية المباشرة تُجرى الكربنة عند درجة حرارة الأوستنة، ثم يُخمَد المكوّن مباشرةً من تلك الدرجة. أما في عملية التقسية المزدوجة أو إعادة الأوستنة، فيُبرَّد الجزء بعد الكربنة ثم يُعاد تسخينه، أحيانًا أولًا لتنقية القلب ثم لتقسية القشرة. وتعتمد الدورة المختارة على درجة الفولاذ، وحجم المقطع، وخواص القلب المطلوبة، والتحكم في حجم الحبيبات، وحدود التشوه.

يذيب الأوستنيت الكربون ويسمح للسطح المثرّى بالاستجابة بطريقة مختلفة عن القلب منخفض الكربون أثناء التبريد. فإذا كان الإخماد شديدًا بما يكفي، ومسار درجة الحرارة يتجنب تكوّن نواتج تحول مفرطة، تحولت القشرة أساسًا إلى مارتنسيت. وقد يتكوّن المارتنسيت أيضًا في القلب، إلا أن انخفاض محتواه من الكربون يمنحه صلادة أقل بعد الإخماد ومتانة أكبر عمومًا. وتحدد قابلية التقسية بالسبائك مدى تقدم هذا التحول. وقد يترك المقطع السميك أو الإخماد غير الكافي البينيت أو الفيريت أو البرليت في المناطق المخصصة لتحمل الحمل.

ويجب التحكم في شدة الإخماد بدلًا من تعظيمها. فكل من الزيت، ومحلول البوليمر، والغاز المضغوط، ووسائط الإخماد الأخرى يزيل الحرارة بمعدلات مختلفة، كما يغير التحريك حالة التبريد المحلية. ويمكن للإخماد الشديد جدًا أن يقلل نواتج التحول اللينة غير المرغوبة، لكنه قد يرفع أيضًا الإجهادات الحرارية وإجهادات التحول، مما يزيد التشقق والتغير الأبعادي. وقد يقلل الإخماد المتقطع أو المرحلي أو بالغاز المضغوط من الحركة في أشكال هندسية معينة، إلا أنه لا يوجد وسط إخماد مناسب عالميًا.

تأتي المراجعة بعد الإخماد. وهدفها تقليل هشاشة المارتنسيت وإجهاده المتبقي المرتفع بعد الإخماد، مع تحقيق الصلادة المطلوبة والثبات الأبعادي. ولا تعيد المراجعة الفولاذ إلى حالته الأصلية منخفضة الكربون. فالقشرة الغنية بالكربون تظل مختلفة كيميائيًا، وقد تختلف استجابتها عن استجابة القلب. وتؤثر درجة حرارة المراجعة وزمنها في ترسيب الكربيدات، وتحلل المارتنسيت، وثبات الأوستنيت المتبقي، والصلادة النهائية. وتشيع المراجعة عند درجات حرارة منخفضة عندما تكون صلادة القشرة العالية مطلوبة، لكنها لا تُغني عن تحديد البنية المجهرية الكاملة ومنحنى الصلادة.

ويجب أن تتناول مراقبة العملية أيضًا نمو حبيبات الأوستنيت. فدرجات حرارة الكربنة مرتفعة بما يكفي لجعل التعرض المطول يكبّر حبيبات الأوستنيت السابقة، ولا سيما إذا كان الفولاذ يفتقر إلى إضافات مناسبة لتنقية الحبيبات أو إذا كانت الدورة سيئة التحكم. وقد تقلل الحبيبات الخشنة المتانة وتغير سلوك التحول. وقد تؤدي إعادة التسخين إلى درجة أدنى من درجة حرارة الكربنة الأصلية إلى تنقية البنية، لكنها تضيف دورة حرارية أخرى وفرصة أخرى لحدوث التشوه.

البنية المجهرية والأوستنيت المتبقي والتشوه

يمكن أن تحتوي الطبقة المكربنة على مارتنسيت عالي الكربون، وأوستنيت محتفظ به، وكربيدات، ومناطق انتقال. Strong evidence

لا تُعرَّف القشرة المكربنة بالمارتنسيت وحده. فقد يكشف الفحص العملي للبنية المجهرية عن مارتنسيت عالي الكربون، وأوستنيت متبقٍ، وكربيدات، ومناطق انتقالية ينخفض فيها الكربون والصلادة باتجاه القلب. وتعتمد نسبة كل مكوّن وشكله على جهد الكربون السطحي، ودرجة الحرارة، وكيمياء السبيكة، ومعدل التبريد، والمراجعة.

الأوستنيت المحتفظ بهالأوستنيت المحتفظ به أوستنيت يبقى غير متحول بعد الإخماد لأن درجات حرارة تحوله تنخفض بما يكفي بفعل التركيب وتاريخ التبريد.

يتكوّن الأوستنيت المتبقي عندما تكون درجة بدء المارتنسيت في الأوستنيت المثرّى بالكربون منخفضة بما يكفي بحيث لا يحوله الإخماد بالكامل. ويمكن لبعض الأوستنيت المتبقي أن يستوعب الانفعال ويقلل التشقق الفوري، لكنه غير مستقر أبعاديًا تحت إجهاد الخدمة أو التشغيل الآلي أو التبريد اللاحق. وقد يؤدي تحوله إلى مارتنسيت إلى النمو أو إلى تغيرات أبعادية أخرى. كما قد تؤدي كميته المفرطة إلى خفض الصلادة المقاسة أو تغيير سلوك كلال التلامس. ولهذا السبب، غالبًا ما يُقاس محتوى الأوستنيت المتبقي بالتصوير المعدني أو حيود الأشعة السينية عندما يكون الثبات الأبعادي أو التحميل الدوري مهمًا؛ إذ لا تستطيع صلادة السطح وحدها تحديده بصورة موثوقة.

وتطرح الكربيدات مشكلة تحكم أخرى. فقد تسهم كربيدات السبائك في مقاومة التآكل، لكن شبكة الكربيدات المستمرة أو الكربيدات المفرطة عند حدود الحبيبات قد تجعل القشرة هشة وتستهلك عناصر السبيكة اللازمة لقابلية التقسية. ويمكن لارتفاع جهد الكربون أكثر من اللازم، أو زيادة زمن البقاء عند درجة الحرارة، أو عدم ملاءمة كيمياء الفولاذ، أن ينتج سطحًا أصلد عند أثر الاختبار لكنه أقل ملاءمة أثناء الخدمة. والهدف هو تحقيق منحنى كربون مضبوط، لا بلوغ أعلى محتوى ممكن من الكربون السطحي.

ينشأ التشوه من عدة مصادر تعمل معًا: التمدد والانكماش الحراريان، وانفعالات التحول عند تحول الأوستنيت إلى مارتنسيت، والتبريد غير المتجانس، وتغيرات سماكة المقطع، وإجهادات التشغيل الآلي المتبقية، وتأثيرات التثبيت أو الحمل. فقد تتغير أبعاد أسنان التروس أو لا دائريتها؛ وقد تنحني الأعمدة أو يزداد قطرها؛ وقد تلتوي المقاطع الرقيقة. ولذلك يجب أن تندرج الهندسة، واتجاه الوضع داخل الفرن، وتحريك وسط الإخماد، والتثبيت ضمن مواصفة العملية. ويمكن للطحن بعد التقسية أن يصحح بعض الأخطاء الأبعادية، لكنه لا يستطيع إصلاح بنية مجهرية غير مناسبة للقشرة أو إزالة التشوه دون استهلاك القشرة المطلوبة.

ويجب أن يتحقق الفحص من أكثر من قيمة لصلادة السطح. يتناول ISO 2639:2002 تحديد عمق القشور المكربنة والمقساة والتحقق منه، ويستخدم شرط صلادة يقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق القشرة لتحديد نطاق انطباقه. ويمكن لمنحنى الصلادة الممتد من السطح إلى القلب أن يحدد عمق القشرة الفعال عند اتباع الحمل المحدد، وإعداد السطح، والمسافات، ونقطة النهاية. ويغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقساة سطحيًا الناتجة عن الكربنة، والكربنة الآزوتية، والنترتة، والتقسية باللهب، والتقسية بالحث، والتقسية بحزمة الإلكترونات، والتقسية بالليزر، مؤكدًا أن المعالجات المختلفة تتطلب إجراءات قياس محددة.

وقد يكشف الفحص المعدني عن المارتنسيت، والبينيت، والبرليت، والأوستنيت المتبقي، والكربيدات التي قد لا يكشفها منحنى الصلادة. وقد يكون فحص الأبعاد وقياسات الإجهاد المتبقي ضروريين للمكوّنات الدقيقة. وتُعد الكربنة من أكثر المعالجات الكيميائية الحرارية استخدامًا للفولاذ، إلا أن نتيجتها هي توليفة مضبوطة من التركيب، والتحول، والبنية المجهرية، والإجهاد، وعمق القشرة المقاس، وليست مجرد تسمية عامة لأي سطح مقسّى.

الكربنة النيتروجينية: الكربون والنيتروجين في الأوستنيت

الكربنة النيتروجينية هي عملية تقسية كيميائية حرارية للسطح يدخل فيها كلٌّ من الكربون والنيتروجين إلى سطح الفولاذ بينما يكون الفولاذ في الحالة الأوستنيتية. ثم تُجرى مَراجَعة للطبقة المُثرَاة، وعادةً ما ينتج عن ذلك مارتنسيت يكون أكثر صلادة بدرجة ملحوظة من القلب الأقل احتواءً على الكربون. وهذا يضع الكربنة النيتروجينية بين الكربنة والنتردة من حيث منطق العملية، لكنها ليست مجرد دورة كربنة أسرع، وليست شكلاً مرتفع الحرارة من الكربنة النيتروجينية الفريتية.

تعرّف ASM International التقسية السطحية بأنها معالجة مادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أكثر صلادة بدرجة ملحوظة من القلب. كما يصنّف المكتب الوطني الأمريكي للمعايير الكربنة والنتردة والكربنة النيتروجينية وفقاً لما إذا كان الكربون أو النيتروجين أو كلاهما يُضاف إلى سطح الفولاذ. ولذلك يجب تحديد الكربنة النيتروجينية وفقاً للأنواع المنتشرة وحالة الطور، وليس وفقاً لمنحنى الصلادة النهائي وحده.

آلية الكربنة النيتروجينية

تُسخَّن قطعة الشغل إلى درجة تتجاوز درجة الحرارة الحرجة الدنيا، فتدخل نطاق الأوستنيت، وذلك عادةً في جو غازي مضبوط يحتوي على غاز حامل للكربون وإضافة من الأمونيا. وقد يشارك أول أكسيد الكربون والميثان والبروبان والغاز الحامل الماص للحرارة في إمداد الكربون، بينما توفر الأمونيا مصدراً للنيتروجين الذري. ويجب ضبط الجو لأن جهد الكربون، وتفكك الأمونيا، وتدفق الغاز، والضغط، ودرجة حرارة الفرن تحدد معاً الكمون الكيميائي عند سطح الفولاذ.

عند درجة حرارة الأوستنة، يستطيع الأوستنيت إذابة كمية معتبرة من الكربون وكمية أصغر، لكنها مهمة من الناحية المعدنية، من النيتروجين. ثم ينتشر الكربون والنيتروجين إلى الداخل انطلاقاً من السطح. وينخفض تركيزهما مع المسافة، فتتكون تدريجية بدلاً من حد فاصل حاد. ويعتمد منحنى التوزيع الناتج على درجة الحرارة، وزمن التثبيت، وتركيب السبيكة، وتفاعلات السطح، ومعدل إمداد الجو بكل نوع من النوعين.

يؤثر النيتروجين في أكثر من كيمياء السطح. ففي الأوستنيت، يمكنه زيادة قابلية التقسية وتأخير بعض تفاعلات التحول، مما يسمح لطبقة رقيقة مُثرَاة بتكوين مارتنسيت أثناء التبريد السريع حتى عندما تكون قابلية تقسية الفولاذ الأساسي محدودة. كما يغير النيتروجين درجات حرارة تحول الأوستنيت إلى مارتنسيت، ويمكن أن يزيد كمية الأوستنيت المحتجز إذا كان المحتوى المشترك من الكربون والنيتروجين مفرطاً. وتؤثر عناصر السبيكة، مثل الكروم والموليبدينوم والمنغنيز والنيكل، بدرجة إضافية في قابلية التقسية واستقرار الكربيدات أو النتريدات.

ولذلك يكون التسلسل العملي عادةً كما يلي: إجراء الأوستنة في جو حامل للكربون والنيتروجين، والتثبيت مدة كافية لتكوين القشرة المحددة، ثم التبريد السريع بمعدل مضبوط. وقد تتبع ذلك عملية مراجعة لتقليل إجهادات التبريد وضبط الصلادة. وغالباً ما تُطبَّق الكربنة النيتروجينية على أنواع الفولاذ منخفض الكربون نسبياً، بما في ذلك الدرجات المختارة للقطع الصغيرة، والمثبتات، والتروس، والجلب، والمكونات الأخرى التي تتطلب قشرة صلدة ضحلة وداخلاً متيناً. ولا يحدد تعيين الدرجة وحده النتيجة. فـ AISI 1018 وAISI 1020 وSAE 8620 وEN 20MnCr5 تستجيب بطرق مختلفة لأن محتوى الكربون ومحتوى عناصر السبيكة وحجم الحبيبات وقابلية التقسية والمعالجة الحرارية السابقة تختلف بينها.

قد يحتوي السطح على مارتنسيت مع أوستنيت محتجز، وعلى كربيدات أو كربونيتريدات سبائكية تبعاً للكيمياء وظروف المعالجة. وقد يتحول القلب إلى مارتنسيت أو بينيت أو مزيج يحتوي على الفريت والبيرليت. وهذا التمييز مهم. فقشرة صلدة فوق قلب لين وضعيف قد تفشل بالتشوه أو الانسحاق أو الانحناء، حتى عندما تبدو قراءة صلادة السطح مُرضية.

الكربنة النيتروجينية ليست كربنة نيتروجينية فريتية. ففي الكربنة النيتروجينية، ينتشر الكربون والنيتروجين داخل الأوستنيت فوق درجة الحرارة الحرجة، وينشئ التبريد السريع عادةً قشرة مارتنسيتية. أما في الكربنة النيتروجينية الفريتية، فينتشر الكربون والنيتروجين داخل الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة. وتنشئ المكونات المعالجة بالكربنة النيتروجينية الفريتية عادةً طبقة مركبة رقيقة من الحديد والكربون والنيتروجين فوق منطقة انتشار تحتوي على النيتروجين، في حين تُحدَّد المكونات المعالجة بالكربنة النيتروجينية أساساً من خلال قشرة متحولة ومقساة. وقد يؤدي الخلط بين المعالجتين إلى توقعات خاطئة بشأن بنية الأطوار، والتغيرات البُعدية، واختبار الصلادة، وسلوك التآكل أو مقاومة التآكل.

المقارنة مع الكربنة

تُدخل الكربنة الكربون إلى الأوستنيت، وتنشئ سطحاً عالي الكربون فوق داخل منخفض الكربون. وتتبع الكربنة النيتروجينية المنطق الحراري العام نفسه، لكنها تضيف النيتروجين في الوقت ذاته. ولهذا الفرق نتائج مهمة؛ إذ يعدّل النيتروجين قابلية التقسية، وسلوك التحول، والأوستنيت المحتجز، واستجابة الطبقة المُثرَاة أثناء التبريد السريع.

غالباً ما تُجعل قشرة الجزء المكربن أعمق من قشرة الجزء المكربن نيتروجينياً، رغم أن أياً من العمليتين لا يمتلك عمقاً ثابتاً واحداً. ويُختار الكربن النيتروجيني عادةً عندما تكون قشرة ضحلة نسبياً كافية، وعندما يمكن لقابلية التقسية المتزايدة بفعل النيتروجين أن تقلل خطر عدم تقسية السطح بما يكفي. أما دورة المعالجة الأقصر المرتبطة غالباً بالكربنة النيتروجينية، فهي نتيجة للعمق المحدد ودرجة حرارة العملية، وليست تعريفاً للطريقة. إذ يمكن لدورة طويلة منخفضة الحرارة ولدورة قصيرة مرتفعة الحرارة أن تنتجا تدرجات مختلفة، وتشوهات مختلفة، ونمواً مختلفاً للحبيبات، ومحتويات مختلفة من الأوستنيت المحتجز.

تعتمد الكربنة عموماً على جهد الكربون لتحديد تركيز الكربون السطحي. أما الكربنة النيتروجينية فتتطلب ضبط كلٍّ من جهد الكربون وجهد النيتروجين. ولا تؤدي زيادة إضافة الأمونيا ببساطة إلى جعل القشرة أكثر صلادة. فقد يزيد النيتروجين المفرط كمية الأوستنيت المحتجز، ويعزز المسامية أو عدم تجانس كيمياء السطح في الظروف غير الملائمة، ويغير الاستجابة البُعدية. كما يمكن للكربون المفرط أن ينشئ سطحاً عالي الكربون يصبح هشاً بعد التبريد السريع أو يحتوي على كمية مفرطة من الأوستنيت المحتجز. ولذلك يُعد ضبط الفرن وقياس الجو جزءاً من المواصفة المعدنية.

ويغير الفولاذ نفسه أوجه المقارنة. فقد يكتسب فولاذ كربوني عادي منخفض الكربون قشرة مارتنسيتية ضحلة مفيدة من خلال الكربنة النيتروجينية، في حين يُختار فولاذ منخفض السبيكة مخصص للكربنة، مثل SAE 8620، عادةً عندما تكون هناك حاجة إلى عمق قشرة أكبر وقابلية تقسية أعلى للقلب. ولا يمكن مقارنة مكوّن من SAE 8620 مكربن بمكوّن من AISI 1018 عولج بالكربنة النيتروجينية استناداً إلى صلادة السطح وحدها. فمدرجا الكربون، ومحتويا النيتروجين، وتحولات القلب، والتشوه، وقدرات تحمل الأحمال تختلف بينها.

يمكن لكلتا العمليتين أن تنتجا إجهاداً متبقياً انضغاطياً بالقرب من السطح بعد التبريد السريع، وقد يدعم ذلك مقاومة بعض أشكال الكلال التماسي أو كلال الانحناء. لكن أياً من العمليتين لا يضمن حالة إجهاد نافعة. فشدة التبريد، وحجم المقطع، والهندسة، والبنية المجهرية السابقة، والمراجعة تحدد النتيجة الفعلية. كما يعتمد أداء مقاومة التآكل والاحتكاك والتآكل الاحتكاكي-الكهروكيميائي على مادة السطح المقابل، والتزييت، وضغط التلامس، وتشطيب السطح، والبيئة؛ ولا يُعد اسم المعالجة تنبؤاً بالأداء.

القشرة المارتنسيتية ومتغيرات العملية

لا تتكون القشرة المارتنسيتية إلا إذا بُرّد الأوستنيت المُثرى عبر نطاق التحول بمعدل كافٍ. وينتج عن التبريد السريع بالزيت أو البوليمر أو الملح أو الغاز سجلات مختلفة لاستخلاص الحرارة. وقد يزيد التبريد الشديد تكوّن المارتنسيت، لكنه يزيد أيضاً خطر التشوه والتشقق. أما التبريد المعتدل فقد يترك بينيت أو بيرليت في مناطق كان القصد أن تُقسى بالكامل. ويمكن للتبريد المتقطع أو المرحلي أن يقلل التشوه، لكنه يغير مسار التحول ويجب اعتماد ملاءمته لهندسة المكوّن.

