الكربنة

الكربنة ، أو التصليد الحراري ، هي عملية معالجة حرارية يتم فيها امتصاص الحديد أو الفولاذ للكربون أثناء تسخينه في وجود مادة غنية بالكربون، مثل الفحم أو أول أكسيد الكربون . والهدف من ذلك هو زيادة صلابة المعدن ومقاومته للتآكل. ^{[ 1 ]} يختلف محتوى الكربون في المنطقة المتأثرة تبعًا لمدة المعالجة ودرجة الحرارة. عادةً ما تؤدي فترات الكربنة الأطول ودرجات الحرارة الأعلى إلى زيادة عمق انتشار الكربون. عند تبريد الحديد أو الفولاذ بسرعة عن طريق التبريد السريع ، يصبح محتوى الكربون العالي على السطح الخارجي صلبًا نتيجةً لتحوله من الأوستنيت إلى المارتنسيت ، بينما يبقى اللب لينًا ومتينًا ببنية مجهرية من الفريت و/أو البيرلايت . ^{[ 2 ]}

تتميز عملية التصنيع هذه بالنقاط الرئيسية التالية: تُطبق على قطع العمل منخفضة الكربون؛ وتكون قطع العمل على اتصال بغاز أو سائل أو مادة صلبة عالية الكربون؛ وتُنتج سطحًا صلبًا لقطعة العمل؛ وتحتفظ لبّات قطع العمل إلى حد كبير بمتانتها وليونتها ؛ وتُنتج أعماق صلابة سطحية تصل إلى 6.4 مم . وفي بعض الحالات ، تُستخدم كحلٍّ لإزالة الكربون غير المرغوب فيها التي حدثت سابقًا في عملية التصنيع. 

تتضمن عملية الكربنة معالجة حرارية للسطح المعدني باستخدام مصدر للكربون. ^{[ 3 ]} يمكن استخدام الكربنة لزيادة صلابة سطح الفولاذ منخفض الكربون. ^{[ 3 ]}

استُخدمت في عمليات الكربنة المبكرة طريقة التطبيق المباشر للفحم المُغلف حول العينة المراد معالجتها (والتي كانت تُعرف في البداية باسم التصليد السطحي )، أما التقنيات الحديثة فتستخدم غازات أو بلازما تحتوي على الكربون (مثل ثاني أكسيد الكربون أو الميثان ). وتعتمد هذه العملية بشكل أساسي على تركيبة الغاز المحيط ودرجة حرارة الفرن، والتي يجب التحكم بها بدقة، حيث قد تؤثر الحرارة أيضًا على البنية المجهرية لبقية المادة. وفي التطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في تركيبة الغاز، يمكن إجراء الكربنة تحت ضغوط منخفضة جدًا في غرفة مفرغة من الهواء .

تُستخدم عملية الكربنة بالبلازما بشكل متزايد لتحسين خصائص سطح المعادن المختلفة، ولا سيما الفولاذ المقاوم للصدأ ، وذلك من خلال تحسين خصائصها السطحية (مثل مقاومة التآكل، ومقاومة الصدأ ، والصلابة ، وقدرة تحمل الأحمال، بالإضافة إلى متغيرات الجودة الأخرى) . وتُعد هذه العملية صديقة للبيئة (مقارنةً بالكربنة الغازية أو الصلبة). كما أنها توفر معالجة متجانسة للمكونات ذات الأشكال الهندسية المعقدة (حيث يمكن للبلازما اختراق الثقوب والفجوات الضيقة)، مما يجعلها مرنة للغاية في معالجة المكونات.

تتم عملية الكربنة عبر انتشار ذرات الكربون في الطبقات السطحية للمعدن. ولأن المعادن تتكون من ذرات مرتبطة بإحكام في شبكة بلورية معدنية ، تنتشر ذرات الكربون في البنية البلورية للمعدن، إما أن تبقى في المحلول (مذابة داخل المصفوفة البلورية للمعدن - ويحدث هذا عادةً عند درجات حرارة منخفضة) أو تتفاعل مع عناصر المعدن الأساسي لتكوين الكربيدات (يحدث هذا عادةً عند درجات حرارة أعلى، نظرًا لزيادة حركة ذرات المعدن الأساسي). إذا بقي الكربون في محلول صلب، يُعالج الفولاذ حراريًا لتقويته. تعمل كلتا الآليتين على تقوية سطح المعدن، الأولى بتكوين البيرلايت أو المارتنسيت، والثانية بتكوين الكربيدات. كلا المادتين صلبتان ومقاومتان للتآكل.

تتم عملية الكربنة الغازية عادة عند درجة حرارة تتراوح بين 900 و 950  درجة مئوية.

في لحام الأوكسي أسيتيلين ، يُستخدم لهب الكربنة، وهو لهب يحتوي على نسبة قليلة من الأكسجين، وينتج عنه لهب أسود اللون ذو درجة حرارة منخفضة. ويُستخدم هذا النوع من اللحام غالبًا لتليين المعادن، مما يجعلها أكثر ليونة وقابلية للطرق أثناء عملية اللحام.

يتمثل أحد الأهداف الرئيسية عند إنتاج قطع العمل المُكربنة في ضمان أقصى قدر من التلامس بين سطح قطعة العمل والعناصر الغنية بالكربون. في الكربنة الغازية والسائلة، تُثبّت قطع العمل عادةً في سلال شبكية أو تُعلّق بواسطة أسلاك. أما في الكربنة المُغلّفة، فتُغلّف قطعة العمل والكربون في حاوية لضمان استمرار التلامس على أكبر مساحة سطح ممكنة. تُصنع حاويات الكربنة المُغلّفة عادةً من الفولاذ الكربوني المطلي بالألومنيوم أو سبيكة النيكل والكروم المقاومة للحرارة، وتُغلق جميع فتحاتها بطين ناري.