تتحكم درجة الحرارة في الانتشار ونمو حبيبات الأوستنيت. ويتحكم الزمن في مدى اختراق الكربون والنيتروجين. ويتحكم تركيب الجو في الإمداد السطحي. وتتحكم ظروف التبريد السريع في الأطوار النهائية. بينما يتحكم تركيب الفولاذ في قابلية التقسية والترسيب. وتتفاعل هذه المتغيرات فيما بينها، ولذلك فإن ذكر درجة حرارة الكربنة النيتروجينية من دون معلومات عن الزمن والجو ودرجة الفولاذ والتبريد لا يُعد مواصفة معالجة قابلة لإعادة الإنتاج.

ينبغي أن يتضمن التحقق قياساً يتجاوز أقصى صلادة سطحية. إذ يمكن لقياس تدرج الصلادة من السطح إلى القلب أن يحدد العمق الفعال للقشرة، في حين يمكن للفحص المعدني أن يكشف المارتنسيت، والأوستنيت المحتجز، والبينيت، والكربيدات، والنتريدات، ونزع الكربون، والأكسدة بين الحبيبات. وقد يكون فحص الأبعاد وتقييم الإجهادات المتبقية ضرورياً للقطع الدقيقة.

يغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقساة سطحياً الناتجة عن الكربنة النيتروجينية، والكربنة، والنتردة، والتقسية باللهب، والتقسية بالحث، والتقسية بحزمة الإلكترونات، والتقسية بالليزر. ويتناول ISO 2639:2002 تحديد عمق القشرة المكربنة والمقساة والتحقق منه؛ ويستخدم في قابلية تطبيقه شرط صلادة تقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق القشرة. ولا ينبغي نقل هذا المعيار دون تمحيص إلى كل مواصفة للكربنة النيتروجينية. ويجب أن يحدد الرسم أو معيار العملية طريقة القياس، ومقياس الصلادة، والموقع، والعمق الأدنى أو الفعال، وحالة السطح، وحدود القبول. وتُثبت التقسية السطحية بالبنية المجهرية المطلوبة ومنحنى العمق، لا بقراءة واحدة لسطح لامع وصلد.

النيترة: انتشار النيتروجين من دون الكربنة التقليدية

النيترة هي معالجة كيميائية حرارية قائمة على النيتروجين، يدخل فيها النيتروجين إلى سطح الفولاذ ويتفاعل مع الحديد وبعض العناصر السبائكية المختارة. ولذلك فهي ليست نسخة منخفضة الكربون من الكربنة. تُنشئ الكربنة طبقة غنية بالكربون تُحوَّل عادةً إلى الأوستنيت ثم تُخمَّد لتكوين مارتنسيت عالي الكربون. أما النيترة فتعالج عادةً فولاذًا سبق إخضاعه للمعالجة الحرارية، عند درجة حرارة أدنى من نطاق التحول الحرج، ولذلك يتكون السطح المتصلب أساسًا من فريت مقوّى بالنيتروجين ونتريدات سبائكية، بدلًا من طبقة مارتنسيتية ناتجة عن التخميد.

تعرّف ASM International تقسية السطح بأنها معالجة مادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بكثير من القلب. وتستوفي النيترة هذا التعريف، لكن طريق الوصول إلى الصلادة مختلف. ويصنّف المكتب الوطني الأمريكي للمعايير عمليات الكربنة والنيترة والكربنة-النيترة وفقًا لما إذا كان المضاف إلى السطح هو الكربون أو النيتروجين أو كلاهما. ويُعد هذا التصنيف أكثر فائدة من التعامل مع كل عملية لتقسية القشرة باعتبارها دورة حرارية واحدة.

انتشار النيتروجين وتكوّن النتريدات

عند سطح المعالجة، يُزوَّد النيتروجين بواسطة جو من الأمونيا المتفككة أو البلازما أو وسط آخر مضبوط يحتوي على النيتروجين. تذوب ذرات النيتروجين عند سطح الفولاذ وتنتشر إلى الداخل. ويبقى جزء منها في محلول صلب بيني، بينما يتحد الجزء الآخر مع الحديد أو العناصر السبائكية لتكوين النتريدات. ويعتمد منحنى الصلادة الناتج على جهد النيتروجين، ودرجة الحرارة، والزمن، وتركيب الفولاذ، والمعالجة الحرارية السابقة، والتفاعلات التي تحدث عند السطح.

يُختار فولاذ النيترة جزئيًا لاحتوائه على عناصر مكوِّنة للنتريدات. ويمكن للألومنيوم والكروم والموليبدينوم والفاناديوم والتيتانيوم، وأحيانًا النيوبيوم، تكوين نتريدات سبائكية موزعة بدقة. وتعيق هذه الجسيمات حركة الانخلاعات، فترفع الصلادة داخل منطقة الانتشار. ولا يمكن استبدال تأثيراتها بعضها ببعض؛ إذ يختلف كل عنصر في قابلية ذوبانه، وثبات نتريده، وسلوك ترسيبه، وتأثيره في المتانة والتغيرات البُعدية. ولا يثبت وجود عنصر في شهادة التركيب، بحد ذاته، عمقًا أو صلادة محددين بعد النيترة. فهذه النتائج تتطلب عملية محددة وطريقة تحقق معتمدة.

تشمل الخيارات الهندسية الشائعة أنواع الفولاذ المحددة للنيترة وفقًا للمواصفة EN 10085، فضلًا عن أنواع الفولاذ السبائكي مثل AISI 4140، عندما تكون الاستجابة المطلوبة، ومعالجة القلب، وظروف الخدمة قد حُدِّدت. ولا ينبغي إسناد نتيجة عامة للنيترة إلى أي درجة فولاذ من دون ضبط تركيبها الكيميائي الدقيق، وحالة مراجعتها الحرارية السابقة، وتشطيب سطحها، ودورة فرنها.

يتأثر انتقال النيتروجين بشدة بالتفاعل السطحي. ففي النيترة الغازية، يتحكم تفكك الأمونيا وجهد النيترة الناتج في نشاط النيتروجين عند قطعة الشغل. أما في نيترة البلازما، فيمكن لقذف الأيونات أن ينظف السطح وينشطه، بينما تؤثر المعلمات الكهربائية في التسخين وانتقال الأنواع الكيميائية. وترتبط هذه العمليات ببعضها، لكنها لا تنتج طبقات مركبة أو خشونة أو مسامية أو تجانسًا موضعيًا متطابقًا.

قد تتكون طبقة مركبة عند السطح الخارجي. وتتكون أساسًا من نتريدات الحديد، التي توصف عادةً بأنها نتريد الحديد إبسلون، ε-Fe₂–₃N، ونتريد الحديد غاما برايم، γ′-Fe₄N. وبحسب جهد النيتروجين وضبط الدورة، قد تكون الطبقة مكوَّنة غالبًا من طور واحد، أو من مزيج من الأطوار، أو رقيقة بما يكفي لامتلاك استمرارية محدودة. وتقع تحتها منطقة الانتشار، حيث يذوب النيتروجين في المصفوفة وقد يحدث ترسيب للنتريدات السبائكية. ويمكن لطبقة المركبات أن تحسن مقاومة التآكل اللاصق وبعض البيئات المسببة للتآكل، لكنها قد تكون أيضًا هشة أو مسامية أو ضعيفة الارتباط إذا كان تركيبها الكيميائي وسمكها غير مناسبين. ولا تُعد طبقة بيضاء سميكة دليلًا تلقائيًا على نجاح المعالجة.

ولا تعادل منطقة الانتشار المنطقة المارتنسيتية المتحولة الناتجة عن الكربنة. فقد تحتوي على تدرج في الصلادة ناتج عن انخفاض تركيز النيتروجين وتغير كثافة الرواسب مع العمق. ويحتفظ القلب بالبنية المجهرية التي أنتجتها عملية التقسية والمراجعة الحرارية السابقة. ولهذا السبب تبدأ النيترة عادةً بفولاذ تكون خصائص قلبه قد تحددت مسبقًا. ولا تهدف دورة النيترة إلى استبدال تلك المعالجة الحرارية للقلب.

مصطلحات طبقة الفولاذ المنتر

يُستخدم مصطلح «قشرة منترّة» في الصناعة، لكنه قد يخفي بنيتين منفصلتين. وينبغي أن يحدد التقرير ما إذا كان المقصود هو السمك الكلي لطبقة النيترة، أو سمك الطبقة المركبة، أو عمق منطقة الانتشار، أو عمق فعال محدد على أساس الصلادة. أما «الطبقة البيضاء» فهي مصطلح ميتالوغرافي للطبقة المركبة بعد التخليل، وليست وصفًا كاملًا لمنطقة النيترة.

ويكتسب هذا التمييز أهمية أثناء الفحص. فقد يُظهر المقطع العرضي طبقة مركبة رقيقة ومستمرة فوق منطقة انتشار أكثر سمكًا بكثير. وقد تُخفَّض الطبقة المركبة عمدًا إلى الحد الأدنى، بينما توفر منطقة الانتشار الجزء الرئيسي من الصلادة الحاملة للأحمال. وقد تتطلب الأجزاء المعرضة للانزلاق أو الصدمات أو التلامس التدحرجي أو الأوساط المسببة للتآكل موازنات مختلفة بين هاتين المنطقتين. ولا يمكن التنبؤ بسلوك الاحتكاك والتآكل من رقم واحد لصلادة السطح، لأن الخشونة والمسامية وشكل النتريدات ومادة السطح المقابل والتزييت والإجهاد المتبقي تؤثر أيضًا في التلامس.

ينبغي الإبلاغ عن عمق النيترة مع بيان أساس القياس. فالحد الفاصل الميتالوغرافي، ومنحنى الصلادة المجهرية، ومنحنى تركيز النيتروجين، لن تعطي بالضرورة القيمة نفسها. وتغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن النيترة وكذلك الكربنة والكربنة-النيترة والتقسية باللهب والتقسية بالحث والتقسية بحزمة الإلكترونات والتقسية بالليزر. ولا يعني إدراج هذه العمليات أن معايير عمق القشرة فيها متطابقة؛ إذ يجب أن يتوافق التعريف وإجراء القياس المعنيان مع المعالجة المستخدمة.

وتتناول ISO 2639:2002 تحديد عمق القشرة المكربنة والمقسّاة والتحقق منه. ويشمل نطاق تطبيقها حالة صلادة تقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق القشرة. ولا ينبغي نقل هذا المعيار إلى طبقات النيترة من دون تمحيص. فالنيترة تنتج غالبًا انخفاضًا تدريجيًا في الصلادة، وطبقة مركبة ذات وظيفة مستقلة، وقلبًا قد تكون صلادته مرتفعة نسبيًا أصلًا. وينبغي أن تحدد مواصفة النيترة حمل الاختبار، والمسافات بين نقاط القياس في المنحنى، وإزالة الطبقة المركبة أو إدراجها ضمن القياس، ونقطة النهاية المختارة.

الثبات البُعدي وحدود العملية

غالبًا ما تُختار النيترة عندما يلزم الحد من التشوه، لأنها تتجنب عادةً مرحلتي التحويل إلى الأوستنيت والتخميد المرتبطتين بالكربنة. وهذه ميزة حقيقية، لكنها ليست مطلقة. إذ تُسخَّن قطعة الشغل لساعات طويلة، كما يمكن لامتصاص النيتروجين وترسيب النتريدات وتحرر إجهادات التشغيل ونمو الطبقة المركبة أن يغير الأبعاد. وتكون المقاطع الرقيقة والحواف الحادة والتوافقات الكبسية والأسطح التي سبق تشغيلها على البارد حساسة بوجه خاص. ولذلك تظل التجهيزات الحاملة وتخطيط السماحات أمرين ضروريين.

وتُعد البنية المجهرية الابتدائية حاسمة. فالقلب المقسّى والمراجع حراريًا يوفر الصلادة والثبات اللذين تعتمد عليهما طبقة النيترة، في حين يمكن للإجهاد المتبقي المفرط أو لدرجة مراجعة حرارية غير مناسبة أن يسببا حركة بُعدية أثناء المعالجة. كما يجب أن تظل درجة حرارة النيترة متوافقة مع حالة المراجعة الحرارية السابقة؛ فإذا تعرض الجزء لدرجة حرارة أعلى من درجة الحرارة المستخدمة في المراجعة، فقد تنخفض صلادة القلب حتى لو ازدادت صلادة السطح.

وتتحكم حالة السطح في دخول النيتروجين. فقد تؤدي أغشية الأكسيد وبقايا الزيت ونزع الكربون وتلف التجليخ والمعدن الملطخ والخشونة غير المتساوية إلى تكوين طبقات مركبة غير متجانسة أو أعماق انتشار غير متسقة. ولذلك يُعد التنظيف والتنشيط والحجب والتشغيل القبلي المضبوط متطلبات للعملية، لا خطوات تجميلية. وقد تتلقى الحواف والثقوب تدفقات نيتروجين مختلفة عن تلك التي تتلقاها الأسطح العريضة والمسطحة، في حين قد تُظهر معالجات البلازما تأثيرات موضعية ناتجة عن الهندسة والحجب الكهربائي.

كما تفرض درجة الحرارة والزمن وجهد النيتروجين حدودًا على العملية. فارتفاع درجة الحرارة يسرّع الانتشار والترسيب عمومًا، لكنه قد يزيد التغير البُعدي، أو يغير حالة المراجعة الحرارية السابقة، أو ينتج طبقة مركبة مفرطة السمك. ويزيد استمرار المعالجة العمق وفقًا لحركية الانتشار فقط؛ ولا يضمن زيادة متناسبة في العمق المفيد الحامل للأحمال. وقد يؤدي فائض النيتروجين إلى تكوين بنيات سطحية هشة أو مسامية. ولذلك يجب أن يحدد ضبط العملية حالة الطبقة المركبة المستهدفة، لا مجرد درجة حرارة الفرن ومدة المعالجة.

وينبغي تقييم النيترة في ضوء وظيفتها الفعلية أثناء الخدمة: صلادة منطقة الانتشار الحاملة للأحمال، والاحتكاك، والتآكل، ومقاومة التآكل، والتعب، والسماحية البُعدية، وصلادة القلب. فإعمال معايير الكربنة وحدها يخلط بين بنية ناتجة عن انتشار النيتروجين وقشرة كربونية مخمّدة. وقد يؤدي هذا الخطأ إلى قراءة صلادة تبدو مستوفية للمواصفات، مع إغفال الطبقة التي تتحكم في حدوث الفشل.

النترتكربنة الفريتية وطبقات النترتكربنة

النترتكربنة الفريتية (FNC)، التي تُسمّى غالبًا معالجة النترتكربنة الفريتية، هي عملية تقسية كيميائية حرارية للسطح ينتشر فيها الكربون والنيتروجين في الوقت نفسه داخل الفيريت، بينما يظل الفولاذ تحت درجة حرارة التحول الحرجة. ويكتسب التمييز بينها وبين الكربنة النتريدية أهمية ميتالورجية. إذ تُدخل الكربنة النتريدية الكربون والنيتروجين إلى الأوستنيت، عادةً عند درجة حرارة مرتفعة بما يكفي لتكوين طبقة مارتنسيتية بعد التبريد السريع. أما النترتكربنة فلا تتبع عادةً دورة التحويل إلى الأوستنيت ثم التبريد السريع. بل تعدّل السطح الفريتي الموجود من خلال الانتشار البيني وتكوين المركبات.

يمكن أن يصف مصطلح النترتكربنة عائلة العمليات، في حين تحدد النترتكربنة الفريتية المسار الذي يُجرى تحت درجة الحرارة الحرجة. ويمكن لعمليات الغاز وحمام الملح والبلازما أن توفّر الأنواع الحاملة للنيتروجين والكربون، رغم اختلاف كيمياء الغاز والتحكم في التفاعل وحالة السطح بينها. ويصنّف المكتب الوطني الأمريكي للمعايير الكربنة والنتردة والكربنة النتريدية وفقًا لما إذا كان الكربون أو النيتروجين أو كلاهما يُضاف إلى السطح؛ وتنتمي النترتكربنة الفريتية إلى التصنيف الكيميائي الحراري نفسه، غير أن درجة حرارة معالجتها الفريتية والبنية المجهرية الناتجة عنها تتطلبان معالجة منفصلة.

المعالجة تحت درجة الحرارة الحرجة

تُسخّن قطعة الشغل إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة الدنيا، Ac1، بحيث تظل المصفوفة فريتية بدلًا من تحولها إلى الأوستنيت. ويدخل النيتروجين والكربون إلى السطح من جو المعالجة أو الملح، ثم ينتشران إلى الداخل. وبما أنه لا يحدث تحول متعمد لطور الكتلة يتبعه تبريد سريع، فإن التغير في الأبعاد والتشوه يكونان غالبًا أقل مما هما عليه في الكربنة أو الكربنة النتريدية. لكنهما لا ينعدمان. إذ يمكن للتدرجات الحرارية والإجهادات الموجودة مسبقًا وآثار التشغيل الآلي وهندسة القطعة ونمو طبقة المركب أن تغيّر الأبعاد والشكل.

تعتمد استجابة المعالجة بدرجة كبيرة على تركيب الفولاذ. يستطيع الحديد وحده تكوين كربونتريدات الحديد ونتريدات الحديد، إلا أن عناصر السبك، مثل الكروم والموليبدينوم والفاناديوم والألومنيوم، تكوّن نتريدات سبائكية مستقرة في منطقة الانتشار. وتعيق هذه الرواسب حركة الانخلاعات وترفع الصلادة تحت السطح. ولذلك يمكن للفولاذ منخفض الكربون ومنخفض السبك أن يكتسب سطحًا صلدًا من دون تكوين الطبقة المارتنسيتية العميقة والمبرّدة سريعًا المرتبطة بالفولاذ المكربن. كما تستجيب أنواع فولاذ النتردة، بما في ذلك الدرجات المحددة باسم EN 41B أو AISI 4140 عندما يكون التعيين المعياري الفعلي والمعالجة الحرارية السابقة خاضعين للضبط، بصورة مختلفة عن أنواع الفولاذ الكربوني العادي، لأن عناصر السبك فيها تغيّر انتشار النيتروجين وترسيبه والصلادة.

يجب ضبط درجة الحرارة والزمن والجهد وممارسة التبريد معًا. فقد يؤدي جهد نيتروجيني مرتفع إلى تكوين طبقة مركب سميكة وهشة، في حين قد ينتج عن الجهد غير الكافي طبقة مستمرة ضئيلة أو عدم تكوّنها. كما يتغير نشاط الكربون، مما يؤثر في توازن الأطوار وقد يؤثر في المسامية. ولذلك لا تتطابق دورة الفرن مع وصفة الكربنة، حتى عندما تُعالَج قطعة الفولاذ نفسها.

طبقة المركب ومنطقة الانتشار

يوصف السطح المعالَج بالنترتكربنة عادةً بأنه يتكوّن من منطقتين متجاورتين. تتكون طبقة المركب الخارجية، التي تُسمّى أحيانًا الطبقة البيضاء بعد الحفر الميتالوجرافي، أساسًا من كربونتريدات الحديد. وقد تشمل أطوارها إبسيلون، بصيغة تقريبية Fe₂–₃(N,C)، وغاما برايم، بصيغة تقريبية Fe₄(N,C)، وتتحدد نسبة كل منهما بدرجة الحرارة وكيمياء الغاز أو الملح وزمن المعالجة. وهذه الطبقة ليست مجرد «نيتروجين صلد»، بل هي منطقة تفاعل شبيهة بالسيراميك ومتميزة كيميائيًا، تحدد بنيتها الطورية وسمكها واستمراريتها ومساميّتها كيفية سلوكها عند التلامس.

وتقع تحتها منطقة الانتشار. وتنخفض تراكيز النيتروجين والكربون مع العمق، في حين يمكن لرواسب نتريدات السبائك والانفعال الشبكي الموضعي أن ينتجا تدرجًا في الصلادة. وتنتقل منطقة الانتشار عادةً بصورة تدريجية إلى القلب غير المتأثر، بدلًا من أن تنتهي عند حد ميتالورجي حاد. ولذلك يجب تحديد عمقها الفعّال وفق معيار قياس، لا اعتمادًا على حافة مرئية في مقطع عرضي مصقول.

وتكتسب الاستمرارية أهمية كبيرة. فقد تحمي طبقة مركب رقيقة ومستمرة سطحًا انزلاقيًا، بينما يمكن لطبقة غير مستمرة أن تكشف مناطق أكثر ليونة وتؤدي إلى تلامس غير متجانس. وقد يزيد السمك المفرط الهشاشة ويعزز التشقق أو التقشر تحت تأثير الصدمات أو إجهادات التلامس العالية. كما أن المسامية ذات أهمية مماثلة؛ إذ يمكن للمسامية المضبوطة القريبة من السطح أن تحتفظ بالمزلّق في بعض التطبيقات، لكن المسام المترابطة قد تسمح بدخول الإلكتروليت المسبب للتآكل وتوفر مواقع لبدء التشققات. ويهم التركيب أيضًا، لأن طبقات إبسيلون وغاما برايم لا تتمتع بصلادة أو هشاشة أو ثبات كيميائي أو استجابة احتكاكية متطابقة.

وتظل الركيزة جزءًا من منظومة تحمّل الأحمال. فقد تنهار طبقة مركب صلدة مدعومة بقلب ليّن أو تتشقق، حتى عندما يعطي اختبار صلادة السطح قيمة مرتفعة لافتة. وتؤثر المعالجة السابقة بالتقسية والتخمير، وصلادة القلب، والإجهادات المتبقية، والشوائب، وهندسة السطح، كلها في الدعم. كما يمكن للطحن أو التلميع أو التدوير أو القذف بالخرز أو إزالة الطبقة الخارجية الأبعد أن يغيّر الخشونة، ويفتح المسام أو يغلقها، ويغيّر السمك المقاس والوظيفي للمعالجة.

ينبغي أن يفصل التحقق بين سمك طبقة المركب وعمق منطقة الانتشار، وأن يذكر الطريقة المستخدمة. ويمكن للميتالوغرافيا المقطعية تحديد مورفولوجيا الأطوار والمسامية؛ كما يمكن لمسوح الصلادة المجهرية تحديد تدرج الصلادة؛ ويمكن للمجهر الإلكتروني الماسح وحيود الأشعة السينية المساعدة في تقييم المورفولوجيا والبنية الطورية. ويغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن طرائق كيميائية حرارية تشمل الكربنة النتريدية والكربنة والنتردة، إضافةً إلى الطرائق الحرارية الموضعية. ويدعم نطاقه إطارًا مشتركًا لقياس سمك الطبقة، إلا أن معيار الإبلاغ لا يزال بحاجة إلى بيان ما إذا كان يشير إلى طبقة المركب أو منطقة الانتشار أو حد صلادة محدد.

أما ISO 2639:2002 فيتجه إلى عمق الطبقة المكربنة والمقسّاة، ولا ينطبق تلقائيًا على كل طبقة منترتكربنة. إذ يحدد قابلية التطبيق باستخدام شرط صلادة يقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق الطبقة. وقد يؤدي تطبيق هذه القاعدة من دون التحقق من نوع المعالجة إلى تمثيل غير دقيق لمنحنى FNC، ولا سيما عندما تقع طبقة مركب رقيقة فوق منطقة انتشار ضحلة ويكون قلب القطعة صلدًا أصلًا.

اعتبارات التآكل والاحتكاك والتآكل التفاعلي

يمكن للنترتكربنة أن تغيّر السلوك التريبولوجي من خلال عدة آليات في آن واحد: إذ تزيد طبقة المركب صلادة السطح، وتدعم منطقة الانتشار الطبقة الخارجية، بينما تتحكم الخشونة النهائية في مساحة التلامس الفعلية واحتفاظ السطح بالمزلّق. ولا تمثل النتيجة تحسنًا شاملًا أو مضمونًا. فقد يعكس كل من سرعة الانزلاق والحمل ومادة السطح المقابل والتزييت ودرجة الحرارة والحطام وهندسة التلامس ترتيب الأفضلية بين معالجتين.

وقد صنّفت مراجعة التريبولوجيا والتآكل التفاعلي البوردة والكرومة والكربنة والنتردة والنترتكربنة والكربنة النتريدية بوصفها معالجات مرتبطة بأداء التآكل والاحتكاك والتآكل. ويحدد هذا التصنيف الأغراض الهندسية، ولا يضمن النتائج. فقد تقلل طبقة كربونتريد مستمرة التآكل اللاصق، في حين قد تؤدي طبقة مسامية أو متشققة إلى تسريع الضرر الكاشط أو كشف الركيزة. كما يمكن لسطح خشن بعد المعالجة أن يرفع الاحتكاك حتى مع ازدياد الصلادة. وعلى العكس، قد يقلل التلميع الاحتكاك، لكنه قد يزيل جزءًا من طبقة المركب أو يغيّر بنيتها المسامية.

ويتطلب التآكل الحذر نفسه. إذ تُظهر بعض الأسطح المنترتكربنة مقاومة محسّنة في بيئات معينة لأن طبقة المركب تحد من وصول الوسط إلى الفولاذ. بينما تتعرض أسطح أخرى لهجوم موضعي عبر المسام أو الشقوق أو أضرار الحواف أو الفروق الجلفانية بين الأطوار. وتقيس اختبارات الرش الملحي والغمر والاختبارات الكهروكيميائية واختبارات التآكل التفاعلي عمليات فشل مختلفة؛ ولا يجوز استبدال أي منها بقيمة صلادة.

وبالنسبة إلى المواصفات، يتضمن السجل ذي الدلالة درجة الفولاذ والمعالجة الحرارية السابقة، ومسار العملية، ودرجة حرارة المعالجة وزمنها، وطور طبقة المركب أو سمكها، والمسامية والاستمرارية، وعمق منطقة الانتشار، ومنحنى الصلادة، والخشونة، وعملية الإنهاء. وتمكّن هذه المعلومات من تمييز طبقة نترتكربنة فريتية مضبوطة عن الادعاء المبهم بأن القطعة «قُسّيت سطحيًا» فحسب.

طرق أخرى للتقسية السطحية: السَيَنَدة، والبورنة، والكرومة

يُعرِّف ASM International التقسية السطحية تعريفًا واسعًا ومقصودًا: فهي معالجة لمادة حديدية تصبح فيها طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بكثير من القلب. ويشمل هذا التعريف ما هو أكثر من الكربنة. كما يصنّف المكتب الوطني الأمريكي للمعايير معالجات الأسطح وفقًا للعناصر المضافة إلى الفولاذ: الكربون، أو النيتروجين، أو كليهما. وتوسّع البورنة والكرومة المبدأ نفسه ليشمل البورون والكروم، في حين تُدخل السَيَنَدة الكربون والنيتروجين معًا من بيئة تحتوي على السيانيد.

ينبغي ألا تُقيَّم هذه المعالجات وفق صلادة السطح وحدها. فالعنصر المنتشر، والمركّب الناتج عن التفاعل، ودرجة حرارة المعالجة، ومسار التحول، وسُمك الطبقة، والتلاصق، والإجهاد المتبقي، وحالة القلب، كلها تحدد ما إذا كان المكوّن المعالج سيؤدي أداءً جيدًا في البلى الانزلاقي، أو البلى الكاشط، أو الكلال، أو الاحتكاك، أو التآكل الاحتكاكي. وتحدّد المراجعة Tribology and Tribocorrosion of Case-Hardened Steels البورنة، والكرومة، والكربنة، والنترتة، والنتروكربنة، والكربونترتة بوصفها معالجات مترابطة، لكنها لا تنتج أسطحًا قابلة للتبادل.

السَيَنَدة في السياق التاريخي والتقني

السَيَنَدة معالجة كيميائية حرارية يدخل فيها الكربون والنيتروجين إلى سطح الفولاذ من حمام ملحي منصهر من السيانيد، كان يعتمد تاريخيًا في كثير من الأحيان على سيانيد الصوديوم أو سيانيد البوتاسيوم، مع مكوّنات من الكربونات والكلوريدات. يزوّد الحمام الفولاذَ بكلا العنصرين البينيين، بينما تُحفظ المشغولة ضمن المجال الأوستنيتي. وبعد إخراج المكوّن من الحمام، يُجرى له التخمير بالتبريد السريع عادةً، ولذلك يتحول الأوستنيت المُغنى بالعناصر إلى مارتنسيت بدرجة كبيرة. ومن ثمّ تكون القشرة الناتجة، من الناحية المعدنية، أقرب إلى قشرة رقيقة مكربنة-منترتة منها إلى قشرة منترتة تشكلت تحت درجة الحرارة الحرجة.

وتنبع أهميتها التاريخية من الجمع بين سرعة انتقال العناصر والإغناء السطحي الضحل نسبيًا. فقد كان بالإمكان معالجة التروس الصغيرة، والمسامير، والجلب، وسائر الأجزاء المصنوعة من الفولاذ منخفض الكربون للحصول على طبقة مارتنسيتية صلبة، من دون دورة الفرن الطويلة المرتبطة بالكربنة الأعمق. كما توضّح هذه المعالجة سبب عدم جواز استخدام «التقسية السطحية» مرادفًا للكربنة؛ فالسَيَنَدة تزوّد الفولاذ بالنيتروجين إلى جانب الكربون، ويغيّر النيتروجين استقرار الأوستنيت، وقابلية التقسية، وسلوك الأوستنيت المحتفظ به، والاستجابة للتبريد السريع.

وتفرض العملية قيودًا كبيرة. فحمام السيانيد خطر كيميائيًا، ويتطلب ممارسات تشغيلية محكمة في المنشأة، كما يستلزم ضبطًا دقيقًا لتركيب الأملاح ودرجة الحرارة. وتُعد متطلبات المناولة هذه جزءًا من مواصفة العملية، وليست تفاصيل عرضية. كما أن السَيَنَدة غير ملائمة للمكوّنات التي تتطلب قشرة عميقة جدًا، لأن ميزتها العملية تتمثل في التكوين السريع لطبقة مُغناة ضحلة نسبيًا. وقد يؤدي التبريد السريع إلى حدوث تشوه، وإلى نشوء أنماط من الإجهادات المتبقية الشدية أو الانضغاطية، تتأثر بالهندسة، وتركيب الفولاذ، والتحريك، والمراجعة.

ويجب أن يثبت التحقق أكثر من مجرد تسجيل قراءة مرتفعة لصلادة السطح الخارجي. إذ يكشف المقطع العرضي المصقول الانتقال من القشرة المارتنسيتية إلى القلب الأقل احتواءً على الكربون، بينما يحدد مسح الصلادة المجهرية العمق الفعّال للتقسية. ويوفر ISO 18203:2026 إطارًا لقياس الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن المعالجات الكيميائية الحرارية، بما في ذلك الكربنة، والكربونترتة، والنترتة؛ وتتطلب المادة المُسَيَّدة الفصل نفسه بين منحنى الصلادة المقاس وأي طبقة مقدّرة بصريًا. أما ISO 2639:2002 فيتجه تحديدًا إلى عمق القشرة المكربنة والمقساة، ولذلك لا ينبغي افتراض انطباقه تلقائيًا على كل بنية مُسَيَّدة. ويشترط هذا المعيار أن تكون الصلادة أقل من 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق القشرة.

البورنة وطبقات البوريدات الصلبة

تُدخل البورنة، التي تُسمى أيضًا المعالجة بالبورون، البورون إلى سطح الفولاذ لتكوين بوريدات الحديد، بدلًا من مجرد إغناء الفريت أو الأوستنيت بمذاب بيني. وتشمل مسارات المعالجة الشائعة البورنة بالحشو، ومعالجات العجائن أو المساحيق، والأملاح المنصهرة، والطرق الغازية أو المدعومة بالبلازما. ويتحكم المسار المختار في فعالية البورون، ودرجة الحرارة، والزمن، ونظافة السطح، وشكل جبهة التفاعل.

في الفولاذ الكربوني العادي والفولاذ منخفض السبيكة، تكون الأطوار الرئيسة عادةً هي Fe₂B، ومع فعالية بورون أعلى أو تعريض أطول، تتكون طبقة خارجية من FeB فوق Fe₂B. وغالبًا ما يكون شكلها شبيهًا بالأسنان، إذ تتغلغل نتوءات البوريد داخل الركيزة. وقد تحسّن هذه الهندسة التشابك الميكانيكي، لكنها تجعل توصيف الطبقة أكثر اعتمادًا على موضع المقطع وتحضيره. ويكون Fe₂B عمومًا أقل هشاشة من FeB؛ ويمكن لطبقة FeB مفرطة السُمك أو مستمرة أن تقلل تحمل الصدمات، والانحناء، وعدم التطابق الحراري. ولذلك فإن السطح المبورن ليس ببساطة نسخة أشد صلادة من السطح المكربن.

وتُعد طبقة البوريد منطقة تفاعل بين فلزية شبيهة بالسيراميك، ملتصقة بركيزة فلزية. ويعتمد التلاصق على تركيب الركيزة، وتوازن أطوار البوريد، والمسامية، وشكل الواجهة، وضبط العملية. ويمكن للكروم، والنيكل، والموليبدينوم، والكربون أن تغيّر نمو البوريد وتركيب أطواره، ولذلك لا يمكن نقل المعالجة الاسمية نفسها إلى كل درجة من درجات الفولاذ. وقد تدعم الصلادة السطحية العالية مقاومة البلى الكاشط، لكن الكسر أو التقشر قد يهيمنان على الأداء إذا كانت الطبقة سميكة جدًا، أو هشة جدًا، أو ضعيفة الإسناد، أو معرضة لأحمال صدمية.

وتنشأ الإجهادات المتبقية من التمدد الكيميائي أثناء امتصاص البورون ومن الدورة الحرارية معًا. وتتفاعل هذه الإجهادات مع أضرار التجليخ، ومتانة القلب، وأحمال الخدمة. وبناءً على ذلك، ينبغي إقران مسح الصلادة عبر المقطع العرضي بالفحص المعدني الذي يحدد FeB وFe₂B والمسام والشقوق والانتقال إلى الركيزة المتأثرة بالانتشار. وقد يساعد حيود الأشعة السينية في تحديد الأطوار والإجهاد المتبقي، في حين يجب أن تعيد اختبارات البلى إنتاج السطح المقابل والحمل؛ فلا يمكن استنتاج أداء البوريدات من الصلادة وحدها.

الكرومة والأسطح المُغناة بالعناصر

تُدخل الكرومة الكروم إلى السطح بوساطة عملية انتشار عند درجات حرارة مرتفعة. ومن الممكن استخدام التأسمنتة بالحشو، أو الأملاح المنصهرة، أو الطور الغازي، أو الطرق المدعومة بالبلازما، رغم اختلاف كيمياء التفاعل والمعدات المستخدمة. وقد يبقى الكروم في صورة محلول صلب مُغنى بالكروم، أو يتفاعل مع الكربون لتكوين كربيدات غنية بالكروم، أو ينتج طبقة مختلطة من الانتشار والتفاعل. وتعتمد النتيجة بدرجة كبيرة على محتوى الكربون، وعناصر السبيكة، ودرجة الحرارة، والزمن، والكمون الكيميائي للكروم.

ويميز هذا الفرق الكرومة عن الطلاء بالكروم. فالكرومة معالجة كيميائية حرارية بالانتشار؛ إذ يتغير تركيب السطح تحت الواجهة الأصلية، بدلًا من تلقي غشاء مترسب فقط. وفي الفولاذ المحتوي على الكربون، يمكن أن تتكون كربيدات غنية بالكروم قرب السطح؛ أما في تراكيب أخرى، فقد يهيمن إغناء الكروم وانتشاره داخل الفريت أو الأوستنيت. ويؤثر تركيب الأطوار في الصلادة، والمتانة، والاحتكاك، وسلوك الأكسدة، والاستجابة للتآكل.

وقد تكون الكرومة جذابة عندما يحتاج المكوّن إلى سطح مُغنى بالكروم، مقاوم لأنواع معينة من البلى أو الأكسدة أو البيئات الأكّالة، لكنها ليست بديلًا شاملًا للنترتة أو الكربنة. فقد يؤدي التعرض لدرجة حرارة مرتفعة إلى تغيير البنية المجهرية للقلب، أو نمو الحبيبات، أو تغير الأبعاد، أو نشوء إجهادات متبقية أثناء التبريد. كما يمكن أن تكون الطبقات الغنية بالكربيدات هشة، ويعتمد التلاصق على تدرج تركيبي متدرج وركيزة سليمة، وليس على محتوى الكروم وحده.

ولذلك ينبغي أن يجمع التحقق بين القياس المعدني لمنطقة الانتشار أو التفاعل، والتحليل الحساس للتركيب، مثل مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة، أو تحليل التفريغ الوهجي، أو أي طريقة أخرى مؤهلة. وتُظهر مقاطع الصلادة الاستجابة الميكانيكية، لكنها لا تستطيع تحديد كربيدات الكروم أو تمييزها من محلول صلب غني بالكروم. ويفيد ISO 18203:2026 في منطق القياس العام المطبق على الطبقات المقساة كيميائيًا حراريًا، بينما ينبغي أن يذكر التقرير التعريف المختار لسُمك الطبقة المُكرومة والأدلة الطورية التي تدعمه. وفي المعالجات الثلاث جميعًا، لا يتمثل السؤال الصحيح في «ما مدى صلادة السطح؟»، بل في: ما العناصر التي دخلت؟ وما الأطوار التي تشكلت؟ وكيف أُسنِدت الطبقة؟ وهل تتوافق هذه البنية مع نمط الفشل الفعلي للمكوّن؟

التقسية الحرارية الموضعية: اللهب والحث وحزمة الإلكترونات والليزر

يضع المعيار ISO 18203:2026 تقسية اللهب، والتقسية بالحث، والتقسية بحزمة الإلكترونات، والتقسية بالليزر إلى جانب الكربنة، والكربنة النترجينية، والنترتة، بوصفها طرائق لإنتاج طبقات مقسّاة سطحياً. ولهذا التصنيف أهمية. فالتقسية السطحية ليست دورة حرارية واحدة، وليست مرادفاً للكربنة. وتعرّف ASM International التقسية السطحية بأنها معالجة لمادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بدرجة كبيرة من القلب. وعادةً لا تغيّر الطريقة الحرارية الموضعية محتوى الكربون أو كيمياء السبيكة عند السطح. بل تسخّن الفولاذ الموجود بسرعة إلى المجال الأوستنيتي، ثم تحوّل ذلك الأوستنيت إلى مارتنسيت بواسطة الإخماد الذاتي أو إخماد مطبّق.