يمكن تحقيق عملية الكربنة إما في فرن تقليدي (فرن ذو ضغط جوي) أو في فرن كربنة منخفض الضغط (LPC). ^{[ 4 ]}

• الفرن التقليدي (فرن الغلاف الجوي): الكربنة التقليدية هي عملية يتم التحكم فيها بواسطة الغلاف الجوي مع التحكم في إمكانات الكربون.
• فرن الكربنة منخفض الضغط (LPC): يتم تشغيل الكربنة منخفضة الضغط بدون أي أكسجين ومع حقن غاز الكربنة (مثل الأسيتيلين ).

تُستخدم أنواع مختلفة من العناصر أو المواد في هذه العملية، ولكنها تتكون في الغالب من مواد غنية بالكربون. ومن عوامل التصليد الشائعة غاز أول أكسيد الكربون (CO)، وسيانيد الصوديوم ، وكربونات الباريوم ، أو فحم الخشب الصلب. في عملية الكربنة الغازية، ينبعث الكربون من البروبان أو الغاز الطبيعي . أما في عملية الكربنة السائلة، فيُستخلص الكربون من ملح منصهر يتكون أساسًا من سيانيد الصوديوم (NaCN) وكلوريد الباريوم (BaCl₂ ₎ . وفي عملية الكربنة التقليدية، ينبعث أول أكسيد الكربون من فحم الكوك أو فحم الخشب الصلب.

تتنوع أنواع المشغولات التي يمكن معالجتها بالكربنة، مما يتيح إمكانيات لا حصر لها تقريبًا لأشكال المواد التي يمكن معالجتها بالكربنة. مع ذلك، ينبغي إيلاء عناية فائقة للمواد التي تحتوي على مقاطع غير منتظمة أو غير متناظرة. فقد تختلف معدلات التبريد باختلاف المقاطع العرضية، مما قد يُسبب إجهادات مفرطة في المادة ويؤدي إلى كسرها. ^{[ 5 ]}

يكاد يكون من المستحيل إخضاع قطعة عمل لعملية الكربنة دون حدوث بعض التغييرات في أبعادها. ويختلف مقدار هذه التغييرات تبعًا لنوع المادة المستخدمة، وعملية الكربنة التي تخضع لها المادة، والحجم والشكل الأصليين لقطعة العمل. ومع ذلك، فإن هذه التغييرات طفيفة مقارنةً بعمليات المعالجة الحرارية. ^{[ 5 ]}

عادةً ما تكون المواد التي تخضع لعملية الكربنة عبارة عن فولاذ منخفض الكربون وفولاذ سبيكي، بنسبة كربون أولية تتراوح بين 0.2 و 0.3%. يجب أن يكون سطح قطعة العمل خاليًا من الملوثات، مثل الزيوت والأكاسيد والمحاليل القلوية، التي تمنع أو تعيق انتشار الكربون في سطح قطعة العمل. ^{[ 5 ]}

بشكل عام، يمكن لمعدات الكربنة المضغوطة استيعاب قطع عمل أكبر حجمًا من معدات الكربنة السائلة أو الغازية، إلا أن طرق الكربنة السائلة أو الغازية أسرع وتُسهّل مناولة المواد آليًا. كما تتميز الكربنة عن الكربنة النيتروجينية بعمق طبقة أكبر (يصل إلى أكثر من 0.3 بوصة)، وتشوه أقل، ومقاومة أفضل للصدمات. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب قوة عالية ومقاومة للتآكل (مثل المقصات والسيوف). أما عيوبها فتتمثل في التكلفة الإضافية، وارتفاع درجات حرارة التشغيل، وزيادة الوقت. ^{[ 5 ]}

بشكل عام، تُستخدم عملية الكربنة الغازية للأجزاء الكبيرة. أما الكربنة السائلة فتُستخدم للأجزاء الصغيرة والمتوسطة، بينما يمكن استخدام الكربنة المعبأة للأجزاء الكبيرة ومعالجة الأجزاء الصغيرة بكميات كبيرة. ويمكن تطبيق الكربنة الفراغية (الكربنة منخفضة الضغط أو LPC) على نطاق واسع من الأجزاء عند استخدامها مع التبريد بالزيت أو التبريد بالغاز عالي الضغط (HPGQ)، وذلك حسب عناصر السبائك الموجودة في المادة الأساسية. ^{[ 5 ]}

• الكربنة النيتروجينية
• التصليد السطحي
• عملية التصلب
• فولاذ البوتقة
• درع هارفي (المعروف أيضًا باسم الفولاذ المعالج بتقنية هارفي)، وهو تطبيق مبكر لعملية الكربنة
• هايوارد أ. هارفي ، رائد في تطوير عملية الكربنة
• درع كروب
• النتردة

• جيفري باريش، الكربنة: البنى المجهرية والخواص. الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. 1999. صفحة 11
• شركة ECM USA، مقارنة بين أنظمة أفران الكربنة الجوية التقليدية وأنظمة أفران الكربنة منخفضة الضغط. https://www.ecm-usa.com/resources/lpc-comparison

• "MIL-S-6090A، المواصفة العسكرية: عملية معالجة الفولاذ المستخدم في كربنة ونتردة الطائرات" . وزارة الدفاع الأمريكية . 7 يونيو 1971. مؤرشفة من الأصل (PDF) في 29 أغسطس 2019. تم الاطلاع عليها في 19 يونيو 2012 .