تعتمد النتيجة بدرجة كبيرة على الدرجة الابتدائية للمادة. إذ يمكن لفولاذ متوسط الكربون مثل AISI 1045 أن يكوّن سطحاً مارتنسيتياً صلداً، غير أن عمق تقسيته تحدده نسبة الكربون وقابلية التصلد. أما فولاذ الكروم-الموليبدينوم مثل AISI 4140 أو EN 42CrMo4 فيمكن أن يتصلد على مسافة أكبر من السطح المسخّن، لأن عناصر السبيكة تؤخر تكوّن البرليت والبينيت أثناء التبريد. ولذلك لا تستطيع العملية الحرارية توفير عمق القشرة نفسه في كل أنواع الفولاذ بمجرد زيادة القدرة أو زمن التعرض. فإذا برد الجزء الداخلي ببطء شديد، فقد يحتوي الجزء السفلي من المنطقة المسخّنة على البينيت أو البرليت أو المارتنسيت المراجع، بدلاً من المارتنسيت المتصلد بالكامل.

تكوين الأوستنيت السطحي والإخماد الذاتي

تبدأ تقسية اللهب، والتقسية بالحث، والتقسية بحزمة الإلكترونات، والتقسية بالليزر جميعاً بعملية تكوين أوستنيت موضعية. إذ تُرفع درجة حرارة السطح فوق درجة الحرارة الحرجة ذات الصلة، وعادةً فوق Ac3 في الفولاذ تحت اليوتكتويدي، بينما تظل الكتلة الأساسية دون تلك الدرجة. ثم تبرد الطبقة المسخّنة عبر مجالي بدء المارتنسيت وانتهائه. وفي كثير من التطبيقات يستخلص القلب البارد الحرارة بسرعة تكفي لتوفير الإخماد الذاتي. وقد يُرش الماء أو البوليمر أو الزيت أو الغاز أيضاً لزيادة معدل التبريد والتحكم فيه.

ولا يضمن الإخماد الذاتي تلقائياً الحصول على صلادة متجانسة. فالعمود الكبير يمتلك قدرة أكبر على سحب الحرارة من الحافة الرقيقة؛ وتفقد الزاوية الحادة الحرارة في عدة اتجاهات؛ كما يمكن لعملية تشغيل سابقة أن تغيّر حالة السطح وتدفق الحرارة. وقد يصبح السطح مارتنسيتياً، بينما تحتوي المنطقة الانتقالية على بنيات مختلطة. ويمكن لدرجة حرارة تكوين الأوستنيت المفرطة أو لزمن المكوث الطويل أن تؤدي إلى تخشّن حبيبات الأوستنيت، وإذابة الكربيدات المفيدة، وزيادة الأوستنيت المحتجز، واتساع المنطقة المتأثرة بالحرارة. أما التسخين غير الكافي فقد يترك فريتاً غير مذاب أو ينتج نمط صلادة يتبع مجال التسخين بدلاً من الهندسة المقصودة.

كما تؤدي الدورة الحرارية إلى نشوء إجهاد متبقٍ. فالمارتنسيت يشغل حجماً أكبر من الأوستنيت الأم، في حين يبرد السطح والقلب ويتحولان في أوقات مختلفة. ويمكن للإجهاد المتبقي الانضغاطي عند السطح أن يحسن مقاومة بدء الشقوق وكلال التلامس، إلا أن الإجهاد الشدي أو التدرج الحاد في الإجهاد قد يعزز التشوه والتشقق. ولا يمكن استنتاج إشارة الإجهاد ومقداره من الصلادة وحدها. فالهندسة، والتقييد، وشدة الإخماد، وتركيب السبيكة، والمراجعة، كلها عوامل مساهمة.

تستخدم تقسية اللهب لهباً أوكسجينياً-وقودياً يُحرَّك عبر الجزء، يتبعه إخماد ذاتي أو رش منفصل. وهي مناسبة للأسطح الكبيرة وأنماط الإنتاج القابلة للإصلاح، إلا أن موضع اللهب، وتدفق الغاز، وسرعة الحركة، وتحكم المشغّل أو الآلة، تؤثر في قابلية التكرار. أما التسخين بالحث فيستخدم مجالاً كهرومغناطيسياً متناوباً تولّده وشيعة. ويحدد التردد والقدرة توزيع التسخين الكهربائي، في حين يحدد شكل الوشيعة ما إذا كان سيُسخّن عمود أو سن أو مسار أو وجه محدد. ولذلك يمكن للحث إنتاج أنماط متكررة بدورات قصيرة مع تقليل تعرض الجزء ككل للفرن.

التقسية بالحث مقارنةً بالكربنة والنترتة

تحافظ التقسية بالحث على التركيب السطحي الأصلي للفولاذ. فالفولاذ الذي يحتوي على 0.40 في المائة من الكربون يبقى تقريباً عند مستوى الكربون نفسه عند السطح؛ ولا يتغير سوى طوره وصلادته. أما الكربنة فتفعل شيئاً مختلفاً: إذ ينتشر الكربون داخل فولاذ منخفض الكربون، مكوّناً سطحاً عالي الكربون فوق قلب منخفض الكربون. وبعد تكوين الأوستنيت والإخماد، يتيح هذا التدرج تكوين قشرة مارتنسيتية صلبة مع قلب أصلب متانة وأقل كربوناً. ويمكن أن تكون الطبقة المكربنة أعمق بدرجة كبيرة من طبقة الحث النموذجية، رغم أن العمق الدقيق يعتمد على درجة الحرارة، والزمن، والجو، ودرجة الفولاذ، والإخماد.

تضيف الكربنة النترجينية كلاً من الكربون والنيتروجين إلى الأوستنيت، وتنتج عادةً قشرة مارتنسيتية. أما الكربنة النيتروجينية فليست مجرد دورة كربنة نترجينية أقصر؛ إذ ينتشر الكربون والنيتروجين داخل الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة، مكوّنين عادةً طبقة مركّبة من الحديد-الكربون-النيتروجين فوق منطقة انتشار مُغناة بالنيتروجين. وتعمل النترتة كذلك تحت مجال التحول، وتكوّن نتريدات سبائكية في أنواع الفولاذ المناسبة. وتغيّر هذه الطرائق الكيميائية الحرارية التركيب، في حين أن التقسية بالحث لا تفعل ذلك عموماً.

ويتحكم هذا الفرق في اختيار المادة. فالحث يتطلب كمية كافية من الكربون لتحقيق صلادة المارتنسيت المطلوبة، وقابلية تصلد كافية لتحقيق العمق المحدد. ويمكن للكربنة استخدام فولاذ ذي قلب منخفض الكربون، مثل درجة فولاذ مخصصة للكربنة، لأن الكربون يُزوَّد عند السطح. وتعتمد النترتة بصفة خاصة على عناصر مكوِّنة للنتريدات مثل الألومنيوم والكروم والموليبدينوم والفاناديوم، ولا تتطلب دورة الإخماد الأوستنيتية نفسها. وقد يتلقى فولاذ منخفض السبيكة يستجيب بصورة ضعيفة للحث طبقة نترتة مفيدة، في حين قد لا ينتج تركيب لا يكوّن النتريدات استجابة النترتة المقصودة.

وتوفر التقسية بالحث عموماً تحكماً موضعياً أفضل وتشوهًا كلياً أقل من دورة كربنة طويلة، إذ لا تُسخَّن سوى المناطق المحددة، كما يقضي الجزء زمناً أقل عند درجة حرارة مرتفعة. لكنها ليست خالية من التشوه. فقد يؤدي عدم انتظام اقتران الوشيعة، أو عدم تماثل سماكة المقطع، أو تأخر الإخماد، أو إجهاد التحول، إلى ثني الأعمدة أو تغيير هندسة الأسنان. وتنتج الكربنة تدرجات أوسع في التركيب والتحول، وقد تسبب نمواً أبعاديّاً، وأوستنيت محتجزاً، وتشوه الإخماد، لكنها تستطيع توفير قشور عميقة حاملة للأحمال. وتتجنب النترتة والكربنة النيتروجينية الفريتية تكوين الأوستنيت على كامل المقطع والإخماد، ولذلك يكون التغير الأبعادي غالباً أصغر؛ غير أنه يجب التحكم في الطبقة المركبة ومنطقة الانتشار بما يتناسب مع بيئة التآكل أو الاحتكاك أو التآكل الثلاثي المقصودة.

الطبقات المقسّاة بالحزمة والليزر

تركّز المعالجة بحزمة الإلكترونات والليزر الطاقة بدقة أكبر حتى من اللهب أو الحث التقليدي. وتنقل حزمة الإلكترونات الطاقة في الفراغ، ويمكنها إنشاء مسارات أوستنتية ضيقة وموضوعة بدقة. أما التقسية بالليزر فتستخدم حزمة ضوئية ممتصة، غالباً ما تُمسح فوق السطح مع ضبط القدرة، وحجم البقعة، وسرعة الحركة للحفاظ على مسار حراري مضبوط. ويمكن لكلتا الطريقتين اتباع مسارات معقدة، ومعالجة أسنان محددة أو مسارات انزلاق، وترك المادة المجاورة قريبة من حالتها الأصلية. وتكون طبقاتهما عادةً ضحلة مقارنةً بقشرة مكربنة عميقة، رغم أن حجم الحزمة، وكثافة الطاقة، ومعدل المسح، ودرجة الفولاذ، واستخلاص الحرارة، تحدد العمق الفعلي.

يمكن أن تؤدي المعالجة بالحزمة إلى تدرجات حرارية شديدة الانحدار. وقد ينتج التبريد السريع مارتنسيتاً دقيقاً ومنطقة انتقالية ضيقة، مع فرصة محدودة لنمو الحبيبات عندما تكون الدورة مضبوطة بصورة صحيحة. كما يمكن أن ينشأ إجهاد متبقٍ شدّي موضعي، أو انصهار سطحي، أو تسخين غير كافٍ، أو نطاقات تراكب ليّنة إذا لم تكن مدخلة الطاقة ملائمة للمادة. وتهدف التقسية بالليزر عادةً إلى البقاء تحت نقطة الانصهار؛ أما الانصهار السطحي بالليزر أو السبك بالليزر فهما عمليتان مختلفتان، ولا ينبغي الإبلاغ عنهما بوصفهما تقسية عادية بالليزر. وتتطلب المعالجة بحزمة الإلكترونات أيضاً التحكم في الفراغ، وبؤرة الحزمة، وسرعة الحركة، وهندسة الجزء.

يجب أن يتجاوز التحقق قياس قيمة واحدة للصلادة السطحية. ويتناول ISO 18203:2026 سماكة الطبقات المقسّاة سطحياً الناتجة عن هذه الطرائق الحرارية، وكذلك عن الكربنة والكربنة النترجينية والنترتة. ويمكن لمسح الصلادة من السطح باتجاه القلب أن يحدد موضع الانتقال، في حين تستطيع الفحوص المجهرية التمييز بين المارتنسيت، والفريت، والبينيت، والأوستنيت المحتجز، والطبقات المركبة، والكربيدات، والنتريدات. وينطبق ISO 2639:2002 تحديداً على تعيين عمق القشرة المكربنة والمقسّاة والتحقق منه، ويستخدم شرط صلادة تقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق القشرة. ولا ينبغي نقل هذا المعيار دون تفكير نقدي إلى كل نمط من أنماط الليزر أو الحث. إذ يجب أن تتوافق طريقة الصلادة المحددة، والحمل، واتجاه المقطع، وهندسة النمط، والإجهاد المتبقي، والتشوه، وحالة التلامس الوظيفية، جميعاً مع المعالجة موضع التقييم.

اختيار الفولاذ والعلاقة بين القشرة والقلب

التقسية السطحية هي معالجة المادة الحديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بدرجة كبيرة من القلب، وفقًا لتعريف ASM International. ويصف هذا التعريف فرقًا في الخواص، وليس دورة فرن معينة أو عائلة محددة من السبائك. ويحدد اختيار الفولاذ نوع الفرق الذي يمكن تحقيقه، وعمق امتداده، وما إذا كان القلب سيظل متينًا بعد تقسية السطح.

وتكتسب الحالة الابتدائية أهمية لا تقل عن أهمية التصنيف الاسمي. فكل من نسبة الاختزال أثناء التشكيل، واتجاه الدرفلة، والتلدين، والتطبيع، والتقسية والمراجعة السابقة، وحجم الحبيبات، والانفصال الكيميائي، وسماحية التشغيل، يؤثر في الاستجابة. لذلك فإن دورة كربنة مطبقة على قطعة خام مطبَّعة ذات حبيبات دقيقة لا تُحدث بالضبط التشوه نفسه أو البنية القلبية نفسها اللذين تحدثهما الدورة ذاتها عند تطبيقها على مكوّن ذي حبيبات خشنة تعرض لتشغيل بارد شديد. ومن ثم، ينبغي أن تتضمن مواصفات المعالجة معًا تصنيف الفولاذ، وحجم المقطع، والمعالجة السابقة، وعمق القشرة المستهدف، وصلادة القلب أو مقاومته، والتشوه المسموح به.

الفولاذ منخفض الكربون للقشرات المكربنة

تلائم الكربنة أنواع الفولاذ التي تحتوي على قدر كافٍ من الكربون لتكوين داخل مارتنسيتي مفيد بعد التبريد السريع، ولكن ليس قدرًا كبيرًا بحيث يصبح المكوّن كله شديد الصلادة أو هشًا بصورة مفرطة. وتُدخل العملية الكربون إلى السطح الأوستنيتي عند درجة حرارة مرتفعة، فتُنشئ قشرة عالية الكربون فوق داخل منخفض الكربون. وبعد الكربنة، يُقسى المكوّن بإجراء الأوستنة والتبريد السريع، وغالبًا ما يتبع ذلك مراجعة عند درجة حرارة منخفضة. وقد يحتوي السطح عندئذٍ على مارتنسيت عالي الكربون، وأوستنيت محتجز، وكربيدات، بينما يكوّن القلب بنية مارتنسيتية أو بينيتية منخفضة الكربون، أو بنية مختلطة، وفقًا لقابلية تصلده وحجم مقطعه.

ومن أنواع فولاذ الكربنة الشائعة SAE 1020 وSAE 8620 وSAE 4320 وAISI 9310 وEN 10084 16MnCr5 وEN 10084 20MnCr5. ولا تعني هذه التصنيفات أن كل نوع مدرج سينتج القشرة نفسها. فالفولاذ SAE 1020 يحتوي على نسبة منخفضة نسبيًا من عناصر السبيكة، كما أن قابلية تصلد قلبه محدودة؛ لذلك قد يحتفظ المقطع السميك بالفريت والبرليت، أو بالبينيت، أسفل القشرة بعد التبريد السريع. أما SAE 8620 وSAE 4320 فيحتويان على الكروم والنيكل والموليبدينوم بنسب تزيد قابلية التصلد وتدعم قلبًا أقوى في المقاطع الأكبر. ويُستخدم AISI 9310، المحتوي على النيكل والكروم والموليبدينوم، عندما تكون هناك حاجة إلى قشرة عميقة ومقاومة قلب عالية، لكنه يظل يتطلب ضبط الأوستنة والتبريد السريع والمراجعة.

ويجب اختيار جهد الكربون ودرجة حرارة الكربنة مع مراعاة محتوى الفولاذ من عناصر السبيكة ومحتوى الكربون السطحي المطلوب. فقد يؤدي ارتفاع محتوى الكربون السطحي بدرجة مفرطة إلى تكوين شبكات الكربيدات، وزيادة الأوستنيت المحتجز، وعدم الاستقرار الأبعادي، بدلًا من تحسين السطح العامل. كما أن تدرج الكربون مهم أيضًا؛ فانتقال حاد قد يركز الإجهادات، في حين تنقل القشرة المتدرجة على نحو مناسب الحمل إلى القلب بصورة أكثر تدرجًا. ولا يمكن استنتاج عمق القشرة الفعّال من صلادة السطح وحدها.

وغالبًا ما تُحدد مواصفات المكوّنات المكربنة بالجمع بين عمق القشرة الفعّال وخواص القلب. ويتناول ISO 2639:2002 تحديد عمق القشرة المكربنة والمقساة والتحقق منه، باستخدام معيار صلادة يقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق القشرة لتحديد مجال التطبيق. ولذلك فإن إجراء مسح للصلادة من السطح باتجاه المركز يوفر معلومات أدق من قراءة واحدة روكويل أو فيكرز عند السطح. وقد يلزم أيضًا إجراء فحص ميتالوغرافي للتعرف على الأكسدة، وترسب الكربيدات، والأوستنيت المحتجز، ونزع الكربون، ومنطقة الانتقال غير الملائمة.

تأثيرات عناصر السبيكة في النترتة والتقسية بالحث

لا تتطلب النترتة والنترتة الكربونية الحديدية التركيب الكيميائي للفولاذ نفسه أو دورة الأطوار نفسها اللازمة للكربنة. ففي أثناء النترتة، ينتشر النيتروجين في الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة، بينما ينتشر الكربون والنيتروجين في الفريت أثناء النترتة الكربونية الحديدية. وقد يحتوي السطح الناتج على طبقة مركبة من نتريدات الحديد، توصف عادةً من خلال أطوار مثل ε-Fe₂–₃N وγ′-Fe₄N، فوق منطقة انتشار تحتوي على نتريدات عناصر السبيكة. ولا يتحول القلب بفعل هذه المعالجة إلى مارتنسيت عالي الكربون؛ بل يجب أن تكون حالته السابقة موفرة أصلًا للمقاومة والمتانة المطلوبتين.

ويُعد كل من الألومنيوم والكروم والموليبدينوم والفاناديوم من العناصر المهمة المكوِّنة للنتريدات. فهي تنتج نتريدات دقيقة ومشتتة من عناصر السبيكة، ترفع صلادة منطقة الانتشار وتحسن مقاومة التشوه اللدن. وترتبط أنواع فولاذ مثل EN 10085 31CrMoV9 وEN 10085 34CrAlNi7-10 بتطبيقات النترتة، لأن الكروم والموليبدينوم والفاناديوم، وكذلك الألومنيوم في النوع الأخير، تدعم تكوين النتريدات. ويمكن للفولاذ الكربوني العادي امتصاص النيتروجين، لكنه لا يطور عمومًا الاستجابة نفسها من التقوية المستقرة بواسطة نتريدات عناصر السبيكة. كما أن التركيز المفرط على صلادة السطح قد يحجب دور الطبقة المركبة في الاحتكاك والتآكل والتآكل الكيميائي والانقفال؛ ولذلك يجب أن يتوافق سمكها وتوازن أطوارها مع طبيعة التلامس.

وتُجرى النترتة عادةً على فولاذ مقسّى ومراجع. وينبغي أن تتجاوز درجة حرارة المراجعة درجة حرارة النترتة المخطط لها، وإلا فقد يلين القلب أثناء المعالجة. ويوضح هذا الشرط سبب عدم إمكان اختيار نوع الفولاذ بمعزل عن تسلسل المعالجة. فقد يملك فولاذ ما مقاومة شد صحيحة قبل النترتة، لكنه قد يفقد جزءًا من هذه المقاومة إذا كانت حالة مراجعته غير ملائمة.

وتختلف التقسية بالحث مرة أخرى. فهي لا تضيف كمية كبيرة من الكربون أو النيتروجين؛ بل تستخدم التسخين الكهرومغناطيسي الموضعي لتكوين الأوستنيت في تركيب السطح الموجود، ثم يتبع ذلك تبريد ذاتي أو تبريد خارجي لإنتاج المارتنسيت. ويغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقساة سطحيًا الناتجة عن التقسية باللهب، وبالحث، وبحزمة الإلكترونات، وبالليزر، إضافة إلى الطبقات الناتجة عن الكربنة، والكربنة النيتروجينية، والنترتة. وفي التقسية بالحث، يؤثر كل من محتوى الكربون، وتوزيع البرليت أو الفريت السابق، وحجم الحبيبات، والخواص الكهربائية، والتردد، وكثافة القدرة، وسرعة المسح، وتأخر التبريد، في شكل الطبقة المقساة.

ويستطيع AISI 1045 عادةً إنتاج طبقة مقساة بالحث ذات فائدة في المقاطع الملائمة، بينما يوفر AISI 4140 قابلية تصلد قلب أكبر بفضل الكروم والموليبدينوم. ولا يمكن نقل برنامج التسخين نفسه بين هذين النوعين دون التحقق من عمق الأوستنة، وشدة التبريد، وقابلية التشقق. فقد يصل السطح إلى صلادة مارتنسيتية، ومع ذلك يفشل إذا كان الانتقال حادًا بدرجة مفرطة أو إذا كان القلب غير المعالج يفتقر إلى المقاومة.

قابلية تصلد القلب والمتانة وحجم المقطع

قابلية التقسيةقابلية التقسية قدرة الفولاذ على تكوين المارتنسيت حتى عمق معين أثناء التبريد؛ وهي تختلف عن صلادة المارتنسيت المتكوّن.

قابلية التصلد هي القدرة على تكوين المارتنسيت عبر مقطع معين أثناء التبريد السريع؛ وهي ليست الشيء نفسه الذي تعنيه الصلادة. ويتحكم الكربون بدرجة كبيرة في صلادة المارتنسيت، بينما تؤخر عناصر السبيكة مثل المنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم عمومًا تحول البرليت والبينيت وتزيد قابلية التصلد. ويمكن أن تساعد استجابة اختبار التبريد النهائي بجوميني، ومنحنى التبريد المحسوب أو المقاس، في ربط نوع الفولاذ وحجم المقطع بالبنية القلبية الناتجة.

فقد يكوّن ترس مصنوع من SAE 8620 قلبًا مارتنسيتيًا إلى حد كبير، في حين قد يحتوي عمود سميك مصنوع من الصهيرة نفسها من الفولاذ على بينيت أو فريت أقل صلادة قرب مركزه. ويؤثر هذا الاختلاف في مقاومة الكلال، والاستجابة للصدمات، والتغير الأبعادي، والدعم الذي يقدمه القلب للقشرة تحت التلامس الدحرجي أو الانزلاقي. وقد تنهار القشرة شديدة الصلادة فوق قلب ضعيف، أو تتشقق، أو تسمح بحدوث كلال تحت السطح، حتى عندما تبدو شهادة صلادة السطح مستوفية للمطلوب.

وتفرض المتانة حدودًا أيضًا. فزيادة محتوى الكربون وعناصر السبيكة قد ترفع صلادة القلب، لكنها قد تقلل تحمله للتركيزات الإجهادية، وأضرار الجلخ، وإجهادات التبريد السريع. وغالبًا ما يدعم النيكل المتانة، في حين قد يؤدي التكوين المفرط للكربيدات أو خشونة حبيبات الأوستنيت إلى الإضرار بها. ويعتمد الحل التوفيقي المطلوب على نمط الحمل؛ فسِن ترس مكربن، وعنق عمود مرفقي منترت، ومكوّن سكة مقسّى بالحث لا تفرض المتطلبات نفسها.

ويتحكم حجم المقطع في معدل التبريد، ومن ثم في تحول القلب. كما يؤثر كل من شدة التبريد، واتجاه الجزء، واختيار الزيت أو البوليمر، والتحريك، والتبريد المتقطع أو بالتجويف، في التشوه والإجهاد المتبقي. وتهم المعالجة الميكانيكية السابقة والهندسة الموضعية أيضًا؛ فالأكتاف الحادة ومجاري المفاتيح والأسنان الرقيقة تسخن وتبرد بطريقة تختلف عن المحاور أو الأعمدة. وبالنسبة إلى الأجزاء الحساسة للتشوه، يمكن اختيار فولاذ أقل قابلية للتصلد مع معالجة أقل عمقًا، أو يمكن إقران نوع فولاذ أعلى قابلية للتصلد بتبريد أقل شدة، لكن لا يكون أي من الخيارين آمنًا دون اختبار.

وينبغي أن يربط التحقق القشرة المحددة بالوظيفة الفعلية للمكوّن. وقد تكون هناك حاجة إلى مسوحات للصلادة، وقياس صلادة القلب، والفحص الميتالوغرافي، وقياس الأوستنيت المحتجز، والفحص الأبعادي، واختبار التشققات. ويوفر ISO 18203:2026 إطارًا لقياس سمك الطبقات المقساة سطحيًا الناتجة عن الطرق الحرارية والكيميائية الحرارية؛ أما ISO 2639:2002 فذو صلة محددة بعمق القشرة المكربنة والمقساة. والمبدأ الحاكم بسيط: عمق القشرة، وبنية القشرة، والإجهاد المتبقي، وحالة القلب، كلها مسألة تصميم واحدة. فلا يمكن لقشرة صلبة أن تعوض عن قلب غير ملائم.

عمق القشرة وملفات الصلادة والتحقق وفق ISO

إن قيمة صلادة السطح ليست قياسًا لعمق القشرة. وتعرّف ASM International التقسية السطحية بأنها معالجة المادة الحديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بدرجة كبيرة من القلب. ويجعل هذا التعريف تدرج الصلادة محورًا أساسيًا؛ فالسؤال المهم ليس مدى صلادة السطح فحسب، بل كيفية تغير الصلادة مع المسافة من السطح، وأين تنتهي الطبقة المقساة.

تعتمد الإجابة على المعالجة. تضيف الكربنة الكربون إلى منطقة داخلية منخفضة الكربون نسبيًا، وتُتبع عادةً بالأوستنة والتخميد، بحيث يتحول السطح المُغنى أساسًا إلى مارتنسيت. أما الكربنة النتريدية فتضيف الكربون والنيتروجين إلى الأوستنيت، وتنتج أيضًا عادةً طبقة سطحية مارتنسيتية. وتعمل النتردة والكربنة النتريدية الحديدية عند درجات حرارة أدنى من درجة التحول الحرجة، مما يسمح بانتشار النيتروجين، أو النيتروجين والكربون، داخل الفيريت. ولا يجوز تفسير مناطق الانتشار والطبقات المركبة والراسبات وتدرجات الصلادة فيها كما لو كانت مارتنسيت مكربنة.

لا تُحدث التقسية باللهب أو بالحث أو بحزمة الإلكترونات أو بالليزر أي تغير مطلوب في كيمياء السطح. فهي تسخّن تركيبًا موجودًا موضعيًا، وتعتمد على تكوّن الأوستنيت، يتبعه التخميد الذاتي أو التخميد المطبق. وقد تتميز الطبقة المارتنسيتية الناتجة بانتقال حاد إلى القلب، في حين تتميز الطبقة المكربنة عادةً بتدرج يعتمد على الكربون، وقد تتضمن أوستنيت محتجزًا أو كربيدات أو نواتج تحول أخرى. أما البوردة والكرومة فتنتجان نوعًا آخر من الطبقات السطحية، غالبًا ما تهيمن عليه مناطق تفاعل صلبة تحتوي على البوريدات أو الكروميدات، بدلًا من طبقة سطحية مارتنسيتية تقليدية غنية بالكربون.

وبناءً على ذلك، يجب ربط «عمق الطبقة السطحية» بتعريف محدد، وحمل قياس، واتجاه قياس، ومعيار قبول معلن. فعمق المعالجة المسجل في مواصفة الفرن أو الحث لا يثبت عمق القياس على المكوّن النهائي.

ISO 18203:2026 وسماكة الطبقة المقسّاة سطحيًا

يوفر ISO 18203:2026 إطارًا واسعًا لتحديد سماكة الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن الطرق الحرارية والحرارية الكيميائية معًا. ويشمل نطاقه المعلن التقسية باللهب، وبالحث، وبحزمة الإلكترونات، وبالليزر، إلى جانب الكربنة النتريدية والكربنة والنتردة. وتكتسب هذه التغطية أهمية لأنها ترفض الافتراض الشائع بأن تقسية الطبقة السطحية تعني الكربنة وحدها.

في المعالجات الحرارية الموضعية، تتكون الطبقة المقسّاة بفعل دورة حرارية وتحول طوري. ويُجرى القياس عادةً باتباع مسار للصلادة من السطح إلى المادة غير المتأثرة. ثم يُحدَّد العمق وفق انتقال الصلادة أو وفق حد آخر محدد في الإجراء المطبق. أما في المعالجات الحرارية الكيميائية، فيمكن تعريف الطبقة المقاسة بالصلادة أو بالفحص المعدني أو بالتركيب الكيميائي أو بمزيج من هذه المعايير، بحسب المعالجة والغرض من الفحص.

لذلك ينبغي قراءة ISO 18203:2026 بوصفه إطارًا للقياس، لا باعتباره ادعاءً بأن معيارًا رقميًا واحدًا ينطبق بالطريقة نفسها على كل فولاذ وكل معالجة. فقد تحتوي الطبقة المنترَدة على طبقة مركبة رقيقة فوق منطقة انتشار. ويمكن أن تكون الطبقة المركبة أصلب من منطقة الانتشار الواقعة أسفلها، لكنها لا تُعد تلقائيًا بديلًا عن العمق الكلي للطبقة المنترَدة. وفي الكربنة النتريدية الحديدية، قد يلزم الإبلاغ عن الطبقة البيضاء ومنطقة الانتشار كلٌّ على حدة. أما الطبقة المكربنة والمخمّدة فقد تُقيَّم بدلًا من ذلك من خلال منحنى صلادة تدريجي يمتد من صلادة سطحية مرتفعة نحو القلب.

يمكن للفحص المعدني تحديد حدود مرئية، مثل الحد الفاصل بين طبقة مركبة ومنطقة الانتشار، أو حد تحول، أو تغير في استجابة الحفر الكيميائي. أما الحد المحدد بالصلادة فمختلف؛ إذ هو موضع يُحسب من مسار انطباعات وباستخدام صلادة حدية محددة. وقد لا يتطابق الحدّان. فقد يكون الانتقال المرئي ذا أهمية كيميائية أو بنيوية، مع إحداث تغير طفيف في الصلادة؛ وعلى العكس، قد يمتد انخفاض الصلادة إلى ما بعد حد يبدو مميزًا في المقطع العرضي المحفور كيميائيًا.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية خاصة بعد التقسية بالحث أو باللهب أو بحزمة الإلكترونات أو بالليزر. فقد يكون الحد المعدني بين المارتنسيت والقلب الأصلي غير منتظم بسبب تدرجات الحرارة والبنية المجهرية السابقة وظروف التخميد. وقد يحدد مسار الصلادة الانتقال الوظيفي عند مسافة مختلفة. كما أن اتجاه القياس مهم أيضًا؛ فالمكوّن الذي يتغير سُمكه المقطعي أو ينحني أو يحتوي على مناطق تسخين متداخلة قد لا تكون له سماكة ثابتة للطبقة المقسّاة.

وعليه، يدعم ISO 18203:2026 إعداد تقارير تحدد الطريقة المستخدمة، وموضع مسار القياس أو المقطع، ومقياس الصلادة والحمل، والتعريف المستخدم للسماكة. فعبارة «عمق الطبقة السطحية: 1.2 mm» غير مكتملة ما لم يذكر التقرير ما إذا كان المقصود عمقًا محددًا بالصلادة، أو عمقًا معدنيًا، أو السماكة الكلية للطبقة، أو هدفًا محددًا في مواصفة المعالجة.

ISO 2639:2002 وعمق الطبقة السطحية المكربنة

يختص ISO 2639:2002 بتحديد عمق الطبقات السطحية المكربنة والمقسّاة والتحقق منه. وليس طريقة عامة للطبقات المنترَدة أو المكربنة نتريديًا أو المبوردة أو المقسّاة بالليزر. ويستند نهج عمق الطبقة السطحية الفعّال المعروف فيه إلى مسار للصلادة، حيث يُؤخذ العمق الفعّال عادةً حتى النقطة التي تنخفض عندها الصلادة إلى 550 HV 1. كما يجب التصريح بشرط انطباق المواصفة: أن تكون الصلادة أقل من 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق الطبقة السطحية.

HV 1HV 1 قياس صلادة فيكرز يُجرى بقوة اختبار اسمية مقدارها 1 kgf، أي نحو 9.807 N.

ويمنع هذا الشرط تطبيق الطريقة دون تأهيل في الحالات التي يظل فيها القلب صلدًا بدرجة مفرطة، أو عندما لا يوفر منحنى الصلادة الفصل المتوقع بين الطبقة السطحية والقلب. ويشير الترميز HV 1 إلى صلادة فيكرز المقاسة بقوة اختبار قدرها 1 kgf، أي نحو 9.807 N. والحمل ليس تفصيلًا شكليًا؛ فتغيير القوة يغير حجم الانطباع، والحساسية تجاه الأطوار الموضعية، وأحيانًا القيمة المسجلة، ولا سيما بالقرب من سطح أو كربيد أو مسام أو حد مجهري بنيوي حاد.

ويناسب ISO 2639:2002 الفولاذ المكربن لأن الكربنة تنتج عادةً تدرجًا في الصلادة يرتبط بتركيز الكربون وتحول التخميد اللاحق. وقد يبقى القلب منخفض الكربون أدنى من الصلادة الحدية، بينما يشكل السطح الغني بالكربون مارتنسيت عالي الكربون. ويمكن للمسار عندئذٍ أن يُظهر منحنى هابطًا من السطح إلى القلب، كما يمكن للاستيفاء تحديد حد الصلادة المحدد بدقة أكبر من المسافة الفاصلة بين الانطباعات الفردية.

والنتيجة هي عمق الطبقة السطحية الفعّال المقاس، وليس بالضرورة العمق المستهدف من دورة الكربنة. فدرجة حرارة الفرن، والجهد الكربوني، والزمن، وتركيب الفولاذ، وبنية الحبيبات السابقة، وشدة التخميد، والمراجعة، وحالة السطح، كلها تؤثر في المنحنى النهائي. وقد يحقق أحد المكوّنات عمق معالجة محسوبًا من زمن الانتشار، لكنه يفشل في متطلب الصلادة لأن التخميد أنتج كمية مفرطة من البينايت، أو لأن المراجعة خفضت صلادة السطح. وعلى العكس، لا تثبت الصلادة السطحية العالية وجود كمية كافية من المادة المقسّاة تحتها.

وتتطلب الطبقات المكربنة نتريديًا عناية خاصة. إذ يتناول ISO 2639:2002 الطبقات المكربنة والمقسّاة، في حين تضيف الكربنة النتريدية كلاً من الكربون والنيتروجين، ويمكن أن تغير قابلية التقسية، والأوستنيت المحتجز، والراسبات، وشكل منحنى الصلادة. وإذا طُبقت المواصفة على منتج مكربن نتريديًا، فيجب أن يوضح الرسم أو المواصفة أو خطة الفحص قابلية التطبيق هذه صراحةً؛ ولا ينبغي عرض النتيجة كما لو أن الكربنة النتريدية والكربنة أنتجتا بنيتين مجهريتين متماثلتين.

كما أن «العمق الكلي للطبقة السطحية» و«العمق الفعّال للطبقة السطحية» مصطلحان مختلفان. فقد يعني العمق الكلي للطبقة السطحية الطبقة الكاملة المتغيرة كيميائيًا أو معدنيًا، بما في ذلك المناطق التي تقل صلادتها عن الحد الفعّال. أما العمق الفعّال للطبقة السطحية فهو اصطلاح مرتبط بمعيار صلادة، مثل 550 HV 1 للطبقة المكربنة والمقسّاة. ولا يساوي أي من المصطلحين تلقائيًا مسافة انتشار الكربون. وقد يمتد منحنى الكربون المقاس بالتحليل الكيميائي إلى مسافة أبعد من العمق الذي يستوفي متطلب الصلادة، ولا سيما عندما تكون قابلية القلب للتقسية منخفضة أو ينتج التخميد نواتج تحول مختلطة.

HV 1 ومسارات الصلادة ومعيار 450 HV 1

يُجرى مسار صلادة فيكرز بوضع سلسلة من الانطباعات من السطح المعالَج باتجاه القلب. ويجب أن تكون المسافة الفاصلة صغيرة بما يكفي لإظهار التدرج، وكبيرة بما يكفي لمنع الانطباعات المتجاورة أو حافة السطح من التأثير في بعضها بعضًا. ولا يوضع الانطباع الأول عادةً مباشرة عند الحافة، لأن تأثيرات الحافة ونزع الكربون والأكسدة والخشونة والانحناء قد تشوه القيمة.

وينبغي أن يسجل التقرير اتجاه المقطع، وتحضير السطح، ومسافة كل انطباع عن السطح، ونتائج HV 1، والطريقة المستخدمة لحساب الحد. ولا يمكن لقراءة سطحية واحدة أن تكشف ما إذا كان المنحنى ينخفض تدريجيًا، أو يحتوي على قمة تصلب فوق منطقة تحت سطحية لينة، أو يبلغ مستوى ثابتًا تسببه طبقة مركبة. وقد تكون هناك حاجة إلى عدة مسارات على سِنّ ترس أو عمود أو مقطع غير منتظم، لأن التسخين والكربنة والتخميد نادرًا ما تكون موحدة على الأشكال الهندسية المعقدة.

وبالنسبة إلى طبقة سطحية مكربنة تُقيَّم وفق ISO 2639:2002، يجب عدم الخلط بين معيار العمق الفعّال البالغ 550 HV 1 وشرط أن تكون الصلادة أقل من 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق الطبقة السطحية. فقيمة 550 HV 1 تحدد الحد الفعّال المحدد، بينما يثبت شرط 450 HV 1 ما إذا كان منحنى الصلادة مناسبًا لتطبيق الطريقة. وهذا الشرط الأخير ليس تعريفًا عامًا لعمق الطبقة السطحية، ولا يعني أن كل طبقة سطحية يجب أن تنتهي عند 450 HV 1.

وتوضح النتردة سبب أهمية هذا التمييز. فقد يؤدي ترسب النتريدات إلى صلادة سطحية عالية تنخفض عبر منطقة انتشار طويلة، بينما يحتفظ القلب بصلادة مرتفعة نسبيًا. وقد يكون حد 450 HV 1 أو 550 HV 1 غير مناسب لوصف الطبقة المنترَدة الوظيفية. وقد يلزم إجراء فحص معدني، أو تحليل لمنحنى النيتروجين، أو تحديد للبنية المجهرية، أو استخدام معيار صلادة خاص بالمعالجة. وينطبق الحذر نفسه على الكربنة النتريدية الحديدية، حيث ينبغي الإبلاغ عن سماكة الطبقة المركبة وعمق منطقة الانتشار كلٌّ على حدة عندما يؤثر كلاهما في سلوك الخدمة.

لذلك ينبغي أن تتوافق عملية التحقق مع المعالجة والخاصية المدعاة. تُعدّ مسارات قياس الصلادة فعّالة للطبقات المقسّاة بالتحول، لكنها لا تحل محل الفحص المعدني أو التحليل الكيميائي عندما تكون الحدود ذات الصلة تركيبية أو قائمة على الأطوار. يوفّر ISO 18203:2026 الإطار الأوسع، بينما يوفّر ISO 2639:2002 طريقة محددة للحالة المكربنة. ولا يحوّل أيٌّ من المعيارين «عمق الحالة» إلى رقم يشرح نفسه بنفسه.

الفحص المعدني: قراءة الحالة المقسّاة

يعطي مسار قياس الصلادة توزيعاً، وليس تفسيراً للبنية المجهرية. ويُظهر الفحص المعدني سبب اتخاذ التوزيع لذلك الشكل: هل تحتوي الحالة على مارتنسيت عالي الكربون، أو بينيت، أو كربيدات، أو نتريدات، أو أوستنيت محتجز؛ وهل يكون الانتقال إلى القلب تدريجياً أم فجائياً؛ وهل أدّت العيوب إلى قطع الطبقة المقسّاة. وتتعامل إرشادات الفحص المعدني الصادرة عن ASM International مع الفحص المجهري باعتباره وسيلة لربط المعالجة وتركيب الأطوار والعيوب بسلوك الجزء أثناء الخدمة، وليس مجرد تأكيد شكلي للصلادة.

وتكمن أهمية هذا التمييز في أن ASM تعرّف التقسية السطحية بأنها معالجة لمادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو حالتها، أصلد بدرجة كبيرة من القلب. وقد يكون السطح قد أُغني بالكربون أو النيتروجين أو كليهما، أو قد يكون تركيب موجود أصلاً قد تحوّل بفعل التسخين الموضعي. وتعتمد البنية المجهرية الناتجة على درجة حرارة العملية، ومعدل التبريد، ومحتوى السبيكة، والمعالجة اللاحقة بالمراجعة.

القطع، والتثبيت، والصقل، والحفر الكيميائي

يجب أن تمثل العينة السطح العامل واتجاهه. ويُقطع المقطع العرضي عادةً عمودياً على السطح المعالج، مع توفير كمية كافية من المادة خلف الحالة لتشمل القلب. وينبغي أن يحدّ القطع من التسخين والتشوه الميكانيكي؛ إذ قد تبدو الحافة المحروقة أو الملطخة كأنها عيب في العملية، كما قد تحجب السطح البيني الحقيقي. وبالنسبة إلى سن ترس أو عمود أو مجرى محمل، فإن موضع المقطع مهم أيضاً، لأن الانحناء وسماكة المقطع وظروف التبريد الموضعية تؤثر في الحالة.

تُثبَّت القطع الصغيرة في راتنج، إما راتنج كبس حراري أو نظام تصلب على البارد. وينبغي أن تدعم مادة التثبيت الحواف الرقيقة من دون أن تملأ الشقوق أو تقتلع طبقات المركبات الهشة. ويجري التجليخ باستخدام مواد كاشطة متزايدة النعومة، يتبعه الصقل بمعلقات الألماس أو السيليكا الغروية. وقد يؤدي الضغط المفرط إلى تسطيح السطح، أو سحب الأوستنيت المحتجز اللين، أو تلطيخ النتريدات والكربيدات على امتداد المقطع. ولذلك فإن الصقل النهائي خطوة معدنية، وليس مجرد تحضير لالتقاط صورة.

يكشف الحفر الكيميائي عن حدود الأطوار وتدرجات التركيب من خلال مهاجمة المناطق المختلفة تفضيلياً. ويُستخدم محلول نيتال بتركيز 2% عادةً للفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبيكة، في حين قد توفر مادة بيكرال أو كواشف أخرى تبايناً أفضل بين المارتنسيت المراجع، والبينيت، والكربيدات. وقد يجعل النيتال غشاءً أكسيدياً، أو طبقة منزوعة الكربون، أو منطقة أوستنيت محتجز تعرضت للهجوم بدرجة طفيفة تبدو خالية من السمات على نحو مضلل. وغالباً ما تتطلب الأسطح المنترتة والمنترتة كربونياً صقلاً دقيقاً وكاشفاً مناسباً، لأن طبقة المركب رقيقة وصلبة وسهلة التفتت أو الاقتلاع.

وينبغي أيضاً فحص الحالة المصقولة غير المحفورة. إذ يمكن أن تكشف عن المسام، والشقوق، والشوائب، والأغشية الأكسيدية، وانفصال طبقة المركب، وآثار الاقتلاع الناتجة عن الصقل، وهي أمور قد تخفيها الصورة المحفورة. ويكون الفحص المجهري الضوئي كافياً عادةً لتحديد مقاطع الحالة ونواتج التحول الرئيسية؛ غير أن المجهر الإلكتروني الماسح، أو حيود الإلكترونات المرتدة، أو تحليل المسبار الدقيق، أو حيود الأشعة السينية قد تكون مطلوبة عندما يتعذر تحديد الأطوار أو توزيع النيتروجين بصرياً.

المارتنسيت، والبينيت، والكربيدات، والنتريدات، والأوستنيت المحتجز

تُظهر الحالة المكربنة عادةً مارتنسيت عالي الكربون بعد إجراء الأوستنة والتقسية، وغالباً مع بعض الأوستنيت المحتجز وجسيمات الكربيد. وقد يكون السطح أخشن أو أكثر غنى بعناصر السبيكة من المنطقة الواقعة تحته إذا لم يُضبط جهد الكربون أو درجة الحرارة أو زمن المكوث جيداً. ويتحول الجزء الداخلي الأقل كربوناً إلى بنية مارتنسيتية أو بينيتية أو مارتنسيتية مراجعة ذات صلادة أقل، وفقاً لنوع الفولاذ وشدة التقسية. وينبغي قراءة الانتقال من الحالة إلى القلب بوصفه تغيراً في البنية، لا مجرد خط حدودي.

تُدخل الكربنة بالنتروجين الكربون والنيتروجين إلى الأوستنيت، وتنتج عادةً حالة مارتنسيتية بعد التقسية. ويمكن للنيتروجين أن يحسن قابلية التقسية قرب السطح، إلا أن الإغناء المفرط قد يزيد الأوستنيت المحتجز أو يؤدي إلى تكوّن النتريدات بعد التبريد. وفي الفولاذ المكربن والفولاذ المكربن بالنتروجين على السواء، تشير كربيدات السبيكة غير المنحلة، وشبكات الكربيد، وحبيبات الأوستنيت الأولية الخشنة، ونواتج التحول اللينة موضعياً إلى مشكلة في ضبط العملية أو السبيكة.

قد يظهر البينيت تحت حالة مارتنسيتية عندما يكون التبريد أبطأ، أو في المقاطع السميكة، أو بعد تقسية متوقفة. ولا يُعد وجوده فشلاً تلقائياً؛ إذ تحدد كميته وشكله المورفولوجي وصلادته وموضعه أهميته. كما أن وجود شريط داكن بعد الحفر وحده لا يُعد وسيلة موثوقة لتحديد الطور.

تختلف النترتة اختلافاً جوهرياً عن الكربنة والكربنة بالنتروجين. إذ ينتشر النيتروجين في الفيريت تحت درجة الحرارة الحرجة، ولذلك لا يلزم حدوث تحول بالتقسية من الأوستنيت إلى المارتنسيت. وقد تحتوي منطقة الانتشار على رواسب نتريدات السبيكة في الفولاذ المحتوي على الكروم أو الموليبدينوم أو الفاناديوم أو الألومنيوم، بينما قد يتكون على السطح طبقة مركب من نتريدات الحديد، وبصورة شائعة ε-Fe₂–₃N وγ′-Fe₄N. كما تُدخل النترتة الكربونية الفيريتية الكربون والنيتروجين تحت درجة الحرارة الحرجة، وتنتج عادةً طبقة مركب فوق منطقة انتشار للنيتروجين والكربون، بدلاً من حالة مارتنسيتية مكربنة.

ويكتسب الأوستنيت المحتجز أهمية خاصة في الطبقات المكربنة والمكربنة بالنتروجين. وقد يبدو فاتحاً بعد الحفر، إلا أن التباين البصري ليس حاسماً. ويمكن للأوستنيت المحتجز الزائد أن يتحول أثناء الخدمة أو التجليخ، مما يغير الأبعاد والإجهاد المتبقي. ويمكن لحيود الأشعة السينية، أو الطرق المغناطيسية، أو الفحص المجهري الكمي المعاير بعناية أن تكمل الفحص المعدني.

طبقات المركبات، والشقوق، والمسامية، والأسطح البينية

ينبغي تقييم طبقة المركب المنترتة كربونياً من حيث السماكة، والاستمرارية، وتركيب الأطوار، والمسامية، والالتصاق. فقد تختلف طبقة رقيقة مستمرة اختلافاً كبيراً عن طبقة مسامية أو متشققة، حتى عندما تكون الصلادة المجهرية للسطحين متشابهة. ويمكن أن تؤثر المسام القريبة من السطح الخارجي، وزيادة طور ε، والشبكات المستمرة الهشة، والانفصال عند السطح البيني بين طبقة المركب ومنطقة الانتشار، في الاحتكاك والتآكل والتآكل الاحتكاكي-الكهروكيميائي. وينبغي أن تُظهر منطقة الانتشار الواقعة تحتها الترسب المتوقع وتغيراً تدريجياً باتجاه القلب.

ويجب فحص المقاطع المكربنة والمكربنة بالنتروجين بحثاً عن نزع الكربون، والأكسدة، والأكسدة بين الحبيبات. ويظهر نزع الكربون على شكل شريط سطحي فريتي منخفض الكربون أو منخفض المارتنسيت، وقد يقلل قدرة تحمل الأحمال. وتتكون الأكسدة بين الحبيبات على امتداد حدود حبيبات الأوستنيت الأولية قرب السطح عندما تخترق أجواء الأفران المؤكسدة قبل اكتمال الإغناء بالكربون. وقد تكون ضحلة لكنها ضارة، لأن الحدود المؤكسدة توفر مسارات لبدء الشقوق. ولا ينبغي الخلط بين الأغشية الأكسيدية والقشور والشوائب غير المعدنية وأطوار السبيكة.

وتكون شقوق التقسية عادةً شقوقاً حادة غير منتظمة تمتد من السطح أو من مواضع تركيز الإجهاد، وغالباً ما تكون أسطح الكسر الطازجة فيها خالية من الأكسيد إذا تكونت أثناء التقسية. ويمكن للفحص المعدني أن يميزها عن شقوق التحضير، التي تنتهي عادةً عند السطح المصقول أو تتبع أضرار التثبيت والتجليخ. وقد تؤدي حروق التجليخ إلى تكوين شريط أُعيدت مراجعته أو أُعيدت تقسيته، وإلى تغير استجابة الحفر وإجهاد متبقٍ شدّي، من دون تكوين شق مفتوح واضح.

وتتطلب العيوب المرتبطة بالتشوه فحص الهندسة إلى جانب البنية. فقد يُظهر الجزء بنية مجهرية مقبولة للحالة، لكنه يفشل في حدود الأبعاد لأن إجهادات التحول غير المتساوية أو التدرجات الحرارية أو الإجهادات المتبقية سببت انحناءً أو لا دائرية أو تغيراً في شكل السن. ولا يستطيع الفحص المعدني قياس التشوه بمفرده، ولذلك ينبغي إقرانه بفحص الأبعاد، وبقياس الإجهاد المتبقي عند الضرورة.

ويرتبط عمق الحالة المعدني بعمق الحالة المقاس بالصلادة، لكنهما غير قابلين للاستبدال. ويحدد ISO 2639:2002 عمق الحالة المكربنة والمقساة من خلال مسار قياس الصلادة، ويستخدم معياراً محدداً يتضمن صلادة تقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق الحالة. ويغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقساة سطحياً باللهب، أو بالحث، أو بحزمة الإلكترونات، أو بالليزر، إضافةً إلى الكربنة بالنتروجين، والكربنة، والنترتة. وقد تحدد الصورة المجهرية حد التحول المرئي، أو منطقة الانتشار، أو طبقة المركب، في حين تحدد طريقة الصلادة عتبة ميكانيكية محددة. وكلا الوصفين مفيد، لكن لا ينبغي الإبلاغ عن أحدهما باعتباره الآخر.

علم الاحتكاك والتآكل الاحتكاكي للفولاذ المقسّى سطحيًا

التقسية السطحية ليست حالة احتكاكية واحدة. وتعرّفها ASM International بأنها معالجة لمادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو طبقة التقسية، أصلب بدرجة كبيرة من القلب. وتغيّر هذه الطبقة الأكثر صلادة طبيعة التلامس، لكن تأثيرها يعتمد على كيفية تحميل التلامس وكيفية إنتاج السطح. فالسنّ المسنّن المقسّى سطحيًا في حالة تلامس تدحرجي–انزلاقي مزلّق لا يفشل بالآلية نفسها التي يفشل بها مكوّن صمام نُترِد في حالة تزييت حدّي، أو عمود خضع للنتروكربنة وتعرّض لإلكتروليت.

وتكمن أهمية هذا التمييز في أن معالجات التقسية السطحية تُدخل أنواعًا كيميائية وأطوارًا وأعماقًا وإجهادات متبقية مختلفة. إذ تُنتج الكربنة سطحًا عالي الكربون فوق داخل منخفض الكربون، ويتبع ذلك عادةً جعل الفولاذ أوستنيتيًا، ثم التبريد السريع، والمراجعة لتكوين طبقة مارتنسيتية عميقة. أما الكربنة النتروجينية فتضيف الكربون والنتروجين إلى الأوستنيت، وتعتمد عادةً على تكوين المارتنسيت. وتُدخل النتردة النتروجين في الفريت، في حين تُدخل النتروكربنة الفريتية كلاً من الكربون والنتروجين تحت درجة الحرارة الحرجة. ويمكن للمعالجات الأخيرة أن تنتج منطقة انتشار للنتروجين، وعندما تسمح ظروف العملية بذلك، طبقة مركّبة من الحديد–الكربون–النتروجين. ولا يمكن استنتاج سلوكها الاحتكاكي والتآكلي من الفولاذ المكربن لمجرد أن جميعها تُسمّى فولاذًا مقسّى سطحيًا.

آليات التآكل والإجهاد التعبّي للتلامس

تُعدّ الطبقة المارتنسيتية العميقة بنيةً حاملةً للأحمال في المقام الأول. إذ تقاوم صلادتها الحفر الكاشط، ونمو الوصلات اللاصقة، والتشوه اللدن بالقرب من سطح التلامس، بينما يدعم القلب الأكثر متانة الطبقةَ تحت تأثير الصدمات والانحناء المتكرر. وتكتسب هذه التركيبة أهمية في التروس، والكامات، وتلامسات التدحرج–الانزلاق ذات الأحمال الكبيرة. ومع ذلك، فإن صلادة السطح العالية لا تمنع التنقّر المجهري، والتنقّر، والتخديش، أو تشقق الطبقة. ويؤثر في النتيجة كلٌّ من إجهاد التلامس، ونسبة الانزلاق، والمحاذاة، وتشطيب السطح، والشوائب، والأوستنيت المحتجز، وتوزيع الكربيدات، وعمق الطبقة، والإجهاد المتبقي الانضغاطي أو الشدي.

في تلامس التدحرج–الانزلاق، يمكن لإجهاد القص المتكرر تحت السطح أن يبدأ شقوقًا أسفل السطح الاسمي. وإذا كان العمق الفعّال للتقسية صغيرًا جدًا مقارنةً بمجال الإجهاد المطبق، فقد تصل الشقوق إلى منطقة الانتقال الأكثر ليونة، فتتسارع عملية التقشر. كما يمكن لسطح شديد الصلادة لكنه هش أن يفقد شظايا عندما تؤدي قمم الخشونة أو الحطام أو التحميل على الحواف إلى توليد إجهاد شد موضعي. وقد يتحول الأوستنيت المحتجز أثناء الخدمة، مما يغيّر الأبعاد والإجهاد المتبقي؛ ويمكن لهذا التغير أن يقلل الضرر أو يزيده، تبعًا للتاريخ الحراري والميكانيكي.

تقدّم النتردة نمطًا مختلفًا لتحمل الأحمال. إذ يقوّي النتروجين منطقة الانتشار من خلال التقسية البينية وتكوين نتريدات السبيكة، بينما تتحكم تركيبة الفولاذ وإمكانات العملية في الاستجابة. وغالبًا ما تكون المنطقة المقسّاة أضحل من طبقة الكربنة، رغم أن تدرّجها وإجهادها المتبقي الانضغاطي يمكن أن يدعما مقاومة الكلال. وقد تتشقق طبقات المركّبات السميكة أو المستمرة مفرطة السمك أو تنفصل تحت تأثير الصدمات الشديدة أو إجهاد هرتزي مرتفع. ويمكن لطبقة مركّبات رقيقة ومضبوطة أن تقلل التآكل اللاصق، لكن أداءها يظل معتمدًا على الخشونة، ومادة السطح المقابل، والتزييت.

تنتج النتروكربنة الفريتية عادةً طبقة مركّبات فوق منطقة انتشار. ويمكن لطبقة المركّبات أن تعمل كسطح تضحية مستقر كيميائيًا أثناء الانزلاق، بينما تدعمها منطقة الانتشار ميكانيكيًا. وإذا كانت الطبقة مسامية، أو ضعيفة الارتباط، أو هشة أكثر من اللازم بالنسبة إلى التلامس، يصبح حطام التآكل جسمًا ثالثًا كاشطًا. ولذلك فإن سُمك الطبقة وحده معيار قبول غير كافٍ.

يجب أن تحاكي اختبارات التآكل نظام الخدمة الفعلي. فلا يمكن لبيانات اختبار القرص–المسمار التي جُمعت عند حمل وسرعة واحدين أن ترتب المعالجات بالنسبة إلى تلامس التدحرج، أو الحركة الترددية، أو تعشيق التروس المزلّق. ويغطي المعيار ISO 18203:2026 الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن التقسية باللهب، أو بالحث، أو بحزمة الإلكترونات، أو بالليزر، وكذلك الكربنة النتروجينية، والكربنة، والنتردة؛ وهو يدعم التحقق من سُمك الطبقة، وليس التنبؤ الشامل بالتآكل.

الاحتكاك وكيمياء السطح

يتحكم في الاحتكاك قصّ النتوءات السطحية، والأغشية الممتزة، والأغشية التفاعلية، وإضافات المزلّقات، وحطام التآكل. وتهم الصلادة، لكنها متغير واحد فقط. فالخشونة تغيّر مساحة التلامس الفعلية واحتمال لحام النتوءات السطحية. ويغيّر الإجهاد المتبقي التشوهَ بالقرب من السطح ونمو الشقوق. ويحدد الحمل وسرعة الانزلاق ما إذا ظل التلامس في حالة تزييت حدّي، أو مختلط، أو هيدروديناميكي.

قد يحقق سطح مارتنسيتي مكربن أداءً جيدًا عندما تحمي بنيته المصقولة والمراجعة طبقةُ مزلّق فعّالة. لكن عند انهيار الغشاء، لا تقضي الصلادة العالية على الانتقال اللاصق أو التخديش. ويمكن للكربيدات، والأوستنيت المحتجز، والأغشية الأكسيدية، ونواتج المراجعة أن تغيّر طريقة تفاعل الإضافات عند الواجهة.

وغالبًا ما تعدّل الأسطح المنترَدة والمنتروكربنة الاحتكاك بوسائل ميكانيكية وكيميائية معًا. فقد تنزلق نتريدات الحديد وكربونترِيداته في طبقة المركّبات بطريقة تختلف عن المارتنسيت المراجع، في حين تحدّ منطقة الانتشار من فشل الإسناد اللدن أسفل تلك الطبقة. ويمكن للمسامية أن تحتجز المزلّق، لكنها قد تحبس أيضًا المحلول الأكّال أو تطلق جسيمات. وتُعد كيمياء المزلّق حاسمة؛ فقد تكوّن الإضافات المحتوية على الكبريت أو الفوسفور أو الزنك أغشية احتكاكية واقية، أو تتفاعل مع عناصر السبيكة، أو تسرّع التآكل الاحتكاكي في وجود الماء.

ولذلك يجب تحديد مادة السطح المقابل. فأسطح الفولاذ المقسّى، والحديد الزهر، والسيراميك، والبوليمر، والسبيكة المطلية تفرض ظروفًا مختلفة من حيث الالتصاق، والكشط، والحرارة، والكيمياء. وقد تؤدي معالجة تقلل الاحتكاك مع سطح مقابل معين إلى زيادة انتقال المادة أو التآكل الناجم عن الجسم الثالث مع سطح مقابل آخر.

التآكل، والتآكل الاحتكاكي، وتأثيرات السطح المقابل

يتفاعل التآكل والتآكل الميكانيكي بدلًا من أن يحدثا كفقدين منفصلين. إذ يزيل الانزلاق الأغشية الأكسيدية أو التفاعلية، ويكشف معدنًا حديثًا، ويزيد المساحة الكهروكيميائية. وقد يؤدي التآكل إلى تليين السطح أو زيادة خشونته، وتوليد الحطام، وجعل الكشط اللاحق أسرع. وتُسمّى هذه العملية المترابطة التآكل الاحتكاكي.

وغالبًا ما يُختار النترِيد والنتروكربنة في المواضع التي يكون فيها أداء مقاومة التآكل مهمًا، لأن الطبقات السطحية الحاوية على النتروجين وطبقات المركّبات يمكن أن تغيّر التفاعلات الكهروكيميائية. لكنها ليست مقاومة للتآكل تلقائيًا. فقد توفر الثقوب الدقيقة، والمسام، وعدم الاستمرارية، وأضرار التجليخ، والتلامس الجلفاني مع سطح مقابل مختلف، مسارات للهجوم الموضعي. وقد تحمي طبقة المركّبات منطقةً معينة بينما تتآكل منطقة متضررة بسرعة. وبالمثل، يعتمد المارتنسيت المكربن بدرجة كبيرة على كيمياء السبيكة، والمراجعة، وتشطيب السطح، وتلوث المزلّق، وظروف التعرض؛ فالطبقة الغنية بالكربون وحدها لا تضمن مقاومة التآكل.

ويمكن لمادة السطح المقابل والبيئة أن تقلبا ترتيبًا مختبريًا للمعالجات. فقد ينتج سطح مقابل من الفولاذ في هواء جاف تآكلًا تأكسديًا، بينما يمكن لمحلول ملحي أن يسبب إزالة الأغشية، والتنقّر، وتسارع فقدان المادة. ويؤثر في النتيجة كلٌّ من الجهد الكهربائي، والأكسجين المذاب، وتركيز الكلوريد، ودرجة الحرارة، وضغط التلامس، وتواتر الانزلاق. ويجب أن تسجل الاختبارات هذه الظروف وأن تفحص كلا العضوين في الزوج، لأن المادة المنتقلة والتأثيرات الجلفانية قد تجعل السطح المقابل غير المعالج ظاهريًا جزءًا من آلية الفشل.

وينبغي أن يجمع التحقق بين مقاطع الصلادة، والفحص المعدني، وقياس طبقة المركّبات أو منطقة الانتشار، والخشونة، وتقييم الإجهاد المتبقي، وفحص مسارات التآكل ونواتج التآكل. وبالنسبة إلى الطبقات المكربنة والمقساة، يستخدم المعيار ISO 2639:2002 شرط صلادة تقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أضعاف عمق الطبقة لتحديد قابلية التطبيق. ويساعد معيار الصلادة هذا على تحديد عمق الطبقة؛ لكنه لا يقيس الاحتكاك، أو عمر الكلال التلامسي، أو مقاومة التآكل الاحتكاكي. وتتطلب هذه الخواص اختبارات متوافقة مع الحمل، والتزييت، والسطح المقابل، والبيئة الفعلية.

التشوه والإجهاد المتبقي والتحكم في العملية

تعتمد الحالة النهائية لمكوّن مقسّى سطحيًا على الدورة الحرارية والكيميائية الكاملة، وليس على اسم المعالجة المدوّن في الرسم. فعبارات «كربنة» أو «نتردة» أو «تقسية بالحث» تصف عائلة من العمليات، لكنها لا تحدد معدل التسخين، أو كيمياء السطح، أو حالة الأطوار، أو شدة التبريد، أو تجانس التبريد، أو المراجعة، أو حالة الإجهاد الناتجة. وتعرّف ASM International تقسية السطح بأنها معالجة مادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلد بدرجة كبيرة من القلب. ولا تمثل الصلادة سوى نتيجة واحدة من نتائج تلك المعالجة.

تشوه التبريد والتغير البُعدي

تنتج الكربنة والكربنة النتروجينية عادةً قشرة أوستنيتية تُبرَّد لاحقًا لتكوين المارتنسيت. ولا يتحول السطح مرتفع الكربون والقلب منخفض الكربون عند درجة الحرارة نفسها أو في الوقت نفسه. فتكوين المارتنسيت يسبب تمدد الفولاذ، في حين يؤدي التبريد من درجة حرارة الأوستنة إلى انكماش حراري. ويمكن للتنافس بين هذين التغيرين أن يعدّل القطر، والاستواء، والت concentricity، وتباعد الأسنان، والاستقامة.

فعلى سبيل المثال، قد تتكوّن في ترس مكربن حافة مقسّاة بينما يواصل قلبه التبريد والانكماش. وإذا برد أحد الجانبين أسرع من الآخر، فإن التدرج الحراري الناتج يسبب الانحناء أو البيضوية. كما تبرد المقاطع التي تشهد تغيرات مفاجئة في السمك، والثقوب العمياء، ومجاري المفاتيح، والزوايا الحادة، والأسطح المتقطعة بمعدلات مختلفة. وتركّز هذه السمات كلاً من انفعال التحول والإجهاد. ولذلك يمكن أن يحدث التشوه حتى عندما تبدو درجتا حرارة الفرن والتبريد مستوفيتين للقيم المحددة لهما.

يجب أن يتوافق اختيار التبريد مع درجة الفولاذ، وحجم المقطع، وبنية القشرة المطلوبة، والتغير البُعدي المسموح به. إذ تفرض الزيوت، والغاز المضغوط، ومحاليل البوليمرات، والماء، والمحلول الملحي معدلات مختلفة لاستخلاص الحرارة، ومخاطر مختلفة لتكوّن غشاء البخار أو التبريد غير المتجانس أو التشقق. وقد يؤدي التبريد الأقل شدة إلى تقليل التشوه، لكنه قد يترك كمية مفرطة من الأوستنيت المتبقي أو تحولاً غير كافٍ في القلب. أما التبريد الأشد فقد يزيد تكوّن المارتنسيت مع رفع الإجهادات الحرارية وإجهادات التحول. وتكتسب عملية التحريك، وكثافة تحميل القطع، واتجاه القطعة، ودرجة حرارة سائل التبريد أهمية تضاهي أهمية التسمية الاسمية لسائل التبريد.

تُجرى النتردة والكربنة النتروجينية الفريتية عادةً تحت درجة الحرارة الحرجة، ولا تتطلبان دورة الأوستنة والتبريد نفسها اللازمة للكربنة. وغالبًا ما يكون تغيرهما البُعدي أقل، لكنه لا يساوي صفرًا. إذ يمكن لنمو الطبقة المركبة، وانفعال منطقة الانتشار، وإجهادات التشغيل السابقة، وتدرجات التسخين أو التبريد أن تغيّر الأبعاد الحرجة. كما تتأثر عمليات التقسية الموضعية باللهب أو بالحث أو بحزمة الإلكترونات أو بالليزر بسرعة المسح، وكثافة القدرة، والتراكب، وانتقال الحرارة إلى المادة غير المسخنة. ويغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن تلك الطرق الحرارية، وكذلك الكربنة النتروجينية والكربنة والنتردة؛ ولذلك يجب الإبلاغ عن الطريقة المستخدمة لإنشاء القشرة مع قياس الطبقة.

يترك التشغيل السابق للتقسية سماحيةً للتشطيب القابل للتنبؤ، بدلاً من محاولة إزالة التشوه بعد حدوثه بالتخمين. وقد تحتاج أسطح الإسناد المرجعية، والتجاويف، وأسنان التروس إلى سماحيات مختلفة. وقد تتطلب القطع التي لا تتحمل الحركة الحرة أثناء التسخين أو التبريد استخدام مغازل أو حلقات إسناد أو تبريد بالضغط. ويجب أن تثبّت التجهيزات القطعة من دون إعاقة تدفق الغاز أو إنشاء مصرف حراري كبير. وقد يقلل التثبيت الذي يقيد التحول الحركة في اتجاه واحد، لكنه يخزن إجهادًا يتحرر أثناء التجليخ.

الإجهاد المتبقي والتشقق

الإجهاد المتبقي هو الإجهاد الداخلي الذي يبقى بعد زوال الحمل الخارجي والتدرج الحراري. ويمكن لتقسية السطح أن تولّد إجهادًا انضغاطيًا نافعًا عند السطح، ولا سيما عندما تتمدد قشرة مارتنسيتية صلبة في مواجهة قلب أقل تحولًا. ويمكن للانضغاط السطحي أن يعاكس إجهادات الشد الناتجة عن أحمال التلامس أو الانحناء الدوري. ولا يكون نافعًا إلا عندما تكون قيمته وعمقه وتجانسه خاضعة للتحكم.

أما الإجهاد غير المتحكم فيه فمختلف. إذ يمكن للإجهاد المتبقي الشدي عند سطح مجلوخ، أو زاوية مكربنة، أو رقعة منزوعة الكربون، أو هندسة حادة، أن يساعد على بدء التشقق. وقد يسبب حرق التجليخ، أو الإزالة المفرطة للسماحية، أو المارتنسيت غير المراجع، أو زيادة سمك الطبقة المركبة، أو عدم تجانس التبريد، إجهادًا شديًا موضعيًا كلٌّ على حدة. ويمكن أن يبدأ الشرخ عند تركيز للإجهاد حتى عندما تستوفي صلادة القشرة المتوسطة متطلبات الرسم.

تقلل المراجعة من هشاشة المارتنسيت الناتج عن التبريد، وتتيح لبعض إجهادات التحول أن تسترخي. ويجب إجراؤها بعد التبريد خلال الزمن المحدد وعند درجة حرارة ملائمة للفولاذ والخواص المطلوبة. فالمراجعة المتأخرة تمثل ضعفًا في التحكم، وليست خيارًا بريئًا في جدولة العمل. وبالنسبة إلى القطع المنترَدة أو المكربنة نتروجينيًا، يمكن لخطوات الأكسدة اللاحقة أو التشطيب الأخرى أن تغير كيمياء السطح وسلوك الاحتكاك، في حين يمكن للتجليخ أن يزيل جزءًا من منطقة الانتشار أو يغير توزيع الإجهاد فيها.

يجب أن يشمل التحقق أكثر من قيمة للصلادة عند السطح. فقد يؤثر عمق القشرة، وصلادة القلب، والأوستنيت المتبقي، وتوزيع الكربيدات أو النتريدات، وسمك الطبقة المركبة، والتشوه، والإجهاد، جميعها في سلوك الخدمة. ويتناول ISO 2639:2002 عمق القشرة المكربنة والمقساة، ويستخدم شرطًا يقضي بأن تكون الصلادة أقل من 450 HV 1 عند ثلاثة أضعاف عمق القشرة لتحديد قابلية التطبيق. ويوفر ISO 18203:2026 إطارًا أوسع لقياس الطبقات الناتجة عن الطرق الحرارية والحرارية الكيميائية. وينبغي ربط المقاطع الميتالوغرافية، ومسارات قياس الصلادة، والقياس الإحداثي، وعند تحديد ذلك، قياس الإجهاد المتبقي بالأشعة السينية، بالأسطح الوظيفية والاتجاهات الحرجة.

الغلاف الجوي ودرجة الحرارة والزمن والتثبيت

يحدد التحكم في الغلاف الجوي ما يمكن أن يدخل إلى الفولاذ وما يمكن إزالته منه. ففي الكربنة، يتحكم كمون الكربون في القوة الدافعة الكيميائية عند السطح. ويؤدي الكمون المنخفض جدًا إلى إثراء غير كافٍ بالكربون؛ بينما قد يؤدي الكمون المرتفع جدًا إلى تكوين كربيدات مفرطة أو سخام أو تدرج كربوني غير مرغوب فيه. ويجب أن تظل درجة حرارة الفرن وكمون الكربون متجانسين في جميع أنحاء الحمولة، لا عند مزدوجة حرارية واحدة للتحكم فحسب. ويمكن لمعايرة المسبار، وتدفق الغاز، وترتيب الحمولة، وتسرب الباب، أن تغيّر القشرة الفعلية.

تتطلب النتردة والكربنة النتروجينية التحكم في تفكك الأمونيا، وكمون النتروجين، وإضافات الغاز الحامل للكربون، ومحتوى الهيدروجين، ودوران الفرن. وتضيف الكربنة النتروجينية الكربون والنتروجين إلى الأوستنيت، وتعتمد عادةً على التبريد للتقسية المارتنسيتية. أما الكربنة النتروجينية الفريتية فتُدخل الكربون والنتروجين في الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة، منتجةً منطقة انتشار وغالبًا طبقة مركبة من الحديد والكربون والنتروجين. وإن التعامل مع هذه الدورات على أنها قابلة للتبادل مع الكربنة يحجب اختلاف إجهادات التحول والتأثيرات البُعدية بينها.

وتكتسب تجانسية التسخين أهمية مماثلة. فقد تصل جلبة سميكة وشفة رقيقة إلى نقطة الضبط في أوقات مختلفة؛ ولا يجعل وضعهما معًا تاريخهما الحراري متطابقًا. ويتحكم الزمن عند درجة الحرارة في الانتشار، ونمو الحبيبات، وتطور الطبقة المركبة، ومدى التحول. وقد يؤدي الزمن المفرط إلى زيادة التشوه أو نسب الأطوار غير المرغوبة من دون معالجة قصور حالة الغلاف الجوي. وتوفر المزدوجات الحرارية، ومسوح الحمولة، ومسوح تجانس الفرن، وبيانات الدورة المسجلة، أدلة على ما تعرضت له القطع فعليًا.

تحمي الأقنعة الأسطح التي يجب أن تظل لينة أو قابلة للتشغيل أو مستقرة بُعديًا. ويمكن للطلاء بالنحاس، ومركبات الإيقاف، والحواجز الميكانيكية، وتجهيزات التثبيت الانتقائية، أن تحد من التعرض الكيميائي، لكن حواف القناع قد تنشئ انتقالات حادة في القشرة وتركيزات موضعية للإجهاد. وتتطلب هذه الانتقالات الفحص.

ولذلك فإن التسلسل المتحكم فيه ضروري: تُشغَّل القطعة مع توفير السماحيات المناسبة، وتُزال الإجهادات السابقة الضارة عند الحاجة، وتُنظَّف القطعة وتُثبَّت بصورة متسقة، ويُتحقق من الغلاف الجوي ودرجة الحرارة، ويُختار التبريد بما يلائم الفولاذ والهندسة، وتُجرى المراجعة فورًا، ثم يُستكمل التشطيب بالتجليخ أو التجليخ الداخلي الدقيق من دون تسخين القشرة مفرطًا. وينبغي إقران الفحص البُعدي النهائي بالتحقق من عمق القشرة والبنية المجهرية. فاسم المعالجة هو الملصق؛ أما التاريخ الحراري والكيميائي والهندسي وتاريخ الإجهاد المقاس فهو العملية الفعلية.

كيفية تحديد متطلبات معالجة التقسية السطحية

لا تُعد عبارة «مقسى سطحياً» متطلباً قابلاً للقياس. وتعرّف ASM International التقسية السطحية بأنها معالجة لمادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو طبقة التقسية، أصلد بدرجة كبيرة من القلب. ويشمل هذا التعريف عدة عمليات مختلفة، ذات كيمياء وآليات تحول وبنى مجهرية وإجهادات وطرائق تحقق مختلفة. ولذلك، يجب أن تحدد المواصفة القابلة للتنفيذ نوع الفولاذ، وحالته الابتدائية، ومسار المعالجة، والنتيجة المطلوب إثباتها.

درجة الفولاذ وحالته الابتدائية

يجب تسمية الفولاذ باستخدام تعيينه القياسي الكامل، وليس بوصف تجاري أو تعبير غير رسمي مثل «فولاذ التقسية السطحية». وينبغي أن تحدد المواصفة المعيار والدرجة الحاكمين، مثل EN 10084 16MnCr5 أو EN 10084 20MnCr5 أو EN 10084 18CrNiMo7-6 أو ASTM A-29/A-29M grade 8620، حيثما يكون ذلك التعيين هو الحاكم للمادة الموردة. وإذا استخدم رسم أحد المكونات تعييناً وطنياً مختلفاً، فيجب بيان التكافؤ صراحةً، بدلاً من افتراض أن الأرقام المتشابهة تدل على تركيب كيميائي متماثل.

كما يجب أن تكون حالة المعالجة الحرارية الابتدائية جزءاً من المتطلب. ويجب بيان ما إذا كان الجزء مورداً في حالة مدرفلة، أو مطبّعة، أو ملدّنة، أو ملدّنة كروية، أو مرويّة ومراجعة، أو في حالة أخرى محددة. وينبغي إدراج نطاق الصلادة الابتدائية عندما يؤثر ذلك في التشغيل الآلي، أو الاستجابة للمعالجة، أو خصائص القلب. فدورة الكربنة المطبقة على فولاذ 16MnCr5 الملدّن لا تُحدد بالطريقة نفسها التي تُحدد بها تقسية فولاذ 42CrMo4 بالحث، بعد تقسيته ومراجعته.

يجب أن تحدد العملية النوع المنتشر ومسار التحول. إذ تُدخل الكربنة الكربون إلى داخلية منخفضة الكربون، فتُنشئ سطحاً مرتفع الكربون يُقسى عادةً بالتسخين إلى منطقة الأوستنيت ثم بالتقسية بالتبريد السريع. أما الكربنة النتروجينية فتُدخل الكربون والنتروجين معاً إلى الأوستنيت، وتُكوّن عادةً طبقة سطحية مارتنسيتية. وتعمل النتردة والكربنة النتروجينية الحديدية عند درجات حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة، حيث ينتشر النتروجين، أو النتروجين والكربون، داخل الفيريت من دون دورة التسخين إلى الأوستنيت والتبريد السريع المميزة للكربنة. أما البورنة والكرومة فتنتجان مناطق سطحية غنية بالبوريدات أو بالكربيدات/الكروم، بدلاً من طبقة مارتنسيتية مكربنة تقليدية.

وتحتاج المعالجات الحرارية الموضعية إلى وصف خاص بها. إذ يتناول ISO 18203:2026 الطبقات المقساة سطحياً الناتجة عن التقسية باللهب، وبالحث، وبحزمة الإلكترونات، وبالليزر، وكذلك الكربنة، والكربنة النتروجينية، والنتردة. وبالنسبة إلى العملية الحرارية، يجب تحديد طريقة التسخين، والتردد أو مدخل الطاقة عند اللزوم، ودرجة حرارة التسخين إلى الأوستنيت أو درجة حرارة السطح، وزمن التسخين أو سرعة المسح، ووسط التبريد، والمراجعة. فالمعالجة الحرارية تقسي تركيب السطح الموجود؛ ولا تضيف بالضرورة الكربون أو النتروجين.

التعريفات المطلوبة لعمق الطبقة والصلادة

يجب تحديد ما إذا كان المتطلب يتعلق بسمك الطبقة المتصلدة الكلي، أو بعمق التقسية الفعال، أو بعمق آخر محدد. فهذه المصطلحات ليست قابلة للتبادل. وبالنسبة إلى الفولاذ المكربن والمقسى، يُحدد عمق التقسية الفعال عادةً من خلال مسح للصلادة: أي العمق الذي تنخفض عنده الصلادة إلى الحد المحدد، وغالباً ما يكون 550 HV، رغم أن المعيار المعني أو الرسم أو متطلب المشتري يجب أن يحدد هذا الحد. وقد يُعرّف عمق الطبقة الكلي بدلاً من ذلك تعريفاً ميتالوغرافياً، مثل العمق حتى حد بنيوي مجهري محدد. وبالنسبة إلى الأجزاء المنترَدة والمكربنة نتروجينياً، يجب التمييز بين الطبقة المركبة ومنطقة الانتشار، وبيان ما إذا كان العمق المبلغ عنه يشمل أياً من المنطقتين.

ينطبق ISO 2639:2002 تحديداً على تحديد عمق التقسية الفعال للفولاذ المكربن والمقسى والتحقق منه. ويستخدم نطاق تطبيقه المحدد شرط صلادة تقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أمثال عمق الطبقة. ولا يجوز نقل هذا الشرط ضمناً إلى الأجزاء المنترَدة أو المكربنة نتروجينياً أو المبورَنة أو المقساة حرارياً. وعندما تقع العملية ضمن نطاقه، يجب الاستشهاد بـ ISO 2639:2002 وبيان معيار الصلادة، ومقياس الصلادة، وقوة الاختبار، واتجاه المسح، وموضع الصفر. فعبارة «عمق التقسية الفعال: 0.8 mm» غير مكتملة ما لم تنص المواصفة أيضاً، على سبيل المثال، على أنه «حتى 550 HV 1، مقاساً من السطح النهائي».

يوفر ISO 18203:2026 الإطار الأوسع لسمك الطبقات المقساة سطحياً الناتجة عن الطرائق الحرارية والحرارية الكيميائية. ويجب الاستشهاد به عندما يشمل المتطلب التقسية بالحث أو باللهب أو بحزمة الإلكترونات أو بالليزر، أو الكربنة أو الكربنة النتروجينية أو النتردة، مع تحديد الطريقة المستخدمة لحساب سمك الطبقة. ويجب أن يرتبط العمق المحدد بالسطح الوظيفي النهائي، لا بمجرد سطح معالج سيُزال لاحقاً بالتجليخ. وإذا سُمح بإزالة جزء من سماحية التشغيل، فيجب بيان مقدار السماحية والعمق المطلوب بعد التشغيل الآلي النهائي.

يجب تعريف الصلادة باستخدام المقياس والحمل. فاكتب HV 1 أو HV 0.5 أو HRC أو مقياساً آخر مقبولاً، مع قوة الاختبار حيثما ينطبق ذلك؛ إذ إن عبارة «الصلادة 60» لا تحمل معنى تقنياً. ويجب تحديد موضع القياس، مثل قطر الخطوة، أو جانب السن، أو نصف قطر الجذر، أو مقعد المحمل، أو مقطع عرضي مأخوذ عمودياً على السطح المعالج. كما يجب بيان ما إذا كان المتطلب حداً أدنى، أو نطاقاً، أو منحنى للصلادة بحدين أقصى وأدنى. ولا يمكن لقراءة واحدة على السطح أن تثبت عمق الطبقة، أو مقاومة القلب، أو انتظامها حول المكوّن.

ينبغي فصل متطلبات القلب عن متطلبات الطبقة السطحية. ويجب تحديد صلادة القلب، وخصائص الشد أو الخضوع عند الحاجة، والبنية المجهرية المسموح بها. فقد تتطلب ترس مكربن طبقة مارتنسيتية، وأوستنيتاً متبقياً مضبوطاً، وشبكات محدودة من الكربيدات، وقلباً مارتنسيتياً مراجعاً. أما الجزء المنترَد فقد يتطلب حدوداً لسمك الطبقة المركبة واستمراريتها، بدلاً من اشتراط مارتنسيت مروي. وتمنع هذه الفروق قبول شهادة العملية لمجرد أن بصمة واحدة على السطح تستوفي قيمة صلادة معينة.

معايير القبول وإعداد التقارير

ينبغي أن تحدد المواصفة خطة أخذ العينات، ومواضع الفحص، ومقطع الاختبار، وتوقيت الفحص. ويجب بيان ما إذا كانت الصلادة تُقاس قبل التجليخ النهائي أو بعده، وكيف تُجهز أسطح الاختبار، وكيف تُحتسب المادة المزالة. وللتحقق من عمق الطبقة، يجب طلب مسح للصلادة يتضمن قراءات عند زيادات محددة من السطح باتجاه القلب. وينبغي أن يسجل التقرير كل قراءة، أو يقدم المنحنى الكامل، لا أن يورد العمق المحسوب منها فقط.

ويجب أن تحدد المتطلبات الميتالوغرافية المقطع والسمات المطلوب فحصها. وبحسب المعالجة، ينبغي الإبلاغ عن البنى المجهرية للطبقة والقلب، وشكل المارتنسيت، والأوستنيت المتبقي، والكربيدات، والنتريدات، والطبقة المركبة، ومنطقة الانتشار، ونزع الكربنة، والأكسدة، والشقوق، والنمو المفرط للحبيبات. وقد يكشف الحفر بحمض النيتال عن طبقة مارتنسيتية مكربنة، في حين تتطلب الطبقات المنترَدة والمكربنة نتروجينياً غالباً طريقة فحص ملائمة لطبقتها المركبة ومنطقة انتشارها. ويجب تحديد حدود القبول بدلاً من تركها للتفسير الشخصي للمفتش.

كما أن المتطلبات البعدية ومتطلبات السطح ضرورية بالقدر نفسه. ويجب تحديد حدود التشوه للانحراف الدوراني، والاستدارة، وشكل السن، وخط السن، والاستواء، أو أي هندسة وظيفية أخرى، إلى جانب حدود التشغيل الآلي بعد المعالجة. ويجب بيان الحدود المسموح بها لحروق التجليخ، وشقوق التبريد، والبقع اللينة، والقشور، والأكسدة بين الحبيبات، وخشونة السطح. ولا يُستدل على الإجهاد المتبقي من الصلادة؛ فإذا كان يؤثر في الكلال أو التآكل أو الاحتكاك أو التآكل الثلاثي، فيجب تحديد طريقة قياسه وموضع القياس.

وأخيراً، يجب طلب تقرير يحدد دورة الفرن أو المعدات، وكيمياء الجو أو الغاز، ودرجات الحرارة، والأزمنة، وظروف التبريد والمراجعة، وإمكانية تتبع الدفعة، ونتائج الصلادة، وطريقة تحديد عمق الطبقة، والنتائج الميتالوغرافية، والفحص البعدي. وينبغي أن يذكر المستند المعيار المنطبق، مثل ISO 18203:2026 أو ISO 2639:2002 أو طريقة أخرى مسماة، وأي انحرافات يحددها المشتري. ومن دون هذه التفاصيل، تصف عبارة «مقسى سطحياً» نيةً لا معيار قبول.

إطار مقارن لاتخاذ القرار بشأن طرق تقسية القشرة

تعرّف ASM International تقسية القشرة بأنها معالجة مادة حديدية بحيث تصبح طبقتها السطحية، أو قشرتها، أصلب بكثير من القلب. ويصف هذا التعريف النتيجة، وليس دورة فرن واحدة. ويستند اختيار المعالجة إلى خصائص السطح والقلب المطلوبة، ودرجة الفولاذ وحالته السابقة، وهندسة المكوّن، ومسار الإنتاج، ومعيار القياس المستخدم للتحقق من النتيجة.

يتمثل القرار الأول في تحديد ما إذا كان يجب تغيير تركيب السطح. فالكربنة، والكربنة النتروجينية، والنترتة، والنترتة الكربونية، والسياندة، والبوردة، والكرومة تُدخل الكربون أو النيتروجين أو البورون أو الكروم إلى السطح. أما التقسية باللهب، أو بالحث، أو بحزمة الإلكترونات، أو بالليزر، فتُحوّل تركيب فولاذ قائمًا من خلال التسخين والتبريد الموضعيين. ويغطي ISO 18203:2026 الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن تلك الطرق الحرارية، وكذلك عن الكربنة والكربنة النتروجينية والنترتة.

متى تكون الكربنة أو الكربنة النتروجينية مناسبة من الناحية المفاهيمية

تكون الكربنة مناسبة من الناحية المفاهيمية عندما يحتاج المكوّن إلى سطح مارتنسيتي صلب ومقاوم للتآكل فوق قلب منخفض الكربون ومتين. وتُنشئ العملية سطحًا عالي الكربون فوق قلب منخفض الكربون. وتُحوَّل الطبقة المُثرّاة عادةً إلى أوستنيت ثم تُخمَّد، فتنتج مارتنسيت عالي الكربون عند السطح، بينما يطوّر القلب بنية تحوّل أكثر متانة وأقل احتواءً على الكربون. ثم تُجرى المراجعة الحرارية لضبط الصلادة والمتانة والاستقرار البُعدي.

يناسب هذا المسار المكوّنات التي تجمع أحمال الخدمة فيها بين إجهاد التلامس عند السطح وإجهاد الانحناء أو الصدم في الجسم. وغالبًا ما تتطلب التروس والأعمدة والمسامير والأجزاء المماثلة ذلك التدرج في الخصائص، إلا أن القرار لا يمكن اتخاذه استنادًا إلى اسم المكوّن وحده. فقد تحتوي القشرة المكربنة على أوستنيت متبقٍّ أو كربيدات أو تدرج في الكربون يؤثر في التشقق والتغير البُعدي وسلوك التلامس الدحرجي والتعب. ولذلك يجب تحديد عمق القشرة المطلوب مع صلادة القلب وبنيته المجهرية، وليس باعتباره رقمًا لصلادة السطح وحدها.

تُدخل الكربنة النتروجينية كلًا من الكربون والنيتروجين إلى الأوستنيت، وتنتج عادةً قشرة مارتنسيتية مقسّاة بعد التخميد. وبالمقارنة مع الكربنة، يمكن اختيار نافذة عمليتها وبنية قشرتها للحصول على طبقة مُثرّاة ضحلة نسبيًا، بينما يؤثر النيتروجين في قابلية التقسية واستجابة السطح. وتكون مفيدة من الناحية المفاهيمية عندما تفضّل الهندسة أو مسار الإنتاج قشرة كيميائية حرارية أكثر ضحالة، وحين يظل تشوه التخميد قابلًا للسيطرة. كما تُدخل السياندة الكربون والنيتروجين، تاريخيًا من خلال عمليات الأملاح المحتوية على السيانيد. ويُعد إدراجها في المقارنة ضروريًا، إلا أن اختيارها يعتمد على الكيمياء المضبوطة، ووسائل الحماية البيئية، وممارسات الحمام الملحي، وحالة القشرة المطلوبة؛ ولا ينبغي التعامل معها على أنها قابلة للاستبدال مباشرةً بالكربنة النتروجينية الحديثة.

تفرض كل من الكربنة والكربنة النتروجينية دورة تحوّل. فالتسخين إلى مجال الأوستنيت والتخميد والمراجعة الحرارية تُنشئ القشرة، لكنها تُنشئ أيضًا المصادر الرئيسية للتشوه والإجهاد المتبقي. وتتطلب المقاطع الرقيقة والانتقالات الحادة والثقوب والأشكال غير المتماثلة اهتمامًا خاصًا بشدة التخميد وتصميم التجهيزات.

متى تكون النترتة أو النترتة الكربونية مناسبة من الناحية المفاهيمية

تكون النترتة مناسبة عندما يُطلب سطح صلب حامل للنيتروجين من دون دورة الكربنة والتخميد الكاملة. وينتشر النيتروجين داخل الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة، مكوِّنًا نتريدات سبائكية ومنطقة انتشار؛ وقد تتكوّن طبقة مركّبة عند السطح، تبعًا لكيمياء الفولاذ وضبط العملية. ويمكن للفولاذ المحتوي على الكروم أو الموليبدينوم أو الألومنيوم أو الفاناديوم أن يستجيب من خلال تكوين نتريدات سبائكية مستقرة، في حين لا توفر أنواع الفولاذ الكربوني العادي استجابة الترسيب نفسها.

ولأن المعالجة تُجرى تحت درجة الحرارة الحرجة، فلا يخضع القلب للتحوّل الأوستنيتي المرتبط بالكربنة. وقد يقلل ذلك من التشوه المرتبط بالتخميد، رغم أن النمو، والإجهادات الموجودة مسبقًا، وتاريخ التشغيل الآلي، وتكوّن طبقات مركّبة هشة أو مفرطة السماكة، تظل تؤثر في الدقة البُعدية وعمر الخدمة. ولذلك تلائم النترتة من الناحية المفاهيمية الأجزاء التي سبق إخضاعها للتقسية والمراجعة الحرارية، والتي تحتاج إلى سطح صلب مع الاحتفاظ بخصائص قلبها.

وتُجري النترتة الكربونية أيضًا نشر الكربون والنيتروجين داخل الفريت تحت درجة الحرارة الحرجة. وهي تختلف اختلافًا جوهريًا عن الكربنة النتروجينية، رغم تشابه الاسمين: فالكربنة النتروجينية تُثري الأوستنيت وتعتمد عادةً على تكوّن المارتنسيت، بينما تُنشئ النترتة الكربونية منطقة انتشار فريتية، وقد تُنشئ طبقة مركّبة من الحديد والكربون والنيتروجين. ويُختار التنتير الفريتي عندما يعتمد سلوك التآكل أو الاحتكاك أو التهشم أو التآكل الاحتكاكي-الكهروكيميائي على بنية السطح تلك، وليس على قشرة مارتنسيتية عميقة. ويجب تحديد الطبقة المركّبة من حيث التركيب والسماكة والمسامية والاستمرارية؛ فالسماكة الأكبر لا تعني تلقائيًا أن الطبقة أفضل.

وتتبع البوردة والكرومة منطقًا تركيبيًا مختلفًا. فالبوردة تُنشئ أطوار بوريد صلبة، بينما تُدخل الكرومة الكروم إلى السطح وقد تُنشئ أطوارًا أو مركّبات غنية بالكروم. ويمكن لكلتيهما تغيير استجابة السطح للسحل والاحتكاك والتآكل، إلا أن السؤال ذي الصلة هو ما إذا كانت بنية الأطوار الناتجة، والتصاقها، وعمقها، وإجهادها المتبقي، تلائم حالة الخدمة. ولا تنشأ أي أفضلية عامة من صلادة السطح الاسمية.

متى تكون التقسية الحرارية الموضعية مناسبة من الناحية المفاهيمية

تكون التقسية الحرارية الموضعية مناسبة عندما يحتوي الفولاذ بالفعل على محتوى الكربون المطلوب، ولا تحتاج إلى التقسية إلا أسطح محددة. فالتقسية باللهب أو بالحث أو بحزمة الإلكترونات أو بالليزر تُسخّن منطقة مضبوطة إلى مجال الأوستنيت، يتبعها تخميد ذاتي أو تخميد مطبَّق. ولذلك تكون الطبقة المقسّاة منطقةً متحوّلة من الفولاذ الأصلي، وليست قشرة مُثرّاة كيميائيًا.

يمكن لهذا الأسلوب الحفاظ على قلب أكثر ليونة ومتانة، وتجنب معالجة الأسطح التي لا تتحمل أحمال التلامس أو التآكل. وهو شديد الحساسية للهندسة، إذ يحدد اتجاه المسح، والزوايا، وتغيرات القطر، وسماكة الجدار، واستخراج الحرارة، وإمكانية وصول مصدر التسخين، عمق المنطقة المقسّاة واستمراريتها. ويمكن للحث أن يتبع نمط ملف مبرمجًا، بينما تتيح طريقتا الليزر وحزمة الإلكترونات تركيز الطاقة في نطاق أضيق؛ وتعتمد التقسية باللهب بدرجة كبيرة على حركة المشعل وتوازن الحرارة. وتؤثر هذه الفروق في الإجهاد المتبقي، وآثار التداخل، والبقع اللينة، والتشوه.

يجب أن تتوافق عملية التحقق مع الطريقة والخاصية المحددة. ويوفر ISO 18203:2026 إطارًا لقياس سماكة الطبقات المقسّاة سطحيًا الناتجة عن المعالجات الحرارية والكيميائية الحرارية. وبالنسبة إلى القشور المكربنة والمقسّاة، يستخدم ISO 2639:2002 معيار صلادة يقل عن 450 HV 1 عند ثلاثة أضعاف عمق القشرة لتحديد نطاق الانطباق. وينبغي أن تحدد المواصفة الصحيحة مقياس الصلادة والحمل، واتجاه المسح، وتعريف عمق القشرة الفعّال أو الكلي، وموضع أخذ العينة، وحدود القبول. وقد يكون الفحص المعدني ضروريًا للتمييز بين المارتنسيت، والأوستنيت المتبقي، والكربيدات، والنتريدات، والبوريدات، والأطوار الغنية بالكروم، والطبقات المركّبة التي لا يمكن للصلادة وحدها تحديدها.

ينبغي أن يطابق اختيار المعالجة حالة السطح والداخل المحددة التي يمكن إنتاجها والتحقق منها للفولاذ وظروف الخدمة. Strong evidence

تنبع المقارنة المحايدة من الآلية. فالكربنة والكربنة النتروجينية تضيفان الكربون، أو الكربون والنيتروجين معًا، إلى الأوستنيت، وتنشئان عمومًا قشرة مارتنسيتية مخمَّدة؛ أما النترتة والنترتة الكربونية فتضيفان النيتروجين، أو النيتروجين والكربون معًا، تحت درجة الحرارة الحرجة، وتنتجان مناطق انتشار قد تتكوّن فوقها طبقات مركّبة؛ وتجمع السياندة بين الكربون والنيتروجين من خلال عملية ملحية؛ بينما تُنشئ البوردة والكرومة مناطق سطحية متميزة كيميائيًا، حاملةً للبورايد أو للكروم؛ وتحوّل التقسية باللهب أو بالحث أو بحزمة الإلكترونات أو بالليزر الفولاذ القائم موضعيًا. ولذلك تختلف أنظمة درجات الحرارة، وبنى القشرة، واستجابات القلب، ومخاطر التشوه، والقيود الهندسية، وإجراءات التحقق من طريقة إلى أخرى. والسؤال الهندسي الصحيح ليس أي الطرق «أفضل»، بل أي حالة محددة للسطح والقلب يمكن إنتاجها والتحقق منها بالنسبة إلى الفولاذ وظروف الخدمة.